CN102023130B

CN102023130B - 一种流道式海洋生物附着力测试装置

Info

Publication number: CN102023130B
Application number: CN2010105313146A
Authority: CN
Inventors: 蔺存国; 周娟; 段东霞
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2010-10-23
Filing date: 2010-10-23
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2030-10-23
Also published as: CN102023130A

Abstract

本发明属于海洋生物测试及防污材料技术领域，涉及一种流道式海洋生物附着力测试装置，用于模拟船体表面水流状态，测试海洋污损生物在材料表面的附着力，研究不同水流速度和环境条件对海洋污损生物附着力的影响，箱盒式结构的沉降室内上侧自右向左依次分别制有进水口、开孔不锈钢板、蜂窝状聚碳酸酯板、不锈钢筛板和排气阀，沉降室左端横向制有测试腔，测试腔左端侧边上制有差压变送器，测试腔中置有真空泵，测试腔的左侧端置有水槽，水槽的顶端制有光源，水槽底部引出管道经过多端阀门控制与进水口连通，其连通的管道中依次分别制有变频泵、流量计和压力变送器；其结构简单，使用操作方便，测试数据准确，便于应用推广。

Description

一种流道式海洋生物附着力测试装置

技术领域：

本发明属于海洋生物测试及防污材料技术领域，涉及一种流道式海洋生物附着力测试装置，用于模拟船体表面水流状态，测试海洋污损生物在材料表面的附着力，研究不同水流速度和环境条件对海洋污损生物附着力的影响。

背景技术：

在海洋环境中，海洋生物污损会增加船舶动力消耗，加速材料腐蚀，堵塞海水冷却管路。随着海洋资源利用和远洋运输业的不断发展壮大，海洋船舶和工程设施的生物污损问题已变成一个影响国民经济发展和国家安全的重大问题。目前防污材料研究方兴未艾，防污材料性能评价技术不断快速发展，在技术和经济发达地区，已经建立了一系列涵盖污损生物附着数量、附着面积和附着力测试的材料防污性能评价方法，实现了防污材料防污性能的综合评价；现有已经开发的生物附着力测试装置主要包括层流流动装置(Laminar channel flowcell)，径向流动装置(Radial flow chamber)、环向流动装置(Annularflow cell)、湍流流动装置(Fully-developed turbulent channel)和水喷射装置(Spinjet apparatus)，这些装置的主要原理都是利用水流对附着在材料表面的海洋生物施加一定的冲力，根据受力前后材料表面生物的脱附情况，评价海洋生物在材料表面的附着力。目前，对防污材料防污性能评价主要采用浅海挂板实验(GB/T5370-2007)和船舶防污漆防污性能动态试验方法(GB/T7789-2007)，这些方法主要对防污材料表面污损生物的附着数量和覆盖面积进行分析，该方法存在周期长，原料消耗大等缺点。在海洋污损生物附着力测试方面，2009年大连水产学院研究建立了“转毂”式附着力测试装置，该装置依靠电机带动搅动装置，后者再搅动水体，使试样表面与水流产生相对运动，通过改变水流流速评价污损生物的附着力，这种方法存在着测试精度不高、自动化程度低，难以满足不断发展的防污材料研究的需求等缺点。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对我国防污材料防污能力评价中缺乏生物附着力测试装置的现象，研制设计一套适用于海洋污损生物附着力测试的装置，不仅可实现防污材料服役环境的室内模拟，还可直接获得污损生物在材料表面的附着力，结合污损生物附着数量和附着面积测试对防污材料的防污性能形成综合评价，缩短防污材料的开发周期。

为了实现上述目的，本发明利用大宽高比的矩形测试腔在测试样品表面形成稳定发展的湍流，并利用压差传感器测试样品表面不同位点的压力差，通过软件自动计算获得材料表面污损生物的附着力数据，为海洋污损生物附着力测试提供可靠工具，完善防污材料防污性能评价技术；其装置的主体结构由水循环系统和自动控制系统组成，水循环系统包括沉降室、测试腔、光源和水槽；自动控制系统包括差压变送器、变频泵、流量计、压力变送器、可编程控制器(PLC)和计算机；箱盒式结构的沉降室内上侧自右向左依次分别制有进水口、开孔不锈钢板、蜂窝状聚碳酸酯板、不锈钢筛板和排气阀，沉降室左端横向制有测试腔，测试腔左端侧边上制有差压变送器，测试腔中置有真空泵，测试腔的左侧端置有水槽，水槽的顶端制有光源，水槽底部引出管道经过多端阀门控制与进水口连通，其连通的管道中依次分别制有变频泵、流量计和压力变送器；可编程控制器、计算机电信息连通后分别与差压变送器、真空泵、变频泵、流量计和压力变送器电信息连通，实现一体化自动控制功效；其测试样品时，被测样品放置在测试样品安放装置上，测试样品的安放装置包括载物台、样品安放台、密封圈、真空管、夹板和高度调节器；海水经变频泵打入沉降室中，然后流入测试腔，压差变送器放置于距测试腔入口处90H/140H处，其中H为测试腔内部高度，用于测试样品两位点的差压值，样品固定在100H-130H处；样品表面所受剪切力由公式τ_w＝-Hdp/2dx计算得到，其中H为测试腔内部高度，dp为压差变送器检测的两个位点之间的压力差，dx为压差测试点之间的距离；沉降室消除由泵带来的水涡流，降低测试腔内流体的紊流强度，沉降室和测试腔采用20mm有机玻璃板材加工，组合式、可拆卸，方便试样原位观察及部件冲洗，保证整个测试装置清洁、无污染。

本发明的自动控制系统通过变频泵的转动速度调节整套装置的水流速度及测试位点的压差，并以水压作为输入信号调整泵的转速，形成闭路控制系统；通过可编程控制器和计算机实现变频泵、流量计及压差传感器的集中控制，对流速、压差、时间的数据采集、存储与数据实时显示。

本发明与现有技术设备相比，其设计原理可靠，操作使用方便，沉降室和测试腔均为可拆卸结构，方便清洗，避免污染发生；其自动化程度高，可实时记录、显示整套装置的流速、压力和压差变化情况，并自动计算材料表面污损生物附着力；其样品安装装置为圆型真空吸附式结构，拆卸简单、水密性高、使用方便；生物附着力测试范围大，测试范围为1.5～60Pa，测试精度为0.1Pa。

附图说明：

图1为本发明装置的主体结构原理示意图。

图2为本发明的测试样品安放装置正视结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图做进一步说明。

实施例1：

本实施例箱盒式结构的沉降室22内上侧自右向左依次分别制有进水口1、开孔不锈钢板2、蜂窝状聚碳酸酯板3、不锈钢筛板4和排气阀5，沉降室22左端横向制有测试腔7，测试腔7左端侧边上制有差压变送器6，测试腔7中置有真空泵8，测试腔7的左侧端置有水槽10，水槽10的顶端制有光源9，水槽10底部引出管道经过多端阀门控制与进水口1连通，其连通的管道中依次分别制有变频泵11、流量计12和压力变送器13；可编程控制器20、计算机21电信息连通后分别与差压变送器6、真空泵8、变频泵11、流量计12和压力变送器13电信息连通，实现一体化自动控制功效；其测试样品时，被测样品放置在测试样品安放装置上，测试样品安放装置包括载物台14、样品安放台15、密封圈16、真空管17、夹板18和高度调节器19；其水循环系统包括沉降室22、测试腔7和水槽10；沉降室22由20mm有机玻璃板加工制作，沉降室22内平行依次设置进水口1、开孔不锈钢板2、蜂窝状聚碳酸酯板3、24目不锈钢筛板4和排气阀5；测试腔7由有机玻璃板加工制作，采用密封垫密封，整体由螺栓固定；测试腔7上安装压力变送器13和载物台14；水槽10由PVC材料加工制作，水槽10上安装日光灯作为照明光源9，光源9可为藻类附着力测试和循环培养提供照明；采用5.5kW立式变频泵11，西门子M430变频器；流量计12采用横河电磁流量计，流量测量范围3～50立方米/小时；差压变送器6和压力变送器13均采用GE产品；可编程控制器PLC为西门子产品，用于采集装置中的压力、流速和压差数值，水循环系统的管阀均采用316不锈钢设计。

实施例2：

本实施例将被测样品固定在样品安放台15处，打开真空泵8，抽真空，使待测样品固定在载物台14上，然后将样品安放台15安装在测试腔7上，并通过高度调节器19调整样品高度，使被测样品表面与测试腔7的下表面保持水平；打开排气阀5，海水从进水口1处进入沉降室22，依次经过开孔不锈钢板2，蜂窝状聚碳酸酯板3，24目不锈钢筛板4，待海水充满整个装置，并观察测试腔7内无气泡后，关闭排气阀5；提高海水流速，测试材料表面污损生物的附着力。

实施例3：

本实施例从海区采集孔石莼(Ulva pertusa Kjellm)，反复用海水冲洗后，低温下带回实验室，用过滤消毒海水漂洗4-5次，以去除原生动物和附生生物；将处理后的藻体在温度4℃、光周期12L∶12D的恒定条件下保存备用，挑选多株藻体分别放在盛有灭菌消毒海水三角烧瓶中进行充气培养，水温15℃，连续光照15小时，收集孔石莼孢子；将收集的石莼孢子用f/2营养液稀释成浓度为1×10⁵个/L，摇匀待用；将自制实验样片A，B，C，D，E倾斜置于盛有200ml实验孢子溶液的250ml烧杯中，在20℃、光照强度约7000Lx，光暗比为12∶12的条件下培养24小时；24小时后取出样板，采用三维视频显微镜对五个样品进行十个视场拍照，记录实验样片上孢子的数量；再将附着好孢子的实验样品放在装置上，设定流量为2.5L/S，冲刷时间5min，记录压差变送器的数据，计算出剪切力数值为30.5Pa；冲刷后采用三维视频显微镜对五个样品进行十个视场拍照，记录冲刷后实验样片上孢子的个数；由公式T＝(N₀-N_i)/N_i计算出五个样板上孔石莼孢子的脱附率分别为85％，80％，70％，75％，88％。式中：T-石莼孢子的脱附率，N₀-石莼孢子的初始浓度，N_i-水流冲刷后石莼孢子的浓度；从而评价出五个实验样片抑制孢子附着的防污性能力顺序为E，A，B，D，C。

实施例4：

本实施例将在实验室中分离纯化并且生长到指数期的羽状舟形藻(Navicula pinna Chin et Cheng)，用f/2营养液稀释成浓度为1×10⁵个/L，摇匀待用；将自制实验样片A，B，C，D，E倾斜置于盛有200ml实验藻液的250ml烧杯中，在20℃、光照强度约7000Lx，光暗比为12∶12的条件下培养5天；5天后取出样板，采用三维视频显微镜对五个样品进行十个视场拍照，记录实验样片上硅藻的数量；将附着好硅藻的实验样品放在本发明水渠冲刷装置上，设定流量为3.0L/S，冲刷时间5min，记录压差变送器的数据，计算出剪切力数值为40.2Pa；冲刷后采用三维视频显微镜对五个样品进行十个视场拍照，记录冲刷后实验样片上硅藻的数量；由公式T¹＝(N₀ ¹-N_i ¹)/N_i ¹计算出硅藻的脱附率分别为85％，80％，72％，78％，90％；式中：T¹-硅藻的脱附率，N₀ ¹-硅藻的初始浓度，N_i ¹-水流冲刷后硅藻的浓度；从而评价出五个实验样片抑制硅藻附着的防污能力顺序E，A，B，D，C。

Claims

1.一种流道式海洋生物附着力测试装置，利用大宽高比的矩形测试腔在测试样品表面形成稳定发展的湍流，并利用压差传感器测试样品表面不同位点的压力差，通过软件自动计算获得材料表面污损生物的附着力数据；其装置的主体结构由水循环系统和自动控制系统组成，水循环系统包括沉降室、测试腔、光源和水槽；自动控制系统包括差压变送器、变频泵、流量计、压力变送器、可编程控制器和计算机，其特征在于箱盒式结构的沉降室内上侧自右向左依次分别制有进水口、开孔不锈钢板、蜂窝状聚碳酸酯板、不锈钢筛板和排气阀，沉降室左端横向制有测试腔，测试腔左端侧边上制有差压变送器，测试腔中置有真空泵，测试腔的左侧端置有水槽，水槽的顶端制有光源，水槽底部引出管道经过多端阀门控制与进水口连通，其连通的管道中依次分别制有变频泵、流量计和压力变送器；可编程控制器、计算机电信息连通后分别与差压变送器、真空泵、变频泵、流量计和压力变送器电信息连通，实现一体化自动控制功效。

2.根据权利要求1所述的流道式海洋生物附着力测试装置，其特征在于自动控制系统通过变频泵的转动速度调节整套装置的水流速度及测试位点的压差，并以水压作为输入信号调整泵的转速，形成闭路控制系统；通过可编程控制器和计算机实现变频泵、流量计及压差传感器的集中控制，对流速、压差、时间的数据采集、存储与数据实时显示。

3.根据权利要求1所述的流道式海洋生物附着力测试装置，其特征在于测试样品时，被测样品放置在测试样品安放装置上，测试样品的安放装置包括载物台、样品安放台、密封圈、真空管、夹板和高度调节器；海水经变频泵打入沉降室中，然后流入测试腔，压差变送器放置于距测试腔入口处90H/140H处，其中H为测试腔内部高度，用于测试样品两位点的差压值，样品固定在100H-130H处；样品表面所受剪切力由公式τ_w＝-Hdp/2dx计算得到，其中H为测试腔内部高度，dp为压差变送器检测的两个位点之间的压力差，dx为压差测试点之间的距离；沉降室消除由泵带来的水涡流，降低测试腔内流体的紊流强度，沉降室和测试腔采用20mm有机玻璃板材加工，组合式、可拆卸，方便试样原位观察及部件冲洗，保证整个测试装置清洁、无污染。