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(cè)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(guò)程中的主要指標(biāo)參數(shù)，對(duì)污水懸浮液濃度的準(zhǔn)確檢測(cè)是評(píng)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(cè)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(cè)系統(tǒng)可以滿足污水檢測(cè)的基本要求，對(duì)其不同質(zhì)量濃度的污水測(cè)得的超聲波信號(hào)值與濃度值的大小有著較好的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

濃度檢測(cè)；懸濁液；超聲波

引言

伴隨著我國(guó)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(guò)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(cè)方法多種多樣，各有各的特點(diǎn)。近年來(lái)，因超聲波檢測(cè)污水顆粒濃度結(jié)果準(zhǔn)確性、使用方便以及對(duì)人體無(wú)害而成為檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)，研究該系統(tǒng)對(duì)污水顆粒濃度檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可行性。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 檢測(cè)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(guò)程為通過(guò)編寫(xiě)程序來(lái)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(lì)下超聲波換能器的高頻機(jī)械振動(dòng)發(fā)射來(lái)檢測(cè)一定距離的污水，其部分能量會(huì)被衰減，剩余部分通過(guò)接收換能器后收集，然后被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再采樣芯片將阻抗匹配接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。FPGA模塊通過(guò)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(dòng)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(cè)原理

在功率P和傳輸距離一定時(shí)，對(duì)接收到的信號(hào)的振幅與介質(zhì)之間的對(duì)應(yīng)的衰減特性，可以通過(guò)測(cè)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)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

測(cè)試平臺(tái)的基本架構(gòu)如圖3所示，利用FPGA芯片對(duì)程序產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，放大后驅(qū)動(dòng)超聲換能器。超聲波發(fā)射序列到達(dá)了一定距離的檢測(cè)介質(zhì)，接收換能器傳開(kāi)后，壓電效應(yīng)的聲音轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，濾波信號(hào)調(diào)理采集到的數(shù)字信號(hào)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(tái)框架

如圖4所示，測(cè)試過(guò)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(lì)電路的作用下發(fā)射換能器發(fā)出超聲波振動(dòng)，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(hào)強(qiáng)度有所不同，所以我們可以通過(guò)分析接收到的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)辨別被檢測(cè)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(lái)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(guò)觀察分析接收到超聲波信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)得知污水懸濁液的濃度的大小對(duì)超聲波信號(hào)衰減量的影響。在相同的頻率下，超聲波振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度由其幅值來(lái)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(cè)懸濁液質(zhì)量濃度不同，其接收到的波形曲線的振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)次數(shù)是有所不同的，由圖6可以看出，通過(guò)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(duì)值并求其平均值來(lái)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(jiàn)表2。

圖6 濃度為5%測(cè)得的曲線

表2 不同濃度的信號(hào)值

通過(guò)將不同的濃度值和表2求得的信號(hào)幅值平均值擬合可以得到圖7的關(guān)系曲線。

圖7 信號(hào)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(hào)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(cè)污水顆粒濃度系統(tǒng)的實(shí)際可行性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)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(cè)系統(tǒng)可以滿足污水檢測(cè)的基本要求，通過(guò)調(diào)制不同濃度的砂土懸濁液，對(duì)其檢測(cè)測(cè)得的信號(hào)值與濃度值有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，證明了本檢測(cè)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(guò)程不是一個(gè)嚴(yán)格的穩(wěn)定狀態(tài)，其中對(duì)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(dòng)現(xiàn)象，對(duì)超聲波信號(hào)的傳播和接收造成了一定影響。

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[5]孟瑞鋒.基于不同超聲信號(hào)變換的食品溶液濃度檢測(cè)研究[D].浙江大學(xué)博士學(xué)位論文,2012.

[6]侯懷書(shū),蘇明旭,蔡小舒.基于超聲衰減譜的納米顆粒粒度分布測(cè)量研究[J].聲學(xué)學(xué)報(bào).2015,45(05):408～414．

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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(jí)項(xiàng)目（QZYZ1604），2016年衢州市計(jì)劃項(xiàng)目（2016Y017）。