CN111366390A - 一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置及方法，该装置包括数据采集组件，该组件包括通过气管依次串联的电磁阀、转子流量计(2)、水蒸气吸附柱(5)、二氧化碳传感器(7)、二氧化碳吸附柱(6)、氧气传感器(8)和气泵(1)，所述的电磁阀包括并联的第一电磁阀(3)和第二电磁阀(4)，该装置还包括防水箱(9)，该防水箱(9)内设有控制器以及与控制器连接的数据分析仪、内存卡和天线，所述的控制器通过继电器(10)与第一电磁阀(3)和第二电磁阀(4)连接，所述的数据分析仪与二氧化碳传感器(7)以及氧气传感器(8)连接。与现有技术相比，本发明具有便于携带、自动化、精度高等优点。

Description

一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置及方法
技术领域
本发明涉及水处理领域，尤其是涉及一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置及方法。
背景技术
鼓风曝气供氧是污水好氧生物处理的重要环节，能耗占处理总能耗的50-70％，而氧传质性能的优劣会影响到整个污水处理工艺的处理效果和运行成本。现行的生物处理工艺大多根据设计参数来运行，使溶解氧(DO)浓度达到设定值。根据目前发展成熟的活性污泥模型(ASM)可以计算出微生物代谢的需氧量。供氧量通常采用曝气器在清水中测得的初始性能参数来表征，但是实际应用中该值受污水水质、污泥性质和曝气器污染等因素影响，因此传统意义上清水测试所得的性能参数与实际供气量存在很大的偏差。
实际运行中氧利用率测定可采用尾气测试法，该测试方法基于微生物的呼吸作用导致离开曝气器的气泡中氧含量小于空气中氧含量的原理，通过氧平衡来计算氧消耗速率，并推导出氧利用率的动态测试方法。通过尾气测试法可以给曝气器在实际运行中的充氧性能提供有价值的评估参考，从而减少鼓风曝气的能耗。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置及方法，能够在线测定曝气器充氧性能并存储和上传数据，精度高，便于携带。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置，包括手提箱以及手提箱内的数据采集组件和防水箱，所述的数据采集组件包括通过气管依次串联的电磁阀、转子流量计、水蒸气吸附柱、二氧化碳传感器、二氧化碳吸附柱、氧气传感器和气泵，所述的气泵为24V单向双头气泵，所述的电磁阀包括并联的第一电磁阀和第二电磁阀，所述的第一电磁阀和第二电磁阀分别连接1根用于抽取空气的气管和1根用于抽取尾气的气管，所述的防水箱内设有控制器以及与控制器连接的数据分析仪、内存卡和天线，所述的控制器通过继电器与第一电磁阀和第二电磁阀连接，所述的数据分析仪与二氧化碳传感器以及氧气传感器连接。
进一步地，所述的防水箱内设有与控制器连接的湿度传感器和温度传感器。
进一步地，所述的防水箱上设有与控制器连接的显示面板，该显示面板上显示有流量、温度、湿度和OTE。
进一步地，所述的防水箱上设有与控制器连接的控制旋钮，该控制旋钮用于控制第一电磁阀和第二电磁阀的开关。
进一步地，氧气在空气中物质的量是20.95％，氧气在空气中物质的量与氧气在尾气中的物质的量分数存在比例关系，通过尾气中氧气、二氧化碳和水蒸气的分压确定尾气中氧气的物质的量分数，所述的数据分析仪通过以下计算公式确定溶氧传递效率OTE：
Figure BDA0002416676840000021
Figure BDA0002416676840000022
Figure BDA0002416676840000023
Figure BDA0002416676840000024
Figure BDA0002416676840000025
其中，YR为空气中氧气的物质的量分数，Yog是尾气中氧气的物质的量分数，MVog和MVR分别为空气和尾气的氧气分压，MRo/i和MRog/i分别为空气中和尾气中氧气与惰性气体的物质的量分数之比，
Figure BDA0002416676840000026
和
Figure BDA0002416676840000027
分别为空气和尾气中二氧化碳的物质的量分数，
Figure BDA0002416676840000028
和
Figure BDA0002416676840000029
分别为空气和尾气中水蒸气的物质的量的分数。
进一步地，数据分析仪的计算原理根据氧气传感器的两点校准法进行设计，由于氧气传感器灵敏度很高，因此在计算过程中需要进行校正以克服传感器高灵敏度带来的数据不稳定性，所述的数据分析仪通过校正公式计算氧气含量浓度，进一步计算氧气物质的量分数，所述的校正公式为：
C＝(T-Zero)×O2/(Span-Zero)
其中，C为实际氧气含量浓度，T为实际氧气传感器输出的电信号，Zero是校零时氧气传感器输出的电信号，O2是校准时氧气含量浓度，Span是校准时氧气传感器输出的电信号。
一种采用上述任意一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置的测定方法，具体为：
打开气泵，通过转子流量计、湿度传感器和温度传感器分别监测气压、湿度和温度，并使气压、湿度和温度保持恒定，旋转控制旋钮，控制器通过继电器打开第一电磁阀，所述的第一电磁阀一端的气管管口抽取空气至第一设定时间，旋转控制旋钮，控制器通过继电器关闭第一电磁阀并打开第二电磁阀，所述的第二电磁阀一端的气管管口抽取尾气至第二设定时间，所述的数据分析仪接收二氧化碳传感器和氧气传感器的电信号并计算OTE，所述的显示面板显示流量、温度、湿度以及OTE在第二设定时间内的平均值，将该OTE平均值存储在内存卡中，所述的天线将该OTE平均值传输至云端。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
(1)本发明通过气管依次串联的电磁阀、转子流量计、水蒸气吸附柱、二氧化碳传感器、二氧化碳吸附柱、氧气传感器和气泵，电磁阀包括并联的第一电磁阀和第二电磁阀，还设有设有控制器以及与控制器连接的数据分析仪、内存卡和天线，并封装在防水箱内，控制器通过继电器与第一电磁阀和第二电磁阀连接，数据分析仪与二氧化碳传感器以及氧气传感器连接，结构紧凑，便于携带，通过控制器控制第一电磁阀和第二电磁阀的开关，自动化程度高，同时测得的数据可通过内存卡存储到本地，待实验结束后一次性读取内存卡，还可以通过天线传输至云端，操作简便，每次实验均测一次空气中的氧气含量作为背景值，适用于多变的环境，精度高；
(2)本发明根据校准时氧气含量浓度、校准时氧气传感器输出的电信号、实际氧气传感器输出的电信号获取校准后的实际氧气含量浓度，克服了氧气传感器高灵敏度带来的数据不稳定性，提高了测量准确度；
(3)本发明在防水箱内设有与控制器连接的湿度传感器和温度传感器，防水箱上设有与控制器连接的显示面板，显示面板上显示有有流量、温度、湿度和OTE，能够直观读取OTE，同时能够监测流量、温度和湿度，使流量和温度保持恒定，保证恒定的气压和温度，使得测量结果精确，监测湿度以保证水蒸气吸附柱吸附的效果，避免蒸气浓度过高会影响氧气的测定；
(4)本发明在防水箱上设有与控制器连接的控制旋钮，便于人工操作，控制第一电磁阀和第二电磁阀的开关；
(5)本发明还设有手提箱，将数据采集组件和防水箱置于手提箱，便于携带。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为防水箱俯视图；
图中标号说明：
1.气泵，2.转子流量计，3.第一电磁阀，4.第二电磁阀，5.水蒸气吸附柱，6.二氧化碳吸附柱，7.二氧化碳传感器，8.氧气传感器，9.防水箱，10.继电器，11.防水箱，12.显示面板，13.控制旋钮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置，如图1，包括手提箱11和手提箱11内的数据采集组件和防水箱9，数据采集组件包括数据采集组件，该组件包括通过气管依次串联的电磁阀、转子流量计2、水蒸气吸附柱5、二氧化碳传感器7、二氧化碳吸附柱6、氧气传感器8和气泵1，气泵1为24V单向双头气泵，电磁阀包括并联的第一电磁阀3和第二电磁阀4，第一电磁阀和第二电磁阀分别连接1根用于抽取空气的气管和1根用于抽取尾气的气管，该装置还包括防水箱9，该防水箱9内设有控制器以及与控制器连接的数据分析仪、内存卡和天线，控制器通过继电器10与第一电磁阀3和第二电磁阀4连接，数据分析仪与二氧化碳传感器7以及氧气传感器8连接。
数据分析仪通过以下计算公式确定溶氧传递效率OTE：
Figure BDA0002416676840000041
Figure BDA0002416676840000051
Figure BDA0002416676840000052
Figure BDA0002416676840000053
Figure BDA0002416676840000054
其中，YR为空气中氧气的物质的量分数，Yog是尾气中氧气的物质的量分数，MVog和MVR分别为空气和尾气的氧气分压，MRo/i和MRog/i分别为空气中和尾气中氧气与惰性气体的物质的量分数之比，
Figure BDA0002416676840000055
和
Figure BDA0002416676840000056
分别为空气和尾气中二氧化碳的物质的量分数，
Figure BDA0002416676840000057
和
Figure BDA0002416676840000058
分别为空气和尾气中水蒸气的物质的量的分数。
数据分析仪的计算原理根据氧气传感器的两点校准法进行设计，由于氧气传感器灵敏度很高，因此在计算过程中需要进行校正以克服传感器高灵敏度带来的数据不稳定性，所述的数据分析仪通过校正公式计算氧气含量浓度，进一步计算氧气物质的量分数，数据分析仪通过校正公式计算氧气的含量浓度，进一步计算氧气物质的量分数，校正公式为：
C＝(T-Zero)×O2/(Span-Zero)
其中，C为实际氧气含量浓度，T为实际氧气传感器8输出的电信号，Zero是校零时氧气传感器8输出的电信号，O2是校准时氧气含量浓度，Span是校准时氧气传感器8输出的电信号。
防水箱9内设有还包括与控制器连接的湿度传感器和温度传感器，如图2，防水箱9上设有与控制器连接的显示面板12，显示面板12上显示有流量、温度、湿度和OTE，用于实时监控流量、温度和湿度，保证气压、温度和湿度的恒定，恒定温度便于对OTE进行校正，恒定的湿度保证水蒸气吸附柱吸附的效果，避免水蒸气浓度过高会影响氧气的测定。
实施例二
与实施例一对应的一种采用便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置的测定方法，具体为：
打开气泵1，通过转子流量计2、湿度传感器和温度传感器分别监测气压、湿度和温度，并使气压、湿度和温度保持恒定，旋转控制旋钮13，控制器通过继电器10打开第一电磁阀3，第一电磁阀3一端的气管管口抽取空气至15min，旋转控制旋钮13，控制器通过继电器10关闭第一电磁阀3并打开第二电磁阀4，第二电磁阀4一端的气管管口抽取尾气至5min，数据分析仪接收二氧化碳传感器7和氧气传感器8的电信号并计算OTE，显示面板12显示流量、温度、湿度以及OTE在该5min内的平均值，将该OTE平均值存储在内存卡中，天线将该OTE平均值传输至云端。
实施例一和实施例二提出了一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置及方法，可以测定实际工况运行下的曝气器氧利用率，反应曝气器实际运行时的充氧性能，为污水处理厂的评估和运行提供有价值的理论参考，便于携带，精确度高，自动化程度高。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置，包括数据采集组件，该组件包括通过气管依次串联的电磁阀、转子流量计(2)、水蒸气吸附柱(5)、二氧化碳传感器(7)、二氧化碳吸附柱(6)、氧气传感器(8)和气泵(1)，所述的电磁阀包括并联的第一电磁阀(3)和第二电磁阀(4)，其特征在于，该装置还设有封装在防水箱(9)内部的控制器以及与控制器连接的数据分析仪、内存卡和天线，所述的控制器通过继电器(10)与第一电磁阀(3)和第二电磁阀(4)连接，所述的数据分析仪与二氧化碳传感器(7)以及氧气传感器(8)连接。
2.根据权利要求1所述的一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置，其特征在于，所述的数据分析仪通过以下计算公式确定溶氧传递效率OTE：
Figure FDA0002416676830000011
Figure FDA0002416676830000012
Figure FDA0002416676830000013
Figure FDA0002416676830000014
Figure FDA0002416676830000015
其中，YR为空气中氧气的物质的量分数，Yog是尾气中氧气的物质的量分数，MVog和MVR分别为空气和尾气的氧气分压，MRo/i和MRog/i分别为空气中和尾气中氧气与惰性气体的物质的量分数之比，
Figure FDA0002416676830000016
和
Figure FDA0002416676830000017
分别为空气和尾气中二氧化碳的物质的量分数，
Figure FDA0002416676830000018
和
Figure FDA0002416676830000019
分别为空气和尾气中水蒸气的物质的量的分数。
3.根据权利要求2所述的一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置，其特征在于，所述的数据分析仪通过校正公式计算氧气的含量浓度，进一步计算氧气物质的量分数，所述的校正公式为：
C＝(T-Zero)×O2/(Span-Zero)
其中，C为实际氧气含量浓度，T为实际氧气传感器(8)输出的电信号，Zero是校零时氧气传感器(8)输出的电信号，O2是校准时氧气含量浓度，Span是校准时氧气传感器(8)输出的电信号。
4.根据权利要求1所述的一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置，其特征在于，所述的防水箱(9)内设有与控制器连接的湿度传感器和温度传感器。
5.根据权利要求1所述的一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置，其特征在于，所述的防水箱(9)上设有与控制器连接的显示面板(12)。
6.根据权利要求1所述的一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置，其特征在于，所述的防水箱(9)上设有与控制器连接的控制旋钮(13)。
7.根据权利要求1所述的一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置，其特征在于，还包括手提箱(11)，所述的数据采集组件和防水箱(9)均置于手提箱(11)中。
8.根据权利要求1所述的一种便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置，其特征在于，所述的气泵(1)为24V单向双头气泵。
9.一种采用权利要求1-8任一所述的便携式曝气器充氧性能实地在线测定装置的测定方法，其特征在于，具体为：
打开气泵(1)，通过转子流量计(2)监测气压并使气压保持恒定，控制器通过继电器(10)打开第一电磁阀(3)，所述的第一电磁阀(3)一端的气管管口抽取空气至第一设定时间，控制器通过继电器(10)关闭第一电磁阀(3)并打开第二电磁阀(4)，所述的第二电磁阀(4)一端的气管管口抽取尾气至第二设定时间，所述的数据分析仪接收二氧化碳传感器(7)和氧气传感器(8)的电信号并计算OTE，将该OTE平均值存储在内存卡中，所述的天线将该OTE平均值传输至云端。
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