周 麗，朱興龍，李鷺揚，孫 釗，丁 俊

(揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225127)

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餐廚泔水油水分離液位傳感器設(shè)計

周 麗，朱興龍，李鷺揚，孫 釗，丁 俊

(揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225127)

介紹了一種泔水回收預處理裝置，該裝置通過攪拌讓有益降解菌與泔水中的固態(tài)脂肪(如肥肉等)充分接觸并使之分解，然后通過過濾將泔水進行固液分離，再將分離后的油水混合物通過分離箱進行油水分離。根據(jù)油、水所處高度不同，設(shè)計了一種能識別油、水高度的液位傳感器，詳細闡述了傳感器的工作原理、設(shè)計參數(shù)。最后對該傳感器進行實驗，實驗結(jié)果表明所設(shè)計的傳感器能夠識別不同高度的油和水，為油、水的自動抽取提供了技術(shù)保證。

餐廚泔水；油水分離；液位傳感器

液位傳感器是獲得液體高度信息的儀器，其種類繁多，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中發(fā)揮著重要的作用。在化工行業(yè)，它可以用來計測輸送聚合物時的粉體平面高度、反應(yīng)缸的液位平面高度、石油化漿液位、化學儲藏罐內(nèi)的液位等；在冶金行業(yè)，可以用來計測制造鑄件的管道熔鐵平面高度和連續(xù)鑄造生產(chǎn)過程中的鋼包液位；在日常生活中則可用來檢測汽油、柴油存儲罐中的油位等等。因而它在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中起到耳目的作用[1]。

餐廚泔水分離出的泔水渣和泔水油，分別可以用來制作有機型緩釋肥料和生物柴油或甘油等，餐廚泔水的回收處理可以使泔水變廢為寶，具有較高的經(jīng)濟價值[2]。作者從餐廚泔水油水分離的角度出發(fā)，設(shè)計了一種可以對餐廚泔水進行固液分離、油水分離的泔水預處理機械裝置——泔水降解機，并針對油水分離設(shè)計了一種液位傳感器，經(jīng)過實驗，結(jié)果表明該傳感器能夠有效地識別油、水的高度，為自動抽取油、水提供了技術(shù)保證。

1 泔水降解機的工作過程

泔水降解機總體方案如圖1所示，主要由降解箱、集液池、出料筒、油水分離箱組成。泔水降解機的工作過程是，首先泔水由粉碎機6粉碎，之后經(jīng)過進料口4進入降解箱2，這時從菌種盒5中將降解菌放入到降解箱2內(nèi)，然后蝸輪蝸桿減速器10開始工作，帶動攪拌軸7旋轉(zhuǎn)，攪拌軸7上安裝的攪動葉片16隨之動作，在設(shè)定時間內(nèi)按正轉(zhuǎn)—暫停—反轉(zhuǎn)循環(huán)往復，讓降解菌與泔水充分混合，使固態(tài)脂肪充分降解。泔水在充分混合后靜置，蝸輪蝸桿減速器停止工作，待油水混合液經(jīng)出液口17充分流出到集液池20之后，打開出料口，蝸輪蝸桿減速器再次工作，帶動攪拌軸、推移葉片24推動泔水渣從出料口排出到出料筒。上述工作過程中，加熱器水套19和保溫層21一直工作，以維持泔水在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，保證泔水中的油層呈現(xiàn)液態(tài)，以便于固液分離的順利進行[3-4]。當集液池中油水達到一定高度時，通過油水泵18將其抽至油水分離箱11中進行油水分離，分離后的水沉積在油水分離箱的下部，而油則漂浮在水的上面，內(nèi)置在油水分離箱中的液位傳感器識別到水達到一定的高度并發(fā)出相應(yīng)的信號，使油泵和水泵工作，分別將油、水抽取到相應(yīng)的運輸桶中運走。

1—法蘭；2—降解箱；3—箱蓋；4—進料口；5—菌種盒；6—粉碎機；7—攪拌軸；8—軸端法蘭；9—聯(lián)軸節(jié)；10—蝸輪蝸桿減速器；11—油水分離箱；12—油泵；13—水泵；14—萬向輪；15—底板；16—攪動葉片；17—出液口；18—油水泵；19—加熱水套；20—集液池；21—保溫層；22—支架；23—出料筒；24—推移葉片

圖1 泔水降解機總體方案

從以上工作過程可知，油水分離箱中的傳感器需要能夠識別油水分界面的高度，這是及時抽走有限容積的分離箱中的油、水的關(guān)鍵所在。

2 油水液位傳感器設(shè)計

2.1 油水液位傳感器原理

油水液位傳感器由浮子(浮子上粘貼磁鋼)和霍爾元件組成，由浮力原理可知，當物體浸在液體中，如果所受浮力大于其重力時，物體能在液體里懸?。蝗绻芨×π∮谄渲亓r，物體在液體里下沉。由于油和水的密度不同，而物體在液體中的浮力與液體的密度有關(guān)，因此如果設(shè)計的浮子質(zhì)量和體積滿足一定關(guān)系，使之能在水中懸浮，而在油中不能懸浮，就能識別出油水分界面的高度。

基于這種思想，設(shè)浮子質(zhì)量為m，其排液體積為V，油液密度為ρ油，ρ油=0.92～0.93g/cm3，水密度為ρ水，ρ水=1g/cm3。根據(jù)浮力原理，為了使浮子在水中懸浮而在油中不浮起，則必須滿足ρ水gV>mg>ρ油gV，即

ρ水>m/V>ρ油

（1）

從式(1)可以看出，如果浮子的質(zhì)量與其排液體積之比大于油的密度，且小于水的密度，則能夠?qū)崿F(xiàn)其在水中懸浮而油中下沉的要求。同理，若浮子的質(zhì)量與其排液體積之比小于油液密度，那么浮子能在油中浮起。所設(shè)計的傳感器在油水分離箱內(nèi)的布局示意圖如圖2所示。

1—雙導柱；2—雙導柱；3—浮子二；4—磁鋼；5—霍爾元件一；6—細絲；7—霍爾元件二；8—霍爾元件三；9—磁鋼；10—浮子一；11—細絲

如圖2 所示，將霍爾元件感應(yīng)器分別安裝在分離箱壁上，將磁鋼分別粘貼在浮子上，并將一根細絲栓在浮子二3下方，細絲6的另一端與箱體底壁相連，細絲6的長度為當浮子二3在水中上升至細絲6繃緊時，浮子二3上的磁鋼4的高度剛好達到霍爾元件一5的高度；將另一根細絲11栓在浮子一10上方，細絲11的另一端與箱體上壁相連，細絲11的長度為細絲11繃緊時，浮子一10上磁鋼9的高度剛好達到霍爾元件三8的高度，當油水混合液首次進入油水分離箱內(nèi)時，浮子一、二因未受浮力，浮子一10位于霍爾元件三8的高度，浮子二3位于分離箱底部，隨著油水混合液的增多，浮子均受浮力作用先后沿著雙導柱上升，當浮子二3在水中上升致使細絲6繃緊時，說明此時分離箱中水的高度已達到或超過霍爾元件的高度，由于細絲的限制，磁鋼4與霍爾元件一5感應(yīng)，發(fā)出信號控制水泵工作，此時油泵不工作，水位下降帶動液位下降，浮子一、二也隨液位高度的下降而下降，設(shè)定水泵持續(xù)工作至磁鋼4與霍爾元件二7感應(yīng)時，水泵停止工作，此時若磁鋼9和霍爾元件三8未發(fā)出感應(yīng)信號，則油泵啟動工作；待油位下降至細絲11繃緊，磁鋼9與霍爾元件三8感應(yīng)發(fā)出信號時，油泵停止工作。為了保證感應(yīng)信號對油、水泵的準確控制，霍爾元件二7的安裝位置要比霍爾元件三8的安裝位置略低(比如1cm)。油、水分別抽完后，新的油水混合液進入油水分離箱，進行油水分離，如此反復，實現(xiàn)泔水的油水分離。

2.2 傳感器參數(shù)確定

浮子二材料為尼龍，形狀為正方形，邊長為6.0cm，導柱孔直徑0.8cm，由于尼龍密度為1.15g/cm3，其密度不滿足式(1)要求，因此浮子二必須采用中空結(jié)構(gòu)，如圖3所示，中空部分為正方體，其邊長為3.3cm，這樣浮子二的質(zhì)量m2為：

m2=(6.03-3.33-2×6.0×π/4×0.82)×1.15=200.14g

浮子二排液體積V2為： V2=6.03-2×6.0×π/4×0.82=209.97cm3那么，m2/V2=0.953g/cm3，滿足式(1)要求。

同理，為使浮子一在油中浮起，浮子一也為中空結(jié)構(gòu)。中空部分為正方體，經(jīng)計算設(shè)定其邊長為3.6cm，其余參數(shù)與浮子二相同。

3 實驗驗證

實驗裝置由油水液位傳感器、水液位傳感器、集液池、分離箱、油水泵、油泵和水泵組成，控制器采用三菱PLC，人機交互界面采用GOT1000型觸摸屏。實驗裝置接線圖如圖4所示。

圖3 浮子二的二維剖面圖

圖4 實驗裝置接線圖

當集液池中積滿油水混合液時，電機1帶動油水泵將固液分離后的油水混合液抽至油水分離箱，其中電機1動作由霍爾元件0對應(yīng)的液位傳感器控制，該液位傳感器所用的浮子可與浮子一相同，因為浮子一在純油中能夠浮起，其在油水混合液中也一定能浮起。電機2由霍爾元件一、二及浮子二(上面粘有磁鋼)控制，以此控制水泵的啟動和停止，電機3由霍爾元件二、三及浮子一(上面粘有磁鋼)控制，以此控制油泵的啟動和停止，其自動控制流程圖如圖5所示。

油水分離液位傳感器在油水分離箱內(nèi)實物布置實驗圖如圖6所示。

4 結(jié)束語

本文采用自制的浮子、磁鋼與霍爾元件相結(jié)合并利用浮力原理設(shè)計的液位傳感器，經(jīng)過實驗驗證，能夠及時識別出油、水液面的高度，經(jīng)PLC輸出信號，利用油泵和水泵分別排出油和水，從而實現(xiàn)油水分離。該液位傳感器成本低，易于與控制系統(tǒng)相連接，解決了油水分離集油系統(tǒng)自動工作問題，降低油中水的含量，提高了油水分離的工作效率[5]，為泔水的油水分離自動化提供了技術(shù)支撐。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

圖6 油水分離液位傳感器實驗圖

[1] 黃偉榮.光纖法布里-珀羅腔液位傳感器研究[D].西安：中國科學院研究生院(西安光學精密機械研究所)，2004.

[2] 沈川，郭烈恩，宋心鑫.GSJ500 型泔水處理機[J]. 機械工程師，2009(8)：47-48.

[3] 昋永強.餐廚廢棄物油脂回收工藝及設(shè)備的研究與設(shè)計[D]. 銀川：寧夏大學，2014.

[4] 徐可可，李積彬，姚旺.基于餐廚垃圾處理設(shè)備的新型油水分離器[J].機電工程技術(shù)，2009(10)：77-78，87.

[5] 李樂.油水分離集油系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].濟南：山東大學，2014.

The development of the liquid level sensor to oil-water separation in kitchenware swill

ZHOU Li, ZHU Xinglong, LI Luyang, SUN Zhao, DING Jun

(School of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Jiangsu Yangzhou, 225127, China)

This paper develops a device to recycle and preprocess swill. It applies the beneficial degraded bacteria and stirs the bacteria, lets it contact with the solid fat in swill (such as fat, etc.) and decompose the solid fat, then filters swill with solid-liquid separation and separates the oil and water mixture through the separation tank. Aiming at detecting the height of oil and water after the oil-water separation and the manufacture costs, it designs a liquid level sensor, which can identify height of oil and water. The paper describes the working principle, design parameters of the sensor. The test results show that the sensor is able to identify oil and water, provide technical assurance for extracting oil and water automatically.

kitchenware swill;oil-water separation;liquid level sensor to oil-water separation

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.013

2015-07-23

2012產(chǎn)學研市校合作項目(2013038-14)

周麗(1989—)，女，江蘇南通人，揚州大學碩士研究生，主要研究方向為機械電子工程。

TH122

A

2095-509X(2015)09-0048-04