衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院蘭葉深 徐文俊 劉文軍
基于超聲波的污水顆粒質(zhì)量濃度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究
衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院蘭葉深 徐文俊 劉文軍
現(xiàn)階段,污水處理是防治水污染的主要方法,生活中的污水基本屬于固液混合懸浮液,其質(zhì)量濃度是污水處理過程中的主要指標(biāo)參數(shù),對污水懸浮液濃度的準(zhǔn)確檢測是評價(jià)水質(zhì)和處理效果的重要手段。本文基于超聲波衰減的原理,設(shè)計(jì)污水顆粒濃度檢測系統(tǒng),并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,基于超聲波的污水顆粒濃度檢測系統(tǒng)可以滿足污水檢測的基本要求,對其不同質(zhì)量濃度的污水測得的超聲波信號值與濃度值的大小有著較好的一一對應(yīng)關(guān)系。
濃度檢測;懸濁液;超聲波
伴隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的腳步,城市人口逐年增多,人們?nèi)粘I钗鬯呐欧胖鹉暝黾覽1]。污水處理是水污染防治的重要手段,大部分生活污水和工業(yè)廢水屬于固液兩相混合液,其中,固體成分主要為不溶性物質(zhì)如土壤、砂石、有機(jī)腐敗殘留物等等[2]。在污水處理的過程中,濃度是反映其特性的重要指標(biāo)。濃度分為體積濃度和質(zhì)量濃度,即一定量的污水中固體組分的百分比[3]。污水的質(zhì)量濃度主要是指懸浮顆粒物濃度,在污水懸浮液中一定量固體的百分比。濃度是表征流體狀態(tài)的重要物理參數(shù),也是分析污水懸浮物基本性質(zhì)的技術(shù)指標(biāo)[4]。
污水懸浮顆粒質(zhì)量濃度的檢測方法多種多樣,各有各的特點(diǎn)。近年來,因超聲波檢測污水顆粒濃度結(jié)果準(zhǔn)確性、使用方便以及對人體無害而成為檢測污水質(zhì)量濃度最合適的方法之一。本文基于超聲波衰減原理,設(shè)計(jì)污水顆粒濃度檢測系統(tǒng),研究該系統(tǒng)對污水顆粒濃度檢測的準(zhǔn)確性和可行性。
圖1 檢測系統(tǒng)的組成
該系統(tǒng)由超聲波換能器、FPGA控制模塊、采樣模塊、超聲波發(fā)射器、攪拌器、換能器夾具等組成(圖1)。其工作過程為通過編寫程序來控制FPGA芯片的超聲波激發(fā)電路繼續(xù)發(fā)射寬度500ns,觸發(fā)脈沖波脈沖頻率200Hz。利用高壓負(fù)脈沖激勵下超聲波換能器的高頻機(jī)械振動發(fā)射來檢測一定距離的污水,其部分能量會被衰減,剩余部分通過接收換能器后收集,然后被轉(zhuǎn)換為電壓信號,再采樣芯片將阻抗匹配接收到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。FPGA模塊通過USB接口和PC連接,將采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)進(jìn)行分析和后處理。
由于液體不能承受剪應(yīng)力,所以超聲波在懸浮液中以縱波的形式傳播[5]。當(dāng)介質(zhì)在平面縱波中傳播時(shí),根據(jù)聲學(xué)原理可得,傳播距離和振動幅度A之間的關(guān)系為:
式中:A0為初始的振幅,其大小由超聲波發(fā)射換能器的功率決定;傳播距離Δx由發(fā)射換能器和接收換能器間的距離;a為聲波衰減系數(shù)。
圖2 檢測原理
在功率P和傳輸距離一定時(shí),對接收到的信號的振幅與介質(zhì)之間的對應(yīng)的衰減特性,可以通過測量介質(zhì)的衰減系數(shù),就能計(jì)算出固體顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[6]。
一般污水懸濁液包括水溶液和固體不溶物兩部分,因此聲衰減系數(shù)a也可以分為兩個(gè)部分:
a1是指水溶液所引起的超聲衰減,a2是指懸浮顆粒所引起的超聲衰減。其中引起的衰減為:
式中:Ts為固體顆粒散射衰減;Tj為懸浮顆粒擦衰減項(xiàng);Tv為滯衰減項(xiàng);f為聲波頻率;C為濁液中固體顆粒物體積濃度。
其中:
式中:r為體顆粒物半徑;c為濁液中的聲速;W為液與懸浮粒子密度比值;Kz為體微粒的壓縮系數(shù);Kv為體微粒的體積粘滯系數(shù);U決于懸濁液粘滯性的傳播常數(shù)。
測試平臺的基本架構(gòu)如圖3所示,利用FPGA芯片對程序產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行控制,放大后驅(qū)動超聲換能器。超聲波發(fā)射序列到達(dá)了一定距離的檢測介質(zhì),接收換能器傳開后,壓電效應(yīng)的聲音轉(zhuǎn)變成電信號,濾波信號調(diào)理采集到的數(shù)字信號的數(shù)量和發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。
圖3 試驗(yàn)平臺框架
如圖4所示,測試過程中,分別將兩個(gè)超聲波探針作為發(fā)射端和接收端,在激勵電路的作用下發(fā)射換能器發(fā)出超聲波振動,在污水懸濁液中傳播一段距離后被接收換能器收集,由于溶液濃度的不同將導(dǎo)致接收到的信號強(qiáng)度有所不同,所以我們可以通過分析接收到的信號強(qiáng)度來辨別被檢測污水顆粒濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大小。
圖4 換能器
圖5 FPGA實(shí)物電路板
一般情況下,我們的生活環(huán)境中的污水顆粒濃度在5%~27%,但是其組成成分多樣復(fù)雜,污水中的懸浮顆粒物形狀大小也不相同。為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性,我們采用砂土和清水混合組成懸濁液來替代生活污水。并調(diào)制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%、20%和25%的懸濁液。如表1所示。
表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的懸濁液
通過觀察分析接收到超聲波信號的強(qiáng)度來得知污水懸濁液的濃度的大小對超聲波信號衰減量的影響。在相同的頻率下,超聲波振動信號的強(qiáng)度由其幅值來表示[7]。
實(shí)驗(yàn)時(shí),超聲波換能器的頻率為5MHz,F(xiàn)PGA模塊設(shè)置采樣芯片的采樣頻率為80MHz,正常情況下,每個(gè)周期能夠采集到16個(gè)數(shù)據(jù)值。但由于被檢測懸濁液質(zhì)量濃度不同,其接收到的波形曲線的振動次數(shù)也不相同。在質(zhì)量濃度為0%的清水中所采樣數(shù)據(jù)有7個(gè)完整的振動波形,而在質(zhì)量濃度為25%的懸濁液中卻只有4個(gè)完整的振動波形。
因?yàn)閼覞嵋翰煌|(zhì)量濃度下所接收到的波形的完整振動次數(shù)是有所不同的,由圖6可以看出,通過采用第一個(gè)清晰的波峰極值點(diǎn)分別取A、B、C、D四個(gè)極值點(diǎn)的絕對值并求其平均值來體現(xiàn)超聲波接收到的強(qiáng)度。不同懸濁液濃度的A、B、C、D峰值和平均值見表2。
圖6 濃度為5%測得的曲線
表2 不同濃度的信號值
通過將不同的濃度值和表2求得的信號幅值平均值擬合可以得到圖7的關(guān)系曲線。
圖7 信號濃度擬合曲線
從圖7可得,隨著懸濁液濃度的增加,接收到的超聲波信號幅值是單調(diào)遞減的。符合濃度越大超聲波衰減量越多的規(guī)律,也實(shí)踐證明了基于超聲波檢測污水顆粒濃度系統(tǒng)的實(shí)際可行性。
本文通過原理分析和實(shí)驗(yàn)研究可以得知,基于超聲波的污水顆粒濃度檢測系統(tǒng)可以滿足污水檢測的基本要求,通過調(diào)制不同濃度的砂土懸濁液,對其檢測測得的信號值與濃度值有著較好的對應(yīng)關(guān)系,證明了本檢測方案的可行性和正確性。然而,由于實(shí)驗(yàn)條件,本研究仍存在以下缺陷:實(shí)驗(yàn)過程不是一個(gè)嚴(yán)格的穩(wěn)定狀態(tài),其中對污水懸濁液的攪拌使得水槽內(nèi)的液體出現(xiàn)不規(guī)則流動現(xiàn)象,對超聲波信號的傳播和接收造成了一定影響。
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蘭葉深,男,1989年出生,浙江衢州人,碩士,研究方向:機(jī)電一體化技術(shù)的科研和教學(xué)。
衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級項(xiàng)目(QZYZ1604),2016年衢州市計(jì)劃項(xiàng)目(2016Y017)。