本發(fā)明屬于環(huán)境工程、自動(dòng)控制和有機(jī)廢棄物資源化處理領(lǐng)域，具體是一種沼氣發(fā)酵在線監(jiān)控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球每天產(chǎn)生近30億噸的固體廢棄物。我國(guó)城市生活垃圾的年產(chǎn)生量達(dá)1.5億噸，而且還以每年10%左右的速度遞增。另外，全國(guó)城市生活垃圾歷年堆存量已達(dá)60多億噸,侵占土地面積超過5億m²。全國(guó)已有200多個(gè)城市被生活垃圾堆所包圍，這還不包含農(nóng)村的生活垃圾。城市生活垃圾中50~60%的廚余垃圾可以通過厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化成沼氣和有機(jī)肥，實(shí)現(xiàn)資源化利用。

沼氣發(fā)酵涉及到自動(dòng)控制系統(tǒng)，尤其像在文化程度較低的農(nóng)村，設(shè)備的自動(dòng)化程度越高，越方便當(dāng)?shù)毓芾韱T進(jìn)行操作。根據(jù)實(shí)踐檢測(cè)，沼氣池中甲烷濃度達(dá)到40%-50%時(shí)才具備燃燒條件。因此，需要對(duì)甲烷濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

經(jīng)檢索，專利CN102872689A “基于紅外差分光譜法沼氣檢測(cè)與提純控制系統(tǒng)”注重于沼氣的提純控制，且成本高，占地面積大，不適用農(nóng)村的規(guī)?；l(fā)酵。專利CN103451096A “一種在線式沼氣發(fā)酵過程數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)”注重于發(fā)酵過程中沼氣中各成分的含量監(jiān)測(cè)，以對(duì)發(fā)酵工藝及發(fā)酵過程進(jìn)行改進(jìn)，是一種改進(jìn)發(fā)酵工藝的方法和系統(tǒng)，而不是能夠適用于農(nóng)村沼氣發(fā)酵的監(jiān)測(cè)儀器。專利CN103525698A “一種沼氣發(fā)酵過程的調(diào)控系統(tǒng)”，側(cè)重于通過監(jiān)測(cè)和觀察發(fā)酵過程，目的是在提高有機(jī)負(fù)荷的同時(shí)減少過度酸化，達(dá)到提高產(chǎn)氣的功能，方法中需要定時(shí)取發(fā)酵液檢測(cè)，設(shè)備昂貴對(duì)操作員要求高，不適用于農(nóng)村沼氣發(fā)酵。同時(shí)這三項(xiàng)專利未對(duì)所用的傳感器進(jìn)行校正，儀器長(zhǎng)久運(yùn)行，因各種因素影響都可能使儀器測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種設(shè)有經(jīng)驗(yàn)函數(shù)的沼氣發(fā)酵在線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了光學(xué)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和單片機(jī)等技術(shù)，全量程檢測(cè)甲烷氣體濃度，并顯示于顯示屏。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：

一種沼氣發(fā)酵在線監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括沼氣發(fā)酵罐、氣壓傳感器、紅外甲烷傳感器、單片機(jī)和顯示屏；

在沼氣發(fā)酵罐上設(shè)置氣壓傳感器和兩個(gè)沼氣出口，第一出口連接主氣路管道，主氣路管道分為兩個(gè)支氣路管道，第一主支氣路管道連接尾氣處理裝置，第二主支氣路管道連接沼氣凈化裝置，還設(shè)有純凈沼氣儲(chǔ)氣罐與沼氣凈化裝置通過管道連接，在尾氣處理裝置前設(shè)置第一閥門，在沼氣凈化裝置前設(shè)置第二閥門；

第二出口連接檢測(cè)氣路管道，檢測(cè)氣路管道上依次連接除濕裝置和紅外甲烷傳感器，設(shè)有取樣氣泵與紅外甲烷傳感器通過管道連接，在除濕裝置前設(shè)置第三閥門；

紅外甲烷傳感器還與校正氣路管道連接，在校正氣路管道上設(shè)置第四閥門，甲烷標(biāo)氣通過校正氣路管道進(jìn)入校正氣路；

單片機(jī)與顯示屏電連接，單片機(jī)的主控制器內(nèi)設(shè)定有使用地發(fā)酵經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，還包括數(shù)據(jù)分析

軟件，主控制器電連接PLC控制器，PLC控制器分別電連接氣壓傳感器、除濕裝置，紅外甲烷傳感器，尾氣處理裝置，沼氣凈化裝置以及純凈沼氣集氣罐，并控制各裝置工作；

沼氣發(fā)酵罐產(chǎn)生的沼氣分別導(dǎo)入主氣路管道和檢測(cè)氣路管道，經(jīng)單片機(jī)在線監(jiān)控，當(dāng)甲烷

濃度達(dá)到設(shè)定值40%-50%，開啟第二閥門進(jìn)入沼氣凈化裝置洗氣后，并儲(chǔ)存于純凈沼氣集氣罐；當(dāng)甲烷濃度不在設(shè)定值范圍，開啟第一閥門直接進(jìn)入尾氣處理裝置分解排放。

所述使用地發(fā)酵經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，是在使用地對(duì)有機(jī)固體廢棄物進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，將采集的數(shù)據(jù)（或根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)確定數(shù)據(jù)）通過數(shù)學(xué)建模得出特定的發(fā)酵過程經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，并設(shè)定到單片機(jī)內(nèi)，形成甲烷監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析軟件的一部分。

所述主氣路管道的管徑大，沼氣流量大，第一主支氣路為尾氣處理氣路，第二主支氣路為凈化和集氣氣路。

所述檢測(cè)氣路管道的管徑比主氣路管道的管徑小，沼氣流量小。

所述氣壓傳感器、除濕裝置，紅外甲烷傳感器，尾氣處理裝置，沼氣凈化裝置以及純凈沼氣集氣罐均為現(xiàn)有技術(shù)。

所述沼氣發(fā)酵在線監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控方法，包括如下步驟：

（1）當(dāng)沼氣發(fā)酵罐上的氣壓傳感器檢測(cè)到罐中的氣壓高于1個(gè)大氣壓，管理員開啟單片機(jī)的主控制器，第三閥門保持常開狀態(tài)，紅外甲烷傳感器開始檢測(cè)甲烷濃度，并利用設(shè)定在主控制器內(nèi)的使用地發(fā)酵經(jīng)驗(yàn)函數(shù)和數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析；

（2）當(dāng)紅外甲烷傳感器檢測(cè)出甲烷濃度達(dá)到設(shè)定值40%-50%時(shí)，打開第二閥門，將甲烷氣體經(jīng)過沼氣凈化裝置洗氣后，收集純凈沼氣儲(chǔ)存于純凈沼氣集氣罐；若甲烷濃度不在設(shè)定值40%-50%時(shí)，則關(guān)閉第二閥門，打開第一閥門，直接進(jìn)入尾氣處理裝置分解排放，如此循環(huán)；

（3）管理員定期對(duì)紅外甲烷傳感器進(jìn)行校正減少其測(cè)量誤差，校正時(shí)，通過PLC控制器關(guān)閉第三閥門，打開第四閥門，將甲烷標(biāo)氣輸入校正氣路，同時(shí)輸入甲烷標(biāo)氣的濃度，待檢測(cè)完畢，通過顯示屏輸出測(cè)得的甲烷濃度，并與甲烷標(biāo)氣濃度進(jìn)行擬合校正；PLC控制器控制紅外甲烷傳感器在每個(gè)取樣日的三個(gè)時(shí)間段自動(dòng)開啟檢測(cè)，并算出平均值作為當(dāng)日甲烷的濃度值，顯示屏顯示出甲烷濃度的變化曲線；所得數(shù)據(jù)通過串口將所得數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)利用數(shù)據(jù)分析軟件將數(shù)據(jù)可視化處理，供主控室工作人員進(jìn)行實(shí)地或遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；

（4）在線監(jiān)測(cè)控系統(tǒng)將適時(shí)甲烷濃度檢測(cè)值與設(shè)定在主控制器內(nèi)的使用地發(fā)酵經(jīng)驗(yàn)函數(shù)數(shù)值作比較，當(dāng)連續(xù)發(fā)生實(shí)測(cè)值低于設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)數(shù)值時(shí)，判斷差值是否在可接受范圍內(nèi),若不可接受，則發(fā)出警報(bào)提醒管理員及時(shí)對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行分析并做出工藝調(diào)整；當(dāng)實(shí)測(cè)值大于等于設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)數(shù)值，系統(tǒng)則預(yù)測(cè)出未來甲烷濃度值，從而調(diào)整和修正沼氣發(fā)酵工藝的參數(shù)。

本方法沼氣發(fā)酵在線監(jiān)控系統(tǒng)：采用紅外甲烷傳感器校正氣路，可定期校正紅外甲烷傳感器，減少其因長(zhǎng)時(shí)間使用而造成的測(cè)量誤差。根據(jù)沼氣中甲烷的濃度對(duì)發(fā)酵過程產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行收集，減少洗氣成本，降低凈化工藝環(huán)節(jié)的成本。根據(jù)使用地的具體情況和發(fā)酵經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)定適合于使用地的發(fā)酵經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，與正在進(jìn)行的發(fā)酵過程監(jiān)測(cè)結(jié)果相比對(duì)，對(duì)整個(gè)發(fā)酵過程進(jìn)行報(bào)警與預(yù)測(cè)，使管理員可及時(shí)對(duì)發(fā)酵過程做出調(diào)整，以減少發(fā)酵周期，增加發(fā)酵效益。本系統(tǒng)成本低，注重地域特點(diǎn)，適用于城市，尤其是廣大農(nóng)村的有機(jī)廢棄物規(guī)?；託庠O(shè)施的在線監(jiān)測(cè)和集氣控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明沼氣發(fā)酵在線監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明沼氣發(fā)酵在線監(jiān)控系統(tǒng)的電連接示意圖。

圖中，1.沼氣發(fā)酵罐 1-1.第一出口 1-2.第二出口 1-3.氣壓傳感器 2.除濕裝置 3.沼氣凈化裝置 4.純凈沼氣儲(chǔ)氣罐 5.尾氣處理裝置 6.紅外甲烷傳感器 7. 取樣氣泵 8.甲烷標(biāo)氣 9-1.第一閥門 9-2.第二閥門 9-3.第二閥門 9-4.第四閥門 10.單片機(jī) 11.顯示屏 12.PLC控制器 A.主氣路管道 A1.第一主支氣路管道 A2.第二主支氣路管道 B.檢測(cè)氣路管道 C.校正氣路管道。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步的說明，但不是對(duì)本發(fā)明的限定。

參照?qǐng)D1-2，一種沼氣發(fā)酵在線監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括沼氣發(fā)酵罐1、氣壓傳感器1-3紅外甲烷傳感器6單片機(jī)10和顯示屏11；

在沼氣發(fā)酵罐1上設(shè)置氣壓傳感器1-3和兩個(gè)沼氣出口，第一出口1-1連接主氣路管道A，主氣路管道A分為兩個(gè)支氣路管道，第一主支氣路管道A1連接尾氣處理裝置5，第二主支氣路管道A2連接沼氣凈化裝置3，還設(shè)有凈化沼氣儲(chǔ)氣罐4與沼氣凈化裝置3通過管道連接，在尾氣處理裝置5前設(shè)置第一閥門9-1，在沼氣凈化裝置3前設(shè)置第二閥門9-2；

第二出口1-2連接檢測(cè)氣路管道B，檢測(cè)氣路管道B上依次連接除濕裝置2和紅外甲烷傳感器6，設(shè)有取樣氣泵7與紅外甲烷傳感器6通過管道連接，在除濕裝置2前設(shè)置第三閥門9-3；

紅外甲烷傳感器6還與校正氣路管道C連接，在校正氣路管道C上設(shè)置第四閥門9-4，甲烷標(biāo)氣8通過校正氣路管道C進(jìn)入校正氣路；

單片機(jī)10與顯示屏11電連接，單片機(jī)10的主控制器內(nèi)設(shè)定有使用地發(fā)酵經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，還包括數(shù)據(jù)分析軟件，主控制器電連接PLC控制器12，PLC控制器12分別電連接氣壓傳感器1-3、除濕裝置2，紅外甲烷傳感器6，尾氣處理裝置5，沼氣凈化裝置3以及純凈沼氣集氣罐4，并控制各裝置工作；

沼氣發(fā)酵罐1產(chǎn)生的沼氣分別導(dǎo)入主氣路管道A和接檢測(cè)氣路管道B，經(jīng)單片機(jī)10在線監(jiān)控，當(dāng)甲烷濃度達(dá)到設(shè)定值40%-50%，開啟第二閥門9-2進(jìn)入沼氣凈化裝置3洗氣后，并儲(chǔ)存于純凈沼氣集氣罐4；當(dāng)甲烷濃度不在設(shè)定值范圍，開啟第一閥門9-1直接進(jìn)入尾氣處理裝置5分解排放。

所述主氣路管道A的管徑大，沼氣流量大，第一主支氣路A1為尾氣處理氣路，第二主支氣路A2為凈化和集氣氣路。

所述檢測(cè)氣路管道B的管徑比主氣路管道A的管徑小，沼氣流量小。

所述氣壓傳感器1-3、除濕裝置2，紅外甲烷傳感器6，尾氣處理裝置5，沼氣凈化裝置3以及純凈沼氣集氣罐4均為現(xiàn)有技術(shù)。

所述沼氣發(fā)酵在線監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控方法，包括如下步驟：

（1）當(dāng)沼氣發(fā)酵罐1上的氣壓傳感器1-3檢測(cè)到罐中的氣壓高于1個(gè)大氣壓，管理員開啟單片機(jī)10的主控制器，第三閥門9-3保持常開狀態(tài)，紅外甲烷傳感器6開始檢測(cè)甲烷濃度，并利用設(shè)定在主控制器內(nèi)的使用地發(fā)酵經(jīng)驗(yàn)函數(shù)和數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析；

（2）當(dāng)紅外甲烷傳感器6檢測(cè)出甲烷濃度達(dá)到設(shè)定值40%-50%時(shí)，打開第二閥門9-2，將甲烷氣體經(jīng)過沼氣凈化裝置3洗氣后，收集純凈沼氣儲(chǔ)存于純凈沼氣集氣罐4；若甲烷濃度不在設(shè)定值40%-50%時(shí)，則關(guān)閉第二閥門9-2，打開第一閥門9-1，直接進(jìn)入尾氣處理裝置5分解排放，如此循環(huán)；

（3）管理員定期對(duì)紅外甲烷傳感器6進(jìn)行校正減少其測(cè)量誤差，校正時(shí)，通過PLC控制器12關(guān)閉第三閥門9-3，打開第四閥門9-4，將甲烷標(biāo)氣輸入校正氣路管道C，同時(shí)輸入甲烷標(biāo)氣的濃度，待檢測(cè)完畢，通過顯示屏11輸出測(cè)得的甲烷濃度，并與甲烷標(biāo)氣濃度進(jìn)行擬合校正；PLC控制器12控制紅外甲烷傳感器6在每個(gè)取樣日的三個(gè)時(shí)間段自動(dòng)開啟檢測(cè)，并算出平均值作為當(dāng)日甲烷的濃度值，顯示屏11顯示出甲烷濃度的變化曲線；所得數(shù)據(jù)通過串口將所得數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)10利用數(shù)據(jù)分析軟件將數(shù)據(jù)可視化處理，供主控室工作人員進(jìn)行實(shí)地或遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；

（4）在線監(jiān)測(cè)控系統(tǒng)將適時(shí)甲烷濃度檢測(cè)值與設(shè)定在主控制器內(nèi)的使用地發(fā)酵經(jīng)驗(yàn)函數(shù)數(shù)值作比較，當(dāng)連續(xù)發(fā)生實(shí)測(cè)值低于設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)數(shù)值時(shí)，判斷差值是否在可接受范圍內(nèi),若不可接受，則發(fā)出警報(bào)提醒管理員及時(shí)對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行分析并做出工藝調(diào)整；當(dāng)實(shí)測(cè)值大于等于設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)數(shù)值，系統(tǒng)則預(yù)測(cè)出未來甲烷濃度值，從而調(diào)整和修正沼氣發(fā)酵工藝的參數(shù)。