CN110038441B - 一种中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统，包括激励电压源、计算机、多路选通激励模块、多路选通测量模块和电极检测管，激励电压源的输出电源连接多路选通激励模块的电源输入端，多路选通激励模块的激励电压输出端连接电极检测管的激励电压输入端，电极检测管的电压信号输出端连接多路选通测量模块的电压信号输入端，多路选通测量模块的电压检测信号输出端连接计算机的信号输入端，计算机的控制信号输出端分别连接多路选通激励模块和多路选通测量模块的控制信号输入端。本发明能够直接安装在膜组件出水端，实现分布式在线检测膜组件的完整性，灵敏度高，无需引入示踪剂等二次污染物质，操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及一种中空纤维膜组件在线检测系统。特别是涉及一种中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统。
背景技术
膜分离技术作为第三代水处理工艺被广泛应用于污水回用、饮用水深度处理过程中，但在实际工程应用中颗粒或尖锐物与膜表面摩擦、水流冲击作用、膜材料老化等都会引起膜组件的破损，膜组件完整性一旦被破坏将造成严重后果，原水中的大分子有机物，胶体，细菌，病毒等微生物将会通过破损位置进入出水侧，影响出水水质对人类健康带来威胁，尤其在饮用水处理中不但可导致急慢性中毒，还可能导致流行性疾病的发生。因此，如何及时有效地检测膜破损，确保膜完整性对于饮用水安全、污水达标排放尤为重要。现有的膜完整性检测技术如压力衰减测试等直接检测方法一般需离线、加压等操作，而颗粒计数等间接检测方法虽操作简便但成本较高，媒介示踪法需引入纳米、磁性颗粒等示踪剂，安全性有待验证。
电阻抗断层成像技术(EIT)多用于医疗领域，通过电极系统中激励电极系统向人体组织或器官施加一定的激励电流源，然后通过电极阵列中的电压测量电极系统测量流经人体激励源产生的电压信号，从而重建反映组织或器官功能状态与变化规律的功能性电阻抗分布图，其具有无损检测、功能成像和连续测量等优势。当前已有将电阻抗断层成像应用于油气管道裂纹损伤定量测量、水泥基材料渗水检测、立木探伤检测、流液中微粒的检测、监测固液混合罐中的混合情况等方面的研究，并取得了较好的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种无污染，成本低，可实现连续在线测量、操作简便的中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统。
本发明所采用的技术方案是：一种中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统，包括激励电压源和计算机，还设置有多路选通激励模块、多路选通测量模块和电极检测管，所述激励电压源的输出电源连接所述多路选通激励模块的电源输入端，所述多路选通激励模块的激励电压输出端连接所述电极检测管的激励电压输入端，所述电极检测管的电压信号输出端连接所述多路选通测量模块的电压信号输入端，所述多路选通测量模块的电压检测信号输出端连接所述计算机的信号输入端，所述计算机的控制信号输出端分别连接所述的多路选通激励模块和多路选通测量模块的控制信号输入端。
所述的电极检测管包括有上下贯通的中空检测管，所述中空检测管内侧壁上绕同一圆周线等间隔的并排设置有若干个电极，所述若干个电极上分别设置有用于连接所述多路选通激励模块或多路选通测量模块的外接导线。
所述的若干个电极是绕位于所述中空检测管内侧壁中部的圆周线等间隔并排设置。
当所述的若干个电极中相邻的两个电极作为激励电压输入端连接多路选通激励模块的激励电压输出端时，其余的电极中，每相邻的两个电极之间的电压作为电压输出端连接所述多路选通测量模块的电压信号输入端。
所述的电极为钛合金电极，长度为b，宽度为c，且b＝2c。
本发明的一种中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统，能够直接安装在膜组件出水端，实现分布式在线检测膜组件的完整性，灵敏度高，无需引入示踪剂等二次污染物质，操作简便。
附图说明
图1是本发明中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统的整体结构示意图；
图2是本发明中电极检测管的整体结构示意图；
图3是本发明中多路选通激励模块或多路选通测量模块中多路开关电路的原理图；
图4是本发明一种中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统测量原理示意图。
图中
1：激励电压源 2：多路选通激励模块
3：电极检测管 4：多路选通测量模块
5：计算机 6：中空检测管
7：电极 8：外接导线
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统做出详细说明。
实验中膜组件一旦破损，原水中的颗粒杂质、离子污染物、气泡等将进入膜过滤出水侧，导致膜组件出水侧电导率升高，电阻抗降低。通过计算物体内部的电导率来重建图像，采用相邻电流激励和相邻电压测量方式。研究采用以电阻抗分布变化量的相对差值为成像目标的动态电阻抗成像方法，成像速度快，抗干扰性较强，采用电流密度分布均匀的矩形电极，相邻激励测量模式，以期达到实时在线、高效灵敏地检测膜组件完整性的要求。
本发明的一种中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统，从实际工程应用出发，主要目的是借助电阻抗断层成像技术建立一套操作简便、可在线连续检测的膜完整性检测系统。通过搭建16个电极EIT系统，基于注入电流采集电压的方式，用相邻电极激励测量方法获得成像数据，运用基于等位线反投影方法的电阻抗成像技术进行图像重构，根据重构的电阻抗变化图像获得膜完整性信息。对于膜完整性检测，电阻抗断层成像膜完整性检测技术具有无污染，成本低，可实现连续在线测量、操作简便等优点，而且不需要额外投加化学试剂，减少对水体的二次污染。
如图1所示，本发明的一种中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统，包括激励电压源1和计算机5，还设置有多路选通激励模块2、多路选通测量模块4和电极检测管3，所述激励电压源1的输出电源连接所述多路选通激励模块2的电源输入端，所述多路选通激励模块2的激励电压输出端连接所述电极检测管3的激励电压输入端，所述电极检测管3的电压信号输出端连接所述多路选通测量模块4的电压信号输入端，所述多路选通测量模块4的电压检测信号输出端连接所述计算机5的信号输入端，所述计算机5的控制信号输出端分别连接所述的多路选通激励模块2和多路选通测量模块4的控制信号输入端。
如图2所示，所述的电极检测管3包括有上下贯通的中空检测管6，所述中空检测管6内侧壁上绕同一圆周线等间隔的并排设置有若干个电极7，用于设置电极7的所述的圆周线位于所述中空检测管6内侧壁的中部。所述若干个电极7上分别设置有用于连接所述多路选通激励模块2或多路选通测量模块4的外接导线8。所述的电极7为钛合金电极，长度为b，宽度为c，且b＝2c。
当所述的若干个电极7中相邻的两个电极7作为激励电压输入端连接多路选通激励模块2的激励电压输出端时，其余的电极7中，每相邻的两个电极7之间的电压作为电压输出端连接所述多路选通测量模块4的电压信号输入端。
所述的多路选通激励模块2和多路选通测量模块4结构相同，均是采用STM32系列的单片机(如STM32F1单片机)作为控制单元，由干簧管继电器组成的矩阵结构构成的图3所示的多路开关电路，图3中的i和j表示开关控制信号的输入端对应连接STM32系列的单片机控制信号输出端，其中i和j均取16。
本发明的一种中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统的检测方法，将电极检测管3安装在膜组件出水管处，依次将所述的若干个电极7中相邻的两个电极7作为激励电压输入端连接多路选通激励模块2的激励电压输出端，其余的电极7作为电压信号输出端连接所述多路选通测量模块4的电压信号输入端进行检测，直至将所有相邻的两个电极7作为激励电压输入端连接多路选通激励模块2其余的电极7作为电压信号输出端连接所述多路选通测量模块4的电压信号输入端完成检测。具体如下：
首先将电极检测管3安装在膜组件出水管处，打开激励电压源1，通过多路选通激励模块2(激励通道)在相邻两个电极7(p1、p2)上施加正弦交流电，电流流经被测物体可得到相应的电压信号，通过多路选通测量模块4(测量通道)依次测量其他相邻两个电极7间的电压(如图4中所示的p3、p4....p15、p16)，得到电压数据；通过计算机5采用等位线反投影算法对数据进行比对及图像重建，图像重建时采用RGB色彩模式，对不同的电阻抗单元设置不同颜色，电阻抗高时为红色，电阻抗低时为蓝色，通过图像的颜色可以判断出膜组件出水的电阻抗变化情况。当膜组件完整时，系统出水电阻抗较高为红色，随着系统运行，膜组件出现破损，更多的杂质进入出水侧，系统出水电阻抗降低逐渐出现蓝色的变化。
数据处理，首先当膜组件完整时，膜组件出水通过电极检测管，点击开始测量当前水质电阻抗情况作为空场，电阻抗均值W0作为基准，当膜组件出现破损时，原水中的颗粒物质以及气泡会通过膜组件破损处进入出水端，流经检测管3导致检测电阻抗的变化，同时在当前条件下点击测量物场，其中物场为本次检测值与空场的差值，此时物场电阻抗均值为W1，
在研究中膜丝破损时最低检测精度为θi时，如式：
其中A为膜组件总面积(m2)，D0为中空纤维膜外径(m)，L为膜丝长度(m)，ni为破损纤维膜丝数，当ni＝1时，为以纤维膜丝数计最低可检测破损率θ，此时电阻抗均值为Wθ，当W1≥Wθ时可认为膜组件出现破损，截留效果降低，需要维修或者更换膜组件。
Claims (2)
1.一种中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统，包括激励电压源（1）和计算机（5），其特征在于，还设置有多路选通激励模块（2）、多路选通测量模块（4）和电极检测管（3），所述激励电压源（1）的输出电源连接所述多路选通激励模块（2）的电源输入端，所述多路选通激励模块（2）的激励电压输出端连接所述电极检测管（3）的激励电压输入端，所述电极检测管（3）的电压信号输出端连接所述多路选通测量模块（4）的电压信号输入端，所述多路选通测量模块（4）的电压检测信号输出端连接所述计算机（5）的信号输入端，所述计算机（5）的控制信号输出端分别连接所述的多路选通激励模块（2）和多路选通测量模块（4）的控制信号输入端；
所述的电极检测管（3）包括有上下贯通的中空检测管（6），所述中空检测管（6）内侧壁上绕同一圆周线等间隔的并排设置有若干个电极（7），所述若干个电极（7）上分别设置有用于连接所述多路选通激励模块（2）或多路选通测量模块（4）的外接导线（8）；当所述的若干个电极（7）中相邻的两个电极（7）作为激励电压输入端连接多路选通激励模块（2）的激励电压输出端时，其余的电极（7）中，每相邻的两个电极（7）之间的电压作为电压输出端连接所述多路选通测量模块（4）的电压信号输入端；所述的电极（7）为钛合金电极，长度为b，宽度为c，且b=2c。
2.根据权利要求1所述的一种中空纤维膜过滤过程中膜组件完整性的在线检测系统，其特征在于，所述的若干个电极（7）是绕位于所述中空检测管（6）内侧壁中部的圆周线等间隔并排设置。
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