CN104310512B - 水流量波动发生器及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水流量波动发生器及使用方法，属于水处理技术领域。该发生器由恒位配水系统、矩形波变流量系统和类正弦波变流量系统组成。恒位配水箱下部分别接基流出水管、矩形波出水管、类正弦波出水软管，基流出水管分别为矩形、类正弦波出水提供稳定基准水流；由多孔圆盘面板上等距间隔安装组合式铁片，在旋转时实现矩形波周期性变流量出水；类正弦波出水软管由挂绳固定于多孔圆盘的旋杆上，使恒位配水箱液面与出水管口高差随时间按正弦曲线变化，由此产生类正弦波变流量出水。本发明弥补了调量池研究中实验设备和功能检测的空白，能够满足调量池的调节效果量化功能评价和结构优化的需要。

Description

水流量波动发生器及使用方法

技术领域：

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种能产生出水流量呈矩形、类正弦波变化的出水水流量波动发生器以及该发生器的使用方法。

背景技术：

在工业生产中排放的废水流量、水质波动幅度很大，显著降低了水处理设施的净化效能。对物化处理设施而言，如混凝沉淀池，流量、水质的变化都会使稳定的混凝剂投加量偏离水实际需要的最佳投药量。对于生化处理设施而言，则会因进水污染物量变化，超过生化处理设施中原有微生物可降解量而导致出水严重超标，污染环境。

调量池作为调节水质、流量的构筑物，其调节性能优劣将直接影响后续处理设施的处理效果。为了提高调节效果，人们设计了很多种不同结构的调量池，然而，人们对各类调量池的调节效果的评价还停留在定性阶段，缺乏必要的量化评价方法和实验设备，从而影响对调量池调节效果进行量化评价和结构优化的研究。

工业生产中排放废水的流量和水质都是随时间而不断变化的，且有比较典型的类似矩形波和正弦波动变化特征。然而，现在的调量池研究中还没有能产生流量矩形、正弦波动变化的设备，故本发明设计一种能够产生流量矩形、类正弦流量波动发生器，弥补调量池研究中实验设备和功能检测的空白，能够满足调量池的调节效果量化功能评价和结构优化需要。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种水流量波动发生器以及该发生器的使用方法，该发生器出水口流量呈矩形或类正弦变化，并且波动平均值、波动幅值和波动周期可调，以实现在统一的流量波动条件下，对不同结构调量池的功能进行量化评价测试，以促进对调量池结构功能优化。

本发明所提供的水流量波动发生器由恒位配水系统、矩形波变流量系统以及类正弦波变流量系统组成。

所述恒位配水系统包括供水箱1、水泵2、压水管3、溢流管4以及恒位配水箱5，所述供水箱1与所述水泵2相连经所述压水管3通向所述恒位配水箱5中的进水缓冲槽12，所述进水缓冲槽12位于所述恒位配水箱5液面以下，所述溢流管4连接所述恒位配水箱5的溢流堰口并通向所述供水箱1。

所述矩形波变流量系统包括基流出水管6、矩形波出水管7、多孔圆盘16、电感式接近开关23、电动机24以及调量池26；所述恒位配水箱5下部分别接基流出水管6和矩形波出水管7，所述基流出水管6上沿水流方向依次设有第一调节阀9和第二转子流量计15，所述矩形波出水管7沿水流方向依次设有第二调节阀10、第一转子流量计14以及电磁阀13，所述基流出水管6以及所述矩形波出水管7皆接至所述调量池26；所述多孔圆盘16与所述电动机24的输出轴相连，所述多孔圆盘16上均匀设置不同半径的定位圆孔，所述多孔圆盘16面板沿圆周方向等角度间隔设有组合式铁片22；所述电磁阀13供电线路上设有电感式接近开关23，所述电感式接近开关23感应触头接近所述组合式铁片22；电动机24转动带动多孔圆盘16旋转，电磁阀13周期性开关产生矩形波动水流，第一调节阀9调节基准水流大小。

所述类正弦波变流量系统包括类正弦波出水软管8、挂绳18、旋杆17、集水槽20、集水槽出水管21；所述恒位配水箱5下部设有类正弦波出水软管8，所述类正弦波出水软管8上设有第三调节阀11，所述类正弦波出水软管8的出水口端通过挂绳18系在旋杆17上，所述旋杆17能够插入所述多孔圆盘16上均匀设置的不同半径的定位圆孔中，所述挂绳18的下方系有配重19，所述类正弦波出水软管8的出水口下方设有集水槽20，所述集水槽20经集水槽出水管21与所述调量池26相连。所述电动机24转动带动多孔圆盘16上的旋杆17旋转，牵引类正弦波出水软管8口转动，与恒位配水箱5液面差按正弦波变化，产生类正弦波动水流，第一调节阀9调节基准水流大小。

所述多孔圆盘16的前后面板中心部位均装有方形加固钢板27，所述方形加固钢板27中心设有与所述电动机24转轴同等直径的圆孔及键槽；所述多孔圆盘16上均匀设置的不同半径的定位圆孔分布在所述多孔圆盘16的不同直径圆周上。在矩形波变流量系统中，定位圆孔上可以固定组合式铁片22；在类正弦波变流量系统中，通过改变旋杆17在不同半径定位圆孔固定位置，改变正弦波出水流量的波动幅值。

本发明所提供的水流量波动发生器使用方法之一，其具体步骤如下：

(1)开启所述水泵2，将所述供水箱1的水送入所述恒位配水箱5，多余的水经所述溢流管4回至所述供水箱1，保持所述恒位配水箱5液面恒定，保持第三调节阀11关闭，根据第二转子流量计15的读数控制第一调节阀9的开度，确定基流量Q₁，使基流出水管6以基流量Q₁向调量池26供水；

(2)保持电磁阀13呈开启状态，根据第一转子流量计14的读数控制第二调节阀10的开度，确定波动流量Q₂；

(3)在多孔圆盘16上的定位圆孔上等距安装组合式铁片22，开启电动机24，驱动组合式铁片22周期性经过电感式接近开关23，电磁阀13控制矩形波出水管周期性开启闭合，使基流出水管6、矩形波出水管7以流量为矩形波动向调量池26供水；

(4)通过改变组合式铁片22的数量或调节变频器25改变电动机24的转速，能够改变波动周期；通过第一转子流量计14、第二转子流量计15的读数，控制第一调节阀9、第二调节阀10的开度，能够改变波动幅值和波动平均值；从而产生水流量矩形波动的变化水流。

本发明所提供的水流量波动发生器使用方法之二，其具体步骤如下：

(1)开启水泵2，将供水箱1的水送入恒位配水箱5，多余的水经溢流管4回至供水箱1，保持恒位配水箱5液面恒定，保持第二调节阀10关闭，根据波动幅值选择定位圆孔，类正弦波出水软管8经挂绳18连接旋杆17，旋杆17插入特定的定位圆孔中；

(2)根据第二转子流量计15的读数控制第一调节阀9的开度，确定基流量Q₁，使基流出水管6以基流量Q₁向调量池26供水；

(3)开启电动机24，所述电动机24转动带动多孔圆盘16上的旋杆17旋转，牵引类正弦波出水软管8口转动，与恒位配水箱5液面差按正弦波变化，产生类正弦波动水流，出水流向集水槽20经集水槽出水管21流向调量池26；使基流出水管6以及类正弦波出水软管8以流量为矩形波动向调量池26供水；

(4)通过改变调节变频器25改变电动机24的转速，能够改变波动周期；通过第一转子流量计14的读数，控制第二调节阀10的开度，能够改变波动平均值；通过改变旋杆17距多孔圆盘16不同距离的定位圆孔的位置，能够改变波动幅值；从而产生水流量类正弦波动的变化水流。

本发明基于水力学中的短管出流计算原理，首先设计恒位配水箱，分别接出基流、矩形和类正弦变流量系统，通过改变恒位配水箱液面与出流管口之间的自由液面差来改变出水流量。基流系统用于分别配合矩形或类正弦波变流量系统，调整其基准流量大小。

流量矩形波波动主要利用基流出水管6和矩形波出水管7周期性出流达到实现出水流量呈矩形波动的目的。开启基流出水管6上的第一调节阀9，使其持续出流，流量大小即为Q₁；矩形波出水管7上的电磁阀13的线路上连接电感式接近开关23，电感式接近开关23连接24V电源，电感式接近开关23保持常闭状态，电磁阀13通电，阀门开启，矩形波出水管7正常出流，流量大小记为Q₂；则进入调量池26流量大小为Q₁+Q₂；当电感式接近开关23感应触头接近组合式铁片，电感式接近开关23开启，电磁阀13闭合，矩形波出水管7出流流量为零，则进入调量池26的流量大小为Q₁。

流量类正弦波波动利用短管出流原理在配水液面保持不变的前提下，改变类正弦波变流量系统出水口高度，达到改变出水口流量的目的。恒位配水箱5保持液面不变，类正弦波出水软管8通过挂绳18系在旋杆17上，旋杆17可以插入开孔圆盘12的定位圆孔中，挂绳18下方系有配重19，保证挂绳18在竖直方向垂直，电动机24驱动多孔圆盘16，多孔圆盘16带动类正弦波出水软管8出水口做匀速圆周运动，使配水液面与出水口之间的高差H发生标准正弦周期性变化，如附图3所示：H＝H₁+L-ΔH＝H₁+L-R·sinθ，即H＝H₁+L-R·sin(2πnt)；故类正弦波出水软管8的出水口流量大小如下式，出水流量Q为一类似正弦波函数，这是其水力学特性决定的。

$Q=\mathrm{\μ}A\sqrt{2g(H_1+L-R\·sin(2\mathrm{\π}nt\left)\right)}$

式中：

Q：类正弦变化流量；

H₁：配水箱液面与电机输出轴中心面的高程差；

L：挂绳长度；

R：有效旋转半径；

n：电动机转速；

μ：出水管管道特性系数；

故类正弦波出水软管8出水口流量曲线近似正弦函数曲线波动变化。通过调节变频器25改变电动机24的转速，可以调节波动周期；通过改变旋杆17固定在距多孔圆盘16中心不同距离的定位圆孔，可调节波动幅值；通过调节基流出水管6上第一调节阀9的开度和通过改变挂绳18的长度，可以改变波动平均值的大小。

本发明的优点在于提供统一的接近现场实际的配水条件，满足在实验室基础上的对调量池调节效果进行量化评价和结构优化，弥补了调量池研究实验设备的空白；在教学上，实现将短管出流、圆周运动、电器控制等理论知识与实践很好的结合。

附图说明：

图1为本发明水流量波动发生器结构示意图；

图2为本发明中多孔圆盘固定结构示意图；

图3为流量类正弦波原理示意图。

图中：1-供水箱、2-水泵、3-压水管、4-溢流管、5-恒位配水箱、6-基流出水管、7-矩形波出水管、8-类正弦波出水软管、9-第一调节阀、10-第二调节阀、11-第三调节阀、12-进水缓冲槽、13-电磁阀、14-第一转子流量计、15-第二转子流量计、16-多孔圆盘、17-旋杆、18-挂绳、19-配重、20-集水槽、21-集水槽出水管、22-组合式铁片、23-电感式接近开关、24-电动机、25-变频器、26-调量池、27-方形加固钢板。

具体实施方式：

下面结合附图进一步说明本发明：

一、本发明所提供的水流量波动发生器装置构成如下：

如图1所示，供水箱1与水泵2相连，水泵2的压水管3通向恒位配水箱5的进水缓冲槽12，进水缓冲槽12位于恒位配水箱5液面以下，恒位配水箱5溢流堰出口通过溢流管4连接供水箱1且出水口在供水箱1自由液面之上。恒位配水箱5下方开有基流出水管6、矩形波出水管7、类正弦波出水软管8，基流出水管6装有第一调节阀9和第二转子流量计15、矩形波出水管7装有第二调节阀10、第二转子流量计15和电磁阀13，根据第一转子流量计14、第二转子流量计15的读数，调节第一调节阀9、第二调节阀10的开度，可以调节基流出水管6、矩形波出水管7的出水流量，类正弦波出水软管8装有第三调节阀11。

如图1、图2所示，基流出水管6、矩形波出水管7的出水口通向调量池26且位于自由液面之上，多孔圆盘16中心处开有与电动机24轴同等直径的圆孔和键槽，可套入电动机24输出轴上，多孔圆盘16且前后安装一块方形加固钢板27，方形加固钢板27中心处开有与电动机24轴同等直径的圆孔和键槽，可以增加多孔圆盘16的刚度，多孔圆盘面板上沿圆周方向等距离间隔安装组合式铁片；电磁阀13线路上安装电感式接近开关23，电感式接近开关23感应触头接近组合式铁片22。

如图1所示，类正弦波出水软管8通过挂绳18系在旋杆17上，旋杆17可以插入开孔圆盘12的定位圆孔中，多孔圆盘16中心开有圆孔和键槽，套入电动机24转轴上，挂绳18下方系有配重19，保证挂绳18在竖直方向垂直，类正弦波出水软管8下方设有集水槽20，集水槽出水管21的出水口通向调量池26且位于自由液面之上。

二、本发明提供的水流量波动发生器使用方法具体如下：

1、产生水流量矩形波动的变化水流的使用方法，其具体步骤如下：

(1)开启所述水泵2，将所述供水箱1的水送入所述恒位配水箱5，多余的水经所述溢流管4回至所述供水箱1，保持所述恒位配水箱5液面恒定，保持第三调节阀11关闭，根据第二转子流量计15的读数控制第一调节阀9的开度，确定基流量Q₁，使基流出水管6以基流量Q₁向调量池26供水；

(2)保持电磁阀13呈开启状态，根据第一转子流量计14的读数控制第二调节阀10的开度，确定波动流量Q₂；

(3)在多孔圆盘16上的定位圆孔上等距安装组合式铁片22，开启电动机24，驱动组合式铁片22周期性经过电感式接近开关23，电磁阀13控制矩形波出水管周期性开启闭合，达到基流出水管6、矩形波出水管7以流量为矩形波动向调量池26供水；

(4)通过改变组合式铁片22的数量或调节变频器25改变电动机24的转速，可以改变波动周期；通过第一转子流量计14、第二转子流量计15的读数，控制第一调节阀9、第二调节阀10的开度，可以改变波动幅值和波动平均值；从而产生水流量矩形波动的变化水流。

2、产生水流量类正弦波动的变化水流的使用方法，其步骤如下：

(1)开启水泵2，将供水箱1的水送入恒位配水箱5，多余的水经溢流管4回至供水箱1，保持恒位配水箱5液面恒定，保持第二调节阀10关闭，根据波动幅值选择定位圆孔，类正弦波出水软管8经挂绳18连接旋杆17，旋杆17插入特定的定位圆孔中；

(2)根据第二转子流量计15的读数控制第一调节阀9的开度，确定基流量Q₁，使基流出水管6以基流量Q₁向调量池26供水；

(3)开启电动机24，所述电动机24转动带动多孔圆盘16上的旋杆17旋转，牵引类正弦波出水软管8口转动，与恒位配水箱5液面差按正弦波变化，产生类正弦波动水流，出水流向集水槽20经集水槽出水管21流向调量池26；达到基流出水管6、类正弦波出水软管8以流量为矩形波动向调量池26供水；

(4)通过改变调节变频器25改变电动机24的转速，可以改变波动周期；通过第一转子流量计14的读数，控制第二调节阀10的开度，可以改变波动平均值；通过改变旋杆17距多孔圆盘16不同距离的定位圆孔的位置，可以改变波动幅值；从而产生水流量类正弦波动的变化水流。

Claims (4)

1.水流量波动发生器，其特征在于该水流量波动发生器由恒位配水系统、矩形波变流量系统以及类正弦波变流量系统组成；所述恒位配水系统包括供水箱(1)、水泵(2)、压水管(3)、溢流管(4)以及恒位配水箱(5)，所述供水箱(1)与所述水泵(2)相连经所述压水管(3)通向所述恒位配水箱(5)中的进水缓冲槽(12)，所述进水缓冲槽(12)位于所述恒位配水箱(5)液面以下，所述溢流管(4)连接所述恒位配水箱(5)的溢流堰口并通向所述供水箱(1)；所述矩形波变流量系统包括基流出水管(6)、矩形波出水管(7)、多孔圆盘(16)、电感式接近开关(23)、电动机(24)以及调量池(26)；所述恒位配水箱(5)下部分别接基流出水管(6)和矩形波出水管(7)，所述基流出水管(6)上沿水流方向依次设有第一调节阀(9)和第二转子流量计(15)，所述矩形波出水管(7)沿水流方向依次设有第二调节阀(10)、第一转子流量计(14)以及电磁阀(13)，所述基流出水管(6)以及所述矩形波出水管(7)皆接至所述调量池(26)；所述多孔圆盘(16)与所述电动机(24)的输出轴相连，所述多孔圆盘(16)上均匀设置不同半径的定位圆孔，所述多孔圆盘(16)面板沿圆周方向等角度间隔设有组合式铁片(22)；所述电磁阀(13)供电线路上设有电感式接近开关(23)，所述电感式接近开关(23)感应触头接近所述组合式铁片(22)；所述类正弦波变流量系统包括类正弦波出水软管(8)、挂绳(18)、旋杆(17)、集水槽(20)、集水槽出水管(21)；所述恒位配水箱(5)下部设有所述类正弦波出水软管(8)，所述类正弦波出水软管(8)上设有第三调节阀(11)，所述类正弦波出水软管(8)的出水口端通过所述挂绳(18)系在所述旋杆(17)上，所述旋杆(17)能够插入所述多孔圆盘(16)上均匀设置的不同半径的定位圆孔中，所述挂绳(18)的下方系有配重(19)，所述类正弦波出水软管(8)的出水口下方设有所述集水槽(20)，所述集水槽(20)经所述集水槽出水管(21)与所述调量池(26)相连。

2.根据权利要求1所述水流量波动发生器，其特征在于所述多孔圆盘(16)的前后面板中心部位均装有方形加固钢板(27)，所述方形加固钢板(27)中心设有与所述电动机(24)转轴同等直径的圆孔及键槽；所述多孔圆盘(16)上均匀设置的不同半径的定位圆孔分布在所述多孔圆盘(16)的不同直径圆周上。

3.权利要求1所述水流量波动发生器的使用方法，其特征在于该使用方法具体步骤如下：

(1)开启所述水泵(2)，将所述供水箱(1)的水送入所述恒位配水箱(5)，多余的水经所述溢流管(4)回至所述供水箱(1)，保持所述恒位配水箱(5)液面恒定，保持所述第三调节阀(11)关闭，根据所述第二转子流量计(15)的读数控制所述第一调节阀(9)的开度，确定基流量Q₁，使所述基流出水管(6)以基流量Q₁向所述调量池(26)供水；

(2)保持所述电磁阀(13)呈开启状态，根据所述第一转子流量计(14)的读数控制所述第二调节阀(10)的开度，确定波动流量Q₂；

(3)在所述多孔圆盘(16)上的定位圆孔上等距安装所述组合式铁片(22)，开启所述电动机(24)，驱动所述组合式铁片(22)周期性经过所述电感式接近开关(23)，所述电磁阀(13)控制矩形波出水管周期性开启闭合，达到所述基流出水管(6)以及所述矩形波出水管(7)以流量为矩形波动向所述调量池(26)供水；

(4)通过改变所述组合式铁片(22)的数量或调节变频器(25)改变所述电动机(24)的转速，能够改变波动周期；通过所述第一转子流量计(14)以及第二转子流量计(15)的读数，控制所述第一调节阀(9)以及第二调节阀(10)的开度，能够改变波动幅值和波动平均值，从而产生水流量矩形波动的变化水流。

4.权利要求1所述水流量波动发生器的使用方法，其特征在于该使用方法具体步骤如下：

(1)开启所述水泵(2)，将所述供水箱(1)的水送入所述恒位配水箱(5)，多余的水经所述溢流管(4)回至所述供水箱(1)，保持所述恒位配水箱(5)液面恒定，保持所述第二调节阀(10)关闭，根据波动幅值选择定位圆孔，所述类正弦波出水软管(8)经挂绳(18)连接旋杆(17)，所述旋杆(17)插入特定的定位圆孔中；

(2)根据所述第二转子流量计(15)的读数控制所述第一调节阀(9)的开度，确定基流量Q₁，使所述基流出水管(6)以基流量Q₁向所述调量池(26)供水；

(3)开启所述电动机(24)，所述电动机(24)转动带动所述多孔圆盘(16)上的旋杆(17)旋转，牵引所述类正弦波出水软管(8)口转动，与所述恒位配水箱(5)液面差按正弦波变化，产生类正弦波动水流，出水流向所述集水槽(20)经所述集水槽出水管(21)流向所述调量池(26)；使所述基流出水管(6)以及所述类正弦波出水软管(8)以流量为矩形波动向所述调量池(26)供水；

(4)通过调节变频器(25)改变所述电动机(24)的转速，能够改变波动周期；通过所述第一转子流量计(14)的读数，控制所述第二调节阀(10)的开度，能够改变波动平均值；通过改变所述旋杆(17)距所述多孔圆盘(16)不同距离的定位圆孔的位置，能够改变波动幅值；从而产生水流量类正弦波动的变化水流。