CN217385116U - 一种自动化测量污泥沉降比的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种自动化测量污泥沉降比的装置，涉及污水处理领域。本实用新型提供的自动化测量污泥沉降比的装置，包括黑箱、沉降容器、图像采集装置、取样装置和数据处理与控制装置。通过数据处理与控制装置和蠕动泵、进样电磁阀、出样电磁阀通信连接，能够控制蠕动泵的流量和时间，以及控制进样电磁阀和出样电磁阀的开闭，实现自动化和定量的污泥进样，同时蠕动泵的剪切力很小，适合于污泥这种剪切力敏感流体的运输；通过数据处理与控制装置和图像采集装置通信连接，能够使图像采集装置自动采集污泥图像，并通过数据处理与控制装置进行数据处理和计算，从而实现污泥沉降比的高度自动化测量。

Description

一种自动化测量污泥沉降比的装置

技术领域

本实用新型涉及污水处理领域，具体涉及一种自动化测量污泥沉降比的装置。

背景技术

污泥沉降比(sludge settling velocity，SV)通常是指曝气池混合液迅速倒在量筒内静置30min后所形成的沉淀污泥容积占原混合液容积的比例，以％表示。SV值能反映曝气池正常运行时的污泥量和污泥的凝聚、沉降性能，通过SV值变化可以判断和发现污泥膨胀现象的发生，SV值也可用于控制剩余污泥排放量。因此，污泥沉降比在污水处理领域是一个关键指标。

传统的污泥沉降比的测量是人工向100mL带刻度的量筒中加入混合均匀的污泥，沉降30min后由人眼读出污泥体积所占总体积的百分比。传统的方法自动化程度低，进样过程还需要人工进样，并且经过一定时间沉降后，人们可能会错过读数的最佳时间，从而对读数造成误差，人工目测读数也难免存在误差；另外传统的测量方法也不能记录污泥沉降的具体过程，不能判断污泥沉降性能的好坏，只是得到一个污泥沉降比的结果。

相比传统的进样方式，使用离心泵从曝气池取污泥实现了自动化，但是并不能定量的进样，需要人工判断液位，从而判断进样是否完成，此外，污泥对剪切力非常敏感，使用离心泵会对污泥的形态造成破坏，从而在一定程度上会对污泥沉降比的读取造成一定的影响。为实现定量进样，有的测量装置使用液位传感器，当检测到液位达到目标位置的时候就停止进样，这种方法使整个设备的复杂度增加，费用成本比较高，另外也不能很好的监控污泥沉降的过程。

从测量读数方面来看，近年来污泥沉降比的测量多采用激光发射器和激光接收器(或者微波等光源发射和接收器)，根据通过水和污泥的透光率的不同，判断出水和污泥的分界面，从而获取污泥沉降比，但是这同样会造成整个设备的复杂度增高，费用成本加大。

随着机器视觉分析技术的发展，目前也在污泥沉降比的测量中得以应用，这种方法是通过摄像装置采集污泥图片，基于图片分析计算获得污泥沉降比。

例如中国专利文献CN109596614A公开了一种污泥沉降比视觉分析智能评价系统，包括：黑箱主体和与黑箱主体连接的外接电子控制装置；黑箱主体具有四壁的盒体，黑箱主体其中一面内壁上装置有摄像装置，在装置摄像装置对面的内壁上安装有照明设备，在摄像装置和照明设备之间设置有与黑箱主体的上下壁连接的测量容器，测量容器为透明带刻度的测量容器。该技术方案虽然能够通过摄像装置实现污泥沉降比的智能评价，但是仍然需要人工进样，也很难把握好检测时间。

由此可见，提供一种基于机器视觉识别技术的自动化测量污泥沉降比的装置，成为本领域亟待解决的技术问题。

实用新型内容

因此，本实用新型的目的在于提供一种基于机器视觉识别技术的自动化测量污泥沉降比的装置。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型提供一种自动化测量污泥沉降比的装置，包括：

黑箱，内部形成黑暗的容纳空间；

沉降容器，设置于所述黑箱内，具有进样口和出样口；

图像采集装置，设置于所述黑箱内；

取样装置，包括与所述进样口连通的进样管路、与所述出样口连通的出样管路、设置在所述进样管路上的蠕动泵和进样电磁阀、设置在所述出样管路上的出样电磁阀，所述进样电磁阀位于所述蠕动泵与进样口之间；

数据处理与控制装置，分别与所述图像采集装置、蠕动泵、进样电磁阀、出样电磁阀通信连接。

进一步地，所述沉降容器上开设有溢流口，所述沉降容器位于所述溢流口下方的体积等于其取样体积。

进一步地，所述溢流口连接有溢流管，所述溢流管延伸至所述黑箱外。

进一步地，所述沉降容器选择透明无刻度的量筒，其顶部敞开形成进样口，底部开设有出样口。

进一步地，还包括：废水收集槽，与所述出样管路连通。

进一步地，所述的自动化测量污泥沉降比的装置，还包括：照明装置，设置于所述黑箱内。

进一步地，所述图像采集装置的镜头中轴线与所述沉降容器取样容积的二分之一处位于同一水平面上。

进一步地，所述数据处理与控制装置为工业计算机。

进一步地，所述图像采集装置为摄像头。

进一步地，所述进样电磁阀和/或出样电磁阀包括依次连接的数据采集卡、电磁继电器和阀门，所述数据采集卡和所述数据处理与控制装置通信连接。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

本实用新型提供的自动化测量污泥沉降比的装置，包括黑箱、沉降容器、图像采集装置、取样装置和数据处理与控制装置。通过数据处理与控制装置和蠕动泵、进样电磁阀、出样电磁阀通信连接，能够控制蠕动泵的流量和时间，以及控制进样电磁阀和出样电磁阀的开闭，实现自动化和定量的污泥进样，同时蠕动泵的剪切力很小，适合于污泥这种剪切力敏感流体的运输；通过数据处理与控制装置和图像采集装置通信连接，能够使图像采集装置自动采集污泥图像，并通过数据处理与控制装置进行数据处理和计算，从而实现污泥沉降比的高度自动化测量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例1中自动化测量污泥沉降比的装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例1中自动化测量污泥沉降比的装置的硬件连接关系示意图；

图3是采用本实用新型实施例1中自动化测量污泥沉降比的装置得到的以面积值表示的沉降曲线；

图4是采用本实用新型实施例1中自动化测量污泥沉降比的装置得到的以污泥沉降比SV30表示的沉降曲线。

附图标记：

1-黑箱；2-沉降容器；3-图像采集装置；4-进样管路；5-出样管路；6- 蠕动泵；7-进样电磁阀；8-出样电磁阀；9-数据处理与控制装置；10-溢流口； 11-溢流管；12-废水收集槽；13-照明装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示，本实用新型提供一种自动化测量污泥沉降比的装置，包括：

黑箱1；

沉降容器2，设置于黑箱1内，具有进样口和出样口；

图像采集装置3，设置于黑箱1内；

取样装置，包括与进样口连通的进样管路4、与出样口连通的出样管路 5、设置在进样管路4上的蠕动泵6和进样电磁阀7、设置在出样管路5上的出样电磁阀8，进样电磁阀7位于蠕动泵6与进样口之间；

数据处理与控制装置9，分别与图像采集装置3、蠕动泵6、进样电磁阀7、出样电磁阀8通信连接。

本实用新型提供的自动化测量污泥沉降比的装置，通过数据处理与控制装置9和蠕动泵6、进样电磁阀7、出样电磁阀8通信连接，能够控制蠕动泵6的流量和时间，以及控制进样电磁阀7和出样电磁阀8的开闭，实现自动化和定量的污泥进样，同时蠕动泵6的剪切力很小，适合于污泥这种剪切力敏感流体的运输；通过数据处理与控制装置9和图像采集装置3 通信连接，能够使图像采集装置3自动采集污泥图像，并通过数据处理与控制装置9进行数据处理和计算，从而实现污泥沉降比的高度自动化测量。

本实用新型所述的黑箱1用于为测量提供黑暗环境，使黑箱1内部光源稳定，减少外界光源对检测结果的影响，本实用新型对其形状、大小、材质等均不作出限制，凡是能够实现上述功能的箱体，均在本实用新型请求保护的范围内。

作为本实用新型的一种可选实施方式，黑箱1的材质采用不透光的乳白色有机玻璃，能够提供箱内黑暗环境。

作为本实用新型的一种可选实施方式，黑箱1为立方体形的箱式结构，由四个侧壁、顶面、底面组成，顶面优选为可拆卸的盖体，能够从上方打开或关闭黑箱1内的空间，可以定期对沉降容器2内部挂壁的污泥进行清洗，方便简单。

本实用新型所述的沉降容器2用于盛装污泥样品，为污泥样品的沉降提供空间，主要也是图像采集装置3的拍摄对象。本实用新型对沉降容器2 的形状、容积、材质等均不作出限制，凡是能实现上述功能的容器，均在本实用新型请求保护的范围内。

作为本实用新型的可选实施方式，沉降容器2选择透明无刻度的圆柱形量筒。刻度的存在会影响图片特征提取过程，因此优选为无刻度量筒。量筒优选有机玻璃材质，容积为100mL。其顶部敞开形成进样口，底部开设有出样口，使污泥样品能够从进样口进入量筒中并由底部的出样口排出至与之相连通的出样管路5中。

作为本实用新型的可选实施方式，沉降容器2上还开设有溢流口10，沉降容器2位于溢流口10下方的体积等于其取样体积。作为进一步改进，溢流口10连接有溢流管11，溢流管11延伸至黑箱1外。溢流口10用于判断是否已经进样完成和避免容器中的污泥样品溢出进入黑箱1中。可以通过沉降容器2的溢流管11与黑箱1的侧壁固定连接，以及通过与沉降容器2相连的出样管路5与黑箱1底面固定连接，进而实现对沉降容器2的固定。

作为本实用新型的可选实施方式，该自动化测量污泥沉降比的装置还包括：废水收集槽12，与出样管路5连通。当沉降容器2还开设有溢流口 10和连接有溢流管11时，溢流管11不与沉降容器2连接的一端也与废水收集槽12连通，可防止污泥溢流在黑箱1中。

本实用新型所述的图像采集装置3是指能够拍摄并采集图像的装置，如照相机、摄像机、摄像头等。本实用新型优选采用摄像头。

作为本实用新型的可选实施方式，图像采集装置3的镜头中轴线与沉降容器2取样容积的二分之一处位于同一水平面上。这种设置能够使得图像采集装置3的镜头对沉降容器2中污泥样品形态的拍摄更加清晰完整。

作为本实用新型的可选实施方式，该自动化测量污泥沉降比的装置，还包括：照明装置13，设置于黑箱1内。可采用具有自动补光功能的图像采集装置3，为了进一步保证黑箱1内光源的稳定性，设置照明装置13，该照明装置13的位置不受限制，测量过程中保证照明装置13、图像采集装置3、沉降容器2的位置相对固定，以排除其他因素对测量结果的影响。例如可以将照明装置13安装在黑箱1的顶面上，图像采集装置3和沉降容器 2分别设置于黑箱1两个相对的侧面上，使图像采集装置3的位置恰好正对沉降容器2。

取样装置用于将待测污泥样品通入沉降容器2进行测量以及在测量完成后将沉降容器2内的污泥样品排出。污泥样品的通入和排出过程如下：进样管路4的一端与曝气池连通，开启进样管路4上的蠕动泵6和进样电磁阀7，关闭出样管路5上的出样电磁阀8，污泥样品由曝气池泵入进样管路4，继而进入到沉降容器2中，进样完成后，关闭进样管路4上的蠕动泵 6和进样电磁阀7停止进样，污泥沉降比测量完成后，开启出样管路5上的出样电磁阀8，沉降容器2内的污泥样品由出样管路5排出。由于蠕动泵6 的剪切力很小，适合于污泥这种剪切力敏感流体的运输，避免对污泥的形态造成破坏，从而使污泥沉降比的测量结果更加准确。

数据处理与控制装置9与图像采集装置3、蠕动泵6、进样电磁阀7、出样电磁阀8通信连接。数据处理与控制装置9与图像采集装置3通信连接，用于控制图像采集装置3的开闭和工作，以及图像信息的采集与处理和污泥沉降比计算。数据处理与控制装置9与蠕动泵6、进样电磁阀7、出样电磁阀8通信连接，用于控制蠕动泵6、进样电磁阀7、出样电磁阀8的开闭，以进行自动化取样。其中，通过控制蠕动泵6的转速和开启时间实现污泥样品的定量取样，凡是能够实现上述功能的装置均在本实用新型请求保护范围内。

如图2所示，作为本实用新型的一种可选实施方式，数据处理与控制装置9为工业计算机。作为图像采集装置3的摄像头通过USB接口与工业计算机通信连接。蠕动泵6与工业计算机通过RS485通讯，采用串口的方式连接。进样电磁阀7和出样电磁阀8均包括依次连接的数据采集卡、电磁继电器、阀门，数据采集卡与工业计算机通信连接。工业计算机通过输出数字信号，进入数据采集卡，进而转化成电信号，经过电磁继电器的放大去控制阀门的开关和闭合。还可以通过工业计算机的显示屏显示测量结果，通过显示屏实现人机交互，输入相关指令来控制测量系统。

基于图1自动化测量污泥沉降比的装置测量污泥沉降比的方法，包括如下步骤：

S1、接收开始测量污泥沉降比的指令，控制出样电磁阀8关闭，控制蠕动泵6和进样电磁阀7开启，以使待测污泥样品经由进样管路4进入到沉降容器2中；

S2、判断进样完成后，控制蠕动泵6和进样电磁阀7关闭，控制图像采集装置3开启，以拍摄进样完成i分钟时沉降容器2中污泥样品的图像， i＝0～30，i取整数；

S3、获取进样完成i分钟时拍摄得到的图像，对获取的图像进行机器视觉识别，得到i分钟时污泥所在区域的投影面积S_i；

S4、按照SV_i＝S_i/S₀计算i分钟时的污泥沉降比。

可以利用图像采集装置3抓拍沉降过程中的图片，利用机器视觉识别技术对图片进行分析，这样不仅得到了最后的污泥沉降比，而且也定量的记录了污泥的沉降过程，可以用于污泥沉降性能的分析。利用机器识别技术得到污泥所在区域的投影面积，并根据投影面积的比值计算相应的污泥沉降比，一方面对于图像采集装置3的要求不高，成本较低，另一方面利用投影面积得出的污泥沉降比精确度更高，克服了由于污泥粘滞性导致的水泥分界面不清晰、高度不一导致采用水泥分界面高度计算结果不准确的障碍，也解决了需要凭借经验事先设置预设标准图片，难以保证测量结果精确度的问题。

上述步骤由数据处理与控制装置9执行。均可以通过编程实现，例如通过执行基于Python设计的程序来完成上述步骤。

步骤S3中，根据拍摄得到的图像中上清液和污泥所在液面灰度和色彩的不同，通过图像分割和聚类的方法提取污泥在沉降容器2中的轮廓，通过计算轮廓的面积，得到i分钟时污泥所在区域的投影面积S_i。前述机器视觉识别方法根据现有技术即可实现，在此不做赘述。

上述方法还可以包括如下步骤：

S40、以时间为横坐标，以相应时刻的污泥所在区域的投影面积和/或计算得出的污泥沉降比为纵坐标，形成污泥沉降曲线。

通过形成污泥沉降曲线可以观察污泥沉降的动态过程并且得到沉降 30min最终的污泥沉降比数值。上述步骤也可通过编程实现，并将污泥沉降曲线显示在人机交互界面上。

上述方法还可以包括如下步骤：

S5、判断测量完成后，控制出样电磁阀8开启，以使沉降容器2内的污泥样品排出；

S6、判断污泥样品排尽后，控制出样电磁阀8关闭，控制蠕动泵6和进样电磁阀7开启，以向沉降容器2中通入清水进行清洗；

S7、判断清洗完毕后，控制出样电磁阀8开启，控制蠕动泵6和进样电磁阀7关闭，以将沉降容器2内清洗后的废水排出。

通过上述步骤能够实现沉降容器2的自清洗，需要将进样管路4与清水相连通。清洗步骤可以根据清洗效果设定，如反复执行步骤S6和S7，清洗2～3次。

以下将结合具体实施例，对本实用新型提供的装置进行更进一步详细说明。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种自动化测量污泥沉降比的装置，由以下部分组成：

黑箱1，内部形成黑暗的容纳空间，为长方体结构，由箱体和箱盖组成，箱体和箱盖均采用不透光的乳白色有机玻璃制成；

沉降容器2，设置于黑箱1内靠近右侧壁中央的位置，选择有机玻璃材质的透明无刻度的圆柱形量筒，容积为100mL，量筒上端敞口形成进样口，下端底面上开设出样口，量筒靠近进样口的一端侧壁上开设有溢流口10，溢流口10连接有溢流管11，溢流管11穿出箱体的侧壁并延伸至黑箱1外；

照明装置13，设置于黑箱1的箱盖上，位于箱盖的正中央；

图像采集装置3，选择摄像头，设置于黑箱1的左侧壁上，摄像头的镜头中轴线与量筒取样容积的二分之一处位于同一水平面上，摄像头正对量筒的位置；

取样装置，包括与进样口连通的进样管路4、与出样口连通的出样管路 5、设置在进样管路4上的蠕动泵6和进样电磁阀7、设置在出样管路5上的出样电磁阀8，进样电磁阀7位于蠕动泵6与进样口之间，具体而言，进样管路4的一端连接曝气池/清水池，另一端位于量筒开口的正上方，箱盖上相应位置开设开口，出样管路5穿出箱体的底面；

废水收集槽12，设置于黑箱1下方，位于出样管路5和溢流管11的下方；

数据处理与控制装置9，选择工业计算机，分别与摄像头、蠕动泵6、进样电磁阀7、出样电磁阀8通信连接，其中，摄像头通过USB接口与工业计算机通信连接，蠕动泵6与工业计算机通过RS485通讯，采用串口的方式连接，进样电磁阀7和出样电磁阀8均由依次连接的数据采集卡、电磁继电器、阀门组成，数据采集卡与工业计算机通信连接。

基于实施例1提供的自动化测量污泥沉降比的装置进行污泥沉降比测量，步骤如下：

S1、接收开始测量污泥沉降比的指令，控制出样电磁阀8关闭，控制蠕动泵6和进样电磁阀7开启，以使待测污泥样品经由进样管路4进入到沉降容器2中，此时进样管路4通入曝气池中；

S2、判断进样完成后，控制蠕动泵6和进样电磁阀7关闭，控制图像采集装置3开启，以拍摄进样完成i分钟时沉降容器2中污泥样品的图像，进样完成时即可拍摄一张图像，此后每分钟各拍摄一张，直至进样完成30 分钟；

S3、获取进样完成i分钟时拍摄得到的图像，对获取的图像进行机器视觉识别，得到i分钟时污泥所在区域的投影面积S_i；

S4、按照SV_i＝S_i/S₀计算i分钟时的污泥沉降比；

S40、以时间为横坐标，以相应时刻的污泥所在区域的投影面积和计算得出的污泥沉降比为纵坐标，形成污泥沉降曲线；

S5、判断测量完成后，控制出样电磁阀8开启，以使沉降容器2内的污泥样品排出；

S6、判断污泥样品排尽后，控制出样电磁阀8关闭，控制蠕动泵6和进样电磁阀7开启，以向沉降容器2中通入清水进行清洗，此时进样管路4 通入清水池中；

S7、判断清洗完毕后，控制出样电磁阀8开启，控制蠕动泵6和进样电磁阀7关闭，以将沉降容器2内清洗后的废水排出。

以上步骤由工业计算机执行基于Python设计的程序来完成。

如图3所示，是以进样完成时间(min)为横坐标、以相应时刻污泥所在区域的投影面积(面积值)为纵坐标形成的污泥沉降曲线；如图4所示，是以进样完成时间(min)为横坐标、以相应时刻计算得出的污泥沉降比 (SV30)为纵坐标形成的污泥沉降曲线。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种自动化测量污泥沉降比的装置，其特征在于，包括：

黑箱，内部形成黑暗的容纳空间；

沉降容器，设置于所述黑箱内，具有进样口和出样口；

图像采集装置，设置于所述黑箱内；

取样装置，包括与所述进样口连通的进样管路、与所述出样口连通的出样管路、设置在所述进样管路上的蠕动泵和进样电磁阀、设置在所述出样管路上的出样电磁阀，所述进样电磁阀位于所述蠕动泵与进样口之间；

数据处理与控制装置，分别与所述图像采集装置、蠕动泵、进样电磁阀、出样电磁阀通信连接。

2.根据权利要求1所述的自动化测量污泥沉降比的装置，其特征在于，所述沉降容器上开设有溢流口，所述沉降容器位于所述溢流口下方的体积等于其取样体积。

3.根据权利要求2所述的自动化测量污泥沉降比的装置，其特征在于，所述溢流口连接有溢流管，所述溢流管延伸至所述黑箱外。

4.根据权利要求1所述的自动化测量污泥沉降比的装置，其特征在于，所述沉降容器选择透明无刻度的量筒，其顶部敞开形成进样口，底部开设有出样口。

5.根据权利要求1所述的自动化测量污泥沉降比的装置，其特征在于，还包括：废水收集槽，与所述出样管路连通。

6.根据权利要求1所述的自动化测量污泥沉降比的装置，其特征在于，还包括：照明装置，设置于所述黑箱内。

7.根据权利要求1所述的自动化测量污泥沉降比的装置，其特征在于，所述图像采集装置的镜头中轴线与所述沉降容器取样容积的二分之一处位于同一水平面上。

8.根据权利要求1所述的自动化测量污泥沉降比的装置，其特征在于，所述数据处理与控制装置为工业计算机。

9.根据权利要求1所述的自动化测量污泥沉降比的装置，其特征在于，所述图像采集装置为摄像头。

10.根据权利要求1所述的自动化测量污泥沉降比的装置，其特征在于，所述进样电磁阀和/或出样电磁阀包括依次连接的数据采集卡、电磁继电器和阀门，所述数据采集卡和所述数据处理与控制装置通信连接。

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