基于超声波的污水颗粒质量浓度检测系统的设计与研究

衢州职业技术学院机电工程学院兰叶深 徐文俊 刘文军

基于超声波的污水颗粒质量浓度检测系统的设计与研究

衢州职业技术学院机电工程学院兰叶深 徐文俊 刘文军

现阶段，污水处理是防治水污染的主要方法，生活中的污水基本属于固液混合悬浮液，其质量浓度是污水处理过程中的主要指标参数，对污水悬浮液浓度的准确检测是评价水质和处理效果的重要手段。本文基于超声波衰减的原理，设计污水颗粒浓度检测系统，并进行实验研究，结果表明，基于超声波的污水颗粒浓度检测系统可以满足污水检测的基本要求，对其不同质量浓度的污水测得的超声波信号值与浓度值的大小有着较好的一一对应关系。

浓度检测；悬浊液；超声波

引言

伴随着我国现代化建设的脚步，城市人口逐年增多，人们日常生活污水的排放逐年增加[1]。污水处理是水污染防治的重要手段，大部分生活污水和工业废水属于固液两相混合液，其中，固体成分主要为不溶性物质如土壤、砂石、有机腐败残留物等等[2]。在污水处理的过程中，浓度是反映其特性的重要指标。浓度分为体积浓度和质量浓度，即一定量的污水中固体组分的百分比[3]。污水的质量浓度主要是指悬浮颗粒物浓度，在污水悬浮液中一定量固体的百分比。浓度是表征流体状态的重要物理参数，也是分析污水悬浮物基本性质的技术指标[4]。

污水悬浮颗粒质量浓度的检测方法多种多样，各有各的特点。近年来，因超声波检测污水颗粒浓度结果准确性、使用方便以及对人体无害而成为检测污水质量浓度最合适的方法之一。本文基于超声波衰减原理，设计污水颗粒浓度检测系统，研究该系统对污水颗粒浓度检测的准确性和可行性。

1 结构与工作原理

图1 检测系统的组成

该系统由超声波换能器、FPGA控制模块、采样模块、超声波发射器、搅拌器、换能器夹具等组成（图1）。其工作过程为通过编写程序来控制FPGA芯片的超声波激发电路继续发射宽度500ns，触发脉冲波脉冲频率200Hz。利用高压负脉冲激励下超声波换能器的高频机械振动发射来检测一定距离的污水，其部分能量会被衰减，剩余部分通过接收换能器后收集，然后被转换为电压信号，再采样芯片将阻抗匹配接收到的信号转换为数字信号。FPGA模块通过USB接口和PC连接，将采集的数据上传到上位机进行分析和后处理。

由于液体不能承受剪应力，所以超声波在悬浮液中以纵波的形式传播[5]。当介质在平面纵波中传播时，根据声学原理可得，传播距离和振动幅度A之间的关系为：

式中：A0为初始的振幅，其大小由超声波发射换能器的功率决定；传播距离Δx由发射换能器和接收换能器间的距离；a为声波衰减系数。

图2 检测原理

在功率P和传输距离一定时，对接收到的信号的振幅与介质之间的对应的衰减特性，可以通过测量介质的衰减系数，就能计算出固体颗粒的质量分数[6]。

一般污水悬浊液包括水溶液和固体不溶物两部分，因此声衰减系数a也可以分为两个部分：

a1是指水溶液所引起的超声衰减，a2是指悬浮颗粒所引起的超声衰减。其中引起的衰减为：

式中：Ts为固体颗粒散射衰减；Tj为悬浮颗粒擦衰减项；Tv为滞衰减项；f为声波频率；C为浊液中固体颗粒物体积浓度。

其中：

式中：r为体颗粒物半径；c为浊液中的声速；W为液与悬浮粒子密度比值；Kz为体微粒的压缩系数；Kv为体微粒的体积粘滞系数；U决于悬浊液粘滞性的传播常数。

2 实验研究

测试平台的基本架构如图3所示，利用FPGA芯片对程序产生的脉冲信号进行控制，放大后驱动超声换能器。超声波发射序列到达了一定距离的检测介质，接收换能器传开后，压电效应的声音转变成电信号，滤波信号调理采集到的数字信号的数量和发送到上位机进行进一步的分析。

图3 试验平台框架

如图4所示，测试过程中，分别将两个超声波探针作为发射端和接收端，在激励电路的作用下发射换能器发出超声波振动，在污水悬浊液中传播一段距离后被接收换能器收集，由于溶液浓度的不同将导致接收到的信号强度有所不同，所以我们可以通过分析接收到的信号强度来辨别被检测污水颗粒浓度质量分数的大小。

图4 换能器

图5 FPGA实物电路板

一般情况下，我们的生活环境中的污水颗粒浓度在5%～27%，但是其组成成分多样复杂，污水中的悬浮颗粒物形状大小也不相同。为验证该系统的可行性和准确性，我们采用砂土和清水混合组成悬浊液来替代生活污水。并调制成质量分数分别为5%、10%、15%、20%和25%的悬浊液。如表1所示。

表1 不同质量分数的悬浊液

通过观察分析接收到超声波信号的强度来得知污水悬浊液的浓度的大小对超声波信号衰减量的影响。在相同的频率下，超声波振动信号的强度由其幅值来表示[7]。

实验时，超声波换能器的频率为5MHz，FPGA模块设置采样芯片的采样频率为80MHz，正常情况下，每个周期能够采集到16个数据值。但由于被检测悬浊液质量浓度不同，其接收到的波形曲线的振动次数也不相同。在质量浓度为0%的清水中所采样数据有7个完整的振动波形，而在质量浓度为25%的悬浊液中却只有4个完整的振动波形。

因为悬浊液不同质量浓度下所接收到的波形的完整振动次数是有所不同的，由图6可以看出，通过采用第一个清晰的波峰极值点分别取A、B、C、D四个极值点的绝对值并求其平均值来体现超声波接收到的强度。不同悬浊液浓度的A、B、C、D峰值和平均值见表2。

图6 浓度为5%测得的曲线

表2 不同浓度的信号值

通过将不同的浓度值和表2求得的信号幅值平均值拟合可以得到图7的关系曲线。

图7 信号浓度拟合曲线

从图7可得，随着悬浊液浓度的增加，接收到的超声波信号幅值是单调递减的。符合浓度越大超声波衰减量越多的规律，也实践证明了基于超声波检测污水颗粒浓度系统的实际可行性。

3 结语

本文通过原理分析和实验研究可以得知，基于超声波的污水颗粒浓度检测系统可以满足污水检测的基本要求，通过调制不同浓度的砂土悬浊液，对其检测测得的信号值与浓度值有着较好的对应关系，证明了本检测方案的可行性和正确性。然而，由于实验条件，本研究仍存在以下缺陷：实验过程不是一个严格的稳定状态，其中对污水悬浊液的搅拌使得水槽内的液体出现不规则流动现象，对超声波信号的传播和接收造成了一定影响。

[1]张国忠.对水污染现状与防治对策的探讨[J].中国科技博览2013(06):43～44.

[2]张晓之.中国水污染趋势与治理制度方案[J].中国软科学, 2014(10):11～24．

[3]Van Sint Jan M，Guarini M，Guesalaga A，et a1．Ultrasound based measurements of sugar and ethanolconcentrations in hydroalcoholic solutions [J]．Food Control2016,l9(01)：31～35．

[4]Abda F,Azbaid A，Ensminger D．Ultrasonic device forreal- time sewage velocity and suspended particles concentrationmeasurements [J]．WaterScience and Technology,2015,60 (1)：117～125．

[5]孟瑞锋.基于不同超声信号变换的食品溶液浓度检测研究[D].浙江大学博士学位论文,2012.

[6]侯怀书,苏明旭,蔡小舒.基于超声衰减谱的纳米颗粒粒度分布测量研究[J].声学学报.2015,45(05):408～414．

[7]田红梅.超声波传播速度与溶液浓度关系的研究[J].顺德职业技术学院学报,2014,6(04):20～23.

兰叶深，男，1989年出生，浙江衢州人，硕士，研究方向：机电一体化技术的科研和教学。

衢州职业技术学院院级项目（QZYZ1604），2016年衢州市计划项目（2016Y017）。