糖度计

一窥饮用水反应堆内部

在荷兰，饮用水处理厂每年对超过4亿立方米（1000亿加仑）的水进行软化处理。软化是在流化床反应器中进行的一项复杂的物理和化学过程。 在流化床中，直径约1毫米的颗粒被向上水流托起，从而形成巨大的表面积。要维持最佳工艺条件，需要实时掌握流化床的状态信息。直到最近，还无法从反应器外部全面掌握流化床的动力学情况。 阿姆斯特丹及周边地区的供水公司Waternet 致力于开发一种创新的软传感器（1）——Hydrometer，该传感器能够持续监测反应器内部流化床的状态。 该研究是与 乌得勒支应用科技大学、伦敦玛丽女王大学、代尔夫特理工大学、Bienfait 公司以及Gantner Instruments 公司共同开展的合作项目。

优化水软化工艺

软化过程在流化床反应器中进行，该反应器内部分填充有砂、石榴石和方解石颗粒等种子材料。水被泵送向上，使颗粒床保持在流化状态。加入苛性钠作为试剂，促使碳酸钙在方解石颗粒表面结晶。 结晶作用导致颗粒生长并沉降至反应器底部。颗粒尺寸增大将减少有效表面积，从而对结晶效率产生不利影响。为维持最佳工艺条件，需要获取颗粒床流化状态的实时信息，以确定实现最佳结晶过程所需的氢氧化钠用量。 这些实时信息还能防止苛性钠过量添加，从而避免对水质、工艺可持续性和成本造成不利影响。Hydrometer软传感器旨在获取流化床反应器内的纵向信息，并随后利用经验模型确定纵向空隙率(2)和颗粒直径分布。

比重计概念验证

Hydrometer 软传感器基于水下称重法，也称为阿基米德原理。阿基米德发现，浸没在液体中的物体所受的向上浮力等于被排开液体的质量。被排开的体积等于物体浸没在液体中的体积。 该比重计的设计原理是让一个浸没在流态化方解石颗粒床中的漂浮物体悬挂在不同高度，并测量这些位置处的浮力。

为了验证该比重计的可行性，Waternet与乌得勒支应用科学大学设计了一个实验测试装置，该装置使用一个装有玻璃珠和方解石颗粒的透明圆柱体来模拟软化反应器。 圆柱体上方安装了一个由 Bienfait 设计的智能滑轮传感器，用于驱动由步进电机控制的浮体在流化床中垂直移动。 一个滑轮称重传感器（P100/3W，Gicam）和一个增量式旋转编码器（Rotapulse I28，Lika Electronics）用于测量圆柱体内部浮体的重量和位置。 步进电机、编码器和称重传感器均连接至 Q.series 数据采集与控制系统，该系统由Q.monixx Controller和Q.bloxx D101数字输入模块组成。

智能滑轮传感器由四个组件构成，用于使物体在圆筒内上下移动，并测量其重量和位置。漂浮物体通过一根细的编织渔线悬挂。 该钓线穿过第一个滑轮，该滑轮上安装有旋转编码器，用于将从设定零点开始的步数传输至 Q.bloxx D101 测量模块。 编织线从第二个滑轮下方穿过，该滑轮上安装有称重传感器，用于测量电压中的应变。该测量到的应变与浮体的质量呈线性相关。编织线穿过第三个滑轮以提供支撑，并连接到步进电机，该电机驱动浮体在圆筒内上下移动。

测试系统的配置和数据记录均通过 GI.bench 数据采集软件完成。 Q.monixx 将数据持续传输至运行在 PC 上的 GI.bench 软件。利用 GI.bench 中的传感器量程转换功能，将编码器和称重传感器测得的测量数据从步数 [#] 转换为位置 [m]，从应变 [V] 转换为质量 [kg]。 在线仪表盘使操作员能够实时监控测试过程，而用户可配置的数据记录器会以最佳采样率将测量数据写入文件。

Waternet 的工程师开发了一个 test.con 程序，用于实现测试自动化，并确保测试结果的可重复性和可比性。 该例程会以预定义的步长将浮体移动到圆筒内的不同高度进行测量。test.con 是 Gantner 提供的一款免费可视化编程语言，供工程师开发用于测试自动化和分析的自定义应用程序。在比重计实验装置中，Waternet 实现了每次测试运行约 30 分钟内完成 20 次测量的目标。

所掌握的知识

新开发的液位计软传感器已被证明是获取全尺寸流化床反应器内水力状态的一种更省时的方法。纵向传感器在日常工艺控制方面的优势在于能够实时掌握颗粒床的行为，并在水流和工艺条件发生变化时具有更大的灵活性。

在完成比重计的概念验证测试后，结合数据驱动模型，可将孔隙率的估算误差控制在5%以内，颗粒尺寸的估算误差控制在约10%以内。 为了进一步提高该比重计的准确性和可靠性，需要在多个方面进行进一步开发。例如，优化流化床下部区域的测量精度，添加压差传感器以改进模型验证，以及应用CFD（计算流体力学）来更好地模拟颗粒-流体-物体之间的相互作用。

在Q.monixx中编写test.con例程，显著改善了测试结果。
Waternet

除了数据点的数量外，还可以确定两次测量之间的最佳间隔，从而提高测试的时间效率。这可能显著改善水处理工艺，例如：操作更灵活、水质更好、减少出现不良流化状态的风险，以及降低化学品用量。

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更多信息

O.J.I. 克雷默、C. 范·斯海克、J.J. 汉格尔布鲁克、P.J. 德·莫尔、M.G. 科林、 M. Amsing、E.S. Boek、W.P. Breugem、J.T. Padding、J.P. van der Hoek，《一种用于测量流化床反应器内部局部空隙率分布的新型传感器》，《水处理工程杂志》41C (2021)， 第1-15页， https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102091

请观看下面的视频，了解比重计传感器的开发过程。

_{脚注：
(1) 软传感器是一种虚拟模型，它将来自简单传感器的各种输入信号进行转换并整合，以模拟更复杂传感器的输出。
(2) 空隙率是指流化床总体积中可供流体流动的自由空间所占的比例。}