CN106969986B - 一种沼气池模型试验装置及测验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种沼气池模型试验装置及测验方法。它解决了现有试验台的结构过于简单，无法模拟实际发酵过程，实用性差等技术问题。本沼气池模型试验装置，包括工作台，工作台上固定有用于放置土壤的放置槽，放置槽内设置有圆柱形的池体，池体上部固定有池盖，池体侧部固定有压力表和温度表，放置槽内还设置有位移计、温度传感器、土压力盒和pH传感器，工作台上固定有能与计算机相连的控制器，压力表、温度表、位移计、温度传感器、土压力盒和pH传感器通过线路均与该控制器相连，工作台上还具有用于调节池体内气压的调压机构和用于调节池体内温度的调温机构。本发明具有实用性强的优点。

Description

一种沼气池模型试验装置及测验方法

技术领域

本发明涉及一种沼气池模型试验装置及测验方法。

背景技术

沼气既可作为照明用的能源，又可作为炊事用的燃气能源。由于产生沼气的主要原料来自于农作物，可极大降低了林木资源的消耗以及燃煤资源的消耗，因此，沼气是近年来推广应用较为普遍的节能技术，广泛应用于农村。目前的沼气池均为传统的工艺制造，需要通过相似模型试验、数值模拟、理论分析及现场试验等方法，系统研究热源、力源作用下沼气池和土体的变形机理，确定产气量的影响因素，从而完善沼气池的结构。

经检索，如中国专利文献公开了一种沼气池模拟荷载试验台【申请号：201120194286.3；公开号：CN 202110059U】。这种沼气池模拟荷载试验台，其特征在于：它包括钢筒，所述钢筒的上方与待检件固定连接，且钢筒内设置有气囊，所述气囊上设置有进气口和压力表。

该专利中公开的试验台虽然能够有效地对沼气池的荷载进行测试，但是，该试验台的结构过于简单，无法模拟实际发酵过程，实用性差，因此，设计出一种沼气池模型试验装置及测验方法是很有必要的。

发明内容

本发明的第一个目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种沼气池模型试验装置，该试验装置具有实用性强的特点。

本发明的第一个目的可通过下列技术方案来实现：一种沼气池模型试验装置，包括工作台，其特征在于，所述工作台上固定有用于放置土壤的放置槽，放置槽内设置有圆柱形的池体，池体上部固定有池盖，池体侧部固定有压力表和温度表，放置槽内还设置有位移计、温度传感器、土压力盒和pH传感器，工作台上固定有能与计算机相连的控制器，压力表、温度表、位移计、温度传感器、土压力盒和pH传感器通过线路均与该控制器相连，工作台上还具有用于调节池体内气压的调压机构和用于调节池体内温度的调温机构。

试验装置的工作原理如下：通过将池体放入到不同深度的土壤中，保持池体内的温度不变，通过调压机构改变池体内的气压，对土壤的偏移量、温度值、压力值和pH值进行记录；保持池体内的气压不变，通过调温机构改变池体内的温度，对土壤的偏移量、温度值、压力值和pH值进行记录，模拟和测试沼气池发酵的各项过程和参数，分析沼气池与土体的变形及产气量的影响因素，以建立沼气池和周围土体在不同温度、不同压力和不同外界环境条件下的变形控制技术，为沼气池的结构优化设计提供理论依据，实用性强。

所述工作台上还设置有辅助机构，辅助机构包括底板、升降板、内辅助筒和外辅助筒，底板通过一连接结构设置在工作台上，且底板位于放置槽正下方，连接结构包括导杆、导套、第一弹簧和振动电机，导杆竖直固定在工作台上，导套设置在导杆上，第一弹簧套设在导杆上，第一弹簧下端和工作台相连，第一弹簧上端和导套相连，底板固定在导套上，振动电机固定在底板上，升降板设置在底板上，升降板与一能带动其上下移动的升降组件相连，内辅助筒竖直设置在升降板上，内辅助筒与一能带动其转动的第一动力组件相连，内辅助筒上端能伸入到放置槽内，内辅助筒下端和封闭板相连，封闭板上部通过第二弹簧和支撑板相连，支撑板下部固定有第一气缸，第一气缸的活塞杆水平设置，第一气缸的活塞杆端部固定有能与内辅助筒内壁相抵靠的限位块，封闭板下部连接有卸料管，卸料管上设置有第一电磁阀，内辅助筒内具有用于切割土壤的内螺旋形切割刀，外辅助筒竖直设置在底板上，且套设在内辅助筒外，外辅助筒的长度与内辅助筒的长度之比为3：2，外辅助筒与一能带动其转动的第二动力组件相连，外辅助筒外具有用于切割土壤的外螺旋形切割刀。

当需要将池体放入到不同深度的土壤中，通过第一动力组件带动内辅助筒转动，通过第二动力机构带动外辅助筒转动，内辅助筒和外辅助筒同步转动并向上移动，内螺旋形切割刀和外螺旋形切割刀对土壤进行切割，使部分土壤位于内辅助筒中，通过升降组件带动升降板上下移动，升降板带动内辅助筒上下移动，将内辅助筒中的土壤移动到所需位置，内辅助筒和外辅助筒同步转动并向下移动，使内辅助筒和外辅助筒复位，土壤中形成放置坑，控制第一气缸的活塞杆来回移动，第一气缸的活塞杆带动限位块来回移动，限位块和内辅助筒内壁相抵靠，将支撑块定位住，将池体放入放置坑中，从而将池体放入到不同深度的土壤中，无需人工进行挖坑，操作省力；控制振动电机工作，振动电机使底板生产振动。

所述限位块上具有若干凸出的防滑部。

采用以上结构，避免限位块出现打滑。

所述内辅助筒的内径大于池体的外径。

采用以上结构，方便将池体放在内辅助筒形成的放置坑中。

所述升降组件包括第二气缸和支架，第二气缸固定在底板上，第二气缸的活塞杆竖直向上，第二气缸的活塞杆端部通过第三弹簧和支架相连，升降板固定在支架上。

当需要使升降板上下移动时，控制第二气缸的活塞杆上下移动，第二气缸的活塞杆带动支架上下移动，支架带动升降板上下移动，从而可使升降板上下移动；通过第三弹簧可使升降板能在一定范围内自由上下移动。

所述第一动力组件包括第一电机、主动轮和从动轮，第一电机固定在升降板上，主动轮固定在第一电机的输出轴上，内辅助筒通过连接轴转动设置在升降板上，从动轮固定在连接轴上，且主动轮与从动轮相啮合。

当需要使内辅助筒转动时，控制第一电机的输出轴转动，第一电机的输出轴带动主动轮转动，主动轮带动从动轮转动，从动轮带动连接轴转动，连接轴带动内辅助筒转动，从而可使内辅助筒转动。

所述第二动力组件包括第二电机、齿轮和齿圈，第二电机固定在底板上，齿轮固定在第二电机的输出轴上，外辅助筒通过连接架转动设置在底板上，齿圈固定在连接架上，且齿轮与齿圈相啮合。

当需要使外辅助筒转动时，控制第二电机的输出轴转动，第二电机的输出轴带动齿轮转动，齿轮带动齿圈转动，齿圈带动连接架转动，连接架带动外辅助筒转动，从而可使外辅助筒转动。

所述第一电机和第二电机通过线路均与该控制器相连。

采用以上结构，通过控制器可控制第一电机和第二电机动作。

所述调压机构包括驱动箱、立柱、第三气缸、气管和气泵，驱动箱固定在工作台上，驱动箱上部具有开口，驱动箱上具有将开口封闭住的弹性片，立柱固定在工作台上，第三气缸固定在立柱上，第三气缸的活塞杆竖直向下，第三气缸的活塞杆端部和挤压板相连，且挤压板能与弹性片相接触，驱动箱下部通过连接管和池体侧部相连通，连接管上还设置有第二电磁阀，气管一端和池盖相连通，气管另一端能与外界相连，气泵设置在气管上，气管上还设置有第三电磁阀。

当需要改变池体内的气压时，控制第三气缸的活塞杆上下移动，第三气缸的活塞杆带动挤压板上下移动，挤压板使弹性片变形，从而驱动箱内的气压改变，通过连接管使池体内的气压改变，从而可改变池体内的气压；开启气泵，通过气管可对池体内进行增压或减压。

所述调温机构包括加热箱、制冷机、上排气管和下排气管，制冷机固定在工作台上，制冷机通过第一连管和池体上部相连通，第一连管上还设置有第四电磁阀，加热箱固定在工作台上，加热箱通过第二连管和池体下部相连通，第二连管上还设置有第五电磁阀，上排气管固定在池体上部，上排气管上还依次设置有第一单向阀和第六电磁阀，下排气管上还依次设置有第二单向阀和第七电磁阀。

采用以上结构，通过第一连管将制冷机产生的冷空气输送到池体内，池体内的热空气从上排气管排出，池体可变冷；通过第二连管将加热箱产生的热空气输送到池体内，池体内的冷空气从下排气管排出，池体可变热。

本发明的第二个目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种沼气池模型试验装置的测验方法，该测验方法具有操作简便的特点。

本发明的第二个目的可通过下列技术方案来实现：一种沼气池模型试验装置的测验方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、将放置槽内放满土壤，将位移计、温度传感器、土压力盒和pH传感器分别放入到土壤中；

b、将池体分别浅放入、中放入和深放入到土壤中；

c、保持池体内的温度不变，改变池体内的压力，对土壤的偏移量、温度值、压力值和pH值进行记录；

d、保持池体内的压力不变，改变池体内的温度，对土壤的偏移量、温度值、压力值和pH值进行记录。

采用以上方法，可方便对池体进行模拟测验，且无需人工搬运池体，操作简便。

与现有技术相比，本沼气池模型试验装置及测验方法具有该优点：通过将池体放入到不同深度的土壤中，保持池体内的温度不变，改变池体内的气压，对土壤的偏移量、温度值、压力值和pH值进行记录；保持池体内的气压不变，改变池体内的温度，对土壤的偏移量、温度值、压力值和pH值进行记录，模拟和测试沼气池发酵的各项过程和参数，分析沼气池与土体的变形及产气量的影响因素，以建立沼气池和周围土体在不同温度、不同压力和不同外界环境条件下的变形控制技术，为沼气池的结构优化设计提供理论依据，实用性强。

附图说明

图1是试验装置的平面结构示意图。

图2是试验装置拆去部分的平面结构示意图。

图中，1、工作台；2、支架；3、第二气缸；4、振动电机；5、底板；6、导杆；7、第一弹簧；8、导套；9、连接架；11、齿圈；12、第三弹簧；13、升降板；14、第一电机；15、主动轮；16、内螺旋形切割刀；17、内辅助筒；18、放置槽；19、支撑板；21、第二弹簧；22、池体；23、第一气缸；24、限位块；25、土压力盒；26、位移计；27、pH传感器；28、温度传感器；29、外螺旋形切割刀；31、外辅助筒；32、卸料管；33、封闭板；34、第一电磁阀；35、从动轮；36、连接轴；37、齿轮；38、第二电机；39、控制器；40、制冷机；41、加热箱；42、第二连管；43、第五电磁阀；44、下排气管；45、第二单向阀；46、第七电磁阀；48、第二电磁阀；49、连接管；51、驱动箱；52、立柱；53、第三气缸；54、弹性片；55、挤压板；56、温度表；57、压力表；58、第三电磁阀；59、气泵；60、气管；61、池盖；62、上排气管；63、第一单向阀；64、第六电磁阀；65、第四电磁阀；66、第一连管。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1-图2所示，本沼气池模型试验装置，包括工作台1，工作台1上固定有用于放置土壤的放置槽18，在本实施例中，工作台1上通过螺栓连接的方式固定有放置槽18，放置槽18的材料为不锈钢；放置槽18内设置有圆柱形的池体22，池体22上部固定有池盖61，池体22侧部固定有压力表57和温度表56，放置槽18内还设置有位移计26、温度传感器28、土压力盒25和pH传感器27，工作台1上固定有能与计算机相连的控制器39，压力表57、温度表56、位移计26、温度传感器28、土压力盒25和pH传感器27通过线路均与该控制器39相连，在本实施例中，控制器39采用市场上可以买到的单片机，单片机控制压力表、温度表、位移计、传感器、土压力盒和电机的程序为现有，其程序不需要重新编辑；工作台1上还具有用于调节池体22内气压的调压机构和用于调节池体22内温度的调温机构。

工作台1上还设置有辅助机构，辅助机构包括底板5、升降板13、内辅助筒17和外辅助筒31，底板5通过一连接结构设置在工作台1上，且底板5位于放置槽18正下方，连接结构包括导杆6、导套8、第一弹簧7和振动电机4，导杆6竖直固定在工作台1上，在本实施例中，导杆6通过螺栓连接的方式固定在工作台1上；导套8设置在导杆6上，第一弹簧7套设在导杆6上，第一弹簧7下端和工作台1相连，第一弹簧7上端和导套8相连，底板5固定在导套8上，在本实施例中，底板5通过螺栓连接的方式固定在导套8上；振动电机4固定在底板5上，在本实施例中，振动电机4通过螺栓连接的方式固定在底板5上；升降板13设置在底板5上，升降板13与一能带动其上下移动的升降组件相连，内辅助筒17竖直设置在升降板13上，内辅助筒17与一能带动其转动的第一动力组件相连，内辅助筒17上端能伸入到放置槽18内，内辅助筒17下端和封闭板33相连，封闭板33上部通过第二弹簧21和支撑板19相连，支撑板19下部固定有第一气缸23，在本实施例中，支撑板19下部通过螺栓连接的方式固定有第一气缸23；第一气缸23的活塞杆水平设置，第一气缸23的活塞杆端部固定有能与内辅助筒17内壁相抵靠的限位块24，在本实施例中，第一气缸23的活塞杆端部通过螺栓连接的方式固定有限位块24；封闭板33下部连接有卸料管32，卸料管32上设置有第一电磁阀34，内辅助筒17内具有用于切割土壤的内螺旋形切割刀16，外辅助筒31竖直设置在底板5上，且套设在内辅助筒17外，外辅助筒31的长度与内辅助筒17的长度之比为3：2，外辅助筒31与一能带动其转动的第二动力组件相连，外辅助筒31外具有用于切割土壤的外螺旋形切割刀29。

限位块24上具有若干凸出的防滑部，在本实施例中，防滑部的数量为十个；采用该结构，避免限位块24出现打滑。

内辅助筒17的内径大于池体22的外径；采用该结构，方便将池体22放在内辅助筒17形成的放置坑中。

升降组件包括第二气缸3和支架2，第二气缸3固定在底板5上，在本实施例中，第二气缸3通过螺栓连接的方式固定在底板5上；第二气缸3的活塞杆竖直向上，第二气缸3的活塞杆端部通过第三弹簧12和支架2相连，升降板13固定在支架2上，在本实施例中，升降板13通过螺栓连接的方式固定在支架2上；通过第三弹簧12可使升降板13能在一定范围内自由上下移动。

第一动力组件包括第一电机14、主动轮15和从动轮35，第一电机14固定在升降板13上，在本实施例中，第一电机14通过螺栓连接的方式固定在升降板13上；主动轮15固定在第一电机14的输出轴上，内辅助筒17通过连接轴36转动设置在升降板13上，从动轮35固定在连接轴36上，且主动轮15与从动轮35相啮合。

第二动力组件包括第二电机38、齿轮37和齿圈11，第二电机38固定在底板5上，在本实施例中，第二电机38通过螺栓连接的方式固定在底板5上；齿轮37固定在第二电机38的输出轴上，外辅助筒31通过连接架9转动设置在底板5上，齿圈11固定在连接架9上，且齿轮37与齿圈11相啮合。

第一电机14和第二电机38通过线路均与该控制器39相连；采用该结构，通过控制器39可控制第一电机14和第二电机38动作。

调压机构包括驱动箱51、立柱52、第三气缸53、气管60和气泵59，驱动箱51固定在工作台1上，在本实施例中，驱动箱51通过螺栓连接的方式固定在工作台1上；驱动箱51上部具有开口，驱动箱51上具有将开口封闭住的弹性片54，立柱52固定在工作台1上，在本实施例中，立柱52通过螺栓连接的方式固定在工作台1上；第三气缸53固定在立柱52上，在本实施例中，第三气缸53通过螺栓连接的方式固定在立柱52上；第三气缸53的活塞杆竖直向下，第三气缸53的活塞杆端部和挤压板55相连，且挤压板55能与弹性片54相接触，驱动箱51下部通过连接管49和池体22侧部相连通，连接管49上还设置有第二电磁阀48，气管60一端和池盖61相连通，气管60另一端能与外界相连，气泵59设置在气管60上，气管60上还设置有第三电磁阀58。

调温机构包括加热箱41、制冷机40、上排气管62和下排气管44，制冷机40固定在工作台1上，在本实施例中，制冷机40通过螺栓连接的方式固定在工作台1上；制冷机40通过第一连管66和池体22上部相连通，第一连管66上还设置有第四电磁阀65，加热箱41固定在工作台1上，在本实施例中，加热箱41通过螺栓连接的方式固定在工作台1上；加热箱41通过第二连管42和池体22下部相连通，第二连管42上还设置有第五电磁阀43，上排气管62固定在池体22上部，上排气管62上还依次设置有第一单向阀63和第六电磁阀64，下排气管44上还依次设置有第二单向阀45和第七电磁阀46。

试验装置的工作原理如下：控制第一电机14的输出轴带动主动轮15转动，主动轮15带动从动轮35转动，从动轮35带动连接轴36转动，连接轴36带动内辅助筒17转动，控制第二电机38的输出轴带动齿轮37转动，齿轮37带动齿圈11转动，齿圈11带动连接架9转动，连接架9带动外辅助筒31转动，内辅助筒17和外辅助筒31同步转动并向上移动，内螺旋形切割刀16和外螺旋形切割刀29对土壤进行切割，使部分土壤位于内辅助筒17中，控制第二气缸3的活塞杆带动支架2上下移动，支架2带动升降板13上下移动，升降板13带动内辅助筒17上下移动，将内辅助筒17中的土壤移动到所需位置，内辅助筒17和外辅助筒31同步转动并向下移动，使内辅助筒17和外辅助筒31复位，土壤中形成放置坑，控制第一气缸23的活塞杆带动限位块24来回移动，限位块24和内辅助筒17内壁相抵靠，将支撑块定位住，将池体22放入放置坑中，可将池体22放入到不同深度的土壤中；

保持池体22内的温度不变，控制第三气缸53的活塞杆带动挤压板55上下移动，挤压板55使弹性片54变形，从而驱动箱51内的气压改变，通过连接管49使池体22内的气压改变，改变池体22内的气压，对土壤的偏移量、温度值、压力值和pH值进行记录；

保持池体22内的气压不变，通过第一连管66将制冷机40产生的冷空气输送到池体22内，池体22内的热空气从上排气管62排出，池体22变冷或通过第二连管42将加热箱41产生的热空气输送到池体22内，池体22内的冷空气从下排气管44排出，池体22变热，改变池体22内的温度，对土壤的偏移量、温度值、压力值和pH值进行记录；

模拟和测试沼气池发酵的各项过程和参数，分析沼气池与土体的变形及产气量的影响因素，以建立沼气池和周围土体在不同温度、不同压力和不同外界环境条件下的变形控制技术，为沼气池的结构优化设计提供理论依据。

本沼气池模型试验装置的测验方法，包括如下步骤：

a、将放置槽内放满土壤，将位移计、温度传感器、土压力盒和pH传感器分别放入到土壤中；

b、将池体分别浅放入、中放入和深放入到土壤中；在本实施例中，池体放入到土壤中，池体底部距离土壤表面为15cm，为浅放入；池体底部距离土壤表面为40cm，为中放入；池体底部距离土壤表面为70cm，为深放入；

c、保持池体内的温度不变，改变池体内的压力，对土壤的偏移量、温度值、压力值和pH值进行记录；

d、保持池体内的压力不变，改变池体内的温度，对土壤的偏移量、温度值、压力值和pH值进行记录。

采用该方法，可方便对池体进行模拟测验，且无需人工搬运池体，操作简便。

Claims (8)

1.一种沼气池模型试验装置，包括工作台，其特征在于，所述工作台上固定有用于放置土壤的放置槽，放置槽内设置有圆柱形的池体，池体上部固定有池盖，池体侧部固定有压力表和温度表，放置槽内还设置有位移计、温度传感器、土压力盒和pH传感器，工作台上固定有能与计算机相连的控制器，压力表、温度表、位移计、温度传感器、土压力盒和pH传感器通过线路均与该控制器相连，工作台上还具有用于调节池体内气压的调压机构和用于调节池体内温度的调温机构；所述工作台上还设置有辅助机构，辅助机构包括底板、升降板、内辅助筒和外辅助筒，底板通过一连接结构设置在工作台上，且底板位于放置槽正下方，连接结构包括导杆、导套、第一弹簧和振动电机，导杆竖直固定在工作台上，导套设置在导杆上，第一弹簧套设在导杆上，第一弹簧下端和工作台相连，第一弹簧上端和导套相连，底板固定在导套上，振动电机固定在底板上，升降板设置在底板上，升降板与一能带动其上下移动的升降组件相连，内辅助筒竖直设置在升降板上，内辅助筒与一能带动其转动的第一动力组件相连，内辅助筒上端能伸入到放置槽内，内辅助筒下端和封闭板相连，封闭板上部通过第二弹簧和支撑板相连，支撑板下部固定有第一气缸，第一气缸的活塞杆水平设置，第一气缸的活塞杆端部固定有能与内辅助筒内壁相抵靠的限位块，封闭板下部连接有卸料管，卸料管上设置有第一电磁阀，内辅助筒内具有用于切割土壤的内螺旋形切割刀，外辅助筒竖直设置在底板上，且套设在内辅助筒外，外辅助筒的长度与内辅助筒的长度之比为3：2，外辅助筒与一能带动其转动的第二动力组件相连，外辅助筒外具有用于切割土壤的外螺旋形切割刀。

2.根据权利要求1所述的沼气池模型试验装置，其特征在于，所述限位块上具有若干凸出的防滑部；所述内辅助筒的内径大于池体的外径。

3.根据权利要求1所述的沼气池模型试验装置，其特征在于，所述升降组件包括第二气缸和支架，第二气缸固定在底板上，第二气缸的活塞杆竖直向上，第二气缸的活塞杆端部通过第三弹簧和支架相连，升降板固定在支架上。

4.根据权利要求1所述的沼气池模型试验装置，其特征在于，所述第一动力组件包括第一电机、主动轮和从动轮，第一电机固定在升降板上，主动轮固定在第一电机的输出轴上，内辅助筒通过连接轴转动设置在升降板上，从动轮固定在连接轴上，且主动轮与从动轮相啮合。

5.根据权利要求4所述的沼气池模型试验装置，其特征在于，所述第二动力组件包括第二电机、齿轮和齿圈，第二电机固定在底板上，齿轮固定在第二电机的输出轴上，外辅助筒通过连接架转动设置在底板上，齿圈固定在连接架上，且齿轮与齿圈相啮合。

6.根据权利要求5所述的沼气池模型试验装置，其特征在于，所述第一电机和第二电机通过线路均与该控制器相连。

7.根据权利要求1所述的沼气池模型试验装置，其特征在于，所述调压机构包括驱动箱、立柱、第三气缸、气管和气泵，驱动箱固定在工作台上，驱动箱上部具有开口，驱动箱上具有将开口封闭住的弹性片，立柱固定在工作台上，第三气缸固定在立柱上，第三气缸的活塞杆竖直向下，第三气缸的活塞杆端部和挤压板相连，且挤压板能与弹性片相接触，驱动箱下部通过连接管和池体侧部相连通，连接管上还设置有第二电磁阀，气管一端和池盖相连通，气管另一端能与外界相连，气泵设置在气管上，气管上还设置有第三电磁阀。

8.根据权利要求1所述的沼气池模型试验装置，其特征在于，所述调温机构包括加热箱、制冷机、上排气管和下排气管，制冷机固定在工作台上，制冷机通过第一连管和池体上部相连通，第一连管上还设置有第四电磁阀，加热箱固定在工作台上，加热箱通过第二连管和池体下部相连通，第二连管上还设置有第五电磁阀，上排气管固定在池体上部，上排气管上还依次设置有第一单向阀和第六电磁阀，下排气管上还依次设置有第二单向阀和第七电磁阀。