一种规模化好氧堆肥温氧监测系统的制作方法

本发明涉及一种监测系统，尤其涉及一种规模化好氧堆肥温氧监测系统。

背景技术：

近年来，随着我国经济、社会的快速发展，各类有机固体废弃物产量巨大，若不加以科学合理利用，不仅会导致资源浪费，对生态环境和人类健康也会造成严重威胁。以我国规模化养殖场为例，提倡以沼气工程和有机肥工程为核心的有机固体废弃物循环利用模式（《畜禽规模养殖污染防治条例》）。好氧堆肥化(Aerobiccomposting)是有机固体废弃物无害化、减量化、资源化处理与利用的重要途径之一。好氧堆肥过程中，空间堆体温度、氧体积分数是影响堆肥化进程和堆肥产品质量的两个关键工艺控制参数。适宜的温度和氧体积分数能有效促进堆体迅速升温和保持良好的高温期，加速有机质降解，大量减少温室气体和恶臭气体产排，并提升堆肥产品质量。另外，堆肥发酵环境较为恶劣，不利于人员长时间进入操作，因此，研发在线监测规模化好氧堆肥过程温度、氧体积分数数据的成套装备技术对于实现好氧堆肥过程自动化控制，提升堆肥品质和开展数值模拟等科学研究均具有重要意义。

目前，针对有机固体废弃物好氧堆肥过程温度和氧体积分数数据获取方面已有相关研究报道。现有相关研究在立足规模化好氧堆肥实际工况，面向物料特性，提升获取数据整体性能和使用便携性等方面尚存在不足之处，但提供了较好的前期研究基础。

技术实现要素：

本发明是针对规模化好氧堆肥需求，研发一种适用于工厂化好氧堆肥过程温度、氧体积分数数据实时在线准确获取的便携式监测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

规模化好氧堆肥温氧监测系统由温度数据获取模块、氧体积分数数据获取模块、信号处理模块和数据显/存模块等部分构成。

所述的温度数据获取模块包括温度传感器、数据传输线和防护层，其中温度传感器为其核心。

所述的氧体积分数数据获取模块包括氧体积分数传感器及防护层、数据传输线、不锈钢保护套、进气口及防堵装置、手柄等。氧体积分数实时监测传感器选用氧化锆型氧体积分数传感器（Honeywell GMS10-RVS 型，美国），其主要性能参数如下：预热时间30s，精度等级为小于500Pa，氧气压力测量范围为200Pa ~300kPa，灵敏度为0.0105ms/Pa，容许气体温度范围为-100~+250℃，其具有较高的测量精度和良好的高温稳定性，能够很好的满足在线监测准确性高、稳定性好、响应速度快的要求。

所述的信号处理模块包括信号采集器和信号传输线。本文的信号采集器主要性能参数为：温度数据信号处理精度（FS）±1%，分辨率0.1℃；氧体积分数数据信号处理精度（FS）±2%，分辨率0.1%。

所述的数据显/存模块包括多通道温度和氧体积分数数据信号输入接口、存储终端和图形化软件。多通道信号输入接口包括8个温度数据输入接口和1个氧体积分数数据输入接口。

本发明的有益效果是：

本研究设计了一套规模化好氧堆肥过程温、氧实时监测系统，主要包括温度数据获取模块、氧体积分数数据获取模块、信号处理模块、数据显/存模块组成，集成度高，便携性好。针对本系统通过开展实验室和实际规模化好氧堆肥性能试验和分析研究，研究结果显示温度监测相对标准偏差均小于3.02%，响应时间均小于45s；氧体积分数监测相对标准偏差均小于2.96%，响应时间均小于30s。表明本系统在准确性、稳定性和响应速率等方面均具有良好性能，可用于我国工厂化好氧堆肥过程温度和氧体积分数不同空间梯度多维数据实时在线监测，为实现堆肥过程自动化控制、优化堆肥工艺、提升产品品质提供装备技术支撑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是规模化好氧堆肥温氧监测系统设计方案。

图2是氧体积分数数据获取模块示意图。

其中，1-手柄，2-不锈钢保护套，3-氧体积分数传感器及防护层，4-进气口及防堵装置。

具体实施方式

如图1所示，规模化好氧堆肥温氧监测系统由温度数据获取模块、氧体积分数数据获取模块、信号处理模块和数据显/存模块等部分构成。温度数据获取模块包括温度传感器、数据传输线和防护层，其中温度传感器为其核心。好氧堆肥过程温度区间可分为升温期、高温期和降温期3个主要阶段，高温期持续时间较长，最高温度可达70℃左右。PT100温度传感器具有精度均较高、适用环境广泛、价格低廉等优点，被广泛应用于温度监测。因此，本文采用PT100温度传感器（Heraeus32208551型，德国），其主要性能参数如下：精度标准为Class1/3B，电阻温度系数为3.85×10-3/K，温度最高测量值为150℃，响应时间3s。另外，规模化好氧堆肥堆制环境为弱酸或弱碱环境，具有腐蚀性，温度传感器外设计有不锈钢封装防护结构，壳体封装防护等级为IP65；数据传输线选用镀银四氟屏蔽线。数据显/存模块包括多通道温度和氧体积分数数据信号输入接口、存储终端和图形化软件。多通道信号输入接口包括8个温度数据输入接口和1个氧体积分数数据输入接口。基于工程控制和科学研究等不同需求，监测系统数据数据获取频率应可调，本文采用VB语言编程技术开发了一套人机交互图形化软件，在存储终端上安装并打开图形化软件后，调整参数可获取不同时间间隔下温、氧数据，并实现实时存储。信号处理模块包括信号采集器和信号传输线。信号采集器通过变送器将电阻和氧分压信号转换成电压信号，然后通过模数转换器将电压信号转换成数字信号，数字信号进入以单片机为核心的处理系统，并以十进制数的形式在显示屏上显示。本文设计的信号采集器主要性能参数为：温度数据信号处理精度（FS）±1%，分辨率0.1℃；氧体积分数数据信号处理精度（FS）±2%，分辨率0.1%。经试验研究，校正后在 0~70℃温度区间温度传感器温度输出值与电压信号之间的连续函数关系式和在0~21%（不包括0）。氧体积分数区间氧体积分数传感器氧体积分数输出值与电压信号之间的连续函数关系式分别为：

T=41.665989Et-24.999588

其中，T —温度输出值，℃

Et—温度对应的电压信号值，V

C₀₂=10.094435E0₂-6.056661。

其中，C₀₂ —氧体积分数输出值。

E₀₂—氧体积分数对应的电压信号值。

如图2所示，氧体积分数数据获取模块包括氧体积分数传感器及防护层3、数据传输线、不锈钢保护套2、进气口及防堵装置4、手柄1等。目前应用于堆肥领域的主流氧体积分数实时监测传感器有氧化锆型和电化学型两种。考虑到规模化好氧堆肥堆制环境具有腐蚀性，且物料湿度黏度较大，传统的电化学型氧体积分数传感器易失效，不利于堆肥过程氧体积分数数据的实时在线监测。本文选用氧化锆型氧体积分数传感器，其主要性能参数如下：预热时间30s，精度等级为小于500Pa，氧气压力测量范围为200Pa~300kPa，灵敏度为0.0105ms/Pa，容许气体温度范围为-100~+250℃，其具有较高的测量精度和良好的高温稳定性，能够很好的满足在线监测准确性高、稳定性好、响应速度快的要求。考虑规模化好氧堆肥堆体平均高度，不锈钢保护套2有效长度设计为1.2m，与手柄1通过螺纹连接。为减少插入堆体摩擦阻力，其顶端设计为20°圆锥状。整个保护套为中空结构，氧化锆传感器置于中空结构中央位置。进气口为位于保护套圆锥状尖端上部2cm处，规格8×2.5cm的2个长方形孔，在保护套圆周对称分布。考虑到堆肥物料高湿、高粘易导致堵塞及气流不畅，基于流体力学和防堵原理，进气口处设计有双叠层网状结构。氧化锆氧体积分数传感器外设有防护层，为不锈钢套管结构，并通过螺纹旋紧于手柄1上，数据传输线为阻燃PVC材料。