申请日2014.06.19
公开(公告)日2014.09.24
IPC分类号G01N19/00
摘要
本发明公开了一种颗粒污泥弹性模量的测量装置，测量颗粒污泥在一定作用力下的垂直变形量，本发明进一步公开一种颗粒污泥弹性模量的测量方法，通过在ANSYS软件中建立颗粒污泥的实体模型，结合本发明装置所测得的数据，利用软件自动分析求解获得所述颗粒污泥的弹性模量。测量装置包括底座和固定支架，底座上设有用于测量待测颗粒污泥荷载的向下作用力的电子天平，其正上方通过固定支架固设有用于测量待测颗粒污泥产生的垂直变形量的千分表，千分表的测杆垂直于电子天平的载物平台，且测头朝上，测头上方通过固定支架固设有用于向测头施加向下作用力的施力机构。本发明结构简单，成本低廉，使用方便，可广泛应用于污水处理中。
权利要求书
1.一种颗粒污泥弹性模量的测量装置，包括底座和固定支架，其特征在于，所述底座上设有用于测量待测颗粒污泥荷载的向下作用力的电子天平，所述电子天平正上方通过固定支架固设有用于测量待测颗粒污泥产生的垂直变形量的千分表，所述千分表的测杆垂直于电子天平的载物平台，且测头朝上，所述测头上方设有用于向测头施加向下作用力的施力机构;所述施力机构通过固定支架固定。
2.根据权利要求1所述的颗粒污泥弹性模量的测量装置，其特征在于，所述施力机构由内螺纹套筒和螺栓组成，所述套筒固设在固定支架上，所述螺栓包括栓头和具有外螺纹的螺杆，所述套筒与螺杆螺纹配合。
3.一种颗粒污泥弹性模量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取所述颗粒污泥，通过测量装置测定所述颗粒污泥在一定垂直向下作用力F下产生的垂直变形量H0，并测定所述颗粒污泥的半径R;
(2)在ANSYS有限元分析软件中建立颗粒污泥有限元模型，所述颗粒污泥有限元模型为球体，半径取值为步骤(1)半径R，泊松比取值范围为0.45-0.5;在所述颗粒污泥有限元模型的正上方和正下方建立与颗粒污泥实体模型形成外切的上压板和下压板;所述上、下压板弹性模量取值不小于10000，泊松比取值0.28-0.30;所述压板为正方形,边长为2R;
(3)在ANSYS有限元分析软件中，给所述上压板上表面施加一个压强P，即给颗粒污泥施加一个整体的压强P，所述压强P=F/4R2;在ANSYS有限元分析软件中输入弹性模量的假定值E，使ANSYS有限元分析软件中对应显示的垂直方向变形量H1与步骤(1)中的变形量H0一致;所述的弹性模量假定值E，即为所测颗粒污泥的弹性模量。
4.根据权利要求2所述的测量颗粒污泥弹性模量的方法，其特征在于，所述颗粒污泥有限元模型和上、下压板均采用SOLID186单元。
5.根据权利要求2所述的测量颗粒污泥弹性模量的方法，其特征在于，对所述颗粒污泥有限元模型单元边长取值不大于0.30mm。
说明书
一种颗粒污泥弹性模量的测量装置及其测量方法
技术领域
本发明属于弹性模量分析测试技术领域，尤其涉及废水生物处理过程中形成的颗粒污泥弹性模量的测量装置及测量方法。
背景技术
在废水处理领域，将絮状污泥培养成颗粒污泥有利于微生物的持留，增强了对污染物的处理能力，由于颗粒污泥容易解体，因此对颗粒污泥的弹塑性力学分析很有必要，弹性模量是颗粒污泥的一个重要物理特性。
颗粒污泥是由微生物自凝聚作用形成的颗粒状活性污泥，颗粒大小约为1～3mm，容易破碎，含有较多的水份，机械强度较低，形变产生的变形较小。
颗粒污泥受力条件是影响颗粒污泥稳定性的关键因素之一，通过对颗粒表面受力进行全面深入研究，并且结合颗粒内部受力分析，以建立受力与稳定性之间的桥梁，从而可以建立操作要素和颗粒结构稳定性的响应机制，这将为定量控制其稳定性提供理论依据和指导，而这些内部受力分析都依赖于对颗粒污泥的弹性模量的测定。
目前，现有的测定弹性模量的装置主要应用于测定金属、混凝土、岩土等形状较大的工程材料，无法测量颗粒污泥等微小颗粒的弹性模量。已公开的相关专利都是用来测定颗粒污泥的机械强度，结构复杂，制作成本高，不能测定颗粒污泥在微小力作用下产生的微小形变量，无法进行弹塑性力学(弹性模量)和有限元分析。
发明内容
针对目前没有测量颗粒污泥弹性模量的装置及测量方法的现状，本发明的目的在于提供一种结构简单，成本低廉，使用方便的测量颗粒污泥弹性模量的装置及测量方法，可广泛应用于污水处理中。
由于颗粒污泥很难测定其在作用力下的体积应变，无法计算得出颗粒污泥的弹性模量，所以本发明提供一种测量装置先测定颗粒污泥在作用力下的垂直变形量，本发明进一步提供一种测量方法，通过在ANSYS软件中建立颗粒污泥的实体模型，结合本发明装置所测得的数据，利用软件自动分析求解获得所述颗粒污泥的弹性模量。
为实现上述发明目的采取如下技术方案：
一种颗粒污泥弹性模量的测量装置，包括底座和固定支架，其特征在于，所述底座上设有用于测量待测颗粒污泥荷载的向下作用力的电子天平，所述电子天平正上方通过固定支架固设有用于测量待测颗粒污泥产生的垂直变形量的千分表，所述千分表的测杆垂直于电子天平的载物平台，且测头朝上，所述测头上方设有用于向测头施加向下作用力的施力机构;所述施力机构通过固定支架固定。
所述施力机构由内螺纹套筒和螺栓组成，所述套筒固设在固定支架上，所述螺栓包括栓头和具有外螺纹的螺杆，所述套筒与螺杆螺纹配合。
一种颗粒污泥弹性模量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取所述颗粒污泥，通过测量装置测定所述颗粒污泥在一定垂直向下作用力F下产生的垂直变形量H0，并测定所述颗粒污泥的半径R;
(2)在ANSYS有限元分析软件中建立颗粒污泥有限元模型，所述颗粒污泥有限元模型为球体，半径取值为步骤(1)半径R，泊松比取值范围为0.45-0.5;在所述颗粒污泥有限元模型的正上方和正下方建立与颗粒污泥实体模型形成外切的上压板和下压板;所述上、下压板弹性模量取值不小于10000，泊松比取值0.28-0.30;所述压板为正方形,边长为2R;
(3)在ANSYS有限元分析软件中，给所述上压板上表面施加一个压强P，即给颗粒污泥施加一个整体的压强P;所述压强P=F/4R2;在ANSYS有限元分析软件中输入弹性模量的假定值E，使ANSYS有限元分析软件中对应显示的垂直方向变形量H1与步骤(1)中的变形量H0一致;所述的弹性模量假定值E，即为待测颗粒污泥的弹性模量。
所述颗粒污泥有限元模型和上、下压板均采用SOLID186单元。
所述颗粒污泥有限元模型单元边长取值不大于0.30mm。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
本发明的测量装置先测定颗粒污泥在一定作用力下的垂直变形量，本发明的测量方法，通过在ANSS软件中建立颗粒污泥的实体模型，结合本发明装置所测得的数据，利用软件自动分析获得所述颗粒污泥的弹性模量。该测量装置具有结构简单、使用方便、成本较低、灵活性大等优点，该测量方法具有易用、快速、准确等优点。弥补了现有装置只能用来测量金属、混凝土、岩石等形状较大的工程材料的缺陷。适合推广应用于污水处理中对好氧和厌氧颗粒污泥的弹塑性力学 (弹性模量)和有限元分析。
采用本发明的测量装置和测量方法，可以方便快速的测定颗粒污泥的弹性模量，并对其受力条件进行分析，为建立操作要素和颗粒结构稳定性的响应机制提供依据，为培养稳定颗粒污泥提供具体的最优选择方案。