一种实验室用微量沼气计量装置的设计

王傲凡，刘新媛，吴海云，杨磊，谢程锦，范佳怡

一种实验室用微量沼气计量装置的设计

王傲凡，刘新媛通信作者，吴海云，杨磊，谢程锦，范佳怡

（天津农学院 工程技术学院，天津 300392）

实验室规模下的沼气发酵装置产气速率低，沼气产量的精确计量较为困难。本文设计一种适用于实验室的微量沼气计量装置，该装置将连续产出的沼气离散化计量，而单次计量的沼气体积通过固定容积集气腔的压力变化来求解。装置的控制系统以单片机为核心，根据设定的压力参数实现固体容积集气腔“接收沼气”状态和“排放沼气”状态的自动切换。此外，控制系统自动收集和显示的关键参数用于沼气产量的计算。

沼气计量；微量沼气；实验室规模；自动控制

沼气发酵是废弃生物质能源化利用的重要途径，广泛应用于国内外的工程实践之中[1-2]。实验室小试规模的发酵系统也常用于基础科学研究和新型沼气发酵技术的开发[3-4]。在实验室规模的厌氧发酵中，集气系统承担气体计量和气样采集的功能，而计量采样的准确性和可靠性对表征发酵体系的产气状况和运行效率至关重要。气体计量装置是集气系统的核心，目前实验室常用的集气装置为湿式气体流量计，可测定一段时间内的累积沼气产量，适用于表征厌氧发酵产气指标，如日产气量、产气潜力等[5-6]。然而，湿式气体流量计也存在回转误差、计量稳定性较差及长期使用精度下降的问题[7-8]。瑞典碧普公司开发的全自动甲烷潜力测试系统（AMPTS）是较早商业化的产品，其中微量气体流量计组阵是系统的核心单元，其自动化程度高，测量分辨率可精确到10 mL，数据在线采集[9]。但该产品价格昂贵，不便于大规模推广。实验室小试规模发酵系统的有机物处理量和发酵装置均较小、产气量也较低，常见市售流量计难以自动精准计量。对此，本文设计一套以单片机为主控芯片的自动控制计量装置，单片机具有体积小、结构简单且性价比优异等特点[10]，适用于实验室小试规模发酵系统的沼气产量计量。

1 硬件系统的组成

微量沼气计量装置位于发酵集气系统中。除此之外，实验室小试发酵装置的集气系统还包括沼气预处理部分、采样部分、管路和接头等，其装置结构如图1所示。

在沼气预处理环节，反应器产气先通过洗气瓶截留住随产气进入气路的发酵液或浮渣，而后经干燥剂去除水蒸气，避免水蒸气在具有一定压力的集气腔中冷凝或者腐蚀元器件。洗气瓶中加入稀酸液体，避免酸性气体溶解造成产气测量误差。在预处理和自动计量装置之间设置采样口，保证气样清洁并且无空气掺杂。

在自动计量装置中，产气经过换向电磁阀（S30507-Z031H）流入集气腔，集气腔连接的排气管也通过相同的换向电磁阀控制。集气腔的有效容积固定，并具有良好的密封性和耐压性，腔内设有温控传感器（DS18B20）和压力传感器（MPX4250）。这两种传感器体积小，室温下精度高，适用于实验室小型装置使用[11-12]。自动计量装置通过单片机（AT89C51）控制，单片机接收温度传感器、压力传感器的信号，控制电磁阀、计时器（DS1302时钟模块）和单片机内部的计数器动作，相关数据通过LED显示屏显示。DS1302时钟模块有两个电源引脚，在断电情况下可使用备用电源对其内部供电，以保证数据记录的可靠性[13]。控制系统的电路原理图和压力传感器的连接电路原理图分别如图2和图3所示。

2 自动计量装置的工作原理

2.1 沼气计量的控制原理

本设计中，沼气计量的原理是将连续的产气过程离散化，使发酵产气分批次流入集气腔中，各批次在集气腔接收沼气的过程中，固定容积集气腔内的压力将随气体的存储而增大，所以腔内压力可以表征流入的气体体积。不仅如此，腔内压力也会随着气体排放而降低，不断变化的腔内压力也是控制系统的关键参数。

按照集气腔状态不同，集气系统工作时分为集气腔“接收沼气”和“排放沼气”两种状态，通过控制电路进行两种状态的切换。在接收沼气状态下，换向电磁阀的进气管接通、排气管关闭，发酵罐内生成的沼气通过进气管不断进入集气腔，压力传感器检测腔内压力值变化，当压力值增加到设定最高压力值时切换到集气腔排放沼气状态。此时，控制电路响应，单片机内部的计数器数值增加1单位，换向电磁阀动作，进气管关闭、排气管接通，同时计时器记录响应时间（即开始排气时刻）。随着气体的排放，腔内压力不断下降，当压力降低到设定最低压力值时，控制电路再次响应，换向电磁阀动作，进气管打开、排气管关闭，系统重新回到集气腔“接收沼气”状态。

2.2 单位沼气产量的计算

将集气腔最高压力和最低压力之间的气体体积变化量（标准状态下）定义为单位沼气产量（）。单位气体沼气产量需定期校核，根据温度传感器所测数据计算和校核。根据理想气体状态方程推导，如公式（1）～（3）所示：

＝·22.4 （1）

＝（高-低）·/（R） （2）

＝22.4·（高-低）·/（R） （3）

单位沼气产量，L；单次排气中收集到的沼气摩尔数，mol；高设定最高压力值，Pa；低设定最低压力值，Pa；集气腔的固定容积，m3；R常量8.314 J/（mol·K）；是温度传感器测定集气腔内气体的平均热力学温度，K。

2.3 统计时间段内沼气产量的计算

统计时间段内发酵反应器的沼气产量需根据计数器所统计的排气次数、单位沼气产量和统计时间段起始时刻和终止时刻的实时压力值进行精确计算，见式（4）和式（5）。

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

气＝·＋22.4·（止－始）·/（R）（5）

气统计时间段内沼气产量，L；统计时间段内排气次数，次；始统计时间段起始时实时压力，Pa；止统计时间段终止时实时压力，Pa。

2.4 产沼气速率的测定

调取时钟模块记录的集气腔排气时刻数据，统计出产生体积沼气所需要的时间，进一步计算出该时间段内的产沼气速率，见式（6）。

＝/（6）

所以，的变化反映出产沼气速率的变化规律。较长统计时间段内的产沼气速率（如日产沼气量），可以根据该统计时间内的沼气产量气和统计时间长度统之比求得。

3 软件系统设计

3.1 程序流程设计

系统软件是在Window10系统下，采用Labview软件进行程序编写。Labview采用图形化编程语言的开发环境，具有高效直观的特点[14-15]。程序启动后，首先要对设定最高压力值和设定最低压力值进行赋值。赋值完成后，打开启动按键开始程序运行，具体流程见图4。

3.2 系统仿真调试

采用Labview软件对程序的运行进行虚拟仪器仿真测试，测试界面如图5所示。系统运行后，首先输入压力阈值，初始状态时电磁阀进气管路接通，排气管路关闭。当集气腔内实时压力超过设定最高压力时，计数器加1、计时器记录时间，同时控制下位机对电磁阀动作进行控制，即排气阀打开，进气阀关闭。当气体排放到设定最低压力值时，排气阀关闭，进气阀打开，电磁阀回到初始状态。程序周而复始，达到自动、连续计量沼气产量的目的。

4 结论

针对实验室小试发酵反应器产生沼气量低、准确计量困难的问题，本研究设计了一种基于单片机的微量沼气计量装置。反应器产出沼气在进入计量装置前先经过洗气、脱水和采样等环节处理。自动计量装置根据集气腔内的压力信号，控制电磁阀、计时器和计数器，并显示出关键参数值。本研究为实验室小试规模的低产气率发酵系统提供了一种自动、准确的沼气计量装置和方法。

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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

天津市级大学生创新创业训练计划项目（201910061063）；天津农学院科研发展基金计划（20190115）；天津市应用基础与前沿技术研究计划青年项目（16JCQNJC08200）；天津农学院教育教学研究与改革项目（2018-B-09）；天津市企业科技特派员项目（19JCTPJC59200）

王傲凡（1998—），男，本科在读，主要研究方向气体计量装置。E-mail：1074273102@qq.com。

刘新媛（1987—），女，讲师，博士，主要从事固体废弃物厌氧发酵和再生利用方面的研究。E-mail：liuxinyuan11@163.com。

责任编辑：杨霞