基于LabVIEW的甲烷产气量自动测量系统设计

姚 燕，邱 倩，沈晓敏，金佩薇，梁晓瑜，朱颖颖

(1.中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018; 2.宁波大学海运学院，浙江 宁波 315211)

0 引 言

生物质能源是最具发展潜力的可再生能源之一[1-2]，一般来说，生物质能源是指利用自然界植物、粪便、城乡有机废弃物等转换成的能源[3]。而厌氧发酵技术是生物质能源转化应用中最为广泛的技术之一，厌氧发酵产甲烷作为能源具有热值高，能量转化利用率高的特点[4]。评价厌氧发酵优劣的指标通常有产气速率、产气总量、产甲烷潜力和产气周期等[5]，其中生化甲烷潜力（biochemical methane potential, BMP），即每千克有机物在厌氧发酵条件下产生的甲烷产气量[6]，BMP测试通常用于评估原料厌氧生物可降解性、原料产甲烷毒性测试、原料产甲烷潜力和厌氧污泥产甲烷活性等[7-10]，是用于确定生物质沼气生产潜力最相关的参数。

BMP测试在国外已有40来年的历史，Owen[9]、Hansen[10]，Owens[11]、Angelidaki[12]等的研究建立并完善了BMP测试方法，做出了重要贡献。主流的已商业化的生化产甲烷自动化测定装置有WTW实验室的OxiTop分析仪、德国Bluesens的Yieldmaster气体测量系统、瑞典Bioprocess Control的AMPTS全自动甲烷潜力分析系统[13]，具有参数控制简单、准确的特点，自动化程度高，是开展实验研究的良好选择。但是设备均为进口，设备昂贵，维护成本高。国产的自动化装置是湖北洛克泰克公司的RTK系列测试设备，是基于气泡计数的原理，在测量管的出气口处进行气泡计数，并且与微机连接自动化程度高，操作简单。

目前实验室常用的甲烷产气量的测定方法，按照气体体积计量方式的不同可分为排水集气法、气体压力法、气体流量测量法及气泡计数法。传统的排水集气法[14-15]装置操作易用，结构简单，维护成本低，是应用最广泛的方法。但是该方法需定期向排水容器中补充水，采集气体体积即排水的体积，需要人为读数，增加了操作者劳动强度，也容易造成误操作。同时产气量是使用量筒多次测定排出水的体积累计计算得到，测定的准确性也有限。气体压力法[16-18]虽重现性好，精度高，气体样品采集容易，但是需要周期性地释放发酵装置中的气体，容易造成测量误差；气体流量测量法[19-20]操作起来简单，但是在反应后期气体产生较慢，非高精度的气体流量计无法满足需要；气泡计数法[21]通过相机对气泡进行数字成像，记录气泡的长度、停留时间等信息，计算出气泡的体积，但只有在气体产生速率较低时才能稳定地记录气泡数量。Sasha[22]提出了一种基于称重的测量方法，即通过称量整个发酵反应器的质量变化来得出产气量，但该方法产气量较小时无法测出。

本文提出一种排水法与称重计量法相结合的方法来测量厌氧发酵产甲烷体积，实现生化产甲烷能力的自动测量。本文提出的称重法与Sasha[22]提出的不同，即在改进传统的排水集气法的基础上，采用称重传感器来替代传统方法的量筒，通过测定排出水质量得到产气量。该方法成本低、容易实现，不仅能够满足发酵实验对甲烷气体的测量需求，而且能够提高自动化水平和测量准确性，从而实现了产气量的自动、连续测定。

1 测量原理及构成

在排水集气法的基础上，利用称重传感器测定排水质量，再换算得出水的体积，从理论上讲，选用称重传感器量程为0～5 kg，灵敏度范围为（1.0±0.15） mV/V，转化成测定气体准确度范围为0.3～0.5 mL。此外，称重传感器可以非常方便、准确地使用标准砝码进行校验，从校准的角度而言，称重法比其他方法都有优势。

搭建了如图1所示的称重台，当物件放于托盘上时，悬臂梁发生微小弯曲，上表面应变片产生拉应变，下表面应变片产生压应变，电阻值产生相应变化，应变与电阻变化的关系为：

图 1 称重台结构示意图

式中：K0——灵敏系数，由金属材料决定；

ε——应变，当压力F在一定范围内时，ε与F成正比，并且应变由物体质量m产生的荷重而形成；

a、b——线性拟合参数。

由此可得：

如图2所示，甲烷潜力自动监测系统由发酵反应模块、产气计量模块、控制补液模块和数据采集处理模块4部分组成，系统实现对发酵反应过程中的发酵温度、pH值、产气量等参数的处理、显示和保存等功能。7号洗气瓶内装的气体为NaOH溶液，用于过滤发酵产物中的二氧化碳、硫化氢等酸性气体。

图 2 甲烷潜力自动监测系统结构示意图

系统的工作原理是：将各模块按如图所示进行连接，通过传感器把温度、pH值、质量等信号转换为电信号，数据采集卡将采集到的数据传送给上位机平台，上位机将信号经过处理后实时显示发酵温度、pH值以及产气量数据及曲线，并在产气量超过预设值后进入控制步骤，采集卡输出数字信号控制电磁阀、蠕动泵执行补充排水液。通过记录采集排水量完成对甲烷产气量数据的监测与存储。发酵反应产生气体，通过排水集气方法将产气气体的体积转移至集水瓶中水的体积，通过观察测定得到的水的体积即气体的体积。

2 系统组成结构

甲烷潜力自动监测系统的硬件组成包括NI采集卡、PC上位机平台、温度传感器、pH传感器、称重传感器、电磁夹管阀和微型蠕动泵等，如图2所示。硬件系统的主要功能是采集发酵反应过程中的温度、pH值、产气量等参数，将数据传输给上位机平台。本系统主要采用了USB总线接口的NI USB-6251数据采集卡，实现与计算机相连传输数据信息。

1)数据采集卡

采用USB-6251数据采集卡进行模拟量和数字量采集。USB-6251的模拟输入ai0、ai1、ai2端口分别连接温度采集模块、pH采集模块、称重采集模块，数字输出端口连接到继电器，该继电器分别连接到夹管阀和蠕动泵。

2)传感器选型

称重传感器选用广测YZC-133型号悬臂梁式的电阻应变片传感器，结合NSFD01型号质量变送器输出模拟电压信号，通过标准砝码和数字万用表多次测量得到称重模块的输出电压与测得的质量关系，如图3所示。温度传感器选用WZP-01型号的Pt100探针式铂热电阻温度传感器，经SBWZ温度变送器转换成模拟电压信号。选用E-201-C玻璃电极pH传感器经采集模块输出模拟电压信号。

图 3 称重模块的输出电压与测得的质量关系

3)补液控制

系统采用电磁夹管阀与微型蠕动泵联用对排水瓶中排水液进行补充。电磁夹管阀选用北昂流体的一路常开夹管阀P20NO24-02#和一路常闭夹管阀P20NC24-02#，微型蠕动泵选用卡川尔流体NKP-DA-B08型号蠕动泵实现自动补充排水液功能，补液流量约为48 mL/min。

3 系统软件设计

本系统利用NI公司的USB-6251型号采集卡，结合LabVIEW软件编程，实现了对发酵过程中的关键参数如温度、pH值、产气量的采集，自动补充排水液，实现实时数据采集、显示和存储功能。系统的软件结构主要由参数设置，数据采集，补液控制和数据存储4个模块组成。软件主要模块的功能如下：

1）参数设置模块：设置采集通道、采样通道、采样率等。

2）数据采集模块：通过USB-6251采集卡采集信号，在软件中读出。

3）补液控制模块：当检测到补液液不足时，往排水瓶中进行补液动作。

4）存储管理模块：以波形图及数值等形式实时显示各个信号变换，并对数据进行实时存储，后续可进行历史数据查询。

3.1 前面板设计

前面板为本系统的用户界面，如图4所示，主要功能为：数据采集的参数设置，采集信号参数的显示，数据的存储设置及软件的说明等。为了简化前面板界面，前面板中只需放置常用参数设置。

图 4 系统前面板界面

3.2 程序框图设计

系统软件的程序框图设计是根据LabVIEW图形编程语言的流程，按照模块化的编程思想，随着各个模块依次进行，实现软件的整体功能。根据软件框图划分的模块编写程序，主程序流程图如图5所示。

图 5 主程序流程图

1)参数设置模块

系统监测开始前，将计算机与采集卡建立通信连接，并启动电源。通过NI MAX软件检查采集卡是否已成功连接到计算机。采集卡与计算机连接成功后，首先需要设置信号采集参数和控制参数。系统采集参数设置包括各信号的采样通道、采样模式、采样周期、采样率等；系统控制参数设置包括输出控制通道、控制方式、控制时间等。

2)数据采集显示

数据采集模块包括温度采集、pH采集、质量采集3部分。为保证所有输入信号都与信号源共地，选择RSE测量方式。数据采集卡为USB数据接口连接，利用DAQmx驱动控件创建完整的采集驱动程序。DAQmx创建物理通道控件用于指定模拟输入端，选取模拟输入端ai0～ai3。输入模拟信号电压幅值上下限分别设为10 V与-10 V。时钟源采用内部时钟信号，采用时钟设置为1 Hz，时钟生产脉冲数为1个。DAQmx读取控件指定系统采取单通道N采样点读取方式一次读取一个数据点。

3)补液控制

采用阈值的方法实现系统的补液控制功能。在读取质量值时，判断集水瓶质量是否超过预设的阈值50 g，若超出，则转入数字控制部分，执行数字信号1输出高电平，继电器联通，夹管阀工作，蠕动泵工作，实现补液加水动作，加液1 min，通过时间延迟控件工作时间T后，执行数字信号0输出低电平，继电器关闭，补液加水动作停止。

4)数据存储

采用TXT格式数据存储方法，存储的TXT文件中依次输出采集时间、电压、产气量、温度、pH值等数据，以方便后期数据处理。

3.3 性能验证试验

利用单通道的微量注射器模拟厌氧发酵产气，对BMP自动监测系统开展性能验证实验。具体的实验方法如下：将微量注射器注射口通过硅胶管与硬件监测系统的进气口连接，此处的进气口即发酵反应装置留出的进气口，方便注射器注气，如图6所示，其余涉及模块参考图2。在验证实验前，设定注射器的注射体积W，利用注射器注射设定体积W，在装置中模拟发酵产气，从而使产气计量模块中称重传感器信号电压V发生变化，由称重传感器的经验方程可得水的质量M，并通过水的密度公式换算成模拟产气量Q：

图 6 验证操作示意图

通过比较模拟发酵产气量M与注射体积W，来评价系统的准确性和稳定性。设定17个梯度的注射体积，累积注入验证系统中，分别为5 mL、10 mL、20 mL、40 mL、80 mL、100 mL、125 mL、150 mL、175 mL、200 mL、225 mL、250 mL、275 mL、300 mL、325 mL、350 mL、375 mL，采集卡记录产气量为10次/min，持续记录5 min同一注射体积重复5次，试验数据如表1所示，此处的模拟产气量数据是经过质量方程计算得到的，故精度在小数点后4位。

表 1 甲烷潜力自动测量系统验证数据

从表1中可以看出，系统的平均相对误差为1.1%，准确度和稳定性较高，可满足微量产气实验监测功能和精度要求。

3.4 试验结果分析

将实验室传统装置人工测量的BMP值与甲烷自动监测装置测得的BMP值作对比，采用同一样本在两个装置进行发酵实验。传统装置选取的量筒准确度为1 mL，每隔两天人工记录一次数据；自动监测装置记录的数据选取小数点后一位，每隔半天记录一次数据。样品为哈密瓜皮，恒温水浴锅37 ℃环境下发酵。发酵的实验数据如图7所示。

图 7 发酵产气量测得值对比

由本文设计的BMP自动测量装置与原始装置测量产气量的趋势基本一致，平均相对误差为0.6%，可见该系统能满足测量甲烷产气量的需求。但是因为目前装置一次只能测量一个样的发酵产气情况，后续可以通过发酵通道、复制称重模块，实现批量化测量。

4 结束语

针对厌氧发酵产气测量方法自动化程度低，人工测量误差大等问题，本文提出设计一种基于LabVIEW的生化产甲烷潜力自动测量系统，利用称重计量的排水集气法，旨在实现对有机废弃物厌氧发酵的甲烷产气量、发酵环境温度、pH值参数采集、处理和实时显示。依次介绍了系统的硬件设计部分和软件程序部分，然后对系统进行了验证实验。结果表明，基于LabVIEW的生化产甲烷潜力自动测量系统，通过模拟厌氧发酵产气，测得的气体产量误差较小，平均相对误差为1.10%；采用哈密瓜皮样品与传统装置的对比实验中，产气量的趋势基本一致，平均相对误差为0.6%，一致性较高。因此，该系统不仅可以满足实验对甲烷气体的测量需求，而且能够实现自动测量采集数据，显示及存储，提高了自动化程度。