專利名稱：一種bod智能在線檢測儀表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種污水處理領(lǐng)域的智能在線檢測儀表，該儀表可應(yīng)用在工業(yè)污水和城市生活污水處理中，用于關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)B0D5(5日生化需氧量)的實時測量。
背景技術(shù)：
污水處理過程是一個復(fù)雜生的化反應(yīng)過程，具有很強的動態(tài)非線性、大干擾性和不確定性，而且其中很多參數(shù)之間都含有耦合關(guān)系，因而給污水水質(zhì)參數(shù)的實時測量帶來了很大的困難。在污水處理過程中，BOD是表征污水水質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，由于其間接反映了水中有機物質(zhì)的相對含量，故而BOD長期以來作為一項環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)被廣泛使用；在水環(huán)境模擬中，由于對水中每種化合物分別考慮也并不現(xiàn)實，同樣使用BOD來模擬水中有機物的變化。生化需氧量和化學(xué)需氧量(COD)的比值能說明水中的難以生化分解的有機物占t匕，微生物難以分解的有機污染物對環(huán)境造成的危害更大。通常認為廢水中這一比值大于
0.3時適合使用生化處理。在BOD的測量中，通常規(guī)定使用20°C、5天的測試條件，并將結(jié)果以氧的mg/L表示，記為bod5。這一指標(biāo)系由英國皇家污水處理委員會確定。對于生化需氧量的測定，目前主要有稀釋法、測壓差法、生物傳感器法、增溫法和活性污泥曝氣降解法。稀釋法是得到廣泛認可和普遍使用的方法，其測定方法是使用氧飽和溶解的水稀釋待測水樣，之后使用一定量的微生物懸濁液(常用活性污泥)和少量固定的接種物質(zhì)接種，然后測試此時的溶解氧，密封水樣。將溫度保持在20°C，靜置水樣于黑暗環(huán)境中，五天后，再測試此時水樣的溶解氧。這種方法原理清楚，測量嚴(yán)謹(jǐn)，較為準(zhǔn)確。但是存在著操作復(fù)雜、所需試劑較多、耗時長而且很難重現(xiàn)的缺點，一旦測量的某個環(huán)節(jié)出差錯，就要重新測定，耗時費力。測壓差法的原理是生化反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳被樣品瓶中吸收劑吸收，而空氣中的氧溶解到水中以補充消耗，從而密閉系統(tǒng)壓力降低，根據(jù)氣壓差就可以求出水樣中的BOD值。目前國內(nèi)外很多BOD檢測儀器采用的就是測壓差法，例如美國哈希BOD TrakTM II分析儀和德國的Lovibond BOD測定儀采用的都是這種方法。其優(yōu)點在于操作簡單、測定直接而且能連續(xù)顯示結(jié)果；但是它并不能減少培養(yǎng)時間。生物傳感器法的原理是利用水樣中溶解氧通過固定的微生物膜層擴散到電極上會顯示出一定的電流，而水中發(fā)生生化反應(yīng)后溶解氧大量減少，氧電極電流隨之迅速減小，根據(jù)這一電流的減小值在事先標(biāo)定的曲線上可得出bod5。其缺點在于傳感器制作困難、生物膜壽命短，測定范圍較窄，測定成本較高。增溫法的原理是通過提高培養(yǎng)溫度來加快生化反應(yīng)進程，激化微生物活性，加速其分解作用從而達到快速測定的目的。其缺點在于對溫度的提升標(biāo)準(zhǔn)和方法目前還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法，智能通過經(jīng)驗判斷，因而測定的精確度較差，僅適用于特定廢水的控制分析?；钚晕勰嗥貧饨到夥?其原理是利用活性污泥曝氣降解水樣一段時間，用重鉻酸鉀測定曝氣前后C0D，其變化即為總的生化需氧量，之后對照標(biāo)準(zhǔn)測定值即得出B0D5。這一方法更適用于BOD和COD比值的測定。隨著國家對環(huán)境治理的投入不斷加大，對水資源可再生利用和出水水質(zhì)的要求的提高，污水處理廠為了減少處理成本和實現(xiàn)更好的出水水質(zhì)，必須在污水處理過程中加入更多的控制量，采用更加智能的方法解決污水處理工藝中的各種問題。為達到以上目的，及時獲得污水處理系統(tǒng)當(dāng)中重要的過程參數(shù)及水質(zhì)參數(shù)是十分關(guān)鍵的?，F(xiàn)今國內(nèi)外關(guān)于BOD5的測量儀器所采取的測量方法主要有兩種:一、測壓差法。二、生物傳感器法。但是采用壓差法的測量儀器測量時間過長，需要5天，遠遠無法滿足污水處理過程實時控制的需要；采用生物傳感器法的BOD測量儀器存在著儀器生物傳感器制作困難，測量范圍較窄，相關(guān)的膜材料容易損壞從而導(dǎo)致儀器的使用壽命不足，使用成本過高，也無法滿足工業(yè)上污水水質(zhì)參數(shù)實時測量的需要。

實用新型內(nèi)容本實用新型涉及的是重要的水質(zhì)參數(shù)之一生化需氧量(BOD)的在線測量儀表。針對現(xiàn)有的BOD測量儀器無法及時有效的在線測量BOD的現(xiàn)狀，本實用新型儀表另辟蹊徑，設(shè)計了一套軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)，同時為了提高儀器的測量精度，軟件部分采用的是改進的自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟測量的方法，對當(dāng)前污水處理系統(tǒng)中的BOD的值進行建模和預(yù)測。實際運行證明對BOD的測量可以達到很高的精度，并且測量速度快，可以自主運行，不需要專門人員看護。該儀表可以根據(jù)水質(zhì)參數(shù)的變化自動調(diào)整預(yù)測網(wǎng)絡(luò)以適應(yīng)不同的污水處理系統(tǒng)。本測量儀表可以用于污水處理廠對BOD的實時監(jiān)測，對當(dāng)前應(yīng)用較多的連續(xù)型活性污泥法和SBR法(序批式活性污泥法)工藝的污水處理系統(tǒng)都適用；同時還可以用于實驗室中相關(guān)污水處理工藝的模型中BOD的監(jiān)測。為了解決本實用新型中的技術(shù)問題，我們采取了以下的技術(shù)方案。一種BOD智能在線檢測儀表，其特征在于:包括水質(zhì)參數(shù)綜合檢測裝置，操作和顯示裝置以及中央處理設(shè)備；所述水質(zhì)參數(shù)綜合檢測裝置，包括PH酸堿度電極，ORP氧化還原電位電極，DO溶解氧電極和溫度傳感器。所述水質(zhì)參數(shù)綜合檢測裝置連接到操作和顯示裝置，操作和顯示裝置連接到中央處理設(shè)備。進一步，所述的溫度傳感器集成在的水質(zhì)參數(shù)綜合檢測儀表的PH電極內(nèi)；電極通過四針通用數(shù)字串口和操作和顯示裝置相連。進一步，所述的中央處理設(shè)備為ARM開發(fā)板，或者是PC機。系統(tǒng)的整體功能框圖見
圖2。BOD智能檢測儀表的硬件部分是由一個水質(zhì)參數(shù)綜合檢測裝置和中央處理裝置組成。水質(zhì)綜合檢測裝置的設(shè)計原則是:首先裝置檢測的參數(shù)是軟測量輔助變量中的參數(shù)，其次要測量簡便且精確。根據(jù)以上原則我們設(shè)計的水質(zhì)參數(shù)綜合檢測裝置包括以下儀器:PH計一個，ORP測量儀一個，DO測量儀一個，溫度傳感器一個如圖1所示。其中PH，DO, ORP都是采用電極測量的方式，電極測量與主機之間通過4針通用數(shù)字接口連接。溫度傳感器是集成在電極中。四組參數(shù)可以同時測量并顯示。處理設(shè)備是ARM9嵌入式開發(fā)板一個，安裝WINCE5.0系統(tǒng)。開發(fā)板的型號是S3C2440。還可以以PC機作為處理設(shè)備，可視不同需求自主配備。檢測裝置和中央處理裝置之間采用USB接口傳輸數(shù)據(jù)，通訊協(xié)議采用的是USB2.0標(biāo)準(zhǔn)。采集的數(shù)據(jù)以excel表格或者.txt格式存儲在綜合檢測裝置中，可存儲5000組。水質(zhì)檢測裝置通過USB傳輸線將檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚碓O(shè)備ARM開發(fā)板上或者PC機上，從而實現(xiàn)了作為軟測量輔助變量的參數(shù)數(shù)據(jù)采集和傳輸。采集的數(shù)據(jù)通過軟件部分的處理，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，從而達到對BOD建模和預(yù)測的效果。系統(tǒng)的軟件部分是自主開發(fā)的BOD參數(shù)預(yù)測系統(tǒng)，系統(tǒng)的開發(fā)平臺是VS2005，開發(fā)語言是C#。軟件部分包括數(shù)據(jù)檢測，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示，參數(shù)預(yù)測，歷史數(shù)據(jù)查詢，越限報警這六部分功能。其中參數(shù)預(yù)測部分是軟件部分的核心。內(nèi)嵌有三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立出水水質(zhì)參數(shù)BOD的模型并實現(xiàn)通過實測參數(shù)達到預(yù)測的目標(biāo)。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明。圖1儀表硬件結(jié)構(gòu)圖。圖2 BOD智能檢測系統(tǒng)功能框圖。
具體實施方式
具體的實施方式如下:1.儀表工作的第一步是對軟測量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，訓(xùn)練的數(shù)據(jù)要出自待檢測系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值達到最佳時，固定權(quán)值。用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)進行BOD預(yù)測。2.儀表工作時首先由水質(zhì)參數(shù)綜合檢測儀表對被檢測系統(tǒng)進行參數(shù)檢測，測得當(dāng)前系統(tǒng)的PH，DO, ORP和溫度四組參數(shù)。由于溫度感應(yīng)需要一段的時間，因此根據(jù)實際情況前3-5分鐘的數(shù)據(jù)舍去，不作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練或預(yù)測數(shù)據(jù)。測量的時間間隔選擇為0.5-5分鐘之間，間隔小于30秒時，測量的參數(shù)變化很小，預(yù)測的輸出和上一組變化很小，不必重復(fù)測量。測量時電極約沒入水中1/3的長度，若要測量深水中的水質(zhì)參數(shù)則要對電極加適當(dāng)?shù)姆雷o措施。3.水質(zhì)參數(shù)綜合檢測裝置通過USB接口和安裝在exceI加載項的數(shù)據(jù)導(dǎo)出軟件將水質(zhì)參數(shù)檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)出到excel表格中。數(shù)據(jù)處理和BOD預(yù)測環(huán)節(jié)通過BOD5智能檢測軟件完成。軟件運行在儀表的處理設(shè)備ARM9開發(fā)板上，由5V交流電源為其供電。4.數(shù)據(jù)處理部分采用統(tǒng)計學(xué)方法，剔除異常數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)進行格式的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換和歸一化，以用于預(yù)測環(huán)節(jié)。工作時，水質(zhì)參數(shù)綜合檢測裝置可以顯示當(dāng)前檢測到的水質(zhì)參數(shù)值，BOD的預(yù)測值和警戒值在處理設(shè)備上的軟件界面上顯示。數(shù)據(jù)處理的時間經(jīng)過實際運行的驗證通常在30s之內(nèi)完成。5.BOD5預(yù)測中采用了可變學(xué)習(xí)率的改進的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，首先要對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后再輸入當(dāng)前檢測到的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，對出水的BOD進行預(yù)測。預(yù)測采取的是對每組數(shù)據(jù)逐一預(yù)測的方式，因此綜合檢測儀表的每一組測量參數(shù)都會對應(yīng)一組出水的BOD的值，以參數(shù)檢測的時間作為每組區(qū)分的依據(jù)。6.預(yù)測值超過設(shè)定的BOD5警戒值時，開發(fā)板上的蜂鳴器會發(fā)出警報。軟件界面顯示的BOD5預(yù)測值會變紅。7.預(yù)測的數(shù)據(jù)以XML文檔的格式保存在軟件的數(shù)據(jù)庫中，通過歷史數(shù)據(jù)查看的方式可以看到結(jié)果。
權(quán)利要求1.一種BOD智能在線檢測儀表，其特征在于:包括水質(zhì)參數(shù)綜合檢測裝置，操作和顯示裝置以及中央處理設(shè)備；所述水質(zhì)參數(shù)綜合檢測裝置，包括PH酸堿度電極，ORP氧化還原電位電極，DO溶解氧電極和溫度傳感器；所述水質(zhì)參數(shù)綜合檢測裝置連接到操作和顯示裝置，操作和顯示裝置連接到中央處理設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的BOD智能在線檢測儀表，其特征在于:所述的溫度傳感器集成在的水質(zhì)參數(shù)綜合檢測儀表的PH電極內(nèi)；電極通過四針通用數(shù)字串口和操作和顯示裝置相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的BOD智能在線檢測儀表，其特征在于:所述的中央處理設(shè)備為ARM開發(fā)板，或者是PC機。
專利摘要一種BOD智能在線檢測儀表屬于污水處理領(lǐng)域。其特征在于包括水質(zhì)參數(shù)綜合檢測裝置，操作和顯示裝置以及中央處理設(shè)備；所述水質(zhì)參數(shù)綜合檢測裝置，包括pH酸堿度電極，ORP氧化還原電位電極，DO溶解氧電極和溫度傳感器。所述水質(zhì)參數(shù)綜合檢測裝置連接到操作和顯示裝置，操作和顯示裝置連接到中央處理設(shè)備。目前受檢測技術(shù)發(fā)展的限制，污水處理行業(yè)對BOD測量儀表存在著測量時間過長，測量成本過高的缺陷，無法滿足污水處理過程中實時控制的需要。本實用新型可以根據(jù)水質(zhì)參數(shù)的變化自動調(diào)整預(yù)測網(wǎng)絡(luò)以適應(yīng)不同的污水處理系統(tǒng)。儀表可以用于采用普通活性污泥法的污水處理系統(tǒng)和序批式活性污泥法(SBR法)的污水處理系統(tǒng)；同時還可以用于實驗室中相關(guān)污水處理工藝的模型中BOD5的實時監(jiān)測。
文檔編號G01N27/00GK203053904SQ20132000075
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月2日
發(fā)明者喬俊飛, 郭楠, 韓紅桂 申請人:北京工業(yè)大學(xué)