一种自动测量液面高度的曝气系统及液面高度测量方法与流程

本发明涉及一种自动测量液面高度的曝气系统及液面高度测量方法，属于曝气设备领域。

背景技术：

在废水生物处理工艺中，曝气系统作为一个核心单元直接影响着出水的水质稳定性和处理成本。曝气系统通过向反应器内充氧，一方面提供微生物生化作用所需的溶解氧，另一方面保持反应器中微生物、底物、溶解氧的充分混合，防止活性污泥沉淀；其中氧传质过程对曝气系统的处理效率及处理成本起着关键作用。因此，准确预测氧传质过程一直是曝气领域研究开发的热点。含气率作为预测氧传质过程的重要参数要求准确测量曝气前后曝气系统的液面高度变化。

目前，测量曝气系统中液面变化的方法主要是通过常规尺子进行人工测量，在测量过程中，试验人员的操作、尺子的精度以及不同试验人员读数的差异均会使所测的液面高度有很大的误差，严重影响了预测氧传质过程的准确性。此外，还有部分研究者采用超声波技术测量曝气系统液面高度变化，超声波会对曝气系统中的气泡产生很大影响，进而会影响曝气系统的传质过程，由此测得的液面高度变化并不能客观反应曝气系统的真实传质过程。此外，在曝气过程中，液体的温度会随曝气时间的增加而升高，温度的升高不仅影响曝气系统的传质效率，还会使液体的体积发生变化从而影响液面高度测量的准确性。

技术实现要素：

本发明为能自动精准测量曝气过程中气泡塔内液面高度的变化，提高氧传质计算的准确性，提供了一种自动测量液面高度的曝气系统及液面高度测量方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种自动测量液面高度的曝气系统，包括气泡塔、气泡发生器、液面高度测量柱、液面测量浮杆、激光反射浮片、气泡塔温控层、压缩气体瓶；所述的气泡塔的顶端设有气泡塔顶盖，气泡塔的底端设气泡塔底板，气泡塔底板的底端通过连通管与液面高度测量柱的底端相互贯通；气泡发生器的液体输出、输入端分别设有气泡发生器出液管及气泡发生器进液管；气泡发生器进液管从气泡塔顶盖延伸至气泡塔内，气泡发生器出液管从气泡塔底板延伸至气泡塔内；气泡发生器的气体接入端通过气泡发生器进气管与压缩气体瓶相连通；液面高度测量柱内设有液面测量浮杆，激光反射浮片漂浮于气泡塔的液面上。

本发明所述的自动测量液面高度的曝气系统，所述的气泡塔的侧壁外侧设有气泡塔温控层，气泡塔温控层与的气泡塔的侧壁之间设有温度传感器；温度传感器的信号输出端与温度信号处理器的信号接收端相连，温度信号处理器的控制端与气泡塔温控层相连。温度传感器与温度信号处理器通过数据线相连，用于监测气泡塔内液体温度。气泡塔温控层是一种半导体制冷膜，用其完全包裹气泡塔外壁，气泡塔温控层通过数据线与温度信号处理器相连，当温度传感器监测到气泡塔内的液体温度超过预设值时温度信号处理器会启动气泡塔温控层为气泡塔内的液体降温直到液体温度等于预设值，从而使气泡塔中液体的温度恒定。

本发明所述的自动测量液面高度的曝气系统，还包括柱式激光发射接收器、点式激光测距仪、激光信号处理器、溶解氧测量仪、溶解氧测量仪探头；所述的柱式激光发射接收器位于液面高度测量柱的一侧，柱式激光发射接收器安装在气泡塔顶盖与气泡塔底板之间；点式激光测距仪布置在气泡塔顶盖上，激光信号处理器的信号接入端分别与柱式激光发射接收器、点式激光测距仪相连通；气泡塔外部布置溶解氧测量仪，溶解氧测量仪与溶解氧测量仪探头相连，溶解氧测量仪探头位于气泡塔的液体内。所述的溶解氧测量仪用于测量气泡塔内液体的溶解氧值。激光信号处理器内设有将激光信号转换为液位高度的转换程序，可以同时处理柱式激光发射接收器和点式激光测距仪的信号，输出液面高度的值。

本发明所述的自动测量液面高度的曝气系统的液面高度测量方法，步骤如下：

步骤1，将曝气系统的各设备进行组装，将激光反射浮片放置在气泡塔底板上；

步骤2、依次开启柱式激光发射接收器，点式激光测距仪和激光信号处理器，对激光信号处理器进行校准，具体地，将此时激光信号处理器输出的h2、h41、h42、h43和h的值均设定为0；

步骤3，向气泡塔中充加液体，激光反射浮片始终漂浮在液面上，柱式激光发射接收器及点式激光测距仪对气泡塔内的液面高度进行监测，由激光信号处理器接收柱式激光发射接收器、点式激光测距仪的液面高度的信号；当气泡塔内的液面高度到达设定高度值停止液体填充；

步骤4、依次开启溶解氧测量仪、温度信号处理器、气泡发生器；溶解氧测量仪测定液体溶解氧值，气泡发生器对气泡塔内曝气，温度信号处理器接收温度传感器所测得气泡塔内液体温度；柱式激光发射接收器测定液面高度测量柱的液面高度；点式激光测距仪测定激光反射浮片位于的液面高度；激光信号处理器记录曝气过程中任一时刻的液面高度h；

步骤5、达到预定曝气时间时，先关闭气泡发生器，再依次关闭激光信号处理器、柱式激光发射接收器和点式激光测距仪，接着再依次关闭溶解氧测量仪和温度信号处理器，结束曝气。

本发明所述的自动测量液面高度的曝气系统的测量方法，所述的步骤3中当气泡塔内的液面高度到达设定高度后设定激光信号处理器的处理高度值为当前液面高度。

本发明所述的自动测量液面高度的曝气系统的测量方法，所述步骤4中如式激光发射接收器，点式激光测距仪或激光信号处理器出现故障时，通过液面高度测量柱上的刻度线进行人工读取液面高度。

有益效果

本发明提供的自动测量液面高度的曝气系统及液面高度测量方法，通过连通管将气泡塔中的大液面转换成液面高度测量柱中的小液面测量液面高度，提高了液面高度测量的精度。

本发明提供的自动测量液面高度的曝气系统及液面高度测量方法，采用激光测距技术自动测定液面高度变化，减少了试验人员的工作量，同时也减少了由试验人员间的读数差异引起的测量误差。

本发明提供的自动测量液面高度的曝气系统及液面高度测量方法，采用激光测距技术自动测量液面高度的同时，采用气泡塔温控层保证了曝气过程中液体恒温，避免了因液体温度引起液面高度变化进而导致的液面高度测量误差。

本发明提供的自动测量液面高度的曝气系统及液面高度测量方法，联合采用柱式激光发射接收器和点式激光测距仪测量液面高度，将两者测得的平均值作为曝气系统的液面高度值，减小了试验误差，所测液面高度值更接近实际值。

附图说明

图1为实施例1中自动测量液面高度的曝气系统的结构示意图；

图2为实施例1中液面测量浮杆的结构示意图；

图3为实施例1中气泡塔顶盖的结构示意图；

图4为柱式激光发射接收器的液面高度测量原理图；

图5为点式激光测距仪的液面高度测量原理图。

其中：1为液面高度测量柱、2为柱式激光发射接收器、3为激光信号处理器、4为点式激光测距仪、5为溶解氧测量仪、6为气泡塔、7为温度信号处理器、8为气泡发生器、9为压缩气体瓶、11为液面测量浮杆、51为溶解氧测量仪探头、61为气泡塔顶盖、62为气泡塔底板、63为气泡塔侧壁、64为气泡塔温控层、65为连通管、66为气泡塔支座、67为激光反射浮片、611为通气孔、631为温度传感器、81为气泡发生器进液管、82为气泡发生器出液管、83为气泡发生器进气管、111为支架、112为伸缩杆、113为浮片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围：

实施例1：

如图1所示，本发明提供的自动测量液面高度的曝气系统，包括液面高度测量柱1、柱式激光发射接收器2、激光信号处理器3、点式激光测距仪4、溶解氧测量仪5、气泡塔6、温度信号处理器7、气泡发生器8和压缩气体瓶9。

液面高度测量柱1是透明的玻璃管，其上有刻度线，便于人工读数，液面高度测量柱1通过连通管65与气泡柱6相通，液面高度测量柱1的上端敞开，其高度与气泡塔6的净高相同均为h，液面测量浮杆11架立在液面高度测量柱1的上端。

如图2所示：液面测量浮杆11由支架111、伸缩杆112、浮片113组成，伸缩杆112是轻质变截面伸缩杆，每节伸缩杆外壁涂有激光反射层且在伸缩的过程中没有摩擦力，浮片113是轻质圆形薄片，当液面高度测量柱1中无液体时，液面测量浮杆11的长度与液面高度测量柱1的高度相同为h，当液面高度测量柱1中的液面逐渐升高时，浮片113受浮力作用使伸缩杆112逐渐缩短。

柱式激光发射接收器2竖直架立在气泡塔底板62上，与液面高度测量柱1处于同一水平位置，且与激光信号处理器3通过数据线相连，柱式激光发射接收器的高度与液面高度测量柱的相等均为h，柱式激光发射接收器固定在气泡塔底板上。点式激光测距仪固定在气泡塔顶盖上，点式激光测距仪的光源与气泡塔顶盖的下表面共面。激光信号处理器与柱式激光发射接收器和点式激光测距仪通过数据线相连。

进一步地，自动测量液面高度的曝气系统的液面高度h是柱式激光发射接收器测得的1个液面高度测量柱内的液面高度h2与3个点式激光测距仪测得的3个气泡塔内的液面高度h41、h42和h43的平均值，即h=(h2+h41+h42+h43)/4。

点式激光测距仪4安装在气泡塔顶盖61上，通过数据线与激光信号处理器3相连，点式激光测距仪4的光源与气泡塔顶盖61的下表面共面。

溶解氧测量仪5与溶解氧测量仪探头51通过数据线相连，数据线穿过气泡塔顶盖61将溶解氧测量仪探头51置于液面一下测量气泡塔6中液体的溶解氧值。气泡塔6由气泡塔顶盖61、气泡塔底板62、气泡塔侧壁63、气泡塔温控层64、连通管65、气泡塔支座66和激光反射浮片67组成。

进一步地，气泡塔底板62放置于气泡塔支座66上，气泡塔侧壁63粘接在气泡塔底板62上，可拆卸的气泡塔顶盖61放置在气泡塔侧壁63上，激光反射浮片67漂浮在气泡塔6中的液面上。

进一步地，泡塔顶盖61，其上分布有3个点式激光测距仪4和通气孔611。如图2所示。

进一步地，所述的气泡塔底板62上分布有连通管65。

进一步地，所述的气泡塔侧壁63上分布有温度传感器631，气泡塔温控层64是一种半导体制冷膜包裹在气泡塔6的外壁上，气泡塔温控层64和温度传感器631通过数据线与温度信号处理器7相连，温度传感器631用于监测气泡塔6中的液体温度，当气泡塔6中的液体温度超过预设值时，温度信号处理器7会开启泡柱温控层64降低气泡塔6中的液体温度，当气泡塔6中的液体温度等于预设值时，温度信号处理器7会关闭气泡塔温控层64。

所述的气泡发生器8连接有气泡发生器进液管81、气泡发生器出液管82和气泡发生器进气管83组成。

进一步地，所述的气泡发生器进液管81穿过气泡塔顶盖61通入到气泡塔6中的液面下。

进一步地，所述的气泡发生器出液管82穿过气泡塔底板62通入到气泡塔6中。气泡发生器进气管83与压缩气体瓶9相连。

本发明所述的自动测量液面高度的曝气系统，所述的点式激光测距仪为若干个，若干个所述的点式激光测距仪沿气泡塔顶盖的中心成圆周排列。液面高度测量柱是带有刻度线的玻璃管，便于在激光测距系统不能正常工作时进行人工读数，液面高度测量柱的高度与气泡塔净高相等均为h，在液面高度测量柱上架立有液面测量浮杆。

如图4所示；柱式激光发射接收器的测量原理：柱式激光发射接收器与液面高度测量柱的高度均为h，且两者处于同一水平位置处，柱式激光发射接收器发射水平的激光到液面高度测量柱，激光遇到液面测量浮杆发生反射且被柱式激光发射接收器接收，激光遇到液体会穿透液体不发生明显的反射，

将柱式激光发射接收器接收到反射激光区域的高度记为h2t，由此柱式激光发射接收器测量的液面高度测量柱内的液面高度h2为h-h2t，即h2=h-h2t。

如图5所示：点式激光测距仪的测量原理：气泡塔的净高h，点式激光测距仪测量的距离是气泡塔顶盖下表面到激光反射浮片的距离，记为h41t，由此点式激光测距仪测得的气泡塔内的液面高度h41为h-h41t，即h41=h-h41t，气泡塔顶盖上分布的3个点式激光测距仪测量的气泡塔内的液面高度分别记为h41、h42和h43。

自动测量液面高度的曝气系统的液面高度测量方法，具体为：

步骤1、组建上述自动测量液面高度的曝气系统，将激光反射浮片67放置在气泡塔底板62上；

步骤2、依次开启柱式激光发射接收器2，点式激光测距仪4和激光信号处理器3，对激光信号处理器3进行校准，具体地，将此时激光信号处理器3输出的h2、h41、h42、h43和h的值均设定为0；

步骤3、在气泡塔6中加液体，激光反射浮片67会漂浮在液面上，当激光信号处理器3输出的h值达到预定值时停止加液体；

步骤4、依次开启溶解氧测量仪5、开温度信号处理器7和气泡发生器8开始曝气，激光信号处理器3记录曝气过程中任一时刻的液面高度h；

步骤5、达到预定曝气时间时，先关闭气泡发生器8，再依次关闭激光信号处理器3、柱式激光发射接收器2和点式激光测距仪4，接着再依次关闭溶解氧测量仪5和温度信号处理器7，结束曝气。

本发明所述的自动测量液面高度的曝气系统的测量方法，所述的步骤3中当气泡塔内的液面高度到达设定高度后设定激光信号处理器的处理高度值为当前液面高度。

本发明所述的自动测量液面高度的曝气系统的测量方法，所述步骤4中如式激光发射接收器，点式激光测距仪或激光信号处理器出现故障时，通过液面高度测量柱上的刻度线进行人工读取液面高度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。