CN110451626A - 中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的装置及方法，其装置包括气体混合器和分别与气体混合器输入端连接的空气压缩机、氧气钢瓶和二氧化碳钢瓶，所述气体混合器的输出端连接三通管的第一端，三通管的第二端连接脱气膜的第一输入端，三通管的第三端连接氧气传感器和二氧化碳传感器，所述氧气传感器和二氧化碳传感器的数据输送给记录仪显示；所述脱气膜的输出端通往养殖缸。本发明通过氧气和二氧化碳传感器读数对不同气体流量进行精确调节，进而使空气、氧气和二氧化碳在静态混合器中充分混合，所得混合气体与海水在脱气膜中达到气液平衡后，从脱气膜输出端获得溶解氧和pH值稳定且可控的海水用于水产养殖或相关科研实验。
Description
技术领域：
本发明涉及一种中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的装置及方法。
背景技术：
溶解氧和pH值是水产养殖过程中衡量水质标准的2个重要指标，溶解氧的降低会导致水生生物的生长发育受到抑制，严重时甚至引起死亡。
水体pH值的过低或过高则会造成水生生物的酸中毒或碱中毒，对其存活也有较大的危害，中小尺度的养殖水体因为水体体积较小，缓冲作用相对弱，同时养殖的生物密度往往偏高，所以经常出现溶解氧和pH值波动较大的现象，不利于水生生物的养殖。
针对上述问题，工程技术人员已经开发出多种能够控制养殖装置溶解氧的设备，如专利号为ZL201520545314.X的中国实用新型专利《一种用于水产养殖的溶解氧自动控制装置》公开了一种溶解氧控制装置，该装置通过养殖单元内设有的溶氧探头对水体溶氧值进行测定，并将所检测的数值传输到与其相连的处理芯片中进行比较，得出结果后将处理信号发送至输出模块，输出模块进而驱动增氧控制组件的电磁继电器，用于控制增氧泵进行相应的动作，从而实现对养殖单元水体溶解氧的自动控制。
现有装置通过负反馈的调节方式实现了养殖水体溶解氧的控制，但是缺少对水体pH值的控制功能，因此较难应用于一些对pH稳定性要求较高的养殖活动；同时，考虑到目前多数在线式溶解氧电极的测定范围上限不超过20mg/L，因此现有技术在液氧增氧的高溶解氧养殖条件下的应用也有一定局限。
发明内容：
针对上述问题，本发明提出了一种中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的装置及方法，通过混合气体配制和气液混合达到对水体溶解氧和pH值同时控制的目的。
本发明中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的装置，其特征在于：包括气体混合器和分别与气体混合器输入端连接的空气压缩机、氧气钢瓶和二氧化碳钢瓶，所述气体混合器的输出端连接三通管的第一端，三通管的第二端连接脱气膜的第一输入端，三通管的第三端连接氧气传感器和二氧化碳传感器，所述氧气传感器和二氧化碳传感器的数据输送给记录仪显示；所述脱气膜的输出端通往养殖缸。
进一步的，上述空气压缩机的空气输出端，依次连接冷冻式干燥机、吸附式干燥机和变色硅胶，以及依次连接第一压力调节阀、空气过滤器、第二压力调节阀和第一针型阀，而后连接至气体混合器的第一输入端。
进一步的，上述氧气钢瓶的氧气输出端，依次连接第三压力调节阀和第二针型阀，而后连接至气体混合器的第二输入端。
进一步的，上述二氧化碳钢瓶的二氧化碳输出端，依次连接第四压力调节阀和第三针型阀，而后连接至气体混合器的第三输入端。
进一步的，上述三通管的第三端连接转子流量计后分别与氧气传感器和二氧化碳传感器并联连接，所述氧气传感器和二氧化碳传感器的数据输送给无纸记录仪显示氧气量和二氧化碳含量。
进一步的，上述养殖缸的水输出端连接底滤缸，所述底滤缸经过自吸泵连通袋式过滤器，所述袋式过滤器的输出端连接脱气膜的第二输入端。
本发明中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的方法，其特征在于：所述中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制装置包括气体混合器和分别与气体混合器输入端连接的空气压缩机、氧气钢瓶和二氧化碳钢瓶，所述气体混合器的输出端连接三通管的第一端，三通管的第二端连接脱气膜的第一输入端，三通管的第三端连接氧气传感器和二氧化碳传感器，所述氧气传感器和二氧化碳传感器的数据输送给记录仪显示；所述脱气膜的输出端通往养殖缸；控制时，由记录仪显示氧气和二氧化碳的含量为依据，来调节输入脱气膜氧气和二氧化碳的含量，进而控制养殖缸水体中溶解氧和pH值达到设定值。
进一步的，上述中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制装置包括的气体配制单元和气液混合单元，在气体配制单元中，将空气、氧气和二氧化碳3种气体进行混合，得到氧气和二氧化碳浓度稳定的混合气体；空气由空气压缩机输出，经过冷冻式干燥机、吸附式干燥机和变色硅胶除去水蒸气，通过第一压力调节阀第一次稳定其压强，通过空气过滤器去除颗粒物，通过第二压力调节阀第二次稳定压强，最后通过第一针型阀稳定其流量；氧气由氧气钢瓶输出，经过第三压力调节阀稳定其压强，再通过第二针型阀稳定其流量；二氧化碳由二氧化碳钢瓶输出，经过第四压力调节阀稳定其压强，再通过第三针型阀稳定其流量；压强和流量稳定后的空气、氧气和二氧化碳在静态混合器（即气体混合器）中充分混合，所得混合气体主要部分用于气液混合单元，少部分通过旁路通入装有氧气和二氧化碳传感器的检测气室，在旁路上安装有转子流量计用于控制进入检测气室的混合气体流量；在气液混合单元中，连接底滤缸的自吸泵将海水泵入袋式过滤器以去除颗粒物，海水滤出后进入脱气膜，与来自气体配制单元的混合气体充分混合达到气液平衡，再注入养殖缸。
进一步的，水体溶氧值受到混合气体氧气浓度的控制，氧气浓度通过连接传感器的无纸记录仪读出，如果水体溶解氧低于设定值，通过调节第二针型阀增加氧气流量或减少空气流量使混合气体氧气浓度升高，从而升高水体溶解氧使之达到设定值，反之亦然；溶氧调节完毕后，保持空气和氧气的流量不变，通过无纸记录仪上二氧化碳浓度调节二氧化碳气路的第三针型阀，使混合气体中二氧化碳浓度和空气中浓度保持一致，因为二氧化碳在混合气体中的比例很低，所以其流量的变化对溶氧不会造成显著的影响；混合气体的氧气和二氧化碳含量可通过相关传感器读出，也可根据具体的使用需求，增加或减少混合气体中氧气和二氧化碳浓度，使水体中溶解氧和pH值达到设定值。
本发明通过气体压力调节阀和针型阀控制气体流量，以及通过氧气和二氧化碳传感器读数对不同气体流量进行精确调节，进而使空气、氧气和二氧化碳在静态混合器中充分混合，配制得到不同氧气和二氧化碳浓度的混合气体，配制得到的混合气体和海水在脱气膜中进行气液平衡，使最终得到的海水溶解氧和pH值达到设定值，进而用于后续养殖活动。
本发明的显著优点：（1）通过精确控制3种气体流量比，使混合气体中氧气和二氧化碳的浓度保持稳定，进而实现水体溶解氧和pH值的同步稳定的控制；（2）该装置所用氧气传感器的测定范围为0-100%，可以测定纯氧充入养殖水体条件下的溶氧值，因此溶解氧控制范围更宽，该装置适用于中小水体的水产养殖，也适用需要精确调控水质参数的科学实验。
附图说明:
图1是本发明的构造示意图。
具体实施方式：
本发明中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的装置包括气体混合器15和分别与气体混合器15（可以是静态混合器, 静态混合器是一种没有运动部件的高效混合设备，其基本工作机理是利用固定在管内的混合单元体改变流体在管内的流动状态，以达到不同流体之间良好分散和充分混合的目的）输入端连接的空气压缩机1、氧气钢瓶9和二氧化碳钢瓶12，所述气体混合器15的输出端连接三通管A的第一端，三通管的第二端连接脱气膜22(脱气膜是利用扩散的原理将液体中的气体，如二氧化碳、氧气、氨氮去除的膜分离产品)的第一输入端，三通管A的第三端连接氧气传感器17和二氧化碳传感器18，所述氧气传感器和二氧化碳传感器的数据输送给记录仪19显示；所述脱气膜22的输出端通往养殖缸24。
控制时，由记录仪显示氧气和二氧化碳的含量为依据，来调节输入脱气膜氧气和二氧化碳的含量，进而控制养殖缸水体中溶解氧和pH值达到设定值。
进一步的，为了方便调节空气量及净化，上述空气压缩机1的空气输出端，依次连接冷冻式干燥机2、吸附式干燥机3和变色硅胶4，以及依次连接第一压力调节阀5、空气过滤器6、第二压力调节阀7和第一针型阀8，而后连接至气体混合器15的第一输入端。
进一步的，为了方便调节氧气量，上述氧气钢瓶9的氧气输出端，依次连接第三压力调节阀10和第二针型阀11，而后连接至气体混合器15的第二输入端。
进一步的，为了方便调节二氧化碳钢瓶量，上述二氧化碳钢瓶12的二氧化碳输出端，依次连接第四压力调节阀13和第三针型阀14，而后连接至气体混合器15的第三输入端。
进一步的，为了较好检测氧气和二氧化碳含量，上述三通管A的第三端连接转子流量计16后分别与氧气传感器17和二氧化碳传感器18并联连接，所述氧气传感器和二氧化碳传感器的数据输送给无纸记录仪19显示氧气量和二氧化碳含量，无纸记录仪是将采集的数据/运算数据以时间为基轴记录在仪器内部的存储系统中，无消耗任何常用的记录设施，如：纸张、笔墨。记录在仪器内部的存储数据，通过运算、模拟后显示在液晶屏。
进一步的，为了设计合理，上述养殖缸24的水输出端连接底滤缸23，所述底滤缸23经过自吸泵20连通袋式过滤器21，所述袋式过滤器21的输出端连接脱气膜22的第二输入端。
上述设备的工作原理，中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制装置包括的气体配制单元和气液混合单元，在气体配制单元中，将空气、氧气和二氧化碳3种气体进行混合，得到氧气和二氧化碳浓度稳定的混合气体；空气由空气压缩机1输出，经过冷冻式干燥机2、吸附式干燥机3和变色硅胶4除去水蒸气，通过第一压力调节阀5第一次稳定其压强，通过空气过滤器6去除颗粒物，通过第二压力调节阀7第二次稳定压强，最后通过第一针型阀8稳定其流量；氧气由氧气钢瓶9输出，经过第三压力调节阀10稳定其压强，再通过第二针型阀11稳定其流量；二氧化碳由二氧化碳钢瓶12输出，经过第四压力调节阀13稳定其压强，再通过第三针型阀14稳定其流量；压强和流量稳定后的空气、氧气和二氧化碳在静态混合器（即气体混合器）15中充分混合，所得混合气体主要部分用于气液混合单元，少部分通过旁路通入装有氧气和二氧化碳传感器17、18的检测气室，在旁路上安装有转子流量计16用于控制进入检测气室的混合气体流量；在气液混合单元中，连接底滤缸23的自吸泵20将海水泵入袋式过滤器21以去除颗粒物，海水滤出后进入脱气膜22，与来自气体配制单元的混合气体充分混合达到气液平衡，再注入养殖缸24。
水体溶氧值受到混合气体氧气浓度的控制，氧气浓度通过连接传感器的无纸记录仪19读出，如果水体溶解氧低于设定值，通过调节第二针型阀11增加氧气流量或减少空气流量使混合气体氧气浓度升高，从而升高水体溶解氧使之达到设定值，反之亦然；溶氧调节完毕后，保持空气和氧气的流量不变，通过无纸记录仪上二氧化碳浓度调节二氧化碳气路的第三针型阀14，使混合气体中二氧化碳浓度和空气中浓度保持一致，因为二氧化碳在混合气体中的比例很低，所以其流量的变化对溶氧不会造成显著的影响；混合气体的氧气和二氧化碳含量可通过相关传感器读出，也可根据具体的使用需求，增加或减少混合气体中氧气和二氧化碳浓度，使水体中溶解氧和pH值达到设定值。所得混合气体与海水在脱气膜中达到气液平衡后，从脱气膜输出端获得溶解氧和pH值稳定且可控的海水用于水产养殖或相关科研实验。
本发明通过气体压力调节阀和针型阀控制气体流量，以及通过氧气和二氧化碳传感器读数对不同气体流量进行精确调节，进而使空气、氧气和二氧化碳在静态混合器中充分混合，配制得到不同氧气和二氧化碳浓度的混合气体，配制得到的混合气体和海水在脱气膜中进行气液平衡，使最终得到的海水溶解氧和pH值达到设定值，进而用于后续养殖活动。
本发明的显著优点：（1）通过精确控制3种气体流量比，使混合气体中氧气和二氧化碳的浓度保持稳定，进而实现水体溶解氧和pH值的同步稳定的控制；（2）该装置所用氧气传感器的测定范围为0-100%，可以测定纯氧充入养殖水体条件下的溶氧值，因此溶解氧控制范围更宽，该装置适用于中小水体的水产养殖，也适用需要精确调控水质参数的科学实验。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值，由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的装置，其特征在于：包括气体混合器和分别与气体混合器输入端连接的空气压缩机、氧气钢瓶和二氧化碳钢瓶，所述气体混合器的输出端连接三通管的第一端，三通管的第二端连接脱气膜的第一输入端，三通管的第三端连接氧气传感器和二氧化碳传感器，所述氧气传感器和二氧化碳传感器的数据输送给记录仪显示；所述脱气膜的输出端通往养殖缸。
2.根据权利要求1所述的中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的装置，其特征在于：所述空气压缩机的空气输出端，依次连接冷冻式干燥机、吸附式干燥机和变色硅胶，以及依次连接第一压力调节阀、空气过滤器、第二压力调节阀和第一针型阀，而后连接至气体混合器的第一输入端。
3.根据权利要求1所述的中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的装置，其特征在于：所述氧气钢瓶的氧气输出端，依次连接第三压力调节阀和第二针型阀，而后连接至气体混合器的第二输入端。
4.根据权利要求1所述的中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的装置，其特征在于：所述二氧化碳钢瓶的二氧化碳输出端，依次连接第四压力调节阀和第三针型阀，而后连接至气体混合器的第三输入端。
5.根据权利要求1所述的中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的装置，其特征在于：所述三通管的第三端连接转子流量计后分别与氧气传感器和二氧化碳传感器并联连接，所述氧气传感器和二氧化碳传感器的数据输送给无纸记录仪显示氧气量和二氧化碳含量。
6.根据权利要求1所述的中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的装置，其特征在于：所述养殖缸的水输出端连接底滤缸，所述底滤缸经过自吸泵连通袋式过滤器，所述袋式过滤器的输出端连接脱气膜的第二输入端。
7.一种中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的方法，其特征在于：所述中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制装置包括气体混合器和分别与气体混合器输入端连接的空气压缩机、氧气钢瓶和二氧化碳钢瓶，所述气体混合器的输出端连接三通管的第一端，三通管的第二端连接脱气膜的第一输入端，三通管的第三端连接氧气传感器和二氧化碳传感器，所述氧气传感器和二氧化碳传感器的数据输送给记录仪显示；所述脱气膜的输出端通往养殖缸；控制时，由记录仪显示氧气和二氧化碳的含量为依据，来调节输入脱气膜氧气和二氧化碳的含量，进而控制养殖缸水体中溶解氧和pH值达到设定值。
8.根据权利要求7所述中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的方法，其特征在于：所述中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制装置包括的气体配制单元和气液混合单元，在气体配制单元中，将空气、氧气和二氧化碳3种气体进行混合，得到氧气和二氧化碳浓度稳定的混合气体；空气由空气压缩机输出，经过冷冻式干燥机、吸附式干燥机和变色硅胶除去水蒸气，通过第一压力调节阀第一次稳定其压强，通过空气过滤器去除颗粒物，通过第二压力调节阀第二次稳定压强，最后通过第一针型阀稳定其流量；氧气由氧气钢瓶输出，经过第三压力调节阀稳定其压强，再通过第二针型阀稳定其流量；二氧化碳由二氧化碳钢瓶输出，经过第四压力调节阀稳定其压强，再通过第三针型阀稳定其流量；压强和流量稳定后的空气、氧气和二氧化碳在静态混合器（即气体混合器）中充分混合，所得混合气体主要部分用于气液混合单元，少部分通过旁路通入装有氧气和二氧化碳传感器的检测气室，在旁路上安装有转子流量计用于控制进入检测气室的混合气体流量；在气液混合单元中，连接底滤缸的自吸泵将海水泵入袋式过滤器以去除颗粒物，海水滤出后进入脱气膜，与来自气体配制单元的混合气体充分混合达到气液平衡，再注入养殖缸。
9.根据权利要求8所述中小尺度养殖水体中溶解氧和pH精确控制的方法，其特征在于：水体溶氧值受到混合气体氧气浓度的控制，氧气浓度通过连接传感器的无纸记录仪读出，如果水体溶解氧低于设定值，通过调节第二针型阀增加氧气流量或减少空气流量使混合气体氧气浓度升高，从而升高水体溶解氧使之达到设定值，反之亦然；溶氧调节完毕后，保持空气和氧气的流量不变，通过无纸记录仪上二氧化碳浓度调节二氧化碳气路的第三针型阀，使混合气体中二氧化碳浓度和空气中浓度保持一致，因为二氧化碳在混合气体中的比例很低，所以其流量的变化对溶氧不会造成显著的影响；混合气体的氧气和二氧化碳含量可通过相关传感器读出，也可根据具体的使用需求，增加或减少混合气体中氧气和二氧化碳浓度，使水体中溶解氧和pH值达到设定值。
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