姚 燕，邱 倩，沈曉敏，金佩薇，梁曉瑜，朱穎穎

(1.中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018; 2.寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，浙江 寧波 315211)

0 引 言

生物質(zhì)能源是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉粗籟1-2]，一般來說，生物質(zhì)能源是指利用自然界植物、糞便、城鄉(xiāng)有機(jī)廢棄物等轉(zhuǎn)換成的能源[3]。而厭氧發(fā)酵技術(shù)是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化應(yīng)用中最為廣泛的技術(shù)之一，厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷作為能源具有熱值高，能量轉(zhuǎn)化利用率高的特點(diǎn)[4]。評(píng)價(jià)厭氧發(fā)酵優(yōu)劣的指標(biāo)通常有產(chǎn)氣速率、產(chǎn)氣總量、產(chǎn)甲烷潛力和產(chǎn)氣周期等[5]，其中生化甲烷潛力（biochemical methane potential, BMP），即每千克有機(jī)物在厭氧發(fā)酵條件下產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)氣量[6]，BMP測(cè)試通常用于評(píng)估原料厭氧生物可降解性、原料產(chǎn)甲烷毒性測(cè)試、原料產(chǎn)甲烷潛力和厭氧污泥產(chǎn)甲烷活性等[7-10]，是用于確定生物質(zhì)沼氣生產(chǎn)潛力最相關(guān)的參數(shù)。

BMP測(cè)試在國外已有40來年的歷史，Owen[9]、Hansen[10]，Owens[11]、Angelidaki[12]等的研究建立并完善了BMP測(cè)試方法，做出了重要貢獻(xiàn)。主流的已商業(yè)化的生化產(chǎn)甲烷自動(dòng)化測(cè)定裝置有WTW實(shí)驗(yàn)室的OxiTop分析儀、德國Bluesens的Yieldmaster氣體測(cè)量系統(tǒng)、瑞典Bioprocess Control的AMPTS全自動(dòng)甲烷潛力分析系統(tǒng)[13]，具有參數(shù)控制簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，自動(dòng)化程度高，是開展實(shí)驗(yàn)研究的良好選擇。但是設(shè)備均為進(jìn)口，設(shè)備昂貴，維護(hù)成本高。國產(chǎn)的自動(dòng)化裝置是湖北洛克泰克公司的RTK系列測(cè)試設(shè)備，是基于氣泡計(jì)數(shù)的原理，在測(cè)量管的出氣口處進(jìn)行氣泡計(jì)數(shù)，并且與微機(jī)連接自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單。

目前實(shí)驗(yàn)室常用的甲烷產(chǎn)氣量的測(cè)定方法，按照氣體體積計(jì)量方式的不同可分為排水集氣法、氣體壓力法、氣體流量測(cè)量法及氣泡計(jì)數(shù)法。傳統(tǒng)的排水集氣法[14-15]裝置操作易用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，是應(yīng)用最廣泛的方法。但是該方法需定期向排水容器中補(bǔ)充水，采集氣體體積即排水的體積，需要人為讀數(shù)，增加了操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，也容易造成誤操作。同時(shí)產(chǎn)氣量是使用量筒多次測(cè)定排出水的體積累計(jì)計(jì)算得到，測(cè)定的準(zhǔn)確性也有限。氣體壓力法[16-18]雖重現(xiàn)性好，精度高，氣體樣品采集容易，但是需要周期性地釋放發(fā)酵裝置中的氣體，容易造成測(cè)量誤差；氣體流量測(cè)量法[19-20]操作起來簡(jiǎn)單，但是在反應(yīng)后期氣體產(chǎn)生較慢，非高精度的氣體流量計(jì)無法滿足需要；氣泡計(jì)數(shù)法[21]通過相機(jī)對(duì)氣泡進(jìn)行數(shù)字成像，記錄氣泡的長度、停留時(shí)間等信息，計(jì)算出氣泡的體積，但只有在氣體產(chǎn)生速率較低時(shí)才能穩(wěn)定地記錄氣泡數(shù)量。Sasha[22]提出了一種基于稱重的測(cè)量方法，即通過稱量整個(gè)發(fā)酵反應(yīng)器的質(zhì)量變化來得出產(chǎn)氣量，但該方法產(chǎn)氣量較小時(shí)無法測(cè)出。

本文提出一種排水法與稱重計(jì)量法相結(jié)合的方法來測(cè)量厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷體積，實(shí)現(xiàn)生化產(chǎn)甲烷能力的自動(dòng)測(cè)量。本文提出的稱重法與Sasha[22]提出的不同，即在改進(jìn)傳統(tǒng)的排水集氣法的基礎(chǔ)上，采用稱重傳感器來替代傳統(tǒng)方法的量筒，通過測(cè)定排出水質(zhì)量得到產(chǎn)氣量。該方法成本低、容易實(shí)現(xiàn)，不僅能夠滿足發(fā)酵實(shí)驗(yàn)對(duì)甲烷氣體的測(cè)量需求，而且能夠提高自動(dòng)化水平和測(cè)量準(zhǔn)確性，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)氣量的自動(dòng)、連續(xù)測(cè)定。

1 測(cè)量原理及構(gòu)成

在排水集氣法的基礎(chǔ)上，利用稱重傳感器測(cè)定排水質(zhì)量，再換算得出水的體積，從理論上講，選用稱重傳感器量程為0～5 kg，靈敏度范圍為（1.0±0.15） mV/V，轉(zhuǎn)化成測(cè)定氣體準(zhǔn)確度范圍為0.3～0.5 mL。此外，稱重傳感器可以非常方便、準(zhǔn)確地使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行校驗(yàn)，從校準(zhǔn)的角度而言，稱重法比其他方法都有優(yōu)勢(shì)。

搭建了如圖1所示的稱重臺(tái)，當(dāng)物件放于托盤上時(shí)，懸臂梁發(fā)生微小彎曲，上表面應(yīng)變片產(chǎn)生拉應(yīng)變，下表面應(yīng)變片產(chǎn)生壓應(yīng)變，電阻值產(chǎn)生相應(yīng)變化，應(yīng)變與電阻變化的關(guān)系為：

圖 1 稱重臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

式中：K0——靈敏系數(shù)，由金屬材料決定；

ε——應(yīng)變，當(dāng)壓力F在一定范圍內(nèi)時(shí)，ε與F成正比，并且應(yīng)變由物體質(zhì)量m產(chǎn)生的荷重而形成；

a、b——線性擬合參數(shù)。

由此可得：

如圖2所示，甲烷潛力自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由發(fā)酵反應(yīng)模塊、產(chǎn)氣計(jì)量模塊、控制補(bǔ)液模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊4部分組成，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵反應(yīng)過程中的發(fā)酵溫度、pH值、產(chǎn)氣量等參數(shù)的處理、顯示和保存等功能。7號(hào)洗氣瓶內(nèi)裝的氣體為NaOH溶液，用于過濾發(fā)酵產(chǎn)物中的二氧化碳、硫化氫等酸性氣體。

圖 2 甲烷潛力自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)的工作原理是：將各模塊按如圖所示進(jìn)行連接，通過傳感器把溫度、pH值、質(zhì)量等信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡將采集到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)平臺(tái)，上位機(jī)將信號(hào)經(jīng)過處理后實(shí)時(shí)顯示發(fā)酵溫度、pH值以及產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)及曲線，并在產(chǎn)氣量超過預(yù)設(shè)值后進(jìn)入控制步驟，采集卡輸出數(shù)字信號(hào)控制電磁閥、蠕動(dòng)泵執(zhí)行補(bǔ)充排水液。通過記錄采集排水量完成對(duì)甲烷產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)。發(fā)酵反應(yīng)產(chǎn)生氣體，通過排水集氣方法將產(chǎn)氣氣體的體積轉(zhuǎn)移至集水瓶中水的體積，通過觀察測(cè)定得到的水的體積即氣體的體積。

2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

甲烷潛力自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件組成包括NI采集卡、PC上位機(jī)平臺(tái)、溫度傳感器、pH傳感器、稱重傳感器、電磁夾管閥和微型蠕動(dòng)泵等，如圖2所示。硬件系統(tǒng)的主要功能是采集發(fā)酵反應(yīng)過程中的溫度、pH值、產(chǎn)氣量等參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)平臺(tái)。本系統(tǒng)主要采用了USB總線接口的NI USB-6251數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)相連傳輸數(shù)據(jù)信息。

1)數(shù)據(jù)采集卡

采用USB-6251數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模擬量和數(shù)字量采集。USB-6251的模擬輸入ai0、ai1、ai2端口分別連接溫度采集模塊、pH采集模塊、稱重采集模塊，數(shù)字輸出端口連接到繼電器，該繼電器分別連接到夾管閥和蠕動(dòng)泵。

2)傳感器選型

稱重傳感器選用廣測(cè)YZC-133型號(hào)懸臂梁式的電阻應(yīng)變片傳感器，結(jié)合NSFD01型號(hào)質(zhì)量變送器輸出模擬電壓信號(hào)，通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼和數(shù)字萬用表多次測(cè)量得到稱重模塊的輸出電壓與測(cè)得的質(zhì)量關(guān)系，如圖3所示。溫度傳感器選用WZP-01型號(hào)的Pt100探針式鉑熱電阻溫度傳感器，經(jīng)SBWZ溫度變送器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。選用E-201-C玻璃電極pH傳感器經(jīng)采集模塊輸出模擬電壓信號(hào)。

圖 3 稱重模塊的輸出電壓與測(cè)得的質(zhì)量關(guān)系

3)補(bǔ)液控制

系統(tǒng)采用電磁夾管閥與微型蠕動(dòng)泵聯(lián)用對(duì)排水瓶中排水液進(jìn)行補(bǔ)充。電磁夾管閥選用北昂流體的一路常開夾管閥P20NO24-02#和一路常閉夾管閥P20NC24-02#，微型蠕動(dòng)泵選用卡川爾流體NKP-DA-B08型號(hào)蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)充排水液功能，補(bǔ)液流量約為48 mL/min。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用NI公司的USB-6251型號(hào)采集卡，結(jié)合LabVIEW軟件編程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)酵過程中的關(guān)鍵參數(shù)如溫度、pH值、產(chǎn)氣量的采集，自動(dòng)補(bǔ)充排水液，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲(chǔ)功能。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要由參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)采集，補(bǔ)液控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)4個(gè)模塊組成。軟件主要模塊的功能如下：

1）參數(shù)設(shè)置模塊：設(shè)置采集通道、采樣通道、采樣率等。

2）數(shù)據(jù)采集模塊：通過USB-6251采集卡采集信號(hào)，在軟件中讀出。

3）補(bǔ)液控制模塊：當(dāng)檢測(cè)到補(bǔ)液液不足時(shí)，往排水瓶中進(jìn)行補(bǔ)液動(dòng)作。

4）存儲(chǔ)管理模塊：以波形圖及數(shù)值等形式實(shí)時(shí)顯示各個(gè)信號(hào)變換，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，后續(xù)可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢。

3.1 前面板設(shè)計(jì)

前面板為本系統(tǒng)的用戶界面，如圖4所示，主要功能為：數(shù)據(jù)采集的參數(shù)設(shè)置，采集信號(hào)參數(shù)的顯示，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)置及軟件的說明等。為了簡(jiǎn)化前面板界面，前面板中只需放置常用參數(shù)設(shè)置。

圖 4 系統(tǒng)前面板界面

3.2 程序框圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的程序框圖設(shè)計(jì)是根據(jù)LabVIEW圖形編程語言的流程，按照模塊化的編程思想，隨著各個(gè)模塊依次進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)軟件的整體功能。根據(jù)軟件框圖劃分的模塊編寫程序，主程序流程圖如圖5所示。

圖 5 主程序流程圖

1)參數(shù)設(shè)置模塊

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)開始前，將計(jì)算機(jī)與采集卡建立通信連接，并啟動(dòng)電源。通過NI MAX軟件檢查采集卡是否已成功連接到計(jì)算機(jī)。采集卡與計(jì)算機(jī)連接成功后，首先需要設(shè)置信號(hào)采集參數(shù)和控制參數(shù)。系統(tǒng)采集參數(shù)設(shè)置包括各信號(hào)的采樣通道、采樣模式、采樣周期、采樣率等；系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置包括輸出控制通道、控制方式、控制時(shí)間等。

2)數(shù)據(jù)采集顯示

數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度采集、pH采集、質(zhì)量采集3部分。為保證所有輸入信號(hào)都與信號(hào)源共地，選擇RSE測(cè)量方式。數(shù)據(jù)采集卡為USB數(shù)據(jù)接口連接，利用DAQmx驅(qū)動(dòng)控件創(chuàng)建完整的采集驅(qū)動(dòng)程序。DAQmx創(chuàng)建物理通道控件用于指定模擬輸入端，選取模擬輸入端ai0～ai3。輸入模擬信號(hào)電壓幅值上下限分別設(shè)為10 V與-10 V。時(shí)鐘源采用內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，采用時(shí)鐘設(shè)置為1 Hz，時(shí)鐘生產(chǎn)脈沖數(shù)為1個(gè)。DAQmx讀取控件指定系統(tǒng)采取單通道N采樣點(diǎn)讀取方式一次讀取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

3)補(bǔ)液控制

采用閾值的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的補(bǔ)液控制功能。在讀取質(zhì)量值時(shí)，判斷集水瓶質(zhì)量是否超過預(yù)設(shè)的閾值50 g，若超出，則轉(zhuǎn)入數(shù)字控制部分，執(zhí)行數(shù)字信號(hào)1輸出高電平，繼電器聯(lián)通，夾管閥工作，蠕動(dòng)泵工作，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)液加水動(dòng)作，加液1 min，通過時(shí)間延遲控件工作時(shí)間T后，執(zhí)行數(shù)字信號(hào)0輸出低電平，繼電器關(guān)閉，補(bǔ)液加水動(dòng)作停止。

4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

采用TXT格式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法，存儲(chǔ)的TXT文件中依次輸出采集時(shí)間、電壓、產(chǎn)氣量、溫度、pH值等數(shù)據(jù)，以方便后期數(shù)據(jù)處理。

3.3 性能驗(yàn)證試驗(yàn)

利用單通道的微量注射器模擬厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣，對(duì)BMP自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開展性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)方法如下：將微量注射器注射口通過硅膠管與硬件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)氣口連接，此處的進(jìn)氣口即發(fā)酵反應(yīng)裝置留出的進(jìn)氣口，方便注射器注氣，如圖6所示，其余涉及模塊參考圖2。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)前，設(shè)定注射器的注射體積W，利用注射器注射設(shè)定體積W，在裝置中模擬發(fā)酵產(chǎn)氣，從而使產(chǎn)氣計(jì)量模塊中稱重傳感器信號(hào)電壓V發(fā)生變化，由稱重傳感器的經(jīng)驗(yàn)方程可得水的質(zhì)量M，并通過水的密度公式換算成模擬產(chǎn)氣量Q：

圖 6 驗(yàn)證操作示意圖

通過比較模擬發(fā)酵產(chǎn)氣量M與注射體積W，來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。設(shè)定17個(gè)梯度的注射體積，累積注入驗(yàn)證系統(tǒng)中，分別為5 mL、10 mL、20 mL、40 mL、80 mL、100 mL、125 mL、150 mL、175 mL、200 mL、225 mL、250 mL、275 mL、300 mL、325 mL、350 mL、375 mL，采集卡記錄產(chǎn)氣量為10次/min，持續(xù)記錄5 min同一注射體積重復(fù)5次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，此處的模擬產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)是經(jīng)過質(zhì)量方程計(jì)算得到的，故精度在小數(shù)點(diǎn)后4位。

表 1 甲烷潛力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，系統(tǒng)的平均相對(duì)誤差為1.1%，準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性較高，可滿足微量產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)功能和精度要求。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

將實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)裝置人工測(cè)量的BMP值與甲烷自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置測(cè)得的BMP值作對(duì)比，采用同一樣本在兩個(gè)裝置進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)裝置選取的量筒準(zhǔn)確度為1 mL，每隔兩天人工記錄一次數(shù)據(jù)；自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置記錄的數(shù)據(jù)選取小數(shù)點(diǎn)后一位，每隔半天記錄一次數(shù)據(jù)。樣品為哈密瓜皮，恒溫水浴鍋37 ℃環(huán)境下發(fā)酵。發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖 7 發(fā)酵產(chǎn)氣量測(cè)得值對(duì)比

由本文設(shè)計(jì)的BMP自動(dòng)測(cè)量裝置與原始裝置測(cè)量產(chǎn)氣量的趨勢(shì)基本一致，平均相對(duì)誤差為0.6%，可見該系統(tǒng)能滿足測(cè)量甲烷產(chǎn)氣量的需求。但是因?yàn)槟壳把b置一次只能測(cè)量一個(gè)樣的發(fā)酵產(chǎn)氣情況，后續(xù)可以通過發(fā)酵通道、復(fù)制稱重模塊，實(shí)現(xiàn)批量化測(cè)量。

4 結(jié)束語

針對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣測(cè)量方法自動(dòng)化程度低，人工測(cè)量誤差大等問題，本文提出設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW的生化產(chǎn)甲烷潛力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，利用稱重計(jì)量的排水集氣法，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)氣量、發(fā)酵環(huán)境溫度、pH值參數(shù)采集、處理和實(shí)時(shí)顯示。依次介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分和軟件程序部分，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，基于LabVIEW的生化產(chǎn)甲烷潛力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，通過模擬厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣，測(cè)得的氣體產(chǎn)量誤差較小，平均相對(duì)誤差為1.10%；采用哈密瓜皮樣品與傳統(tǒng)裝置的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)氣量的趨勢(shì)基本一致，平均相對(duì)誤差為0.6%，一致性較高。因此，該系統(tǒng)不僅可以滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)甲烷氣體的測(cè)量需求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)量采集數(shù)據(jù)，顯示及存儲(chǔ)，提高了自動(dòng)化程度。