CN116660324A - 一种设置标准掺气环境的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设置标准掺气环境的装置，包括：一上端开口底部封闭的截面形状上下一致的竖置筒，所述竖置筒上端设置带有透气孔用于固定测量设施的平台，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，所述气泡盘上表面与仪表平台之间设有液位计，所述气泡盘的进气口与带有流量调控器的压力气源连接。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、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，浮子液位计的引用大大提高了动态液位的计量精度。

Description

一种设置标准掺气环境的装置

技术领域

本发明涉及一种设置标准掺气环境的装置，是一种水测量装置，是一种用于对水中掺气浓度进行测量的设备进行标定的装置。

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，本发明提出了一种设置标准掺气环境的装置。所述的装置采用水流静止的圆筒形容器，底部均匀的释放出气泡，构成简单、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，并可溯源于基本长度参数。所述的装置可供各种体积掺气浓度测量仪或传感器校准之用。

本发明的目的是这样实现的：一种设置标准掺气环境的装置，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平台之间设有液位计，所述气泡盘的进气口与带有流量调控器的压力气源连接。

进一步的，所述的竖置筒为圆筒。

进一步的，所述的圆筒由透明材质构成。

进一步的，所述的圆筒外壁竖置一刻度尺，所述刻度尺的零读数的起点为气泡盘上表面。

进一步的，所述的平台上设有测量水温的温度传感器。

进一步的，所述的平台上设有至少两个标准掺气传感器和至少一个被测掺气传感器安装位。

进一步的，所述的液位计是杆式浮子液位计。

进一步的，所述的流量调控器是串联连接的调压阀和平衡阀。

进一步的，所述的平台通过支架安装在竖置筒的顶端。

进一步的，所述的平台作为盖子盖在竖置筒的顶端，所述的盖子上设有透气孔。

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、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，并溯源至基本测量单位，形成统一精确的测量基础。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、压力有一定系，需要时也可进行精确修正。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，一方面固定被校准的仪器或传感器，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、四、七、九所述装置结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种设置标准掺气环境的装置，如图1所示。本实施例包括：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1，所述竖置筒上端对大气敞开并设置固定测量设施的平台2，所述竖置筒底部设置一个出气面301与竖置筒截面形状相同或接近相同的气泡盘3，所述的气泡盘包括盘体302和气泡石303，所述气泡盘上表面与平台之间设有液位计8，所述气泡盘的进气口与带有流量调控器4的压力气源5连接。

本实施例提出了一种简单易得稳定可靠动态均匀的标准体积掺气浓度源物质发生装置，并可溯源于基本长度参数，用以对各种体积掺气浓度测量仪或掺气传感器校准之用。

本实施例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6，如图1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测量基础。

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长度单位计量：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。

竖置筒中注入纯净水，水体的高度为竖置筒高度的2/3~3/4，对应标准掺气浓度上限约为20%~30%。为增加导电性，在水体中添加0.1~0.5%的盐分（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。

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、掺气传感器，将这些设施固定，以便进行精确测量。为使竖置筒顶端与大气联通，可以在竖置筒与平台之间设置一个支架，使平台与竖置筒顶端维持一小段距离，使空气能够自由的进出竖置筒。也可以在平台上开足够空气流动的孔，这样就可以直接将平台盖在竖置筒顶端。

本实施例所述的液位计可以有多种形式，可以采用浮子液位计、刻度尺、电容丝液位计、激光扫描液位计等，或者使用几种形式的液位计结合测量，用获取的数值互相印证，例如，将浮子液位计与刻度尺结合等。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浮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。

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，使水平面上的气泡分布均匀。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气泡分布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）的分布也是均匀的，这样在竖直水体的水平和竖直方向空气（气泡）分布都是均匀，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。

本实施例所述的压力气源可以是空气压缩机，或实验室提供的压缩空气气源。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。

本实施例所述的流量调节器可以采用串联连接的限流阀和平衡控制阀，用以控制进入气泡盘的气压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由限流阀和平衡阀控制不变，自由液面（图1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。

如果对标定要求较高，应当考虑环境大气压和水深的影响。可以使用气压计对测量时的大气压进行精密测量，并通过计算修正值的方式消除环境大气压和水深的影响，使掺气浓度的测量更加精确。

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%。

应用本实施例所述装置进行掺气仪和掺气传感器标定的方法：

在竖置筒内注入干净的淡水，最好是纯净水，水位的高度大约为竖置筒的2/3，将气源与流量调节器连接，并在平台上安装经过标定的掺气传感器和/或被标定掺气传感器，以及温度计。

掺气传感器可以有多种形式：测量电极分平片式电极、环片式电极和针式电极，平片式电极又包含平行相对式和平行展开式电极，环片状电极包含管式内双环和杆式外双环电极。

液位计信号、被校准掺气传感器（电极）信号、被校准的掺气浓度仪信号等，经专门设置的仪器接口分别接入动态数据采集系统，测试数据由后续的计算机控制采集与处理。

启动被校准的掺气浓度仪、计算机和动态数据采集系统等，预先设定好同一个采样或积分时段。启动作为气源的空气压缩机调节流量调控器的限流阀和平衡阀确定好某一进气量。一般5~10秒内，待竖置筒内进出气达到动态平衡自由液面保持稳定后，同步启动被校准掺气浓度仪和/或动态数据采集系统按前述设定的积分时间并行采样。每一个进气量条件下，分别采集3组掺气浓度数据和动态液位数据，并各自进行数值平均。

调节限流阀和平衡阀进入下一个进气量条件设定，可重复多次上述操作。计算各个进气量条件下3个数据样本的标准体积掺气浓度的分段平均值C_标和掺气浓度仪读取数据的分段平均值C_测，标准体积掺气浓度C_标根据公式：C_标=(L₁－L₀)/L₁×100%计算。以各组标准体积掺气浓度的总时段平均值C’_标和掺气浓度仪读取数据的总时段平均值C’_测为基准，计算被校验掺气浓度仪或掺气浓度传感器读数值的校正系数。

实施例二：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于竖置筒的细化，本实施例所述的竖置筒为圆筒。

圆筒是管材，是一种最便宜的型材，更加重要的是能够与市售的圆盘形气泡盘吻合形成，形成底部全面积释放空气的底盘，以此得到成本最低的结构形式。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于圆筒的细化，本实施例所述的圆筒由透明材质构成。

透明材质可以是玻璃或有机玻璃，而有机玻璃管材是最便宜的透明型材。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于圆筒外壁的细化，本实施例所述的圆筒外壁竖置一刻度尺7，如图1所示，所述刻度尺的零读数的起点为气泡盘上表面。

刻度尺可以在透明的圆筒上直接雕刻出，也可以在圆筒外壁上安装钢板尺或木尺，作为基本测量体系的溯源。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于平台的细化，本实施例所述的平台上设有测量水温的温度传感器。

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

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于平台的细化，本实施例所述的平台上设有至少两个掺气传感器安装位。

平台专门用于安装各种传感器或测量仪器。为了能够对掺气仪或掺气传感器进行校准，需要有一个标准的环境，在这个标准的环境中，在任何位置安装的掺气传感器所测出的掺气值应当是相等的，或者是通过确定函数关系得出，因此，本实施例在平台上设置了多个传感器安装位，以便能够安装几个掺气传感器。能够这样安装的前提是，本实施例所述的竖置筒提供了均匀的水气两相流场，在这个流场中的任何水平截面上进行的测量是一致的，因此，只要掺气传感器所安装的深度一致，在各个测量位都能够获得准确、一致的测量值。即便安装的深度不一致，也能够通过修正获得一致的结果。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于液位计的细化，本实施例所述的液位计是杆式浮子液位计8，如图1所示。

所述的杆式浮子液位计是一种利用浮子在标准的竖杆上下滑动的传感器，这种传感器能够十分精确的测量水气两相流的液位高度，其测量的单位是长度，可以与刻度直尺相比较，溯源至基本测量单位。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于流量调控器的细化，本实施例所述的流量调控器是串联连接的限流阀和平衡阀。

本实施例所述的流量调控器的作用是，提供流量稳定的气源，并且气源的流量可以调整至某一数值。因此本实施例采用了限流阀和平衡阀串联连接的方式，限流阀调节输出气体的流量。这一流量可以在一定范围内调节。平衡阀则用于自动平衡气源的压力和流量，使供气过程中，一旦调节了一个流量，就一直维持这个流量压力，避免流量的波动。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于平台的细化，本实施例所述的平台通过支架201安装在竖置筒的顶端。

本实施例所述的支架有多种形式，可以是几根竖直杆，杆的底部为台阶形，稳固的插在竖置筒的顶端边缘上，保证平台上的各种传感器的稳固，如图1所示，各个杆之间有足够的空间通过空气，使竖置筒中的水体形成自由液面。

实施例十：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于平台的细化，本实施例所述的平台作为盖子盖在竖置筒的顶端，所述的盖子上设有透气孔。

本实施例所述的盖子的形状与竖置筒顶端的水平截面形状相同，并在盖子的外圆面设置台阶，使盖子能够稳固盖在竖置筒上，保证各种传感器的稳固，同时盖子上的透气孔能够透过足够量的空气，使竖置筒中的水体形成自由液面。

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 (10)

1.一种设置标准掺气环境的装置，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平台，其特征在于，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平台之间设有液位计，所述气泡盘的进气口与带有流量调控器的压力气源连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的竖置筒为圆筒。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的圆筒由透明材质构成。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的圆筒外壁竖置一刻度尺，所述刻度尺的零读数的起点为气泡盘上表面。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的平台上设有测量水温的温度传感器。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的平台上设有至少两个掺气传感器安装位。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的液位计是杆式浮子液位计。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的流量调控器是串联连接的限流阀和平衡阀。

9.根据权利要求1-8之一所述的装置，其特征在于，所述的平台通过支架安装在竖置筒的顶端。

10.根据权利要求1-8之一所述的装置，其特征在于，所述的平台作为盖子盖在竖置筒的顶端，所述的盖子上设有透气孔。