CN114994170B - 一种利用超声波测量污泥含水率的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用超声波测量污泥含水率的系统和方法，涉及污泥检测技术领域。包括测量容器，用于装载污泥；脉冲信号发生器，用于产生脉冲信号；自收自发换能器，收脉冲信号的激励向测量容器内发射第一超声信号，并接收从测量容器的内壁反射回的第二超声信号；上位机，构建反射系数与污泥的声阻抗、测量容器桶壁的声阻抗之间的第一数学模型，污泥的声阻抗与污泥的含水率之间的第二数学模型；计算第二超声信号和第一超声信号的幅值之比求得反射系数；代入第一数学模型，反推出污泥的声阻抗；将污泥的声阻抗代入所述第二数学模型，求得污泥的含水率。本发明较之现有技术，更为简单、便捷，在应用场景上不受限制，具有更好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及污泥检测技术领域，尤其涉及一种利用超声波测量污泥含水率的系统和方法。
背景技术
随着城市化的不断加快、工业化的迅猛发展，城市污水处理的压力也在逐步增大，使得剩余污泥量同样在逐年增加。污泥中含有大量的病原微生物以及汞、铬、铅等重金属，还有很多难以降解的有害物质，给环境以及人的生命健康带来很大的威胁，污泥的稳定化、无害化、经济化处理具有重要意义。其中，对于污泥含水率的测量具有重要意义，这是因为城市污水处理厂污水污泥排放标准中，明确规定了污泥应进行脱水处理，其含水率应小于80％，而为了降低处理后污泥的含水率，如污泥干化一般需要消耗大量的能量，因此为了达到排放标准的同时降低成本，对污泥含水率的测定就显得非常重要。
有关污泥含水率测定的方法并不太多，目前大多使用传统的重量法获得污泥的含水率，这种方法操作步骤复杂，需要时间很长，具有一定的局限性。另外，如申请号为CN114018956A的专利，其公开了一种采用微波法对污泥进行含水率检测的装置及方法，主要包括腔体、进料组件、检测组件、清料组件。但总的来说，该方法涉及到了很多步骤及装置，也会在应用场合上有一定限制。因此如何开发一种结构简单，应用场合不受限制的污泥含水率测量是亟待解决的难题之一。
发明内容
为了解决背景技术中提到的至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种利用超声波测量污泥含水率的系统和方法，本方案更为简单、便捷，在应用场景上不受限制，具有更好的应用前景。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种利用超声波测量污泥含水率的系统，包括
测量容器，用于装载污泥；
脉冲信号发生器，用于产生脉冲信号；
自收自发换能器，设置于所述测量容器的外壁，收脉冲信号的激励向测量容器内发射第一超声信号，并接收从测量容器的内壁反射回的第二超声信号；
上位机，构建反射系数与污泥的声阻抗、测量容器桶壁的声阻抗之间的第一数学模型，以及污泥的声阻抗与污泥的含水率之间的第二数学模型；计算第二超声信号和第一超声信号的幅值之比求得反射系数；将所述反射系数代入第一数学模型，反推出污泥的声阻抗；将反推出的污泥的声阻抗代入所述第二数学模型，求得污泥的含水率。
进一步的，所述测量容器由有机玻璃制成。
进一步的，所述第一数学模型为：
R＝(Zw-Zarc)/(Zw+Zarc)
其中，R为反射系数；Zw为污泥的声阻抗；Zarc为测量容器桶壁的声阻抗。
进一步的，所述第二数学模型为：
Zw＝Z1*i+Z2*(1-i)
其中，Zw为污泥的声阻抗，Z1为水的声阻抗，Z2为干污泥的声阻抗；i为污泥的含水率。
一种利用超声波测量污泥含水率的方法，包括以下步骤：
S0，构建反射系数与污泥的声阻抗、测量容器桶壁的声阻抗之间的第一数学模型，以及污泥的声阻抗与污泥的含水率之间的第二数学模型；
S1，将待测污泥装入测量容器；
S2，从所述测量容器的外壁向测量容器内发射第一超声信号；并接收从测量容器的内壁反射回的第二超声信号；
S3，计算第二超声信号和第一超声信号的幅值之比求得反射系数，将所述反射系数代入第一数学模型，反推出污泥的声阻抗；将反推出的污泥的声阻抗代入所述第二数学模型，求得污泥的含水率。
进一步的，所述测量容器由有机玻璃制成。
进一步的，所述第一数学模型为：
R＝(Zw-Zarc)/(Zw+Zarc)
其中，R为反射系数；Zw为污泥的声阻抗；Zarc为测量容器桶壁的声阻抗。
进一步的，所述第二数学模型为：
Zw＝Z1*i+Z2*(1-i)
其中，Zw为污泥的声阻抗，Z1为水的声阻抗，Z2为干污泥的声阻抗；i为污泥的含水率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的第一超声信号在穿过测量容器桶壁、遇到桶内的污泥时会发生发射，反射回去的第二超声信号被采集到上位机，第二信号与第一信号的幅值之比为反射系数；而反射系数还可以由污泥的声阻抗、测量容器桶壁的声阻抗之间的关系求得，测量容器桶壁的声阻抗是固定的，不同含水率的污泥的声阻抗可以由二者的比例系数归一化得到，因此不同含水率的污泥引起壁面的反射系数也是不同的，这样就可以确定反射系数与含水率之间的数量关系。进而在得到第二超声信号的幅值后，除以第一超声信号的幅值得到反射系数，并利用二者间的数量关系反演得到含水率。本方案更为简单、便捷，在应用场景上不受限制，具有更好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的反射系数与污泥含水率的对应关系图。
图3为本发明的第一声波信号与第二声波信号示意图。
图4为本发明的方法流程图。
图中：1、测量容器；2、自收自发换能器；3、脉冲信号发生器；4、信号采集卡；5、上位机。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1，本实施例提供一种利用超声波测量污泥含水率的系统，包括
测量容器1，用于装载待检测含水率的污泥，为了保证测量容器1的桶壁和污泥的声阻抗不同，所述测量容器1由有机玻璃制成；
脉冲信号发生器3，用于产生强度、周期、占空比可调的脉冲信号，用于控制自收自发换能器2发射一定强度的超声信号进入装满污泥的测量容器；
自收自发换能器2，设置于所述测量容器1的外壁，收脉冲信号的激励向测量容器内发射第一超声信号，并接收从测量容器的内壁(图1中左侧虚线所在的界面)反射回的第二超声信号；
第一超声信号在经由有机玻璃测量容器壁进入到污泥的过程中，由于有机玻璃和污泥的声阻抗不同，在有机玻璃测量容器壁会发生发射和透射，即一部分第一超声信号会发生反射并被自发自收换能器接收到，而另一部分则会继续向前传播进入污泥。在这一过程中，发生反射的概率(即反射系数)由有机玻璃和污泥的声阻抗相对大小决定(声阻抗为介质密度和声速的乘积)，反射系数R定义为污泥与有机玻璃声阻抗之差和污泥与有机玻璃声阻抗之和的比值：
R＝(Zw-Zarc)/(Zw+Zarc) (1)
其中，R为反射系数；Zw为污泥的声阻抗；Zarc为测量容器桶壁的声阻抗。选用有机玻璃作为测量容器的原因就是，有机玻璃的声阻抗与水的声阻抗比较接近，以保证超声既能由有机玻璃进入污泥，又可以由污泥返回有机玻璃并被探头检测到。
上位机5，构建反射系数与污泥的声阻抗、测量容器桶壁的声阻抗之间的第一数学模型，即上述公式(1)。
以及污泥的声阻抗与污泥的含水率之间的第二数学模型；
污泥是污水处理后的产物，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体，主要特性是含水率高(可高达99％以上)，有机物含量高，容易腐化发臭，并且颗粒较细，比重较小，呈胶状液态，是介于液体和固体之间的浓稠物。对于不同的污泥，其有机物的含量有些差别，但总体来说，对于含水率相同的不同种类污泥，其声速和密度可看作是一样的，即声阻抗一定，因此该方法可以推广到不同种类的污泥。
所述第二数学模型为：
Zw＝Z1*i+Z2*(1-i) (2)
其中，Zw为污泥的声阻抗，Z1为水的声阻抗，Z2为干污泥(含水率为0)的声阻抗；i为污泥的含水率。
计算第二超声信号和第一超声信号的幅值之比求得反射系数；将所述反射系数代入第一数学模型，反推出污泥的声阻抗；将反推出的污泥的声阻抗代入所述第二数学模型，求得污泥的含水率。
下表1展示了本发明涉及到的有机玻璃、水、干污泥三种材料的密度、声速及声阻抗参数信息：
表1：有机玻璃、水、干污泥三种材料的密度、声速及声阻抗参数信息表
| - | 密度(kg/m<sup>3</sup>) | 声速(m/s) | 声阻抗(10<sup>3</sup>kg/m<sup>2</sup>.s) |
| 有机玻璃 | 1200 | 1700 | 2040 |
| 水 | 1000 | 1496.6 | 1496.6 |
| 干污泥 | 2600 | 1800 | 4680 |
据此公式(2)可计算出不同含水率污泥的声阻抗：
Zw(i)＝Z1×i+Z2×(1-i)＝1496.6i+4680(1-i)
将不同含水率污泥的声阻抗代入公式(1)，即可得到：
R(i)＝(Zw(i)-Zarc)/(Zw(i)+Zarc)
下表2展示了不同含水率的污泥的声阻抗和在有机玻璃材料分界面的反射率：
表2：不同含水率的污泥的声阻抗和在有机玻璃材料分界面的反射率
| 污泥含水率(％) | 声阻抗(10<sup>3</sup>kg/m<sup>2</sup>.s) | 反射系数 |
| 0 | 4680 | 0.392857 |
| 10 | 4361.66 | 0.362665 |
| 20 | 4043.32 | 0.329314 |
| 30 | 3724.98 | 0.292279 |
| 40 | 3406.64 | 0.250914 |
| 50 | 3088.30 | 0.204415 |
| 60 | 2769.96 | 0.151760 |
| 70 | 2451.62 | 0.091642 |
| 80 | 2133.28 | 0.022352 |
| 90 | 1814.94 | -0.05838 |
| 100 | 1496.60 | -0.15365 |
如图4所示，在具体实施过程中中，首先通过公式(2)归一化计算得到不同含水率污泥的声阻抗，然后通过公式(1)获得有机玻璃与不同含水率污泥界面的反射系数，如图2所示，找出反射系数与污泥含水率的对应的数量关系作为预测模型。之后，通过一只自发自收换能器发射第一超声信号并接收污泥和有机玻璃桶壁分界面的反射信号(即第二超声信号)，请参照图3，计算第一超声信号(入射波)与第二超声信号(反射波)的幅值之比，即可以得到反射系数R。将其带入到预测模型，即得到了此时污泥的含水率。
但是从图2中可以看出，该方法得到的预测模型仅适用于含水率低于82.8％的污泥，在污泥含水率更高的情况下，超声在分界面反射的比较弱，测量效果不佳。但由于在城市污水处理厂污水污泥排放标准中，明确规定了污泥应进行脱水处理，其含水率应小于80％，因此总的来说本发明的系统和方法可以在污泥含水率的测量中起到有效作用，且原理易懂，操作简单，非常适合工业现场对于污泥含水率的测量。
实施例二：
本实施例一种利用超声波测量污泥含水率的方法，包括以下步骤：
S0，构建反射系数与污泥的声阻抗、测量容器桶壁的声阻抗之间的第一数学模型，以及污泥的声阻抗与污泥的含水率之间的第二数学模型；具体的，
所述第一数学模型为：
R＝(Zw-Zarc)/(Zw+Zarc)
其中，R为反射系数；Zw为污泥的声阻抗；Zarc为测量容器桶壁的声阻抗。
进一步的，所述第二数学模型为：
Zw＝Z1*i+Z2*(1-i)
其中，Zw为污泥的声阻抗，Z1为水的声阻抗，Z2为干污泥的声阻抗；i为污泥的含水率。
S1，将待测污泥装入由有机玻璃制成的测量容器；
S2，从所述测量容器的外壁向测量容器内发射第一超声信号；并接收从测量容器的内壁反射回的第二超声信号；
S3，计算第二超声信号和第一超声信号的幅值之比求得反射系数，将所述反射系数代入第一数学模型，反推出污泥的声阻抗；将反推出的污泥的声阻抗代入所述第二数学模型，求得污泥的含水率。
具体的原理说明如实施例一所说，在此不再赘述。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (4)
1.一种利用超声波测量污泥含水率的系统，其特征在于，包括
测量容器，用于装载污泥；
脉冲信号发生器，用于产生脉冲信号；
自收自发换能器，设置于所述测量容器的外壁，收脉冲信号的激励向测量容器内发射第一超声信号，并接收从测量容器的内壁反射回的第二超声信号；
上位机，构建反射系数与污泥的声阻抗、测量容器桶壁的声阻抗之间的第一数学模型，以及污泥的声阻抗与污泥的含水率之间的第二数学模型；计算第二超声信号和第一超声信号的幅值之比求得反射系数；将所述反射系数代入第一数学模型，反推出污泥的声阻抗；将反推出的污泥的声阻抗代入所述第二数学模型，求得污泥的含水率，所述含水率小于80%；
所述第一数学模型为：
R＝(Zw-Zarc)/(Zw+Zarc)
其中，R为反射系数；
为污泥的声阻抗；
为测量容器桶壁的声阻抗；
所述第二数学模型为：
Zw＝Z1*i+Z2*(1-i)
其中，
为污泥的声阻抗，
为水的声阻抗，
为干污泥的声阻抗；
为污泥的含水率。
2.根据权利要求1所述的一种利用超声波测量污泥含水率的系统，其特征在于，所述测量容器由有机玻璃制成。
3.一种利用超声波测量污泥含水率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S0，构建反射系数与污泥的声阻抗、测量容器桶壁的声阻抗之间的第一数学模型，以及污泥的声阻抗与污泥的含水率之间的第二数学模型；
S1，将待测污泥装入测量容器；
S2，从所述测量容器的外壁向测量容器内发射第一超声信号；并接收从测量容器的内壁反射回的第二超声信号；
S3，计算第二超声信号和第一超声信号的幅值之比求得反射系数，将所述反射系数代入第一数学模型，反推出污泥的声阻抗；将反推出的污泥的声阻抗代入所述第二数学模型，求得污泥的含水率，所述含水率小于80%；
所述第一数学模型为：
R＝(Zw-Zarc)/(Zw+Zarc)
其中，R为反射系数；
为污泥的声阻抗；
为测量容器桶壁的声阻抗；
所述第二数学模型为：
Zw＝Z1*i+Z2*(1-i)
其中，
为污泥的声阻抗，
为水的声阻抗，
为干污泥的声阻抗；
为污泥的含水率。
4.根据权利要求3所述的一种利用超声波测量污泥含水率的方法，其特征在于，所述测量容器由有机玻璃制成。
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