一種污泥干化過程中污泥含水量的估算方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種污泥干化過程中污泥含水量的估算方法與裝置，檢測裝置盒內部的左端設有待測氣體入口通道，待測氣體入口通道連接待測氣體入口電磁閥，待測氣體入口電磁閥的輸出通道與內部設有半導體冷卻器的氣體冷卻裝置左端連接，氣體冷卻裝置的右端設置輸出口與檢測裝置盒內部連通；氣體冷卻裝置的右側放置聚四氟乙烯微孔濾膜保護罩，聚四氟乙烯微孔濾膜保護罩內部設有MCU控制電路盒，濕度傳感器的檢測探頭伸出MCU控制電路盒外且對準氣體冷卻裝置的右端輸出口；利用污泥的含水量與污泥在干化過程中產生的氣體的濕度兩者的非線性關系，結合人工神經網絡技術，實現污泥干化過程中污泥含水量的在線檢測。
【專利說明】一種污泥干化過程中污泥含水量的估算方法與裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及污泥干化處理領域，特指污泥干化過程中污泥含水量的估算技術，目 的是實現污泥含水量的在線檢測。
【背景技術】
[0002] 污泥中含有各種病菌，重金屬以及持久性有機污染物，并且易腐爛，有強烈的臭 味，如果未經適當處理的污泥被任意排放，將會對環境造成二次污染。目前，污泥的主要處 理技術包括土地利用、填埋、焚燒等，其中污泥焚燒可節省大量土地，減少二次污染，同時還 充分利用了再生能源，達到了對污泥處理的減容化、無害化、資源化的目的。然而，為了污 泥可以充分燃燒，在燃燒前必須對污泥進行脫水處理。目前，機械脫水后的污泥含水率仍有 80%，無法用于直接焚燒。為了滿足進一步的處理和處置，必須對初步脫水后的污泥進一步 作干化處理，才可用于焚燒。目前，污泥干化的方式主要分為直接加熱式、間接加熱式以及 直接與間接聯合式，無論采用哪一種方式都需要消耗大量的能源。為了盡可能地減少能源 的消耗，同時提高污泥干化的干化效率，需要采取一定的手段能夠將在污泥干化過程中的 污泥的含水量檢測出來。
[0003] 目前普遍應用濕度傳感器來檢測污泥的含水量，由于在污泥干化處理過程，會伴 隨產生高溫且具有污染性的氣體，這些氣體中的主要成分是硫化氫，氨和甲硫醇等，溶于水 中都具有腐蝕性，會對檢測設備造成嚴重的損壞，不利于長時間在線檢測，因普遍應用的濕 度傳感器是非密封性的，當其在酸性、堿性及含有機溶劑的氣氛中使用時，檢測的準確度和 穩定性將降低。
【發明內容】
[0004] 為克服上述缺點，結合污泥干化自身的特點，本發明提供了一種污泥干化過程中 污泥含水量的估算方法與裝置，不受污泥干化氣氛的影響，能夠準確和穩定地在線檢測污 泥的含水量，有效提高污泥干化的效率，減少能源消耗。
[0005] 本發明一種污泥干化過程中污泥含水量的估算裝置采用的技術方案是：估算裝置 外部是一個方形的檢測裝置盒，檢測裝置盒內部的左端設有待測氣體入口通道，待測氣體 入口通道連接待測氣體入口電磁閥，待測氣體入口電磁閥的輸出通道與內部設有半導體冷 卻器的氣體冷卻裝置左端連接，氣體冷卻裝置的右端設置輸出口與檢測裝置盒內部連通； 氣體冷卻裝置的右側放置聚四氟乙烯微孔濾膜保護罩，聚四氟乙烯微孔濾膜保護罩內部設 有MCU控制電路盒，MCU控制電路盒中放置濕度傳感器、信號調理電路、MCU控制系統及通信 模塊，濕度傳感器的檢測探頭伸出MCU控制電路盒外且對準氣體冷卻裝置的右端輸出口； 檢測裝置盒上壁中心處設有排氣通道，排氣通道連接排氣口電磁閥，排氣通道內部裝有微 型排氣扇，檢測裝置盒底壁正中心處設有空氣入口通道，空氣入口通道連接空氣入口電磁 閥，空氣入口通道內置放由導向葉片組成的氣流導向裝置；MCU控制系統通過不同的控制 端口分別連接排氣出口電磁閥，待測氣體入口電磁閥、空氣入口電磁閥、氣體冷卻裝置及微 型排氣扇，MCU控制系統通過通信模塊連接上位機，濕度傳感器經信號調理電路連接MCU控 制系統的輸入端。
[0006] 本發明一種污泥干化過程中污泥含水量的估算方法采用的技術方案是采用以 下步驟:A、MCU控制系統打開待測氣體入口電磁閥、排氣口電磁閥、氣體冷卻裝置及微 型排氣扇，使待測氣體經通過氣體冷卻裝置冷卻后充滿檢測裝置盒內部，關閉待測氣體 入口電磁閥、排氣口電磁閥、氣體冷卻裝置及微型排氣扇；B、待測氣體中的大分子腐蝕 性氣體被聚四氟乙烯微孔濾膜保護罩過濾掉后由濕度傳感器檢測出氣體濕度R并輸入 MCU控制系統采集，再通過通信模塊傳給上位機；C、上位機由訓練樣本數據訓練BP人 工神經網絡，構建污泥含水量Q與污泥干化過程中產生的氣體濕度R之間的函數關系 f = /+〇〇,將檢測出的氣體濕度R作為訓練好的BP人工神經網絡模型的輸入，污泥含水量Q 作為神經網絡模型的輸出，估算出污泥含水量Q。
[0007] 本發明與已有方法和技術相比，具有如下優點： 1、本發明利用污泥的含水量與污泥在干化過程中產生的氣體的濕度兩者的非線性關 系，結合人工神經網絡技術，實現污泥干化過程中污泥含水量的在線檢測。
[0008] 2、本發明的污泥烘干過程氣體濕度檢測裝置利用氣體冷卻裝置冷卻高溫氣體，并 且在濕度傳感器外部放置由聚四氟乙烯微孔濾膜制成的保護罩，過濾掉氣體中具有腐蝕性 的大分子氣體，有效保護濕度傳感器。
[0009] 3、本發明污泥烘干過程中氣體濕度檢測裝置可對其內部進行換氣清洗，有效地降 低腐蝕性氣體對其損害。
[0010] 4、本發明的污泥烘干過程中氣體濕度檢測裝置盒體內部的8個角在不影響內部 器件放置的前提下分別設有防死角弧形三角椎體(其體積大小可根據空間的剩余來確定)， 有利于對檢測裝置內部進行換氣清洗時對死角的殘余氣體的清理。
[0011] 5、本發明污泥烘干過程中氣體濕度檢測裝置利用家用抽屜的設計理念，可在污泥 干燥室外部直接拆取，便于用戶對檢測裝置內部各檢測部件進行定期的檢查維護和清理， 有效的保證了檢測的準確度，同時還能避免污泥干燥室內污染氣體對人體健康的損害。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明污泥干化過程中污泥含水量的估算裝置的內部結構圖； 圖2為圖1所示估算裝置的安裝示意圖； 圖3為圖1所示估算裝置的控制結構框圖； 圖4為圖1所示估算裝置的估算方法的流程圖； 圖5為圖4中BP人工神經網絡處理方法流程圖。
[0013] 附圖中各部件的序號和名稱：1、檢測裝置盒，2、排氣通道，3、排氣口電磁閥，4、排 氣孔，5、基板與污泥干燥室壁安裝固定孔，6、基板與檢測裝置盒安裝固定孔，7、基板，8、防 死角弧形三角椎體，9、微型排氣扇，10、待測氣體入口通道，11、氣體入口通道法蘭，12、待測 氣體入口電磁閥，13、氣體冷卻裝置，14、透氣孔，15、氣流導向裝置，16、空氣入口電磁閥， 17、導向葉片，18、聚四氟乙烯微孔濾膜保護罩，19、濕度傳感器檢測探頭，20、MCU控制電路 盒，21、MCU控制電路盒固定底座，22、保護罩固定螺絲，23、空氣入口通道，24、基板把手，25、 污泥干燥室外壁，26、基板與干燥室壁安裝固定螺栓，27、基板與檢測裝置盒安裝固定螺栓， 28、空氣入口通道法蘭，29、排氣通道法蘭。
【具體實施方式】
[0014] 參見圖1，本發明外部是一個方形的檢測裝置盒1，檢測裝置盒1由耐高溫、耐腐蝕 性材料制成且具有一定厚度，檢測裝置盒1的右側開口未封閉，右側開口處用基板7封閉， 并且與基板7固定連接。各檢測部件均放置于檢測裝置盒1內部，在檢測裝置盒1內部的左 端設有待測氣體入口通道10,待測氣體入口通道10通過檢測裝置盒1左壁上的開口與外部 連通，待測氣體入口通道10通過氣體入口通道法蘭11與待測氣體入口電磁閥12連接，待 測氣體入口電磁閥12的輸出通道與內部設有半導體冷卻器的氣體冷卻裝置13左端連接， 氣體冷卻裝置13的右端設置輸出口與檢測裝置盒1內部連通，從而使冷卻后的氣體從氣體 冷卻裝置13輸出后能夠充滿檢測裝置盒1內部。在氣體冷卻裝置13的右側放置聚四氟乙 烯微孔濾膜保護罩18,且兩者之間存在一定間隙。聚四氟乙烯微孔濾膜保護罩18由聚四氟 乙烯微孔濾膜制成，聚四氟乙烯微孔濾膜保護罩18通過保護罩固定螺絲22固定在檢測裝 置盒1的底部。在聚四氟乙烯微孔濾膜保護罩18內部設有MCU控制電路盒20，MCU控制電 路盒20固定懸在MCU控制電路盒固定底座21上，可以隔絕熱量傳遞。濕度傳感器檢測探 頭19伸出MCU控制電路盒20外，并且需要確保濕度傳感器檢測探頭19對準氣體冷卻裝置 13的右端輸出口。
[0015] 檢測裝置盒1的殼體上壁中心處設有排氣孔4,排氣孔4處安裝排氣通道2,排氣 通道2通過排氣通道法蘭29與排氣口電磁閥3連接，并在排氣通道2內部安裝有微型排氣 扇9,在需要測量氣體濕度或者清洗裝置時開啟微型排氣扇9,同時打開排氣口電磁閥3將 檢測裝置盒1內部氣體經由排氣孔4排出，同時充滿所需的氣體。在檢測裝置盒1的底壁 正中心位置處設有透氣孔14,透氣孔14下方連接空氣入口通道23,空氣入口通道23伸出 檢測裝置盒1之外，空氣入口通道23通過空氣通道法蘭28與空氣入口電磁閥16連接，在 空氣入口通道23內放置由導向葉片17組成的氣流導向裝置15,導向葉片17在空氣入口 通道23內均勻排列，并且組裝的角度分別偏向左右兩側。當清洗檢測裝置內部時，開啟空 氣入口電磁閥16、排氣口電磁閥3與微型排氣扇9,空氣入口通道23內的氣體經過氣流導 向裝置15后，空氣流均勻分別偏向檢測裝置盒1內部的左右兩側，利于快速清洗裝置內部。 同時，在方形的檢測裝置盒1內部的8個的角處安裝防死角弧形三角椎體8,要求弧形三角 椎體8不影響檢測裝置盒1內部的其它部件的放置，有利于在清洗裝置內部時對死角的殘 余氣體的清理。
[0016] 參見圖2,為本發明污泥烘干過程中氣體濕度檢測裝置安裝示意圖。考慮到本發明 的氣體濕度檢測裝置是在污泥干化過程中使用，各檢測部件容易受到氣體的污染和侵蝕， 特別是濕度傳感器的檢測精度會受到比較嚴重的影響。所以，為了確保檢測的順利進行和 準確度，需要對各檢測部件進行定期的檢查維護和清理。考慮污泥干燥室的污染嚴重，為減 少對用戶的健康損害，為方便用戶直接在外部就可拆取檢測裝置，因而，本發明的檢測裝置 利用家用抽屜的設計理念，將檢測裝置盒1與基板7通過4個基板與檢測裝置盒安裝固定 螺栓27固定后，將整個檢測裝置插入污泥干燥室中，基板7留在污泥干燥室外，通過4個基 板與干燥室壁安裝固定螺栓26固定在污泥干燥室外壁25上。為方便用戶抽取檢測裝置， 另在基板7上安裝基板把手24。此外，排氣通道2的通道設計高度不超過基板的上邊緣， 空氣入口通道23穿過基板7與外界空氣接觸，利于檢測裝置的整體抽取。當需要對內部檢 測設備進行清洗和維護時，先拆卸4個基板與干燥室壁安裝固定螺栓26后抽出整個檢測裝 置，其次拆卸4個基板與檢測裝置盒安裝固定螺栓27,最后從檢測裝置盒1的右側未封閉側 將其內部的各部件取出。
[0017] 參見圖3, MCU控制電路盒20中放置的是由濕度傳感器、信號調理電路、MCU控制 系統及通信模塊等相關電路構成的集成電路板。本發明以MCU控制系統為核心，MCU控制 系統通過不同的控制端口分別連接排氣出口電磁閥3,待測氣體入口電磁閥12、空氣入口 電磁閥16、氣體冷卻裝置13以及微型排氣扇9，MCU控制系統通過通信模塊連接上位機，濕 度傳感器經信號調理電路連接MCU控制系統的輸入端，電源供電系統為各所需部件提供電 源。
[0018] 參見圖4,本發明污泥烘干過程中污泥含水量估算裝置工作時，首先MCU控制系統 打開待測氣體入口電磁閥12、排氣口電磁閥3、氣體冷卻裝置13以及微型排氣扇9持續約 30秒，使待測氣體經通過氣體冷卻裝置13冷卻后充滿檢測裝置盒1內部，關閉待測氣體入 口電磁閥12、排氣口電磁閥3、氣體冷卻裝置13以及微型排氣扇9。待測氣體中的大分子 腐蝕性氣體被聚四氟乙烯微孔濾膜保護罩18過濾掉后由濕度傳感器檢測氣體的濕度，并 經過信號調理電路處理轉換為相應的數字信號后供MCU控制系統采集，MCU控制系統將采 集到的氣體濕度R經過通信模塊傳給上位機，通過上位機軟件利用BP人工神經網絡算法處 理，便可得到污泥的含水量Q。 根據工程熱力學可知，當污泥的含水量越多時，則污泥在干化過程中產生的氣體的濕 度相對地會越大，即污泥的含水量Q與污泥在干化過程中產生的氣體的濕度R存在單調非 線性的函數關系f = 本發明利用這兩者之間的關系，通過檢測污泥干化過程中產生 的氣體的濕度R，從而推導出污泥含水量Q。由于在污泥干化過程中產生的氣體具有高溫， 腐蝕性的特點，不利于濕度傳感器的直接測量，所以，本發明利用氣體冷卻裝置13冷卻高 溫的待測氣體，經過聚四氟乙烯微孔濾膜保護罩18,將具有腐蝕性的大分子氣體過濾掉，達 到保護濕度傳感器的效果。
[0019] 參見圖5、上位機軟件利用BP人工神經網絡處理時，利用污泥自身的含水量Q與污 泥在干化過程中產生的氣體濕度R存在單調非線性的函數關系￠= ，采用BP神經網絡 算法進行數據處理。將檢測裝置檢測出的氣體濕度R作為神經網絡模型的輸入，污泥的含 水量Q作為神經網絡模型的輸出，可構建函數￠ = 。要擬合出兩者之間的函數關系，必 須獲取足夠的樣本數據。由于干化的污泥濕度范圍為609Γ90%，因此，本發明針對不同的濕 度的污泥，采用在不同的干化時間t，取出部分樣品，利用污泥含水率測定儀測出該時刻的 污泥的含水量，并利用本發明的檢測裝置測出該時刻t的氣體濕度，通過上述實驗方法來 獲取足夠的樣本數據。然后，選取部分實驗數據作為泛化樣本數據，其他的數據作為訓練樣 本數據，并設置誤差目標值及學習因子用于網絡訓練，得到訓練后的權值和閾值。根據得到 的參數，判斷泛化的結果是否達到系統的誤差要求，若是達到系統誤差要求，則保存好相應 的BP人工神經網絡模型，若是沒有達到系統誤差要求，則修改學習因子后再次訓練網絡， 直到符合系統誤差的要求為止。通過訓練好的BP人工神經網絡模型，將檢測裝置檢測出的 氣體濕度R作為神經網絡模型的輸入，污泥的含水量Q作為神經網絡模型的輸出，根據檢測 出的氣體濕度R便能在線估算出比較精確的污泥含水量Q。
[0020] 當檢測完成后，為了減少腐蝕性氣體對檢測裝置內的各部件尤其是對濕度傳感器 的損壞，提高再次測量的精確度，需要對檢測裝置盒1內部進行換氣清洗。此時，MCU控制 系統開啟排氣口電磁閥3、微型排氣扇9以及空氣入口電磁閥16。外部空氣通過空氣入口 通道23進入，經過氣流導向裝置15和透氣孔14使氣流均勻地向檢測裝置盒1內部擴散， 并且檢測裝置盒1內部的腐蝕性氣體經排氣通道2排出，此過程持續約1分鐘后，MCU控制 系統關閉排氣口電磁閥3、微型排氣扇9以及空氣入口電磁閥16,結束換氣清洗過程。
【權利要求】
1. 一種污泥干化過程中污泥含水量的估算裝置，外部是一個方形的檢測裝置盒（1)， 其特征是：檢測裝置盒（1)內部的左端設有待測氣體入口通道（10)，待測氣體入口通道 (10)連接待測氣體入口電磁閥（12)，待測氣體入口電磁閥（12)的輸出通道與內部設有半 導體冷卻器的氣體冷卻裝置（13)左端連接，氣體冷卻裝置（13)的右端設置輸出口與檢測 裝置盒（1)內部連通；氣體冷卻裝置（13)的右側放置聚四氟乙烯微孔濾膜保護罩（18)，聚 四氟乙烯微孔濾膜保護罩（18 )內部設有MCU控制電路盒（20 )，MCU控制電路盒（20 )中放置 濕度傳感器、信號調理電路、MCU控制系統及通信模塊，濕度傳感器的檢測探頭伸出MCU控 制電路盒（20)外且對準氣體冷卻裝置（13)的右端輸出口；檢測裝置盒（1)上壁中心處設有 排氣通道（2 )，排氣通道（2 )連接排氣口電磁閥（3 )，排氣通道（2 )內部裝有微型排氣扇（9 )， 檢測裝置盒（1)底壁正中心處設有空氣入口通道（23)，空氣入口通道（23)連接空氣入口電 磁閥（16)，空氣入口通道（23)內置放由導向葉片（17)組成的氣流導向裝置（15) ;MCU控制 系統通過不同的控制端口分別連接排氣出口電磁閥（3)，待測氣體入口電磁閥（12)、空氣 入口電磁閥（16)、氣體冷卻裝置（13)及微型排氣扇（9)，MCU控制系統通過通信模塊連接上 位機，濕度傳感器經信號調理電路連接MCU控制系統的輸入端。
2. 根據權利要求1所述估算裝置，其特征是：檢測裝置盒（1)的右側開口處用基板（7) 封閉并用螺栓固定，檢測裝置盒（1)位于污泥干燥室中，基板（7)在污泥干燥室外，空氣入 口通道（23)穿過基板（7)與外界空氣接觸。
3. 根據權利要求1所述估算裝置，其特征是：檢測裝置盒（1)內部的8個的角處裝有防 死角的弧形三角椎體（8)。
4. 一種如權利要求1所述估算裝置的污泥干化過程中污泥含水量的估算方法，其特征 是采用以下步驟： A、 MCU控制系統打開待測氣體入口電磁閥（12 )、排氣口電磁閥（3 )、氣體冷卻裝置（13 ) 及微型排氣扇（9)，使待測氣體經通過氣體冷卻裝置（13)冷卻后充滿檢測裝置盒（1)內部， 關閉待測氣體入口電磁閥（12)、排氣口電磁閥（3)、氣體冷卻裝置（13)及微型排氣扇（9); B、 待測氣體中的大分子腐蝕性氣體被聚四氟乙烯微孔濾膜保護罩（18)過濾掉后由濕 度傳感器檢測出氣體濕度R并輸入MCU控制系統采集，再通過通信模塊傳給上位機； C、 上位機由訓練樣本數據訓練BP人工神經網絡，構建污泥含水量Q與污泥干化過程中 產生的氣體濕度R之間的函數關系 f : 將檢測出的氣 體濕度R作為訓練好的BP人工神經網絡模型的輸入，污泥含水量Q作為神經網絡模型的輸 出，估算出污泥含水量Q。
5. 根據權利要求4所述估算方法，其特征是：步驟C)中，針對不同濕度的污泥，在不同 的干化時間取出部分樣品，利用污泥含水率測定儀測出該時刻的污泥含水量，并測出該時 刻的氣體濕度，獲取足夠的樣本數據，選取泛化樣本數據和訓練樣本數據，設置誤差目標值 及學習因子用于訓練BP人工神經網絡，獲得訓練好的BP人工神經網絡模型。
6. 根據權利要求4所述估算方法，其特征是：步驟C)在估算出污泥含水量Q之后，MCU 控制系統開啟排氣口電磁閥（3)、微型排氣扇（9)及空氣入口電磁閥（16)，外部空氣通過空 氣入口通道（23)進入，經過氣流導向裝置（15)和透氣孔（14)使氣流均勻地向檢測裝置盒 (1)內部擴散，檢測裝置盒（1)內部的腐蝕性氣體經排氣通道（2)排出，MCU控制系統關閉 排氣口電磁閥（3)、微型排氣扇（9)及空氣入口電磁閥（16)完成檢測裝置盒（1)內部的換氣 清洗。
【文檔編號】G01N33/24GK104049074SQ201410308645
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月2日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】張榮標, 董榮偉, 王小格 申請人:江蘇大學
專業數控銑床產品供應商
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