CN110865167B - 用于溶解性气体传感器校准的高效水气混合装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于溶解性气体传感器校准的高效水气混合装置及其方法。本发明包括供气装置、混合器、储水器和控制盒，通过设置储水器，结合细喷淋头，可让全部水体都以水雾的形式与气体进行充分接触，可最大程度提升水气混合效率。另外，本发明的混合器可同时作为校准器使用，水气混合完成后直接进行校准试验。该装置在试验中全程无需开仓，通过控气三通阀、控水三通阀、控水阀等阀门切换即可实现放水、进水、鼓气、循环等全部操作，可最大限度减小外界环境的干扰，而且得益于高混合效率，本装置具有较大的水体容积，能够实现大型传感器校准或者多个小型传感器同时校准。
Description
技术领域
本发明属于传感器校准领域，具体涉及一种用于溶解性气体传感器校准的高效水气混合装置及其方法。
背景技术
海水中溶解着多种气体，其中溶解氧、二氧化碳、甲烷等气体对于生态环境有着极为重要的影响，因此受到了广泛关注，快速准确测定水体中上述溶解性气体的含量具有重要意义。近年来随着科技进步，溶解氧传感器、二氧化碳传感器、甲烷传感器等原位传感器测定技术获得了快速发展。因其能够轻易获取大量原位数据，相关传感器已经在海洋水产、环境、科研等领域得到了广泛应用。然而，上述传感器在野外长期使用过程中由于受生物沾污以及自身元器件损耗等影响，不可避免地会发生数据漂移，因此需要定期进行传感器校准。
通过特定设备和方法，针对某一待校准参数(如溶解氧、二氧化碳、甲烷等)，能够快速更改并稳定维持水体测试环境中该参数的浓度，是开展高效率和高精度传感器校准工作的基础。要想改变水体中的某种溶解性气体浓度，通常可采用两种方法：(1)往水体中添加化学试剂进行反应，消耗或者生成该气体；(2)通入不同含量的混合气体改变水体中该气体的溶解量。采用添加化学试剂进行反应的方式，一方面难以精准控制反应后溶解性气体浓度值，另一方面所添加的化学试剂往往会对基准值测定造成干扰，因此并不适合用于传感器校准试验。往水体中通入气体的方式，不可避免需要经历水气混合平衡的过程，其速度直接决定了整个传感器校准试验的效率高低。
当前普遍采用的水气混合措施包括：(1)将气体鼓入水体，并使用沙嘴增加气泡；(2)在水体中放置微珠等材料增加水气接触面积；(3)采用喷淋头等方式，将水体喷洒在气体中。使用一种或者多种上述措施，虽然能够在一定程度上加快水气混合交换，但对于大体积水体来说，其效率仍然较为低下，无法满足传感器高效校准的要求。
因此，建立一种高效的水气平衡装置，有助于大幅加快水体中溶解性气体浓度的调节速度，将其用于溶解性气体传感器的校准工作，有望大幅提高传感器校准效率和校准精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有水气混合装置和措施效率低下的缺点，提供一种可用于溶解性气体传感器校准的高效水气混合装置。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种用于溶解性气体传感器校准的高效水气混合装置，其包括供气装置、混合器、储水器和控制盒；所述供气装置由供待校准气体装置、供氮装置组成，通过带有控气三通阀的管路向混合器内提供气体，所述控气三通阀为二进一出三通阀；所述混合器为一个用于放置传感器的密封容器，顶部开设通气阀、进水口、气体入口和气体出口，气体入口外部通过供气管路连接控气三通阀的出口，且供气管路末端出气口伸入混合器的液面以下；所述控制盒内放置一个控水三通阀、一个高压水泵和一个气泵，所述控水三通阀为二进一出三通阀；所述气体出口由带有气泵的出气管路连接至控气三通阀的第一进口；所述储水器放置于混合器下方，与混合器之间由一个控水阀连通；所述供待校准气体装置包括由待校准气体管路依次连接的储待校准气体设备和第一减压阀，所述供氮装置包括由氮气管路依次连接的储氮设备和第二减压阀；所述待校准气体管路和氮气管路末端汇合成供气管路后连接至控气三通阀的第二进口；所述控水三通阀的第一进口连接混合器取水口，第二进口连接储水器取水口，其出口通过带有高压水泵的水管通至混合器进水口，并连接一个用于对混合器进行喷淋的喷淋头。
作为优选，穿过所述气体入口的供气管路伸入混合器的内腔底部，穿出所述气体出口的出气管路入口位于混合器的内腔顶部。
作为优选，所述混合器取水口位于混合器底部，储水器取水口位于储水器底部。
作为优选，所述混合器为圆柱形壳体，采用有机玻璃材质。
作为优选，所述储水器容积不大于混合器的容积。
作为优选，所述喷淋头采用水气混合型细雾化喷头。
作为优选，所述供气管路的末端出气口安装有鼓气沙嘴。
作为优选，所述储待校准气体设备为待校准气体气瓶；所述储氮设备为氮气瓶。
作为优选，所述气管与接口之间的连接均具有密封。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述高效水气混合装置的水体中溶解性气体浓度的调节方法，其步骤如下：
S1：将待校准的溶解性气体传感器放置在混合器的内腔中并固定，开启溶解性气体传感器；
S2：打开通气阀和控水阀，待混合器中的水体在重力作用下全部排到储水器后，关闭控水阀；
S3：将控气三通阀的进气端调整到连通所述供气管路；
S4：调节第一减压阀和第二减压阀，使供气管路中待校准气体与氮气之间按照设定的流量比例混合，并通入混合器内；
S5：使用溶解性气体传感器持续测定混合器内的溶解性气体浓度，待其测量值达到设定目标值时，关闭第一减压阀、第二减压阀和通气阀；
S6：将控水三通阀的进水端调整到连通储水器取水口，打开高压水泵将储水器中的水以喷淋方式从混合器顶部喷下，将控气三通阀的进气端调整到连通所述的出气管路并打开气泵，使混合器内的气体不断循环鼓入内底部的水体中；待混合器中水体液面淹没溶解性气体传感器并达到目标位置后，将控水三通阀的进水端调整到连通混合器取水口，使混合器内部的水体不断循环喷淋；在混合器内的水体和气体循环过程中，使用溶解性气体传感器持续测定混合器内的水体溶解性气体浓度，待其读数稳定后表明水气混合达到平衡，记录检测值，此时混合器内的水体即可用于溶解性气体传感器的校准；
S7：针对校准所需的溶解性气体浓度的每个设定目标值，不断重复S2～S6步，以获取溶解性气体传感器的不同校准点。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明所设计的用于溶解性气体传感器校准的高效水气混合装置，能够大幅提高校准效率，具体表现在：(1)通过设置储水器，结合细雾化喷头，可让全部水体都以水雾的形式与气体进行充分接触，可最大程度提升水气混合效率；(2)混合器可同时作为校准器使用，水气混合完成后直接进行校准试验；(3)试验全程无需开仓，通过控气三通阀、控水三通阀、控水阀等阀门切换即可实现放水、进水、鼓气、循环等全部操作，可最大限度减小外界环境的干扰；(4)得益于高混合效率，本装置具有较大的水体容积，能够实现大型传感器校准或者多个小型传感器同时校准。
附图说明
图1是本发明的高效水气混合装置结构示意图；
图2是本装置用于水体溶解氧浓度控制时的示意图；
图中：混合器1、储水器2、控制盒3、控水三通阀4、高压水泵5、气泵6、通气阀7、进水口8、气体入口9和气体出口10、控气三通阀11、控水阀12、储待校准气体设备13、储氮设备14、第一减压阀15、第二减压阀16、混合器取水口17、储水器取水口18、喷淋头19、鼓气沙嘴20、传感器21。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为本发明的一个实施例中提供的一种用于溶解性气体传感器校准的高效水气混合装置，其主要部件包括供气装置、混合器1、储水器2和控制盒3。其中混合器1是进行水气混合的主体，而供气装置用于通过管路向混合器1内提供气体，调节混合器1内的待校准溶解性气体浓度。本发明中，溶解性气体可以是溶解氧、二氧化碳、甲烷等在水中具有一定溶解度的气体。
供气装置由供待校准气体装置、供氮装置组成，通过带有控气三通阀11的管路向混合器1内提供气体。其中，控气三通阀11为二进一出三通阀，其进气端具有两个气体进口，而出气端仅具有一个出气口，两个气体进口择一与出气口连通。
混合器1为一个用于放置传感器的密封容器，形状为圆柱形壳体，采用有机玻璃材质制成，以便于观察内部状态。混合器1顶部开设通气阀7、进水口8、气体入口9和气体出口10，除了这些开口之外混合器1其余部分均保持密闭。通气阀7可以根据试验需要控制开闭，开启时连通外部大气，以释放内部压力。气体入口9外部通过供气管路连接控气三通阀11的出口，且供气管路末端出气口伸入混合器1的液面以下，用于将供气管路中输送的气体鼓入水体中，实现溶解性气体的水气交换。控制盒3是一个用于放置各种控制设备的盒体，盒体内置一个控水三通阀4、一个高压水泵5和一个气泵6。其中，控水三通阀4为二进一出三通阀，其进水端也具有两个水体进口，而出水端也仅具有一个出水口，两个水体进口择一与出水口连通。混合器1顶部的气体出口10由带有气泵6的出气管路连接至控气三通阀11的第一进口。储水器2放置于混合器1下方，与混合器1之间由一个控水阀12连通。控水阀12的作用是控制混合器1中的水是否能够流入储水器2中，当控水阀12打开时流路贯通，混合器1中的水能够在重力作用下流入储水器2中存储，而控水阀12关闭时则无法流动。因此，为了保证储水器2足以存储混合器1中流下的水，储水器2容积应当不大于混合器1的容积。
供待校准气体装置包括由待校准气体管路依次连接的储待校准气体设备13和第一减压阀15。同样的，供氮装置包括由氮气管路依次连接的储氮设备14和第二减压阀16。待校准气体管路和氮气管路末端汇合成供气管路后连接至控气三通阀11的第二进口。第一减压阀15和第二减压阀16均可以调节开度大小，进而各自控制所在支路的气流流量。通过第一减压阀15和第二减压阀16的开度调节，便可以改变供气管路中待校准气体和氮气的混合比例，进而改变向混合器1内鼓入的气体中的溶解性气体浓度。
另外，由于控气三通阀11的两个进口只能择一连通，因此可以通过控气三通阀11进气端连接方向的改变，来调整混合器1内鼓入的气体来源。当需要改变混合器1内的气体浓度时，可以通过将进气端调节为连通供气管路，利用供气管路中特定浓度的气体改变混合器1内的气体浓度。而当不需要改变混合器1内的气体浓度时，则可以通过将进气端调节为连通另一侧，即连通出气管路，利用气泵6的作用使混合器1内的气体不断循环，利用内部气体进行鼓气，进而实现水气混合。
另外，本发明中在混合器1下方设置储水器2的目的是每次都能够从储水器2中直接抽取水，进行初始的水气混合，而无需在初期就需要利用混合器1内部的水进行自身循环。这种换水的做法，可以大大提高水气混合效率。为了实现该目的，需要利用控水三通阀4来做切换，控水三通阀4的第一进口连接混合器取水口17，第二进口连接储水器取水口18，其出口通过带有高压水泵5的水管通至混合器进水口8，通过进口端的切换就可以改变循环的水源。为了保证顺利、方便的取水，混合器取水口17应当开设于混合器1侧面底部，储水器取水口18应当开设于储水器2侧面底部。
另外，循环的水管穿过混合器进水口8进入混合器1内部后，需要连接一个用于对混合器1进行喷淋的喷淋头19。在本实施例中，为了提高混合效率，喷淋头19采用水气混合型细雾化喷头，对喷淋水进行雾化，提高气水接触表面积，延长接触时间。同样的，为了保证尽可能提高气水接触时间和混合效率，穿过所述气体入口9的供气管路伸入混合器1的内腔底部，同时在穿过气体入口9的供气管路的末端出气口安装有鼓气沙嘴20，而穿出所述气体出口10的出气管路入口则位于混合器1的内腔顶部。
本实施例中，储待校准气体设备13为待校准气体气瓶，储氮设备14为氮气瓶。当然，也可以采用其他的高压储气设备，只要能够实现储气功能即可。
另外，为了混合器1内部的气密性，各气管、水管与壳体上的各接口之间的连接均应当具有密封。需要注意的是，在该混合器1内，既可以对大型传感器校准，也可以对多个小型传感器同时校准，可根据实际需要设定校准方案。
下面以氧气作为待校准的溶解性气体，使用一个海水溶解氧传感器21为例，对本发明所述装置用于水体溶解氧浓度控制时的操作方法作进一步说明。海水溶解氧传感器21校准过程中，其关键步骤是要根据校准的要求，设置多个目标氧气浓度，当混合器1内达到某一目标氧气浓度时，使水体与气体进行充分的水气交换，然后基于达到平衡的水体进行海水溶解氧传感器的校准。
在本实施例中，校准所需的目标氧气浓度依次为100％、85％、70％、55％、40％、25％。根据该预设目标，下面具体介绍利用该高效水气混合装置进行水体中溶解氧浓度的调节方法，其具体步骤如下：
(1)完成装置各部件连接，将待校准的海水溶解氧传感器21放置在混合器1的内腔中并固定(如图2所示)。混合器1内预先注入满足校准用量的试验用水，开启海水溶解氧传感器21并打开操作程序。
(2)打开通气阀7和控水阀12，待混合器1中的水体在重力作用下全部排到储水器2后，关闭控水阀12。
(3)将控气三通阀11的进气端调整到连通供气管路。
(4)根据混合器1内氧气浓度与控制目标值的关系，调节第一减压阀15和第二减压阀16的开度，使供气管路中氧气与氮气之间按照设定的流量比例混合，得到合适的氧气浓度，并通入混合器1内。在本步骤调节阀门开度时，若混合器1内氧气浓度高于控制目标值，则加大第二减压阀16的开度，减小第一减压阀15的开度，进而降低供气管路中氧气浓度；若混合器1内氧气浓度低于控制目标值，则降低第二减压阀16的开度，加大第一减压阀15的开度，进而提高供气管路中氧气浓度。
(5)使用海水溶解氧传感器21持续测定混合器1内的氧气浓度，待其饱和度测值达到100％时，关闭第一减压阀15、第二减压阀16和通气阀7，停止供气管路的进气。
(6)将控水三通阀4的进水端调整到连通储水器取水口18，打开高压水泵5将储水器2中的水以喷淋方式从混合器1顶部喷下，将控气三通阀11的进气端调整到连通出气管路并打开气泵6，使混合器1内的气体不断循环鼓入内底部的水体中；待混合器1中水体液面淹没溶解性气体传感器21并达到目标位置(具体高度根据试验要求设定)后，将控水三通阀4的进水端调整到连通混合器取水口17，使混合器1内部的水体不断循环喷淋，在此过程中通过鼓气沙嘴20中气体的鼓气以及喷淋头19喷淋两方面的作用，使得水气充分接触交换，逐渐使两相的氧气浓度趋于平衡。因此，在混合器1内的水体和气体循环过程中，使用溶解性气体传感器21持续测定混合器1内的水体溶解氧浓度，待其读数稳定后表明水气混合达到平衡，记录检测值，此时混合器1内的水体即可用于溶解性气体传感器的校准。
(7)重复(2)～(6)步，但在每次重复时均需要根据预先设定的目标氧气浓度校准点，改变两个减压阀的开度，调整混合器1内的溶解性气体浓度。由此，在本实施例中，即可依次获取混合器1内气体初始氧气浓度为85％、70％、55％、40％、25％条件下水气混合平衡后的海水溶解氧传感器21的检测值，将稳定后的水体用作海水溶解氧传感器各校准点。
由此可见，本发明装置在运行过程中，实际上采用了鼓气+喷淋+换水的组合方式，能够快速实现水气交换平衡。为了说明本装置相对于现有装置在水气混合效率方面的提高，我们进行了一组对比试验。通过启停装置中鼓气、喷淋和换水分别表征以下三种水气混合操作方式：
A、仅鼓气：即每次启动时，不将混合器1中的水体排到储水器2，而是完全存储于混合器1中，自行循环。同时，在水气交换过程中，停止步骤(6)中水泵的运行，不进行喷淋，而是仅采用过鼓气沙嘴20鼓气的方式。
B、鼓气+喷淋：即每次启动时，不将混合器1中的水体排到储水器2，而是完全存储于混合器1中，自行循环。但在水气交换过程中，既进行喷淋又进行鼓气。
C、鼓气+喷淋+换水：即采用本发明的上述调节方法，每次启动时，需要将混合器1中的水体排到储水器2，再通过水泵将其注入混合器1中，此后进行内部循环。同时，在水气交换过程中，既进行喷淋又进行鼓气。
三组试验以氧气为例，混合器中水体和空气中的起始氧浓度大致相同，通过对比混合后达到平衡所需时间判断水气混合效率，具体结果见表1。由结果可知，本发明的装置采用“鼓气+喷淋+换水”的方法达到平衡所需时间最短，表明相对于现有装置，本装置在水气混合效率方面有显著提升。其中，每次将混合器1中的水体全部排到储水器2后，再重新抽至混合器1中的做法，能够保证从储水器2中抽出的水体在混合器1中以最大的传质速度与气体进行交换，避免此部分已完成水气交换的水体与其他尚未进行交换的水体混合进而降低传质效率。
表1本装置与现有装置的水气混合效率对比结果
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种利用高效水气混合装置的水体中溶解性气体浓度的调节方法，其特征在于，所述高效水气混合装置包括供气装置、混合器（1）、储水器（2）和控制盒（3）；所述供气装置由供待校准气体装置、供氮装置组成，通过带有控气三通阀（11）的管路向混合器（1）内提供气体，所述控气三通阀（11）为二进一出三通阀；所述混合器（1）为一个用于放置传感器的密封容器，顶部开设通气阀（7）、进水口（8）、气体入口（9）和气体出口（10），气体入口（9）外部通过供气管路连接控气三通阀（11）的出口，且供气管路末端出气口伸入混合器（1）的液面以下；所述控制盒（3）内放置一个控水三通阀（4）、一个高压水泵（5）和一个气泵（6），所述控水三通阀（4）为二进一出三通阀；所述气体出口（10）由带有气泵（6）的出气管路连接至控气三通阀（11）的第一进口；所述储水器（2）放置于混合器（1）下方，与混合器（1）之间由一个控水阀（12）连通；所述供待校准气体装置包括由待校准气体管路依次连接的储待校准气体设备（13）和第一减压阀（15），所述供氮装置包括由氮气管路依次连接的储氮设备（14）和第二减压阀（16）；所述待校准气体管路和氮气管路末端汇合成供气管路后连接至控气三通阀（11）的第二进口；所述控水三通阀（4）的第一进口连接混合器取水口（17），第二进口连接储水器取水口（18），其出口通过带有高压水泵（5）的水管通至混合器进水口（8），并连接一个用于对混合器（1）进行喷淋的喷淋头（19）；所述供气管路的末端出气口安装有鼓气沙嘴（20）；
所述调节方法的步骤如下：
S1：将待校准的溶解性气体传感器（21）放置在混合器（1）的内腔中并固定，开启溶解性气体传感器（21）；
S2：打开通气阀（7）和控水阀（12），待混合器（1）中的水体在重力作用下全部排到储水器（2）后，关闭控水阀（12）；
S3：将控气三通阀（11）的进气端调整到连通所述供气管路；
S4：调节第一减压阀（15）和第二减压阀（16），使供气管路中待校准气体与氮气之间按照设定的流量比例混合，并通入混合器（1）内；
S5：使用溶解性气体传感器（21）持续测定混合器（1）内的溶解性气体浓度，待其测量值达到设定目标值时，关闭第一减压阀（15）、第二减压阀（16）和通气阀（7）；
S6：将控水三通阀（4）的进水端调整到连通储水器取水口（18），打开高压水泵（5）将储水器（2）中的水以喷淋方式从混合器（1）顶部喷下，将控气三通阀（11）的进气端调整到连通所述的出气管路并打开气泵（6），使混合器（1）内的气体不断循环鼓入内底部的水体中；待混合器（1）中水体液面淹没溶解性气体传感器（21）并达到目标位置后，将控水三通阀（4）的进水端调整到连通混合器取水口（17），使混合器（1）内部的水体不断循环喷淋；在混合器（1）内的水体和气体循环过程中，使用溶解性气体传感器（21）持续测定混合器（1）内的水体溶解性气体浓度，待其读数稳定后表明水气混合达到平衡，记录检测值，此时混合器（1）内的水体即可用于溶解性气体传感器的校准；
S7：针对校准所需的溶解性气体浓度的每个设定目标值，不断重复S2～S6步，以获取溶解性气体传感器的不同校准点。
2.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，穿过所述气体入口（9）的供气管路伸入混合器（1）的内腔底部，穿出所述气体出口（10）的出气管路入口位于混合器（1）的内腔顶部。
3.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述混合器取水口（17）位于混合器（1）底部，储水器取水口（18）位于储水器（2）底部。
4.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述混合器（1）为圆柱形壳体，采用有机玻璃材质。
5.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述储水器（2）容积不大于混合器（1）的容积。
6.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述喷淋头（19）采用水气混合型细雾化喷头。
7.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述储待校准气体设备（13）为待校准气体气瓶。
8.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述储氮设备（14）为氮气瓶。
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