一種實(shí)驗(yàn)室用微量沼氣計(jì)量裝置的設(shè)計(jì)

王傲凡，劉新媛，吳海云，楊磊，謝程錦，范佳怡

一種實(shí)驗(yàn)室用微量沼氣計(jì)量裝置的設(shè)計(jì)

王傲凡，劉新媛通信作者，吳海云，楊磊，謝程錦，范佳怡

（天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津 300392）

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下的沼氣發(fā)酵裝置產(chǎn)氣速率低，沼氣產(chǎn)量的精確計(jì)量較為困難。本文設(shè)計(jì)一種適用于實(shí)驗(yàn)室的微量沼氣計(jì)量裝置，該裝置將連續(xù)產(chǎn)出的沼氣離散化計(jì)量，而單次計(jì)量的沼氣體積通過(guò)固定容積集氣腔的壓力變化來(lái)求解。裝置的控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，根據(jù)設(shè)定的壓力參數(shù)實(shí)現(xiàn)固體容積集氣腔“接收沼氣”狀態(tài)和“排放沼氣”狀態(tài)的自動(dòng)切換。此外，控制系統(tǒng)自動(dòng)收集和顯示的關(guān)鍵參數(shù)用于沼氣產(chǎn)量的計(jì)算。

沼氣計(jì)量；微量沼氣；實(shí)驗(yàn)室規(guī)模；自動(dòng)控制

沼氣發(fā)酵是廢棄生物質(zhì)能源化利用的重要途徑，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐之中[1-2]。實(shí)驗(yàn)室小試規(guī)模的發(fā)酵系統(tǒng)也常用于基礎(chǔ)科學(xué)研究和新型沼氣發(fā)酵技術(shù)的開(kāi)發(fā)[3-4]。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的厭氧發(fā)酵中，集氣系統(tǒng)承擔(dān)氣體計(jì)量和氣樣采集的功能，而計(jì)量采樣的準(zhǔn)確性和可靠性對(duì)表征發(fā)酵體系的產(chǎn)氣狀況和運(yùn)行效率至關(guān)重要。氣體計(jì)量裝置是集氣系統(tǒng)的核心，目前實(shí)驗(yàn)室常用的集氣裝置為濕式氣體流量計(jì)，可測(cè)定一段時(shí)間內(nèi)的累積沼氣產(chǎn)量，適用于表征厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣指標(biāo)，如日產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣潛力等[5-6]。然而，濕式氣體流量計(jì)也存在回轉(zhuǎn)誤差、計(jì)量穩(wěn)定性較差及長(zhǎng)期使用精度下降的問(wèn)題[7-8]。瑞典碧普公司開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)（AMPTS）是較早商業(yè)化的產(chǎn)品，其中微量氣體流量計(jì)組陣是系統(tǒng)的核心單元，其自動(dòng)化程度高，測(cè)量分辨率可精確到10 mL，數(shù)據(jù)在線采集[9]。但該產(chǎn)品價(jià)格昂貴，不便于大規(guī)模推廣。實(shí)驗(yàn)室小試規(guī)模發(fā)酵系統(tǒng)的有機(jī)物處理量和發(fā)酵裝置均較小、產(chǎn)氣量也較低，常見(jiàn)市售流量計(jì)難以自動(dòng)精準(zhǔn)計(jì)量。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)一套以單片機(jī)為主控芯片的自動(dòng)控制計(jì)量裝置，單片機(jī)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且性?xún)r(jià)比優(yōu)異等特點(diǎn)[10]，適用于實(shí)驗(yàn)室小試規(guī)模發(fā)酵系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)量計(jì)量。

1 硬件系統(tǒng)的組成

微量沼氣計(jì)量裝置位于發(fā)酵集氣系統(tǒng)中。除此之外，實(shí)驗(yàn)室小試發(fā)酵裝置的集氣系統(tǒng)還包括沼氣預(yù)處理部分、采樣部分、管路和接頭等，其裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在沼氣預(yù)處理環(huán)節(jié)，反應(yīng)器產(chǎn)氣先通過(guò)洗氣瓶截留住隨產(chǎn)氣進(jìn)入氣路的發(fā)酵液或浮渣，而后經(jīng)干燥劑去除水蒸氣，避免水蒸氣在具有一定壓力的集氣腔中冷凝或者腐蝕元器件。洗氣瓶中加入稀酸液體，避免酸性氣體溶解造成產(chǎn)氣測(cè)量誤差。在預(yù)處理和自動(dòng)計(jì)量裝置之間設(shè)置采樣口，保證氣樣清潔并且無(wú)空氣摻雜。

在自動(dòng)計(jì)量裝置中，產(chǎn)氣經(jīng)過(guò)換向電磁閥（S30507-Z031H）流入集氣腔，集氣腔連接的排氣管也通過(guò)相同的換向電磁閥控制。集氣腔的有效容積固定，并具有良好的密封性和耐壓性，腔內(nèi)設(shè)有溫控傳感器（DS18B20）和壓力傳感器（MPX4250）。這兩種傳感器體積小，室溫下精度高，適用于實(shí)驗(yàn)室小型裝置使用[11-12]。自動(dòng)計(jì)量裝置通過(guò)單片機(jī)（AT89C51）控制，單片機(jī)接收溫度傳感器、壓力傳感器的信號(hào)，控制電磁閥、計(jì)時(shí)器（DS1302時(shí)鐘模塊）和單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器動(dòng)作，相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)LED顯示屏顯示。DS1302時(shí)鐘模塊有兩個(gè)電源引腳，在斷電情況下可使用備用電源對(duì)其內(nèi)部供電，以保證數(shù)據(jù)記錄的可靠性[13]?？刂葡到y(tǒng)的電路原理圖和壓力傳感器的連接電路原理圖分別如圖2和圖3所示。

2 自動(dòng)計(jì)量裝置的工作原理

2.1 沼氣計(jì)量的控制原理

本設(shè)計(jì)中，沼氣計(jì)量的原理是將連續(xù)的產(chǎn)氣過(guò)程離散化，使發(fā)酵產(chǎn)氣分批次流入集氣腔中，各批次在集氣腔接收沼氣的過(guò)程中，固定容積集氣腔內(nèi)的壓力將隨氣體的存儲(chǔ)而增大，所以腔內(nèi)壓力可以表征流入的氣體體積。不僅如此，腔內(nèi)壓力也會(huì)隨著氣體排放而降低，不斷變化的腔內(nèi)壓力也是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。

按照集氣腔狀態(tài)不同，集氣系統(tǒng)工作時(shí)分為集氣腔“接收沼氣”和“排放沼氣”兩種狀態(tài)，通過(guò)控制電路進(jìn)行兩種狀態(tài)的切換。在接收沼氣狀態(tài)下，換向電磁閥的進(jìn)氣管接通、排氣管關(guān)閉，發(fā)酵罐內(nèi)生成的沼氣通過(guò)進(jìn)氣管不斷進(jìn)入集氣腔，壓力傳感器檢測(cè)腔內(nèi)壓力值變化，當(dāng)壓力值增加到設(shè)定最高壓力值時(shí)切換到集氣腔排放沼氣狀態(tài)。此時(shí)，控制電路響應(yīng)，單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器數(shù)值增加1單位，換向電磁閥動(dòng)作，進(jìn)氣管關(guān)閉、排氣管接通，同時(shí)計(jì)時(shí)器記錄響應(yīng)時(shí)間（即開(kāi)始排氣時(shí)刻）。隨著氣體的排放，腔內(nèi)壓力不斷下降，當(dāng)壓力降低到設(shè)定最低壓力值時(shí)，控制電路再次響應(yīng)，換向電磁閥動(dòng)作，進(jìn)氣管打開(kāi)、排氣管關(guān)閉，系統(tǒng)重新回到集氣腔“接收沼氣”狀態(tài)。

2.2 單位沼氣產(chǎn)量的計(jì)算

將集氣腔最高壓力和最低壓力之間的氣體體積變化量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）定義為單位沼氣產(chǎn)量（）。單位氣體沼氣產(chǎn)量需定期校核，根據(jù)溫度傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算和校核。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)，如公式（1）～（3）所示：

＝·22.4 （1）

＝（高-低）·/（R） （2）

＝22.4·（高-低）·/（R） （3）

單位沼氣產(chǎn)量，L；單次排氣中收集到的沼氣摩爾數(shù)，mol；高設(shè)定最高壓力值，Pa；低設(shè)定最低壓力值，Pa；集氣腔的固定容積，m3；R常量8.314 J/（mol·K）；是溫度傳感器測(cè)定集氣腔內(nèi)氣體的平均熱力學(xué)溫度，K。

2.3 統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)沼氣產(chǎn)量的計(jì)算

統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)發(fā)酵反應(yīng)器的沼氣產(chǎn)量需根據(jù)計(jì)數(shù)器所統(tǒng)計(jì)的排氣次數(shù)、單位沼氣產(chǎn)量和統(tǒng)計(jì)時(shí)間段起始時(shí)刻和終止時(shí)刻的實(shí)時(shí)壓力值進(jìn)行精確計(jì)算，見(jiàn)式（4）和式（5）。

氣＝·－22.4·（始－低）·/（R）＋ 22.4·（止-低）·/（R） （4）

氣＝·＋22.4·（止－始）·/（R）（5）

氣統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)沼氣產(chǎn)量，L；統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)排氣次數(shù)，次；始統(tǒng)計(jì)時(shí)間段起始時(shí)實(shí)時(shí)壓力，Pa；止統(tǒng)計(jì)時(shí)間段終止時(shí)實(shí)時(shí)壓力，Pa。

2.4 產(chǎn)沼氣速率的測(cè)定

調(diào)取時(shí)鐘模塊記錄的集氣腔排氣時(shí)刻數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出產(chǎn)生體積沼氣所需要的時(shí)間，進(jìn)一步計(jì)算出該時(shí)間段內(nèi)的產(chǎn)沼氣速率，見(jiàn)式（6）。

＝/（6）

所以，的變化反映出產(chǎn)沼氣速率的變化規(guī)律。較長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)的產(chǎn)沼氣速率（如日產(chǎn)沼氣量），可以根據(jù)該統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)的沼氣產(chǎn)量氣和統(tǒng)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)度統(tǒng)之比求得。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 程序流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是在Window10系統(tǒng)下，采用Labview軟件進(jìn)行程序編寫(xiě)。Labview采用圖形化編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有高效直觀的特點(diǎn)[14-15]。程序啟動(dòng)后，首先要對(duì)設(shè)定最高壓力值和設(shè)定最低壓力值進(jìn)行賦值。賦值完成后，打開(kāi)啟動(dòng)按鍵開(kāi)始程序運(yùn)行，具體流程見(jiàn)圖4。

3.2 系統(tǒng)仿真調(diào)試

采用Labview軟件對(duì)程序的運(yùn)行進(jìn)行虛擬儀器仿真測(cè)試，測(cè)試界面如圖5所示。系統(tǒng)運(yùn)行后，首先輸入壓力閾值，初始狀態(tài)時(shí)電磁閥進(jìn)氣管路接通，排氣管路關(guān)閉。當(dāng)集氣腔內(nèi)實(shí)時(shí)壓力超過(guò)設(shè)定最高壓力時(shí)，計(jì)數(shù)器加1、計(jì)時(shí)器記錄時(shí)間，同時(shí)控制下位機(jī)對(duì)電磁閥動(dòng)作進(jìn)行控制，即排氣閥打開(kāi)，進(jìn)氣閥關(guān)閉。當(dāng)氣體排放到設(shè)定最低壓力值時(shí)，排氣閥關(guān)閉，進(jìn)氣閥打開(kāi)，電磁閥回到初始狀態(tài)。程序周而復(fù)始，達(dá)到自動(dòng)、連續(xù)計(jì)量沼氣產(chǎn)量的目的。

4 結(jié)論

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室小試發(fā)酵反應(yīng)器產(chǎn)生沼氣量低、準(zhǔn)確計(jì)量困難的問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的微量沼氣計(jì)量裝置。反應(yīng)器產(chǎn)出沼氣在進(jìn)入計(jì)量裝置前先經(jīng)過(guò)洗氣、脫水和采樣等環(huán)節(jié)處理。自動(dòng)計(jì)量裝置根據(jù)集氣腔內(nèi)的壓力信號(hào)，控制電磁閥、計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器，并顯示出關(guān)鍵參數(shù)值。本研究為實(shí)驗(yàn)室小試規(guī)模的低產(chǎn)氣率發(fā)酵系統(tǒng)提供了一種自動(dòng)、準(zhǔn)確的沼氣計(jì)量裝置和方法。

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A design of flow meter applied in the laboratory for the measurement of low biogas production

Wang Aofan, Liu XinyuanCorrespondingAuthor, Wu Haiyun, Yang Lei, Xie Chengjin, Fan Jiayi

（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China）

Biogas production rate in the bench-scale fermentation reactor is commonly low, and it is difficult to obtain the precise data of biogas production.This study designed a biogas flow meter that is suitable for bench-scale fermentation reactor.During the operation of the flow meter, the continuously produced biogas is discretized and then measured, and the biogas volume in each measurement batch is determined by the pressure change in the biogas collection chamber with the constant volume.The control system of the flow meter takes the single chip microcomputer as the core part.Based on the predetermined pressure parameters, the automatic switch of the situation between “receiving biogas” and “emitting biogas” in the biogas collection chamber could be achieved.The data of the key parameters that is automatically collected and displayed in the control system is used for the calculation of biogas flow.

biogas flow metering; low production of biogas; bench-scale; automatic controlling

1008-5394（2021）03-0081-05

10.19640/j.cnki.jtau.2021.03.017

TP23

A

2020-07-05

天津市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910061063）；天津農(nóng)學(xué)院科研發(fā)展基金計(jì)劃（20190115）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃青年項(xiàng)目（16JCQNJC08200）；天津農(nóng)學(xué)院教育教學(xué)研究與改革項(xiàng)目（2018-B-09）；天津市企業(yè)科技特派員項(xiàng)目（19JCTPJC59200）

王傲凡（1998—），男，本科在讀，主要研究方向氣體計(jì)量裝置。E-mail：1074273102@qq.com。

劉新媛（1987—），女，講師，博士，主要從事固體廢棄物厭氧發(fā)酵和再生利用方面的研究。E-mail：liuxinyuan11@163.com。

責(zé)任編輯：楊霞