CN107917853B - 一种掺气浓度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掺气浓度测量装置及测量方法，该测量装置包括蠕动泵，蠕动泵配有的软管在进口一端连接一个夹持杆，所述软管的出口一端下方设有一个集水瓶，集水瓶放置在一个电子天平上，电子天平旁边设有秒表，所述电子天平前方设有摄像机；利用该测量装置的测量方法是：先使用蠕动泵在一定的转速下持续抽取测点上的掺气水流，利用电子天平和秒表的读数计算掺气水流的质量流量Q1，再使用同一蠕动泵在相同的转速下持续抽取未掺气水流，计算未掺气水流的质量流量Q2，最后利用所述质量流量Q1和Q2计算上述测点的掺气浓度C，计算公式为：C＝1‑Q1/Q2。本发明使用简便，能较好地适应高掺气浓度的条件。

Description

一种掺气浓度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及水利工程领域水力参数的测量技术，具体是一种掺气浓度测量装置及测量方法。

背景技术

在水跃、跌落水流、挑射水流和高速明渠水流中常会发生水流掺气现象。掺气浓度是掺气水流中的一项重要的水力参数。掺气浓度基本的测量方法为取样法，取样法一般常用负压取样器，然后对样品进行水、气分离处理，分别测量空气体积和水体积，按定义求得掺气浓度。取样法测量准确但是设备复杂测量过程繁琐。

目前国内外对掺气水流中掺气浓度的测量主要是采用电测法，电测法是利用水和空气的导电率的差异来推求掺气浓度。例如，长江科学院的张海清等人研制了掺气浓度仪，该仪器掺气浓度的测量是通过对气水两相流和清水两种状态下电极间电阻的测量来换算得到的，因其操作方便，数据处理简单等优点在我国应用较多，但是掺气浓度仪对影响水体电阻变化的水质、水温、含沙量等因素较难区别，易使测量的精度不高，只能进行粗略的测量。水利部淮河水利委员会水利科学研究院的陈先朴等人研制了针式掺气流速仪，它由掺气探针、放大整形电路和计算机采集系统组成，通过统计气泡和水通过掺气探针的时间来推求掺气浓度。针式掺气流速仪不但可以测量掺气浓度，还可以测量气泡的尺寸和速度，主要适用于掺气浓度较低，气泡在水流中呈分散状态的情况，在实验室也较为常用。但是针式掺气流速仪存在设计复杂，加工制作费用较高，在高掺气浓度条件下测量精度难以保证等缺点。

近年来，还出现了图像法测量掺气浓度。图像法直接对掺气水流中的气泡进行拍摄，再应用数字图像处理技术，将光学图像转化为数字图像，通过图像分析直观地计算掺气浓度。图像法能很好的反应出气泡实际运动状况，但是当掺气浓度较大，气泡运动速度过快时，就难以得到清晰的图像，并且由于气泡的重叠导致水与气泡分割困难，使得图像法在高掺气浓度条件下测量精度较差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种简便的能适应高掺气浓度的掺气浓度测量装置及测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种掺气浓度测量装置，包括蠕动泵，所述蠕动泵配有的软管在进口一端连接一个夹持杆，所述夹持杆用于将软管进口保持在测量位置上，所述软管的出口一端下方设有一个集水瓶，所述集水瓶放置在一个电子天平上，所述电子天平旁边设有秒表，所述电子天平前方设有摄像机，所述摄像机用于记录电子天平和秒表的读数变化。

进一步的，上述的掺气浓度测量装置中，所述夹持杆包括杆体和硬管，所述硬管用于连接所述软管。

采用上述掺气浓度测量装置，本发明提出如下的掺气浓度测量方法：

第一步，使用所述蠕动泵在一定的转速下持续抽取测点上的掺气水流，利用所述电子天平和秒表的读数计算一段时间内抽取的掺气水流的质量流量Q1；第二步，使用同一蠕动泵在相同的转速下持续抽取未掺气水流，利用所述电子天平和秒表的读数计算一段时间内抽取的未掺气水流的质量流量Q2；第三步，利用所述质量流量Q1和Q2计算上述测点的掺气浓度C，计算公式为：C＝1-Q1/Q2。

本发明的创新之处在于，本发明根据蠕动泵的特性将其应用于掺气浓度的测量上。蠕动泵通过旋转的滚轮交替挤压和释放有弹性软管来输送流体，运行过程中，软管在两个滚轮之间形成泵室，蠕动泵的流量取决于泵室的容积和转子的转速，而不受其它因素的影响，因此蠕动泵输出的流量非常稳定，在小流量范围内具有很好的计量效果，因此又叫恒流泵。蠕动泵可以用于气体或气液两相流的输送，同一台蠕动泵在相同的转子转速下，输送不同掺气浓度的掺气水流的体积流量是相同的，因此抽取的掺气水流的质量流量正比于其体积含水率。又由于掺气水流的体积含水率与掺气浓度之和等于1，因此可以得到上述的掺气浓度计算公式。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明所涉及部件在市场上容易买到，本发明公开的掺气浓度测量装置易组装，操作简单方便，测量方法简单直接，测量方法的干扰因素较少，精度较高，能较好地适应高掺气浓度的条件。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1—蠕动泵，2—夹持杆，3—集水瓶，4—电子天平，5—秒表，6—摄像机，7—软管，8—硬管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，一种掺气浓度测量装置，包括蠕动泵1、夹持杆2、集水瓶3、电子天平4、秒表5和摄像机6，蠕动泵1配有的软管7在进口一端连接夹持杆2，夹持杆2用于将软管7进口保持在测量位置(测点)上，软管7的出口一端下方设有一个集水瓶3，集水瓶3放置在一个电子天平4上，电子天平4旁边设有秒表5，电子天平4前方设有摄像机6。在一次模型试验中，使用本发明来测量不同测点的掺气浓度，其中蠕动泵1采用适用于精确计量和定量给料的流量型蠕动泵，集水瓶3采用容积为1L的塑料瓶，电子天平4的量程为1000g，精度为0.01g，夹持杆2包括杆体和一小段硬管8，硬管8与杆体夹角成90°，硬管8的外径略大于软管7的内径，软管7套在硬管8上。

采用上述的掺气浓度测量装置进行测量，具体的测量方法如下所述。

在对测点定位精度要求不高的条件下，可以由实验人员手持夹持杆2，将软管7进口保持在测量位置上；当测量工作对测量位置精度要求较高时，可以将夹持杆2固定在一个可上下和左右调节的支架上，再将软管7进口保持在测量位置上。启动电子天平4、秒表5、摄像机6和蠕动泵1，将蠕动泵1的转速设定为100转/分钟，在一个测点上抽取样本的时间为90s以上，然后再移动到下一个测点上进行类似操作，所有测点的测试工作完成以后，再根据摄像机6录制的视频资料来计算各个测点的掺气浓度。为了减小误差，对每个测点前20s的视频资料放弃不用。当视频中蠕动泵1在设定转速下抽取时间超过20s时，暂停视频，记录此时电子天平4和秒表5上显示的读数，两个读数分别设为m1和t1，继续播放视频直至蠕动泵1抽取时间超过90s再暂停视频，又一次记录此时电子天平4和秒表5上显示的读数，分别设为m2和t2，由m1，t1，m2和t2计算这次抽取的掺气水流的质量流量Q1，计算公式为：Q1＝(m2-m1)/(t2-t1)。将软管7进口放置到未掺气水流中，采用类似方法和计算公式可以未掺气水流样本的质量流量Q2，然后利用掺气浓度C的计算公式：C＝1-Q1/Q2得到该测点的掺气浓度。重复上述步骤可以得到每个测点的掺气浓度。

Claims (3)

1.一种掺气浓度测量装置，其特征在于：包括蠕动泵，所述蠕动泵配有的软管在进口一端连接一个夹持杆，所述夹持杆用于将软管进口保持在测量位置上，所述软管的出口一端下方设有一个集水瓶，所述集水瓶放置在一个电子天平上，所述电子天平旁边设有秒表，所述电子天平前方设有摄像机，所述摄像机用于记录电子天平和秒表的读数变化。

2.根据权利要求1所述的掺气浓度测量装置，其特征在于：所述夹持杆包括杆体和硬管，所述硬管用于连接所述软管。

3.一种掺气浓度测量方法，其特征在于：采用权利要求1或2所述的掺气浓度测量装置，该方法包括以下步骤：第一步，使用所述蠕动泵在一定的转速下持续抽取测点上的掺气水流，利用所述电子天平和秒表的读数计算一段时间内抽取的掺气水流的质量流量Q1；第二步，使用同一蠕动泵在相同的转速下持续抽取未掺气水流，利用所述电子天平和秒表的读数计算一段时间内抽取的未掺气水流的质量流量Q2；第三步，利用所述质量流量Q1和Q2计算上述测点的掺气浓度C，计算公式为：C＝1-Q1/Q2。

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