CN116609029B - 一种标定掺气测量设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种标定掺气测量设备的方法，包括：根据标定要求连接掺气设备；设置标准静置水体；开启测量设备；设置标准水气两相流场；数据采样；计算掺气量；计算校正系数。本发明利用水中气泡自然上浮特性，以竖置的等截面积圆筒和底部气泡盘、数据采集和处理、空气压缩机等简单设备，将两相流场中液体和气体两部分体积的计量简化为综合液位的计量，并溯源至基本测量的长度，形成了统一精确的测量基准。通过这一测量基准，对各种掺气设备进行标定，以建立精确的测量体系。圆筒中产生的均匀的水气两相流场即标准掺气浓度源物质，只与进气量一项参数有关，改变进气量的大小即可改变均匀水气两相流场内的体积掺气浓度指标的大小。

Description

一种标定掺气测量设备的方法

技术领域

本发明涉及一种标定掺气测量设备的方法，是一种对水的特性进行测量的方法，是一种用于对水中掺气浓度进行测量的设备进行标定的方法。

背景技术

体积掺气浓度参数是衡量水工过水建筑物高速水流掺气减蚀性能的一项主要指标，在其他行业也不乏引用。限于水气两相流场运动的复杂性，以往科学和生产实践中尚缺乏可溯源的体积掺气浓度这一参数的标准源物质。掺气测量通常采用专用的掺气浓度仪以及形状各异的掺气传感器(如果掺气测量使用的是电导测量仪，则掺气传感器是各种形状的电极)进行测量。掺气浓度仪和掺气传感器是一种计量设备，需要标定，统一标准，才能达到精确测量的目的。然而由于早年限于原有的技术条件、测量的精度要求较低等原因，对于电导掺气浓度仪的校准只能依据Maxwell理论公式，调整标准电阻器的电阻值来模拟掺气浓度参数，而对于掺气浓度传感器则缺乏标准校验物质。传统的电阻值模拟标定方式的精确度较差，各个掺气浓度仪之间存在误差，以致使用不同掺气浓度仪所测量的数据存在差异，影响了掺气量测量数据的权威性。近年来，由于科技的进步和生产水平的提高，对掺气量测量的精度提出了越来越严格的要求，掺气浓度仪及其掺气传感器的测量精度要达到相当精确的一致性标准，使其成为一种真正的计量设备成为行业的迫切需求。近年来，国内研发了一些适合实际应用场合的掺气量标定设备，如中国专利ZL201921021352.X(公开日：2020.5.15)和ZL202123017903.5(公开日：2022.5.31)。然而，这些掺气量标定装置普遍存在的一个问题是：为了模拟真实的掺气工况，设置了水平或接近水平的横向运动的水流，而掺入的空气气流在进入水中时虽然尽量与水流的运动方向一致，但空气横向进入水流后会快速的以气泡的形式上升，形成气泡倾斜上升现象，断面掺气浓度不均匀，进而影响仪器的测量精度。这种情况对于进行掺气测量是允许的，但作为一个计量标准设施则是难以接受的。另一方面，现有标定掺气设备方案中，空气掺入也是一个大问题。现有方案是设计几个喷口，将气流对水流中吹入空气，或者将水管和气管直接用三通结合，该方案通常无法保证水气的均匀掺混，不能满足标准物质的基本需求。第三个问题是，现有的掺气标定设施的溯源关系链条十分冗长而复杂，如何提取精确的测量数据是个大问题。由于水流是横向运动的，其体积是不断变化的，掺气量是气体和气液综合体的体积比，其体积元素若依据背景温度、压力、质量流量、体积流量等多重动态参数监测计算而得，一旦某个环节出现纰漏都将造成标定误差，而若想校准这些环境要素也十分繁琐而复杂，不便应用。如果不能精确取得体积数据，其标定功能必然大打折扣。因此如何取得直接而精准的溯源关系和稳定而均匀的测量环境，使标定掺气量更加精确，是一个需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种标定掺气测量设备的方法。所述的方法采用水流静止的圆筒形容器，底部全面积均匀的释放出气泡，简单易得一种稳定可靠且动态均匀的标准体积掺气浓度源物质发生装置，并通过这一装置连接的各种数据采集和计算设施，进而对各种体积掺气浓度测量仪或传感器进行校正，以提高掺气设备的总体测量精度。

本发明的目的是这样实现的：一种标定掺气测量设备的方法，所述方法所使用的系统包括：掺气浓度标准源发生装置，所述的掺气浓度标准源发生装置依次与掺气仪、数据采集器、数据处理和显示装置连接；所述的掺气浓度标准源发生装置包括：一上端开口底部封闭的截面形状上下一致且底部密闭的竖置筒，所述竖置筒上端对大气敞开并设置固定测量设施的设备平台，所述竖置筒底部设置一个出气面与竖置筒截面形状相同或接近相同的气泡盘，所述的气泡盘包括盘体和气泡石，所述气泡盘上表面与仪表平台之间设有电子液位计和刻度尺液位计，所述的电子液位计与数据采集器连接，所述气泡盘的进气口与带有流量调控器的压缩空气源连接；所述的方法的步骤如下：

步骤1，根据标定要求连接掺气设备：如果是校正掺气仪则在设备平台上固定至少一个经过校正的掺气传感器，所述经过校正的掺气传感器与被校正的掺气仪连接；如果是校正掺气传感器，则在设备平台上固定至少一个被校正的掺气传感器，所述被校正的掺气传感器与经过校正的掺气仪连接；

步骤2，设置标准静置水体：在水平截面积为S的竖置筒中注入带有盐分的纯净水，形成水平截面上下一致的水体，在静置状态下，通过刻度尺液位计读取静置水体的液位高度为L₀，这时静置水体的体积V_水为：

V_水＝L₀×S；

步骤3，开启测量设备：为电子液位计、掺气仪、数据采集器、数据处理和显示装置加电，使各项设备进入测量状态，记录静置水体在各个仪器上显示的数值；将电子液位计与刻度尺液位计的数据进行相互验证；

步骤4，设置标准水气两相流场：开启压缩空气源，依据标定要求调节流量调控器调控进入气泡盘的压缩空气压力P₁和流量控制不变，因竖置筒顶端与大气P₀的连通作用，空气从气泡盘的整个出气面均匀析出，形成大量气泡，经过5～10秒后，进出水体的空气在压缩空气量保持稳定不变时自动到达动态平衡，在动态平衡状态下水气两相流场的自由液面的液位保持稳态不变，水气两相流场内所包含的气体体积也保持稳态不变，竖置筒内形成均匀的水气两相流场；

步骤5，数据采样：设定测量条件，包括：进气量Q和\或进气量条件的个数k、每个进气量条件下的样本组数n，以及采样时段长度；调节流量调控器，在每一个进气量条件下，按设定的样本组数和采样时段分别采集掺气浓度数据和动态液位数据；

步骤6，计算掺气量：根据掺气仪显示的掺气量计算各个进气量条件下被测掺气的总时段平均值C’_测，同时计算标准掺气浓度的总时段平均值C’_标，先计算对应于每个掺气量条件下各个采样周期所采集水气两相流场的液位高度L₁所对应标准掺气浓度C_标，C_标的计算公式：

计算C’_标：

其中，n为样本个数，是正整数；

步骤7，计算校正系数：以各组标准掺气浓度的总时段平均值C’_标和被测掺气的总时段平均值C’_测为基准，计算被测掺气值和标准掺气值的校正系数。

进一步，所述的竖置筒中注入的水体高度为竖置筒高度的2/3～3/4。

进一步，所述的水体中的盐分为0.1～0.5％的NaCI。

进一步，所述的步骤2中通过设置在平台的温度计对水体的温度进行测量。

进一步，所述的步骤6中当掺气传感器位于水气两相流场表层时，所述的C’_标按式2AC’_标/(1+A)计修正系数；当掺气传感器位于表层以下深度h₀时，则C’_标按线性插值通式2(1+(A-1)h₀/L₁)C’_标/(1+A)计算修正系数；当掺气传感器位于中间层即h₀＝L₁/2时，则C’_标无须修正。

本发明的优点和有益效果是：本发明利用水中气泡自然上浮特性，以竖置的等截面积圆筒和底部气泡盘、数据采集和处理、空气压缩机等简单设备，将两相流场中液体和气体两部分体积的计量简化为综合液位的计量，并溯源至基本长度测量单位，形成了统一精确的测量基准，通过这一测量基准，对各种掺气设备进行标定，以建立精确的测量体系。圆筒中产生的均匀的水气两相流场即标准掺气浓度源物质，只与进气量一项参数有关，改变进气量的大小即可改变均匀水气两相流场内的体积掺气浓度指标的大小，常规室内环境下与水气两相流场的背景温度、压力有一定关系，但温度影响已包含在水气两相流的液位计测中，在校正精度要求较低时压力(大气压和水深)影响也可以忽略，但当校正精度要求较高时，需要通过计算修正系数的方式对测量计算进行修正。圆筒仅设空气循环供给设施，但无需计量进气量，也无需外设循环水池、供水环路及水量计量等设施，设备数量少、结构简单、体积小巧、成本低廉、节省布置空间，节能降耗、绿色环保、工作性能稳定可靠。圆筒组成一个开放式系统，便于上端布设一个可透气的仪表平台，一方面连通大气，一方面固定被校正的仪器或传感器，水气两相流流场直观可视，组装调试简单、可操作性强，在一般小规模实验室或办公室即能组装运行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一所述系统的结构原理示意图；

图2是本发明实施例一所述掺气浓度标准源发生装置的结构示意图；

图3是本发明实施例一所述方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种标定掺气测量设备的方法。本实施例所述方法所使用的系统如图1、2所示，包括：掺气浓度标准源发生装置1，所述的掺气浓度标准源发生装置依次与掺气仪2、数据采集器3、数据处理和显示装置4连接；所述的掺气浓度标准源发生装置包括：一上端开口底部封闭的截面形状上下一致且底部密闭的竖置筒101，所述竖置筒上端对大气敞开并设置固定测量设施的设备平台102，所述竖置筒底部设置一个出气面1031与竖置筒截面形状相同或接近相同的气泡盘103，所述的气泡盘包括盘体1032和气泡石1033，所述气泡盘上表面与仪表平台之间设有电子液位计5和刻度尺液位计6，所述的电子液位计与数据采集器连接，所述气泡盘的进气口与带有流量调控器7的压缩空气源8连接。

对掺气仪和掺气传感器进行标定，首先需要一个稳态且均匀的标准掺气源物质作为参考系，使标准测量具有统一的基础，这是标准测量的基本原理。

为此，本实施例采用了一种简单易得、稳定可靠的稳态且均匀的标准体积掺气浓度源物质发生装置，这个装置所测量的计量可溯源至基本长度单位。这个体积掺气浓度标准源发生装置通过设置多个掺气传感器的安装位，以及连接各种掺气浓度测量仪，可以对各种掺气浓度测量仪和掺气传感器进行校正。

所述的掺气浓度标准源发生装置的原理是在一个上下一致(水平截面形状一致)的水体中，从水体底部均匀的释放气体，即：气体以气泡形式，从水体底部的整个截面中释放出来，气泡的释放面与上下一致水体的截面相同，这样就可以得到一个均匀的、稳态的水气两相流场9，如图1、2所示。竖直的水体在水平的横向并不运动，但由于气泡从底部上升的运动，起到气流搅动水体的作用，其中气体(气泡)主要做上升运动，只要供给的空气量足够稳定，就能够提供一个十分稳定的水气两相流场。同时，只需调整空气量，就可以十分精确的获得各种量值的掺气量的水气两相流场，以此，提供了一个精确可控的水气两相环境，为标定测量掺气浓度的设备提供了良好的基础。

由于空气(气泡)是均匀的从水体的底部释放的，也就是说在正常情况下(除去开始释放空气时会有空气对水体造成冲击而产生紊流的非正常状态)空气能够稳定的从水体底部的整个截面升起，所形成的水位上升也是平稳的，这时测量水气两相流场的液位高度可以用最原始的计量单位：长度，也就是说溯源至长度单位，而水体的上下截面是一致的，因此只要知道水体的截面面积，就可以很方便的计算出水体或水气两相流场的体积。

本实施例所述的掺气浓度标准源发生装置所提供的是掺气量的标定条件，而不是掺气模拟实验，因此，在静止的水体中从底部掺气，所形成的水气两相环境符合标定的要求，是完全合理的。

本实施例所述的掺气浓度标准源发生装置的结构十分简单，包括一上端开口竖直筒，筒的截面形状可以是圆形、正方形，三角形、正多边形等，总之是一个上下截面形状一致的筒体，筒体中间为空，用于盛放水体，并形成截面形状上下一致的水体。筒体可以采用直径为200～500毫米，高度为1200～1800毫米，长径比大于10：3的竖置透明玻璃或有机玻璃圆筒。圆筒底部封死(密闭)，封死的方式可以用与圆筒相同材料的玻璃或有机玻璃，也可以使用成品的气泡盘。一些成品的气泡盘本体是一个浅底的盘子，盘子中密封了烧结的纳米气泡石及其扩散空气的通道。在盘子外圆面设有能够连接气源的进气口，只要将与盘子外口相适应的圆筒坐在盘子上密封，如图1所示，即可以获得密封圆筒底部的作用，又能够获得气泡均匀进入水体的效果。

在本实施例中掺气浓度标准源发生装置的气泡盘起到了十分关键性的作用，解决了均匀掺气的难题。气泡盘本身是一种用于水产养殖业的设施。气泡盘大致由盘子和气泡石构成，用于增加养殖水域中的溶氧量。气泡石是一种烧结的砂粉，烧结后内部有许多纳米级的微孔，空气可以相对较容易的穿过这些纳米孔，由于水的密度较大，透过这些纳米孔相对困难一些。而盘子是包围在气泡石周围的金属或非金属包裹物，其作用是导气，即：将集中输入的空气分散到气泡石中。在盘子的导气作用下，压缩空气从气泡石的一个侧面或中心部位集中进入，分散到气泡石中，再从气泡石的另一个侧面均匀的分散释放出。在水产养殖业中，利用气泡石分散释放的气泡，增加水中的溶氧量。

在本实施例中，需要将空气十分均匀的掺入水中，采用其他设施都很难达到十分均匀的效果。例如采用大量均匀分布微孔的微孔盘，需要十分精密的激光打孔，其制造成本根本无法接受。即便使用了激光打孔的微孔盘，将空气均匀的分配到各个微孔，也需要十分复杂的结构。本实施例巧妙的利用了成本低廉的气泡盘，解决了空气分散并形成微孔气泡的问题，达到了非常好的效果。

本实施例所述的平台相当于竖置筒的上盖，但上盖并不将竖置筒上端与大气隔离，而是使竖置筒中的水体与大气完全联通，使水体的液位处于自由状态。上盖的作用主要是安装各种测量仪器或传感器，如温度传感器、液位计、多个掺气传感器，将这些设施固定，以便进行精确测量。

本实施例所述的液位计采用刻度尺与电子液位计结合的方式。液位计主要用于测量竖置筒中水体或水气两相流场的液位高度，其测量起点(零点)为气泡盘上表面。竖置筒内气泡盘之上静置的水深为L₀，由竖置于气泡盘上表面的电子液位计和刻度尺同时测定并相互校核。设圆筒的水平截面积为S，则静置水的体积V_水为：

V_水＝L₀×S。

气泡盘上表面释放的气泡主要靠重力和/或浮力作用而自动上浮，气泡上浮过程中逐步向上流经和充斥原静置水体并导致其自由液面上升，最终气泡从自由液面溢出进入环境大气，此时从气泡盘上表面至自由液面之间形成水气两相流场。

压缩气源和流量调节主要为水体中送入大于大气压的、十分稳定流量的压缩空气。压力气源经流量调节器，将某一恒定压力P₁的压缩空气经导气管送入气泡盘，压缩空气经气泡盘的上表面向静置水体内释放气泡，将静置水体转换为水气两相流场。

应当说明的是，本实施例中，为叙述方便使用了“静置水体”和“水气两相流场”表述，仅用以区分是否向水体中用压缩空气强行对水体掺入游离状的空气泡。并不说明静置水体不含有空气，静置水体中也有一定数量的溶解空气，只是相对较少。

本实施例所述的气压调节器用以控制进入气泡盘的空气流量达到稳定在某一数值，使掺气量稳定。进出气泡盘的空气压力P₁由压缩空气源控制不变，自由液面(图2中的倒三角表示自由液面的高度)溢出气泡的压力因竖置筒顶端与大气的连通，使常态环境大气压力P₀不变，室温一定条件下气温与水温都基本保持不变，在开启压缩空气进入气泡盘5～10秒后，当进入水气两相流场的压缩空气量(质量或质量流量)相等且恒定不变时自动到达动态平衡，在动态平衡状态下自由液面的液位保持不变，水气两相流场内所包含的气体体积也保持不变，圆筒内形成相对均匀的水气两相流场。

流动平衡后竖置筒内气泡盘之上的水气两相流场的综合水深变为L₁，依据水体不可压缩理论，可计算出此时水气两相流场内含气体积为：

V_气＝(L₁－L₀)×S。

依据体积掺气浓度的定义，体积掺气浓度等于水气两相流中气体的体积V_气除以水气两相流的总体积V_总，其中V_总＝V_气+V_水，即可算得水气两相流场内的平均的体积掺气浓度为：

C＝V_气/(V_气+V_水)×100％＝V_气/V_总×100％＝(L₁－L₀)×S/(L₁×S)×100％＝(L₁－L₀)/L₁×100％。

本实施例所述掺气仪可以是电导掺气仪，或电阻掺气仪等其他形式掺气浓度仪。数据采集器可以是多功能检测系统等具有收集多个数据源并进行降噪、放大等功能的设备。所述的数据处理和显示装置，是一种能够将数据采集器所收集的各种数据、参数进行分析，并将结果用图形、表格进行集中显示的电子装置。数据处理和显示装置可以是各种通用数字电子计算机，也可以是专门设计的具有运算和存储功能的其他电子设备。

本实施例所述的方法的具体步骤如下，流程如图3所示：

步骤1，根据标定要求连接掺气设备：如果是校正掺气仪则在设备平台上固定至少一个经过校正的掺气传感器，所述经过校正的掺气传感器与被校正的掺气仪连接，再将被校正的掺气仪与数据采集器连接。如果是校正掺气传感器，则在设备平台上固定至少一个被校正的掺气传感器，所述被校正的掺气传感器与经过校正的掺气仪连接。

本实施例所述方法要达到的功能主要有两个：一个是校正掺气仪，即在标准掺气环境中，通过溯源尺度校正掺气仪；另一个是校正掺气传感器，即在标准环境中通过溯源尺度校正被校正的掺气传感器，获取误差值。这两个过程均可以采用获取校正系数方式获得。

本步骤中所述的掺气仪可以是经过校正的掺气仪，也可以是被校正的掺气仪，其连接则是根据标定需求而定，如果是校正掺气传感器则连接经过校正的掺气仪，如果是校正掺气仪则连接被校正的掺气仪。同样，本步骤中所述的掺气传感器也应当可以是被校正的掺气传感器或经过校正的掺气传感器。由于设备平台上可以固定多个掺气传感器，并且本实施例所述的掺气浓度标准源发生装置所产生的水气两相流场是均匀的，因此，本实施例可以同时校正或标定多台掺气仪，或标定多个掺气传感器。

步骤2，设置标准静置水体：在水平截面积为S的竖置筒中注入带有盐分的纯净水，形成水平截面上下一致的水体，在静置状态下，通过刻度尺液位计读取静置水体的液位高度为L₀，这时静置水体的体积V_水为：

V_水＝L₀×S。

本步骤中利用在竖置筒中注水，而形成一个水平截面面积上下一致的水体。本来在一个水平截面面积上下一致的竖置筒中注水，形成上下一致的水体，十分普通，但在本实施例中却是一个十分关键的要素，因为一个上下一致的竖直水体才能形成使气泡上升的最短途径，在这个最短途径中，气泡只做近直线的螺旋上升的运动，而且周围相邻的气泡也做近直线的螺旋上升运动，只要空气供应稳定，没有波动，则相邻气泡上升的路径是平行向上的，出现相互干扰的情况应该很少，除了在开始释放气体时水产生一些紊流，在供气稳定后一般不会出现紊流，这就为校正或标定测量提供了一个十分均匀的优良水气环境，而这一均匀环境是校正或标定的基础。

作为测量基准，纯净水的理化指标应符合一定的标准。由于纯净水的电导很小，以至于很难进行有效的掺气浓度测量，因此需要在纯净水中添加一定量的钠盐，或其他工业用盐。

步骤3，开启测量设备：为电子液位计、掺气仪、数据采集器、数据处理和显示装置加电，使各项设备进入测量状态，记录静置水体在各个仪器上显示的数值；将电子液位计与刻度尺液位计的数据进行相互验证。

为安全起见，本实施例将设备的启动安排在注水之后，这样可以减少或避免加注水可能造成的触电和短路，影响标定的正常进行。刻度尺由于其局限性，很难显示出1毫米以下的数值，而电子液位计需要零点确定，因此，本步骤对于电子液位计和刻度尺液位计的相互校验十分关键。

步骤4，设置标准水气两相流场：开启压缩空气源，依据标定要求调节流量调控器的调控进入气泡盘的压缩空气压力P₁和流量控制不变，因竖置筒顶端与大气P₀的连通作用，空气从气泡盘的整个出气面均匀析出，形成大量气泡，经过5～10秒后，进出水体的空气在压缩空气量(质量或质量流量)保持稳定不变时自动到达动态平衡，在动态平衡状态下水气两相流场的自由液面的液位保持稳态不变，水气两相流场内所包含的气体体积也保持稳态不变，竖置筒内形成均匀的水气两相流场。

本步骤为本实施例的关键步骤。由于气泡盘的出气面与竖置筒的截面相同或相近，也就是说，气泡盘全面积释放的气泡，均匀的覆盖了整个竖置筒的水平截面，即：竖直的水体所有水平截面上都有气泡流动。这一点十分关键，全面积的释放气泡，提供了水平面上的均匀。气泡盘出气面释放的气泡主要靠重力和/或浮力作用而自动上浮，气泡上浮过程中逐步向上流经和充斥原静置水体并导致其自由液面上升，最终气泡从自由液面溢出进入环境大气，此时从气泡盘出气面至自由液面之间形成均匀的水气两相流场。由于在压缩空气量保持恒定的状态下，气泡从竖直水体的底部进入水气两相流场至表部溢出到大气的总时长称为气泡滞留时间。竖直水体的深度一定时，气泡滞留时间不变，也就是说在水体的竖向，水体中的空气(气泡)也是均匀的，这样在竖直水体的水平和竖直方向空气(气泡)都是均匀的，所以可以得出结论：在竖直水体的任何深度、任何水平位置，水气两相流场中水气是整体均匀分布的。

步骤5，数据采样：设定测量条件，包括：进气量Q和/或进气量条件的个数k、每个进气量条件下的样本组数n，以及采样时段长度；调节流量调控器，在每一个进气量条件下，按设定的样本组数和采样时段分别采集掺气浓度数据和动态液位数据。

在进行数据采样之前，首先要设定的测量条件是进气流量Q，即通过气泡盘扩散进入水体中的空气流体。进气流量是一个决定掺气量的重要参数，其量值应当是一个恒定值，这一量值通过流量调控器控制，形成掺气量标准值的基础。通常要设定多个进气流量条件，用多个进气量条件对掺气检测设备进行校正，如按等差级数设定10个进气量条件(k＝10)，对每个进气量进行液位和掺气量采样，并对每个进气量值进行算数平均，以获得精确的校正效果。在每个进气量条件下，要采集多组掺气量和液位数据样本，以便进行平均计算，以降低测量误差。而每组样本则要依据预先设定的时间段进行数据采集，以使各项数据的获取在统一的时间段中，以确保其可靠、可信。

步骤6，计算掺气量：根据掺气仪显示的掺气量计算各个进气量条件下被测掺气的总时段平均值C’_测，同时计算标准掺气浓度的总时段平均值C’_标，先计算对应于每个掺气量条件下各个采样周期所采集水气两相流场的液位高度L₁所对应标准掺气浓度C_标，C_标的计算公式：

计算C’_标：

其中，n为样本个数，是正整数；例如：n＝3，则：

采样所获得数据由时间和计量上对应的两部分构成，一部分是掺气仪所显示的掺气浓度C_测，另一部分是液位的高度L₁。

计算某一个进气量上的某个时段的掺气仪所显示的掺气浓度C_测，并对整个时段的C_测进行算数平均，得到C’_测：

同时计算与之相对应的进气量条件下的液位高度所对应的掺气浓度平均值C’_标。

步骤7，计算校正系数：以各组标准掺气浓度的总时段平均值C’_标和被测掺气的总时段平均值C’_测为基准，计算被测掺气值和标准掺气值的校正系数。

如果校正是掺气测量仪，这一校正系数则用于校正仪器的显示，如果校正的掺气传感器，则这一系数用于在该传感器的使用中进行掺气值校正。

实施例二：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于静置水体高度的细化。本实施例所述的竖置筒中注入的水体高度为竖置筒高度的2/3～3/4。

静置水体的高度L₀通常要低于竖置筒的高度至少1/4，以便让出空气掺入后液面上升的空间。应当说明的是，对应标准掺气浓度上限约为20％～30％。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于静置水体的细化。本实施例所述的静置水体中添加盐分，所述盐分为0.1～0.5％的NaCI，以适应电导掺气零点调节范围与不同规格的电极面积组合。

纯净水不导电，因此，需要增加一些导电物质。最简单的是在水中增加一些盐分，即可以增加导电性。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于水体温度的细化。本实施例所述的步骤2中通过设置在平台的温度计10对水体的温度进行测量。

温度计读数仅用以跟踪监测水温变化对被校正仪器零点读数的影响并加以校正，实测仪器零点读数随水温变化的系数约为-0.2％/0.1℃。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于步骤6中压力(水深)影响修正的细化。本实施例所述的步骤6中当掺气传感器位于水气两相流场表层时，所述的C’_标按式2AC’_标/(1+A)计算气压修正系数，其中：A为比例常数；当掺气传感器位于表层以下的深度h₀时，则C’_标按线性插值通式2(1+(A-1)h₀/L₁)C’_标/(1+A)计算修正系数；当掺气传感器位于中间层即h₀＝L₁/2时，则C’_标无须修正。

微量通气条件下，气泡群从水浴的底部进入气水两相流场至表部溢出到大气的总时长称为气泡滞留时间。水浴深度一定时，气泡滞留时间不变。

在静水深为L₀的气水两相流场的底部、表部各取一定厚度为δ的薄层，其表部平均压强为大气压强P_A，其底部平均压强为P_A+ρgL₀，在此忽略微量加气后其底部P₁>(P_A+ρgL₀)的微小量值。其中：ρ为水体密度，g为当地重力加速度，P_A由指针式或电子式大气压强计测得。

V_w0、C₀、V₀、Q_m0、Q_v0和V_w1、C₁、V₁、Q_m1、Q_v1分别为或流经该两层区域的水的体积、体积掺气浓度、气泡综合体积、气泡综合质量流量、气泡综合体积流量。

假定任一时刻流经底、表两层的气泡综合质量流量相等，即Q_m0＝Q_m1，或者说前一刻流经底部薄层进入流场区域的综合气体质量Q_m0，在流经流场区域后的某一刻，Q_m1全部流经表部薄层而溢出，流场内没有气泡永久停留或从其它边界出入。假定气水两相流场为等温体，上下层之间没有温差。

根据标准气体状态方程有：(P_A+ρgL₀)/P_A＝Q_v1/Q_v0＝V₁/V₀＝A，当P_A、ρg L₀一定时A为常数，与气体的质量流量Q_m0＝Q_m1的大小无关。

根据体积掺气浓度的定义有：

C₀＝V₀/(V₀+V_w0)

C₁＝V₁/(V₁+V_w1)＝V₀A/(V₀A+V_w1)

其中：V₀+V_w0＝V₁+V_w1﹦V₀A+V_w1，即分层厚度一致或相等。

故此：C₁＝C₀A。

按各层线性分布计，则C_平均＝(C₀+C₁)/2＝C₀(1+A)/2；

可求得：C₀＝2C_平均/(1+A)，C₁＝2AC_平均/(1+A)。

当掺气传感器位于表层时，C’_标按式2AC’_标/(1+A)计修正系数。

当掺气传感器位于表层以下某个深度h₀时(见图2)，C’_标按线性插值通式2(1+(A-1)h₀/L₁)C’_标/(1+A)计算修正系数。

当掺气传感器位于中间层即h₀＝L₁/2时，则C’_标无须修正。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如各种测量设备、传感器的形式、各种公式的运用等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种标定掺气测量设备的方法，所述方法所使用的系统包括：掺气浓度标准源发生装置，所述的掺气浓度标准源发生装置依次与掺气仪、数据采集器、数据处理和显示装置连接；所述的掺气浓度标准源发生装置包括：一上端开口底部封闭的截面形状上下一致的竖置筒，所述竖置筒上端对大气敞开并设置固定测量设施的设备平台，所述竖置筒底部设置一个出气面与竖置筒截面形状相同或接近相同的气泡盘，所述的气泡盘包括盘体和气泡石，所述气泡盘上表面与仪表平台之间设有电子液位计和刻度尺液位计，所述的电子液位计与数据采集器连接，所述气泡盘的进气口与带有流量调控器的压缩空气源连接；其特征在于，所述的方法的步骤如下：

步骤1，根据标定要求连接掺气设备：如果是校正掺气仪则在设备平台上固定至少一个经过校正的掺气传感器，所述经过校正的掺气传感器与被校正的掺气仪连接；如果是校正掺气传感器，则在设备平台上固定至少一个被校正的掺气传感器，所述被校正的掺气传感器与经过校正的掺气仪连接；

步骤2，设置标准静置水体：在水平截面积为S的竖置筒中注入带有盐分的纯净水，形成水平截面上下一致的水体，在静置状态下，通过刻度尺液位计读取静置水体的液位高度为L₀，这时静置水体的体积V_水为：

V_水=L₀×S；

步骤3，开启测量设备：为电子液位计、掺气仪、数据采集器、数据处理和显示装置加电，使各项设备进入测量状态，记录静置水体在各个仪器上显示的数值；将电子液位计与刻度尺液位计的数据进行相互验证；

步骤4，设置标准水气两相流场：开启压缩空气源，依据标定要求调节流量调控器的调控进入气泡盘的压缩空气压力P₁和流量控制不变，因竖置筒顶端与大气P₀的连通作用，空气从气泡盘的整个出气面均匀析出，形成大量气泡，经过5~10秒后，进出水体的空气在压缩空气量保持稳定不变时自动到达动态平衡，在动态平衡状态下水气两相流场的自由液面的液位保持稳态不变，水气两相流场内所包含的气体体积也保持稳态不变，竖置筒内形成均匀的水气两相流场；

步骤5，数据采样：设定测量条件，包括：进气量Q和/或进气量条件的个数k、每个进气量条件下的样本组数n，以及采样时段；调节流量调控器，在每一个进气量条件下，按设定的样本组数和采样时段分别采集掺气浓度数据和动态液位数据；

步骤6，计算掺气量：根据掺气仪显示的掺气量计算各个进气量条件下被测掺气的总时段平均值C’_测，同时计算标准掺气浓度的总时段平均值C’_标，先计算对应于每个掺气量条件下各个采样周期所采集水气两相流场的液位高度L₁所对应标准掺气浓度C_标，C_标的计算公式：

计算C’_标：

；

其中，n为样本个数，是正整数；

步骤7，计算校正系数：以各组标准掺气浓度的总时段平均值C’_标和被测掺气的总时段平均值C’_测为基准，计算被测掺气值和标准掺气值的校正系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的竖置筒中注入的水体高度为竖置筒高度的2/3~3/4。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的水体中的盐分为0.1%~0.5%的NaCI。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中通过设置在平台的温度计对水体的温度进行测量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的步骤6中当掺气传感器位于水气两相流场表层时，所述的C’_标代入2AC’_标/（1+A）计算修正；当掺气传感器位于表层以下深度h₀时，则C’_标代入线性插值通式2（1+（A-1）h₀/L₁）C’_标/（1+A）计算修正；当掺气传感器位于中间层即h₀=L₁/2时，则C’_标无须修正。