Устройство для автоматического контроля параметров кислородного режима аэротенка

 

Сущность изобретения: на перегородке внутри блока измерения установлена поворотная ось, на которой установлена лопасть с зазором по отношению к внутренней поверхности блока, снаружи блока на поворотной оси закреплена система из двух взаимно перпендикулярных рычагов, на одном из которых установлен качающийся груз, а на другом - открытый снизу стакан, под которым подведено выходное отверстие воздухоподводящей трубки от воздушного коллектора аэротенка. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области биологической очистки сточных вод, точнее к автоматическому получению информации о протекании процессов очистки для оперативного воздействия на них в нужном направлении.

Преимущественная область использования в автоматических системах управления станции биологической очистки сточных вод, в частности в автоматических системах управления аэрацией, т.е. подачи воздуха в аэротенки.

Известны устройства (приборы), предназначенные для измерения концентрации растворенного кислорода КРК в воде, например, типа К-115, К-215, выпускавшиеся Гомельским ПО "Измеритель". В настоящее время приборы для измерения КРК изготавливаются Ташкентским филиалом Наманганского облцентра ИТТМ "Умид".

На основе использования приборов для измерения КРК известны различные устройства автоматического измерения концентрации растворенного кислорода и скорости потребления кислорода в аэротенке (Патенюк В.М. Кузьмин А.А. Управление процессом биологической очистки сточных вод нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. ЦНИИТЭНефтехим, М. 1978).

Известно также устройство для автоматического контроля параметров кислородного режима аэротенка (патент АзНИИ "ВОДГЕО" N 1804452 с приоритетом от 11.01.1991). Это устройство обеспечивает получение информации о трех параметрах: концентрации растворенного кислорода (КРК) в иловой смеси аэротенка, скорости потребления кислорода активным илом (СПК) и интенсивности аэрации в точке контроля. Это устройство является наиболее близким к заявляемому решению как по существенным признакам, так и по назначению, поэтому оно принято в качестве прототипа.

Устройство-прототип содержит анализатор КРК, мешалку и блок измерения в виде сосуда с устройствами подвода и отвода анализируемой среды, в котором размещены датчик анализатора и рабочий орган мешалки. Блок измерения этого устройства выполнен погружным в измеряемую среду, внутри него продольно расположена перегородка, по одну сторону которой размещен рабочий орган мешалки, а по другую датчик анализатора. Верхний срез перегородки находится ниже уровня погружения блока, а нижний выше плоскости дна сосуда, которое выполнено в виде поворотной заслонки, на оси которой с внешней стороны блока симметрично жестко закреплены двуплечевое коромысло с расположенными на концах плеч поплавками в виде открытых снизу сосудов и рычаг с закрепленным качающимся грузом, причем ось заслонки расположена в плоскости перегородки.

Схема этого устройства приведена на фиг.1.

Недостатком этого устройства является то обстоятельство, что на контактирующий с измеряемой средой чувствительный элемент датчика КРК, представляющий собой ионоселективную мембрану, проницаемую для кислорода и непроницаемую для других ионов, могут в процессе работы налипать хлопья активного ила или пузырьки воздуха, что приводит к искажению показаний анализатора КРК. Этот недостаток присущ всем известным анализаторам КРК - отечественного или зарубежного производства. Для его устранения в некоторых конструкциях анализаторов предусматривается периодическая промывка или продувка воздухом чувствительного элемента датчика, что усложняет устройство конструктивно и при эксплуатации.

Другим недостатком устройства-прототипа является наличие в нем мешалки. Мешалка используется для обеспечения обтекания датчика потоком анализируемой среды в режиме проточного обтекания или в режиме возвратной циркуляции в зависимости от положения поворотной заслонки. Сам факт наличия в устройстве мешалки приводит к необходимости наличия находящихся в постоянной работе электропривода с понижающим обороты редуктором и кабеля для его питания. Редуктор необходим, поскольку скорость вращения мешалки должна быть не более 200-250 об/мин. В противном случае это может отрицательно сказаться на жизнедеятельности микроорганизмов активного ила, которые будут гибнуть, попадая в зону действия рабочего органа мешалки.

В отношении электроподводящего кабеля также необходимо учитывать возможность электрических наводок на слаботочный измерительный сигнал, получаемый с датчика.

Таким образом, сам факт наличия в устройстве электрической мешалки является недостатком, приводящим к дополнительному усложнению устройства и к снижению его надежности.

Целью настоящего изобретения является улучшение функциональных свойств устройства за счет придания потоку анализируемой среды пульсирующего характера, обеспечивающего смыв загрязнений с поверхности чувствительного элемента датчика анализатора КРК, а также конструктивное упрощение устройства за счет отсутствия в нем мешалки с электроприводом.

Сущность предлагаемого устройства заключается в следующем. Оно, как и прототип, содержит анализатор КРК и погружной блок измерения с продольной перегородкой и дном, выполненным в виде поворотной заслонки, привод которой с внешней стороны блока содержит два открытых снизу сосуда и рычаг с качающимся грузом, закрепленные на общей с заслонкой оси вращения.

В отличие от прототипа предлагаемое устройство дополнительно содержит воздухоподводящую трубку с регулирующим вентилем от воздушного коллектора, горизонтально расположенную на перегородке поворотную ось с закрепленными на ней с внешней стороны блока измерения двумя взаимно перпендикулярными рычагами, на торце одного из которых установлен открытый снизу стакан, а на другом груз, внутри блока измерения с минимальным зазором по отношению к внутренней поверхности его корпуса установлена лопасть с обратным (и) клапаном(ами) или выполненная из эластичного материала, конфигурация кромки которой идентична конфигурации внутреннего сечения блока в зоне установки лопасти, выходное отверстие воздухоподводящей трубки расположено под открытым снизу стаканом при его нижнем положении, а датчик анализатора КРК установлен таким образом, что его чувствительный элемент находится в непосредственной близости от кромки лопасти.

Нижняя поверхность лопасти может дополнительно содержать струенаправляющий желоб, сужающийся в направлении от поворотной оси к ее кромке.

Совокупность перечисленных признаков предлагаемого устройства, отличающих его от прототипа, обеспечивает появление у него новых свойств, не совпадающих со свойствами, присущими прототипу. Это новые свойства заключаются в следующем: потоку анализируемой среды, омывающей датчик анализатора КРК, сообщается пульсирующий характер, за счет чего обеспечивается интенсивный смыв налипающих на чувствительный элемент датчика-мембрану хлопьев активного ила и воздушных пузырьков; исключается необходимость применения в устройстве электропривода, что в свою очередь упрощает конструкцию за счет ненадобности предусматривать соответствующие мероприятия, обеспечивающие борьбу с наводками на слаботочный измерительный тракт со стороны тракта электропитания электропривода мешалки; по этой же причине исключается необходимость применения электропитающего кабеля для привода мешалки. В целом упрощается и удешевляется электрическая схема, обеспечивающая функционирование устройства.

Предлагаемое устройство, как и устройство-прототип, предназначено для измерения показателей кислородного режима аэротенка в точке контроля.

В устройстве-прототипе движение анализируемой среды осуществляется под воздействием рабочего органа мешалки. В предлагаемом устройстве движение анализируемой среды осуществляется под воздействием лопасти, "загребающей" воду при движении в одном направлении (вниз) и "незагребающей" при движении в обратном направлении. Привод же лопасти в устройстве обеспечивается подводимым к нему воздухом (от воздушного коллектора, питающего аэротенк).

Перечень фигур: на фиг.1 дана принципиальная схема устройства-прототипа; на фиг.2 принципиальная схема предлагаемого устройства (внутренний разрез); на фиг.3 принципиальная схема предлагаемого устройства (вид снаружи).

Описание устройства прототипа. Блок измерения 1 содержит внутри перегородку 2, установленную таким образом, чтобы между ее нижним торцом и нижним торцом блока 1 образовалось свободное сечение 3. Верхний торец перегородки должен быть ниже уровня воды в аэротенке, когда блок измерения будет туда погружен. По одну сторону перегородки 2 расположен датчик 4 анализатора кислорода (КРК). По другую сторону перегородки 2 расположен рабочий орган 5 лопастной мешалки с приводом 6. На нижнем торце блока измерения 1 имеется поворотная заслонка 7, на ось вращения 8 которой насажено двуплечевое коромысло 9. На торцах коромысла 9 симметрично насажено устройство положительной обратной связи 11, выполненное в виде закрепленного качающегося груза.

Описание предлагаемого устройства (см. одновременно фиг.2 и 3).

Блок измерения 1 содержит внутри перегородку 2, установленную таким образом, чтобы между ее нижним торцом и нижним торцом блока 1 образовалось свободное сечение 3. Верхний торец перегородки должен быть ниже уровня воды в аэротенке, когда блок измерения будет туда погружен. По одну сторону перегородки 2 расположен датчик 4 анализатора кислорода (КРК). На перегородке имеется горизонтально расположенная поворотная ось 5. На оси 5 внутри блока измерения жестко установлена лопасть 6 с одним или несколькими обратными клапанами. Обратный клапан имеет следующую конструкцию. Под отверстием 7 в лопасти размещен плавающий шарик 8, заключенный в решетку 9. Конфигурация кромки лопасти 6 идентична конфигурации внутренней поверхности блока измерения в зоне установки лопасти, а сама лопасть установлена таким образом, чтобы между ее внешней кромкой и внутренней поверхностью блока измерения был образован минимальный зазор (для предотвращения задевания при движении лопасти вокруг оси вращения 5). Другой вариант конструктивного вращения лопасти 6: она может быть изготовлена из эластичного материала, например упругой резины, с продольно расположенными на ее верхней плоскости ребрами жесткости (аналог такого решения лопасти-ласты для плавания).

Нижняя поверхность лопасти 6 может дополнительно содержать струенаправляющий желоб, сужающийся в направлении от поворотной оси 5 к внешней кромке.

С внешней стороны блока измерения 1 на оси 5 установлены два взаимно перпендикулярных рычага 10 и 11. На рычаге 10 установлен груз 12, а на рычаге 11 открытый снизу стакан 13. К стакану 13 подведено выходное отверстие воздухоподводящей трубки 14, снабженной регулирующим клапаном 15, поддерживающим заданное давление "после себя". Дно блока измерения 1 представляет собой поворотную заслонку 16, жестко насаженную на ось 17 и выведенную на другую сторону из блока измерения. На этой оси с внешней стороны блока измерения жестко насажено двуплечевое коромысло 18, на торцах которого установлены стаканы 19. На этой же оси на стержне, перпендикулярном к коромыслу 18, закреплен груз 20.

Внутри блока измерения 1 установлен датчик 21 анализатора КРК, чувствительный элемент 22 которого расположен в непосредственной близости от траектории внешней кромки лопасти 6, а измерительный кабель 23 датчика выведен наружу к анализатору КРК.

Устройство работает следующим образом.

При погружении блока измерения в аэротенк до уровня, превышающего верхний торец перегородки 2, двуплечевое коромысло 18 оказывается в одном из двух положений (безразлично каком). Допустим, оно оказалось в положении, показанном на фиг. 3. При этом оба стакана 19 заполнены водой, а показанное на схеме положение коромысла 18 удерживается за счет момента сил, создаваемого грузом 20 устройства положительной обратной связи. Поскольку вода в аэротенке аэрируется воздухом, то он, попадая в стакан 19, обращенный открытым торцом вниз, будет в нем скапливаться, вытесняя воду. Через отрезок времени, определяемый интенсивностью вытеснения воды, суммарный момент сил, действующих относительно оси вращения 17 слева, станет меньше, нежели справа, поскольку вес левого плеча со стаканом, содержащим скопившийся в нем воздух, станет меньше веса правого плеча. При этом произойдет выход системы из устойчивого положения, показанного на схеме, а за счет наличия положительной обратной связи произойдет резкий переброс из одного устойчивого положения в другое. Воздух, скопившийся в левом стакане, вытеснится водой, груз 12 на рычаге 10 займет устойчивое положение справа от оси вращения, заслонка 16 займет горизонтальное положение и закроет дно блока измерения. Далее процесс повторится, через определенное время произойдет обратный переброс и заслонка займет опять вертикальное положение, открыв дно блока измерения и перекрыв сечение между нижним торцом перегородки 2 и дном блока 1.

Описанная до настоящего момента работа предлагаемого устройства совершенно идентична работе устройства-прототипа.

Движение анализируемой среды внутри блока измерения 1 осуществляется следующим образом. Допустим, положение стакана 13, рычагов 10 и 11, груза 12 и лопасти 6 соответствует показанному на фиг.2 и 3, а стакан 13 заполнен водой. Устойчивое положение этой системы обеспечивается моментом сил, действующих относительно поворотной оси 5. Через воздухоподводящую трубку 14 с постоянным расходом благодаря регулируемому клапану 15, поддерживающему после себя заданное давление, в стакан 13 поступает воздух. Он вытесняет из стакана воду и, когда суммарный момент сил относительно поворотной оси 5 станет отрицательным, система придет в движение и, усиленный положительной обратной связью (груз 12 на рычаге 10), осуществится быстрый ее поворот относительно оси 5. При этом лопасть 6 с обратным клапаном 7, 8, 9 также придет в движение: из нижнего положения в верхнее. При этом обратный клапан откроется и начнет пропускать через себя воду. Когда система стакан 13-рычаги 10,11-груз 12-лопасть 6 достигнет крайнего верхнего положения и воздух из стакана 13 вытеснится водой, она сразу же начнет движение в обратном направлении вниз. При этом обладающий плавучестью шарик 8 обратного клапана перекроет отверстие 7 в лопасти 6. Вода, находящаяся под движущейся вниз лопастью, придет в движение.

В начальный момент движения лопасти вода будет вытесняться вниз и вдоль лопасти к ее торцу, в непосредственный близости от которого находится чувствительный элемент 22 датчика КРК 21. В момент прохождения лопастью вблизи чувствительного элемента 22 датчика за счет интенсивного образования вихревых потоков, направленных вдоль ионоселективной мембраны (чувствительный элемент датчика), с нее будут смываться прилипшие частицы активного ила и пузырьки воздуха. Вероятность налипания последних очень вероятна аналогично тому, как это происходит на стенках стеклянного стакана, когда в него наливается вода, содержащая пузырьки газа.

Наличие на нижней поверхности лопасти струенаправляющего желоба, сужающегося в направлении от поворотной оси к ее кромке, в момент прохождения лопасти вблизи датчика КРК обеспечивает интенсификацию очистки чувствительного элемента (мембраны) датчика.

При дальнейшем движении вниз лопасти она входит в зону, где конфигурация внутреннего сечения блока измерения идентична конфигурации ее кромки. При этом начинается движение воды под лопастью только вниз в одном направлении. Если заслонка 16 находится в вертикальном положении и объем воды внутри блока измерения сообщен с объемом воды в аэротенке, происходит принудительное замещение контролируемого объема воды за счет ее вытеснения из левой (на фиг. 2) части блока и поступления из аэротенка в правую часть, т.е. осуществляется движение воды в режиме проточного обтекания датчика. Если заслонка 6 находится в горизонтальном положении, вода проходит в движение внутри блока измерения в режиме возвратной циркуляции. Причем оба эти режима имеют пульсационный характер, обеспечивающий, как это отмечено выше, смыв загрязнений с поверхности чувствительного элемента датчика КРК.

В варианте, когда лопасть 6 изготовлена из эластичного материала, она за счет имеющихся на ее верхней поверхности ребер жесткости имеет свойство разного сопротивления на изгиб. При движении вниз ребра жесткости работают на сжатие, а при движении вверх на растяжение. Поскольку резина плохо работает на сжатие и хорошо на растяжение, то при движении лопасти вниз она будет оказывать большее воздействие на воду, нежели при движении вверх. Это обстоятельство обеспечивает движение воды преимущественно в одном направлении, причем движение это будет иметь пульсирующий характер.

Поскольку в течение всего времени работы устройства имеется ввиду, что система сбора и обработки информации (например, в простейшем случае, вторичный регистрирующий прибор) подключена к датчику КРК, а лопасть постоянно, с заданной цикличностью обеспечивает движение воды, то в периоды, когда заслонка открыта (это положение показано на фиг.2 и 3), осуществляется измерение концентрации растворенного кислорода в иловой смеси аэротенка; в периоды, когда заслонка закрыта (горизонтальное ее состояние), вода внутри блока измерения циркулирует в обороте, происходит уменьшение в ней концентрации растворенного кислорода за счет его потребления микроорганизмами активного ила, и это изменение КРК во времени фиксируется вторичным прибором, как скорость потребления кислорода (СПК).

Как было отмечено, на вторичном приборе фиксируется как величина поступающего от датчика анализатора КРК сигнала, так и время его прохождения. Это означает, что в периоды измерения КРК величина сигнала будет практически неизменена, а в периоды измерения СПК она будет уменьшаться пропорционально скорости уменьшения содержания кислорода в воде. Из отмеченного следует, что по получаемой информации можно судить о длительности периодов между переключениями устройства с одного устойчивого состояния в другое. А длительность этих периодов будет характеризовать интенсивность аэрации аэротенка в точке контроля.

Исходя из изложенного можно заключить следующее относительно взаимодействия основных элементов предлагаемого устройства: поплавки, имеющие указанную форму и определенным образом закрепленные на концах плеч коромысла, обеспечивают наличие зависимости частоты переключений от интенсивности аэрации (аналогично устройству-прототипу); взаимодействие лопасти, заслонки и перегородки обеспечивает цикличное переключение с одного режима обтекания датчика анализируемой средой на другой. (В устройстве-прототипе движителем воды является рабочий орган мешалки, в предлагаемом устройстве движитель воды качающаяся лопасть); взаимодействие воздуха, выходящего из воздухоподводящей трубки, стакана, установленного определенным образом на системе из двух взаимно перпендикулярных рычагов с качающимся грузом, сочлененных на общей поворотной оси с лопастью, снабженной одним или несколькими обратными клапанами или выполненной из эластичного материала, а также взаимодействие лопасти с внутренней поверхностью блока измерения, обеспечивает пульсирующий характер движения воды, что в свою очередь обеспечивает смыв с чувствительного элемента датчика анализатора КРК возможно осевших на него хлопьев активного ила и пузырьков выделяющегося из воды воздуха. Этот признак в устройстве-прототипе отсутствует.

Технико-экономические преимущества предложенного устройства по сравнению с устройством-прототипом заключаются в следующем: обеспечивается улучшение функциональных свойств устройства за счет систематического смыва с чувствительного элемента датчика анализатора КРК налипших на него посторонних включений, наличие которых может привести к искажениям показаний прибора; обеспечивается конструктивное упрощение устройства в целом, в т.ч. и его электрической схемы, за счет отсутствия в нем электропривода, этим же обеспечивается удешевление устройства.

Формула изобретения

1. Устройство для автоматического контроля параметров кислородного режима аэротенка, содержащее датчик анализатора концентрации растворенного кислорода и погружной блок измерения с продольной перегородкой и дном, выполненным в виде поворотной заслонки, привод которой с внешней стороны блока содержит два открытых снизу сосуда и рычаг с качающимся грузом, закрепленные на общей с поворотной заслонкой оси вращения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит воздухоподводящую трубку с регулирующим клапаном от воздушного коллектора, горизонтально расположенную на продольной перегородке поворотную ось с закрепленными на ней с внешней стороны погружного блока измерения двумя взаимно перпендикулярными рычагами, на торце одного из которых установлен открытый снизу стакан, а на другом груз, внутри погружного блока измерения с минимальным зазором по отношению к его внутренней поверхности установлена лопасть, конфигурация кромки которой идентична конфигурации внутреннего сечения погружного блока измерения в зоне установки лопасти, выходное отверстие воздухоподводящей трубки расположено под открытым снизу стаканом при его нижнем положении, а датчик анализатора концентрации растворенного кислорода установлен в непосредственной близости от кромки лопасти, находящейся в своем верхнем положении.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лопасть выполнена с одним или несколькими обратными клапанами.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лопасть выполнена из эластичного материала с продольно расположенными на ее поверхности ребрами жесткости.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве эластичного материала используют упругую резину.

5. Устройство по пп. 1 4, отличающееся тем, что нижняя поверхность лопасти содержит струенаправляющий желоб, сужающийся в направлении от поворотной оси к ее кромке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3