CN219179284U - 一种用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于海水淡化设备技术领域，公开了一种用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置，玻璃钢管道内壁的上下端分别安装有上铂电极板和下铂电极板；上铂电极板和下铂电极板均为弧度与玻璃钢管道内壁的弧度相吻合的曲面电极板；上铂电极板上端连接有激励源接入导线和采样信号输出导线；下铂电极板下连接有接地导线。本实用新型整体内嵌于管道，适合于加装至淡化海水的输送管道，在海水的输送过程中完成浓度测量，可以实现对海水淡化效果的实时全域监测，将平行极板改造成曲面电极板，并采用实验研究的方法确定装置的工作点及工作曲线，以确保浓度测量的准确性，通过加装PLC控制装置，实现浓度测量的自动化，更利于实际应用。

Description

一种用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置

技术领域

本实用新型属于海水淡化设备技术领域，尤其涉及一种用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置。

背景技术

水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，其不再只是资源问题，而是关系到国家政治、经济、社会稳定及持续发展的战略问题。鉴于此，海水淡化受到更多的关注，成为世界各国解决水资源短缺问题的重要途径。

另外，移动式海水淡化系统为远航中的舰艇提供淡水补充，也是担负作战任务的海军舰艇、潜艇上非常重要的军事装备。舰艇上的淡水资源是海军的重要战略资源，已经成为保障我国海洋权益以及海外利益不可或缺的因素，同时这也是衡量海军综合战斗力的主要指标。

某型舰船上的舰载海水淡化系统采用RO反渗透海水淡化方法，具有无需加热、能耗少，运行过程连续稳定，设备体积小，对环境不产生污染等优点。但是，与陆地相比，海水移动环境具有空间有限、颠簸不稳等特点，在出水水质检测方面仍存在较大的技术提升空间。此舰船上的海水淡化装置仅在进水前和出水后通过取样粗略测量含盐量，且测量精度不高；同时，管道中间无检测点，出现淡化效果差等问题时只能更换全部滤芯。显然这样的设计难以保证对海水淡化效果实时的、全域的监控。

通过测量电导来反映含盐量是水质监测中的一种常见方法。国内外通常选取电导率为直接测量，本装置测电导与其中平面极板交流激励测量法原理类似。目前常用的电导率测量方法从激励源角度划分为直流测量法和交流测量法。从电极角度划分可分为电极电导率测量法和电磁电导率测量法，电极电导率法具有成本低、易于实现、应用广泛的优点。电极测量法又分为两电极和四电极两种，四电极分别由一对电流电极和一对电压电极构成，目前常用的方法以两电极法为主，按照不同原理又分为平衡点桥法、电阻分压法两种，其中电阻分压法较为简单，通过测量与电导池串联的标准电阻的分压，进而计算出溶液的电导率值，本装置采用相似的方案。

这类仪器在静态环境、规则矩形容器内表现优异。但是，考虑到海水淡化系统的传输管道内海水流速快、杂质多，并且舰艇晃动大、测量环境恶劣，加之舰艇空间有限，使得这类装置的局限性愈发突出。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的盐水浓度测量装置不适用于海水流速快、杂质多的海水淡化系统的传输管道使用。

(2)海水淡化装置仅在进水前和出水后通过取样粗略测量含盐量，且测量精度不高；同时，管道中间无检测点，出现淡化效果差等问题时只能更换全部滤芯，难以保证对海水淡化效果实时的、全域的监控。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置。

本实用新型是这样实现的，一种用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置设置有：

玻璃钢管道；

所述玻璃钢管道内壁的沿轴线对称的两个柱面上分别安装有上铂电极板和下铂电极板；

所述玻璃钢管道通过法兰连接与需要加装位置管道进行连接。一种设计是：所述玻璃钢管道两端设计有螺纹，将所述玻璃钢管道与原海水淡化系统管道先各自固定在一个法兰盘上，然后两个法兰盘之间加上法兰垫，最后用螺栓将两个法兰盘拉紧使其紧密结合起来。除上述螺纹外，也可采用平焊、对焊、承插焊、松套等多种法兰连接方式。

所述上铂电极板和下铂电极板均为弧度与玻璃钢管道内壁的弧度相吻合的曲面电极板；

所述上铂电极板上端连接有激励源接入导线和采样信号输出导线；

所述下铂电极板下连接有接地导线。

进一步，所述激励源接入导线外端连接有可变电阻器，电阻器另一端连接高频交流信号源。

进一步，所述采样信号输出导线外端连接有单相桥式整流器，单相桥式整流器另一端与PLC控制器的模拟量输入端连接，PLC控制器另一端连接显示器。

进一步，所述玻璃钢管道上下端设置有与上铂电极板和下铂电极板连接的极板保护绝缘层。

进一步，所述极板保护绝缘层开设有与上铂电极板和下铂电极板配合的预置凹槽。

进一步，所述上铂电极板和下铂电极板在位于预置凹槽边缘的位置涂设有树脂涂层。

进一步，所述激励源接入导线、采样信号输出导线和接地导线外侧均包裹有绝缘电缆外部保护层。

进一步，所述极板保护绝缘层中间开设有用于穿设导线的预置圆孔，所述预置圆孔与穿设的导线之间填充有UV树脂胶层。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本实用新型所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

本实用新型整体内嵌于管道，特别适合于加装至淡化海水的输送管道，在海水的输送过程中完成浓度测量，可以实现对海水淡化效果的实时全域监测。

本实用新型基于二极板电导测量的浓度测量原理，创造性地将平行极板改造成曲面电极板，并采用实验研究的方法确定装置的工作点及工作曲线，以确保浓度测量的准确性。

本实用新型通过加装PLC控制装置，实现浓度测量的自动化，更利于实际应用。

本实用新型将常见地平行极板改造成可内嵌于管道的曲面电极板，建立了测量系统的等效电路，达到了较高的浓度测量精度。最后还为测量装置加装了PLC控制系统，实现了自动化浓度测量和浓度显示。

本实用新型相比于需要取样后在静水环境下测量的传统装置，可以分布加装在舰载海水淡化系统的进出水口及各中间环节，测量更方便、更准确，对海水淡化效果的监测更全面、更高效，具有较高的应用价值。

本实用新型的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：在军民船舶上的撬装式小型化海水淡化装置中加装此套装置后，一改之前需取水出来检测盐水浓度的现状，检测精度更高，不影响淡化装置正常工作，检测的同时也保证海水正常输送，不受阻碍，生产效率更高。同时，此套装置可以加装在舰载海水淡化系统的进出水口及各中间环节，测量更方便、更准确，对海水淡化效果的监测更全面、更高效，可以有效解决之前多级滤芯同时更换出现的浪费问题，节约成本。为测量装置加装了PLC控制系统，实现了自动化浓度测量和浓度显示，节约人力成本与操作成本。本套装置具有很好的拓展及推广价值。在其他不同原理(反渗透、多效蒸馏)的大型移动式海水淡化工厂和海岸上海水淡化工厂输送水管道上也可以在调整装置规格参数后进行加装。此外，对于化学工业中铜离子浓度检测、农业灌溉过程中磷酸氢二铵和氯化钾等肥液浓度检测相关过程均可加装此套设备。

本实用新型的技术方案填补了国内外业内技术空白：目前常用的两电极交流测量方法中采用的均为平行极板，只能在静水环境和规则容器中进行测量。本实用新型技术方案采用曲面电极板设计，为流动海水实时监测浓度测量提供了技术基础。

本实用新型的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本实用新型的技术方案解决了海水淡化系统中无法实现实时、全域的高精度盐水浓度测量的技术难题。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置的结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的等效电路的电路原理图；

图3是本实用新型实施例提供的等效电路的简化电路原理图；

图4是本实用新型实施例提供的单相桥式整流器的电路原理图；

图5是本实用新型实施例提供的100Hz～5kHz范围内的幅频与相频曲线图；

图6是本实用新型实施例提供的5kHz～20kHz范围内的幅频与相频曲线图；

图7是本实用新型实施例提供的电导测试值与激励信号频率之间的关系曲线；

图8是本实用新型实施例提供的不同激励信号频率时电导测试值与浓度之间的关系曲线；

图9是本实用新型实施例提供的测量装置的工作曲线；

图中：1、玻璃钢管道；2、绝缘电缆外部保护层；3、激励源接入导线；4、采样信号输出导线；5、下铂电极板；6、上铂电极板；7、极板保护绝缘层；8、接地导线。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为了使本领域技术人员充分了解本实用新型如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本实用新型实施例提供的用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置包括玻璃钢管道1、绝缘电缆外部保护层2、激励源接入导线3、采样信号输出导线4、下铂电极板5、上铂电极板6、极板保护绝缘层7、接地导线8。

玻璃钢管道1内径为125mm，外径为140mm，长度为200mm；绝缘电缆外部保护层2材质为绝缘橡胶；激励源接入导线3、采样信号输出导线4分别为接入激励源与输出采样信号的两根绝缘导线；下铂电极板5圆心角为30°，厚度为3mm，居中与管道组合，长度为100mm；上铂电极板6圆心角为30°，厚度为3mm；极板保护绝缘层7材质为玻璃钢。

玻璃钢管道1内壁的上下端分别安装有上铂电极板5和下铂电极板6；上铂电极板5和下铂电极板6均为弧度与玻璃钢管道1内壁的弧度相吻合的曲面电极板；上铂电极板5上端连接有激励源接入导线3和采样信号输出导线4；下铂电极板6下连接有接地导线8。

本实用新型实施例中的激励源接入导线3外端连接有激励源，所述激励源连接有等效电路。

本实用新型实施例中的采样信号输出导线4外端连接有单相桥式整流器，单相桥式整流器另一端与PLC控制器的模拟量输入端连接。

本实用新型实施例中的玻璃钢管道1上下端设置有与上铂电极板5和下铂电极板6连接的极板保护绝缘层7，以保证电流只在极板一侧流出或流入，以减少电极化反应对测量结果的影响。

本实用新型实施例中的极板保护绝缘层7开设有与上铂电极板5和下铂电极板6配合地预置凹槽。所述上铂电极板5和下铂电极板6在位于预置凹槽边缘的位置涂设有树脂涂层，进行绝缘、防水处理。

本实用新型实施例中的激励源接入导线3、采样信号输出导线4和接地导线8外侧均包裹有绝缘电缆外部保护层2。

本实用新型实施例中的极板保护绝缘层7中间开设有用于穿设导线的预置圆孔，所述预置圆孔与穿设的导线之间填充有UV树脂胶层。

本实用新型的工作原理是：

在测量时，外加电源给两极板施加激励信号，在电极表面产生较大的瞬时电流(达到10mA以上)，由于电化学反应，电极表面会产生电极极化和双电层效应；同时电导池导线分布电容也会对电路产生影响，因此综合考虑各方面影响后的测量装置等效电路图一般可如图2所示。

本实用新型实施例中的下极板接地。

其中C₁和Z₁、C₂和Z₂为激励电极反应时电极极化和双电层效应影响的等效电容与等效阻抗，C_p为导线的分布电容，ω是角频率，j为虚数符号，R为待测溶液电阻，R₁为测试电路分压电阻。U₁、U_P和U分别为测试电路分压电阻上的电压、两极板两端电压、待测溶液两端电压。根据电路图可以得到电极之间的等效阻抗R_P为

由于两极板完全相同，其空间位置具有对称性，且使用交流电，因此Z₁＝Z₂＝Z，C₁＝C₂＝C。公式(1)可进一步简化写为：

再考虑R_P与C_P的并联，再与R₁的串联，可得：

由于电化学反应过程无法直接测量，导致实际测试电路中存在未知且随实验条件变化的参数Z、C等，因此实际应用时，应根据等效电路的特点来恰当的设计工作条件，如选择工作频段及外加激励电流大小等，以避开这些未知参量给测量结果带来的影响，确保测试结果的稳定可靠。

给测量装置外加交流信号时，C₁、C₂和R构成的通路为交流电的主要通道。当外加电压不高使得在Z₁、Z₂上的分压并不足以使得法拉第效应发生之前，该通道就以较小的阻抗导通了，因而整个电导池的阻抗主要取决于R；且一般而言C₁与C₂的值远远大于C_p(C₁、C₂为μF级而C_p为pF级)，在高频激励下C₁、C₂容抗很小，可以忽略不计。因此在高频小电压信号的激励下，上述等效电路可进一步简化为如图3所示。

结合C_p的量值，图3所示电路还可在一定条件下进一步简化。如采用MHz级信号进行激励时，可计算C_p数量级在10⁴Ω左右，而这个值已经远大于导电溶液的阻抗，对电路影响可以忽略。因此实际应用时，通过选择满足条件的激励信号频段，还可以认为经过定值电阻R₁的电流等于经过R的电流。此时有：

通过上述原理分析可知，恰当的选择激励信号频率，可以简化测试原理，简化测试数据的处理和结果分析，保证测试精度，因此在本实用新型设计过程中，激励信号频段的选择是很重要的一个环节。

在对极板施加激励电信号后，将极板电压与回路电流采样后经A/D转换输入计算机，可处理快速得到溶液等效电导及对应的溶液浓度，同时还可将数据传输至其他控制装置，实现多个领域的联动控制。

本实用新型提供的曲面极板盐水浓度测量装置在实验室环境下已经过性能测试及有效性验证，可安装用于舰载海水淡化系统使用。

由于等效电路中存在未知且随实验条件变化的参数Z、C等，实验测试中，待测溶液的阻抗实际上是通过U_P、U₁、R₁计算而得，为掌握激励信号频率对测试结果的影响，下面基于图2、根据公式(3)，利用Matlab来对等效电路中极板两端阻抗的幅频特性和相频特性进行仿真分析。

计算方法如下：

根据参考文献中的分布电容等参数的取值，取C₁＝60μF，C_p＝100pF，R＝100Ω，Z＝500MΩ，分别做出在100Hz～5kHz，以及5kHz～20kHz范围内待测溶液阻抗的幅频以及相频特性，即

ΔΦ～f曲线，如图5、6所示，其中f＝ω/2π。

由图5和图6可见，随着激励频率的升高，极板两端等效阻抗趋于稳定，等效电路中未知电容对整个系统的影响较小，极板两端等效阻抗近似为溶液电阻。

由实验室测得的不同激励信号频率时不同浓度溶液的电导测试值，可绘制出电导的测试值与激励信号频率的关系，如图7所示。图中右上角方框内给出了不同浓度的符号示意。

从图7可以看出，频率较低时溶液电导的测试值随频率急剧增大，随激励信号频率的增大，电导测试值趋于稳定，并略有下降。激励信号频率较低时，电极化带来的双电层效应无法忽略，电路中电压与电流不是线性关系。激励信号频率较高时，除浓度极低(0.2％)时以外，其他6种不同浓度均随着频率先增大后略微减小，趋于平稳。总体来说，所有溶液在9～10.5MHz频率区间内趋平，故测量装置的工作点应选择激励信号频率为9.5MHz、电压为10V。

需要说明的是，针对不同电压、不同频率、不同装置模型，导线分布电容、装置内双电层效应电容、以及自有阻抗都不相同，因此，具体工作频率还需要在具体规格装置上进行调试、校准后确定，加装到实际的舰载海水淡化系统上后，按照实验室内相同的办法进行调试即可获得相应的最佳工作点。

绘制出不同激励信号频率下电导的测试值与盐水浓度的关系，如图8所示。图中上方方框内给出了不同激励信号频率的符号示意，单位为MHz。

由图8可见，固定激励信号频率时溶液电导的测试值随浓度基本保持了线性变化关系，但不同频率时电导测试值随浓度的变化率不同。由此说明，如需测出准确的浓度值，则需要在装置确定的工作点处测出电导与浓度的对应关系，这样便可以根据测出的电导值找到对应的浓度值。工作点处测出的电导与浓度的对应关系即为工作曲线。

确定测量装置的工作点选择为激励信号频率9.5MHz、电压幅值为10V。做出在此工作状态时测量装置的工作曲线，如图9所示。

根据图像所显示，确定拟合直线方程为：含盐量c＝(G-0.005)/1.88242g/ml，相关系数R²值为99.319％。

在此工作曲线，选用两种典型溶液对本项目所设置的浓度测量装置的有效性进行验证：溶液A(≈0.9％±0.03％)为市面上购置的生理盐水，溶液B(3.5％)为配置的模拟海水。工作点设置同前。测量结果如表1所示。

表1

计算所得：A溶液浓度的电导值为0.0225±0.0005S，B溶液浓度的电导值为0.0718±0.0022S，所测A溶液浓度为：9.167±0.056g/L，所测B溶液浓度为：3.551±0.226g/L。测试结果表明所设计的浓度测量装置可以较为准确的测出未知盐溶液的浓度。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置，其特征在于，所述用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置设置有：

玻璃钢管道；

所述玻璃钢管道内壁的上下端分别安装有上铂电极板和下铂电极板；

所述上铂电极板和下铂电极板均为弧度与玻璃钢管道内壁的弧度相吻合的曲面电极板；

所述上铂电极板上端连接有激励源接入导线和采样信号输出导线；

所述下铂电极板下连接有接地导线。

2.如权利要求1所述的用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置，其特征在于，所述玻璃钢管道内壁的沿轴线对称的两个柱面上分别安装有上铂电极板和下铂电极板；

所述玻璃钢管道通过法兰连接与需要加装位置管道进行连接，所述玻璃钢管道两端设计有用于连接的螺纹；也可采用平焊、对焊、承插焊、松套法兰多种连接方式。

3.如权利要求1所述的用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置，其特征在于，所述激励源接入导线外端连接有激励源，所述激励源连接有等效电路，等效电路设置有两组等效阻抗电路，两组等效阻抗电路之间连接有待测溶液电阻R，其中一组等效阻抗电路外端连接有测试电路分压电阻R1，两组等效阻抗电路并联有分布电容Cp。

4.如权利要求3所述的用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置，其特征在于，所述等效电路设置有测试电路分压电阻R1和与测试电路分压电阻R1串联连接地待测溶液电阻R和分布电容Cp，所述待测溶液电阻R和分布电容Cp并联连接。

5.如权利要求1所述的用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置，其特征在于，所述采样信号输出导线外端连接有单相桥式整流器，单相桥式整流器另一端与PLC控制器的模拟量输入端连接。

6.如权利要求1所述的用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置，其特征在于，所述玻璃钢管道上下端设置有与上铂电极板和下铂电极板连接的极板保护绝缘层。

7.如权利要求6所述的用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置，其特征在于，所述极板保护绝缘层开设有与上铂电极板和下铂电极板配合的预置凹槽。

8.如权利要求7所述的用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置，其特征在于，所述上铂电极板和下铂电极板在位于预置凹槽边缘的位置涂设有树脂涂层。

9.如权利要求1所述的用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置，其特征在于，所述激励源接入导线、采样信号输出导线和接地导线外侧均包裹有绝缘电缆外部保护层。

10.如权利要求6所述的用于舰载海水淡化系统的曲面极板盐水浓度测量装置，其特征在于，所述极板保护绝缘层中间开设有用于穿设导线的预置圆孔，所述预置圆孔与穿设的导线之间填充有UV树脂胶层。

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