一種氣液兩相流中微氣泡體積濃度測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣液兩相流中微氣泡體積濃度測量裝置，具體涉及溶氣氣浮池內(nèi)微氣泡體積濃度的測量。
【背景技術(shù)】
[0002]溶氣氣浮技術(shù)(DAF)是一種固液分離技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。在溶氣過程中，空氣和水在加壓條件下形成溶氣水，當(dāng)壓力突然降低時(shí)以微氣泡形式釋放出來。隨著第三代DAF-紊流DAF的開發(fā)，使得人們對(duì)氣浮池內(nèi)的流型更加重視。氣浮池內(nèi)流型主要與水力負(fù)荷、氣泡性質(zhì)(微氣泡尺寸、微氣泡體積濃度)和氣浮池結(jié)構(gòu)有關(guān)。其中氣泡性質(zhì)，特別是微氣泡體積濃度與氣浮池內(nèi)的分層流(stratified flow)以及密度流有很大關(guān)系。因此精確有效地測量微氣泡體積濃度將有利于人們對(duì)氣浮池流型的深入認(rèn)識(shí)。
[0003]目前氣泡體積濃度(或含氣率)的測量方法主要有:壓差法、電導(dǎo)法、光纖法和圖像法等。壓差法基于測量處有無氣相條件下的壓力變化來估計(jì)氣泡體積濃度，這種方法只適用于平均氣泡體積濃度的測量，而無法進(jìn)行局部氣泡體積濃度的測量，并且不適用于在低氣含率條件測量。電導(dǎo)法是基于氣相與液相的電導(dǎo)差異來估計(jì)氣泡體積濃度的。電導(dǎo)法根據(jù)電導(dǎo)探頭不同，主要分成探針式(如劉明言等人和Safoniuk等人采用的方法)和環(huán)式(Karapants1s等人采用的方法)。光纖法主要是根據(jù)氣相與液相對(duì)光的散射強(qiáng)度差異來估計(jì)氣泡的體積濃度，如Liang等人(1995)所采用的方法。傳統(tǒng)的電導(dǎo)法和光纖法的主要缺點(diǎn)是對(duì)測量探頭尺寸的限制，氣泡尺寸檢測下限一般大于1mm，因此不適合微氣泡的情況。圖像法是基于氣泡的輪廓來估計(jì)氣泡尺寸的，在假設(shè)氣泡形狀是一種規(guī)則而穩(wěn)定的形狀條件下來估計(jì)氣泡體積濃度。圖像法的主要缺點(diǎn)是重疊氣泡會(huì)影響檢測精度。此外重疊氣泡識(shí)別將會(huì)增大測量計(jì)算時(shí)間。綜上，傳統(tǒng)氣泡體積濃度測量方法無法滿足氣液兩相流中微氣泡尺寸的測量，特別是微氣泡尺寸小于100 μ m，氣泡數(shù)量濃度大(易形成氣泡重疊)的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種氣液兩相流中微氣泡體積濃度測量裝置，即測量是基于超聲波空化作用加速微氣泡聚并成大氣泡(氣泡直徑大于3_以上)，并以氣柱的形態(tài)通過直徑較小的測量管，從而大大提高電導(dǎo)探針的檢測精度。根據(jù)氣體與液體接觸測量管內(nèi)電導(dǎo)探針時(shí)所產(chǎn)生電壓差異來估計(jì)采樣點(diǎn)處微氣泡的體積濃度，達(dá)到快速檢測的目的。該方法可以克服以往傳統(tǒng)方法在測量微氣泡體濃度上的局限性，具有快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明提供了一種微氣泡體積濃度測量裝置，包括采樣管(I)、超聲裝置(2)、蠕動(dòng)泵(3)、電導(dǎo)測量系統(tǒng)(4)、測量管(5)和分析軟件，其測量原理是基于超聲波空化作用加速微氣泡聚并成大氣泡，并以氣柱的形態(tài)通過測量管(4)，根據(jù)氣體與液體接觸電導(dǎo)探針
(51)時(shí)所產(chǎn)生的電壓差異來估計(jì)采樣點(diǎn)處微氣泡的體積濃度。
[0006]上述采樣管(I) 一端置于氣液兩相流的采樣點(diǎn)處，另一端與測量管(5)連接，采樣管路的一部分置于超聲裝置(2)內(nèi)。
[0007]上述超聲裝置(2)由超聲波能換器(21)，超聲波電源(22)和不銹鋼水槽(23)構(gòu)成；超聲波能換器(21)安裝在不銹鋼水槽(23)底部，超聲波電源(22)的發(fā)生頻率應(yīng)大于28KHz ;采樣管路在不銹鋼水槽(23)內(nèi)的水力停留時(shí)間應(yīng)大于5s。
[0008]上述電導(dǎo)測量系統(tǒng)(4)由電導(dǎo)探針(41)、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器(42)，直流電源(43)，可調(diào)電阻(44)、信號(hào)調(diào)理模塊(45)、數(shù)據(jù)采集卡(46)和電腦(47)組成；電導(dǎo)探針(41)采用金屬材質(zhì)(如不銹鋼)，直徑小于0.5mm,電導(dǎo)探針(41)表面除針尖外均涂有耐濕絕緣涂層(如環(huán)氧樹脂類)，兩根電導(dǎo)探針(41)與可調(diào)電阻(0-1ΜΩ)(44)串聯(lián)；數(shù)字發(fā)生器
(42)由直流電源(43)提供穩(wěn)定電壓，產(chǎn)生幅值(1-5V)、波型(如正弦波和鋸齒波)和頻率(20-5000Ηζ)均穩(wěn)定的信號(hào)，并加在電導(dǎo)探針(41)與可調(diào)電阻(44)兩端；兩根信號(hào)線(Α+，A-)的一端分別連接在數(shù)字發(fā)生器(42)的兩端，另一端連接在信號(hào)調(diào)理模塊(45)上；另兩根信號(hào)線(B+，B-)的一端分別連接在兩根電導(dǎo)探針(41)上，另一端連接在信號(hào)調(diào)理模塊
(45)上；數(shù)據(jù)采集卡(46)輸出端與電腦(47)連接，具有兩路數(shù)據(jù)采集功能，輸入端與信號(hào)調(diào)理模塊(45)連接。
[0009]上述測量管(5)的截面積為0.5-4mm2,電導(dǎo)探針(41)從管壁插入到管中心處，測量管(5)的一端與采樣管(I)連接，另一端與蠕動(dòng)泵(3)連接。
[0010]上述蠕動(dòng)泵(3)用于控制采樣速度。
[0011]上述分析軟件的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)采集的兩路信號(hào)(探針電壓信號(hào)與數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的參考信號(hào))，基于乘法器原理和低通濾波器得到電導(dǎo)測量信號(hào)，根據(jù)氣體與液體接觸測量管(5)內(nèi)電導(dǎo)探針(41)所產(chǎn)生電壓差異(即氣體與液體代表兩個(gè)不同電壓水平)對(duì)電導(dǎo)測量信號(hào)進(jìn)行二值化，最后通過計(jì)算氣體產(chǎn)生電壓的積累時(shí)間占總測量時(shí)間比來估計(jì)氣泡體積濃度。
【附圖說明】
[0012]圖1氣液兩相流中微氣泡體積濃度測量裝置示意圖
[0013]圖2電導(dǎo)測量電路示意圖
[0014]圖3測量管示意圖
[0015]圖4電導(dǎo)信號(hào)處理示意圖
[0016]具體實(shí)施方法
[0017]以下列舉I個(gè)實(shí)施例用于說明本發(fā)明的效果，但本發(fā)明的要求范圍并非僅限于此。
[0018]如圖1，本發(fā)明提供了一種微氣泡體積濃度測量裝置，包括采樣管(I)、超聲裝置
(2)、蠕動(dòng)泵(3)、電導(dǎo)測量系統(tǒng)(4)、測量管(5)和分析軟件，其測量原理是基于超聲波空化作用加速微氣泡聚并成大氣泡，并以氣柱的形態(tài)通過測量管(4)，根據(jù)氣體與液體接觸電導(dǎo)探針(51)時(shí)所產(chǎn)生的電壓差異來估計(jì)采樣點(diǎn)處微氣泡的體積濃度。
[0019]采樣管(I) 一端置于氣液兩相流的采樣點(diǎn)處，另一端與測量管(5)連接，采樣管路的一部分置于超聲裝置(2)內(nèi)。
[0020]超聲裝置(2)由超聲波能換器(21)，超聲波電源(22)和不銹鋼水槽(23)構(gòu)成；超聲波能換器(21)安裝在不銹鋼水槽(23)底部，超聲波電源(22)的發(fā)生頻率應(yīng)大于28KHz ；采樣管路在不銹鋼水槽(23)內(nèi)的水力停留時(shí)間應(yīng)大于5s。
[0021]電導(dǎo)測量系統(tǒng)(4)由電導(dǎo)探針(41)、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器(42)，直流電源(43)，可調(diào)電阻(44)、信號(hào)調(diào)理模塊(45)、數(shù)據(jù)采集卡(46)和電腦(47)組成；電導(dǎo)探針(41)采用金屬材質(zhì)(如不銹鋼)，直徑小于0.5mm,電導(dǎo)探針(41)表面除針尖外均涂有耐濕絕緣涂層(如環(huán)氧樹脂類)，兩根電導(dǎo)探針(41)與可調(diào)電阻(0-1ΜΩ) (44)串聯(lián)。
[0022]數(shù)字發(fā)生器(42)由直流電源(43)提供穩(wěn)定電壓，產(chǎn)生幅值(1-5V)、波型(如正弦波和鋸齒波)和頻率(20-5000HZ)均穩(wěn)定的信號(hào)，并加在電導(dǎo)探針(41)與可調(diào)電阻(44)兩端。
[0023]兩根信號(hào)線(A+，A-)的一端分別連接在數(shù)字發(fā)生器(42)的兩端，另一端連接在信號(hào)調(diào)理模塊(45)上，從而得到參考信號(hào)；另兩根信號(hào)線(B+，B-)的一端分別連接在兩根電導(dǎo)探針(41)上，另一端連接在信號(hào)調(diào)理模塊(45)上，從而得到電導(dǎo)電壓信號(hào)。
[0024]數(shù)據(jù)采集卡(46)輸出端與電腦(47)連接，具有兩路數(shù)據(jù)采集功能，輸入端與信號(hào)調(diào)理模塊(45)連接。
[0025]測量管(5)的截面積為0.5-4_2，電導(dǎo)探針(41)從管壁插入到管中心處，測量管
(5)的一端與采樣管(I)連接，另一端與蠕動(dòng)泵(3)連接。
[0026]蠕動(dòng)泵(3)用于控制采樣速度。
[0027]分析軟件的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)采集的兩路信號(hào)(探針電壓信號(hào)與數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的參考信號(hào))，基于乘法器原理和低通濾波器得到電導(dǎo)測量信號(hào)，根據(jù)氣體與液體接觸測量管(5)內(nèi)電導(dǎo)探針(41)所產(chǎn)生電壓差異(即氣體與液體代表兩個(gè)不同電壓水平)對(duì)電導(dǎo)測量信號(hào)進(jìn)行二值化，最后通過計(jì)算氣體產(chǎn)生電壓的積累時(shí)間占總測量時(shí)間比來估計(jì)氣泡體積濃度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微氣泡體積濃度測量裝置，包括采樣管(I)、超聲裝置(2)、蠕動(dòng)泵(3)、電導(dǎo)測量系統(tǒng)(4)、測量管(5)和分析軟件，其特征在于:其測量原理是基于超聲波空化作用加速微氣泡聚并成大氣泡，并以氣柱的形態(tài)通過測量管(4)，根據(jù)氣體與液體接觸電導(dǎo)探針(51)時(shí)所產(chǎn)生的電壓差異來估計(jì)采樣點(diǎn)處微氣泡的體積濃度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，采樣管(I)一端置于氣液兩相流的采樣點(diǎn)處，另一端與測量管(5)連接，采樣管路的一部分置于超聲裝置(2)內(nèi)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，超聲裝置(2)由超聲波能換器(21)，超聲波電源(22)和不銹鋼水槽(23)構(gòu)成；超聲波能換器(21)安裝在不銹鋼水槽(23)底部，超聲波電源(22)的發(fā)生頻率應(yīng)大于28KHz ;采樣管路在不銹鋼水槽(23)內(nèi)的水力停留時(shí)間應(yīng)大于5s。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，電導(dǎo)測量系統(tǒng)(4)由電導(dǎo)探針(41)、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器(42)，直流電源(43)，可調(diào)電阻(44)、信號(hào)調(diào)理模塊(45)、數(shù)據(jù)采集卡(46)和電腦(47)組成；電導(dǎo)探針(41)采用金屬材質(zhì)，直徑小于0.5mm,電導(dǎo)探針(41)表面除針尖外均涂有耐濕絕緣涂層，兩根電導(dǎo)探針(41)與可調(diào)電阻(44)串聯(lián)；數(shù)字發(fā)生器(42)由直流電源(43)提供穩(wěn)定電壓，產(chǎn)生幅值、波型和頻率均穩(wěn)定的信號(hào)，并加在電導(dǎo)探針(41)與可調(diào)電阻(44)兩端；兩根信號(hào)線(A+，A_)的一端分別連接在數(shù)字發(fā)生器(42)的兩端，另一端連接在信號(hào)調(diào)理模塊(45)上；另兩根信號(hào)線的一端分別連接在兩根電導(dǎo)探針(41)上，另一端連接在信號(hào)調(diào)理模塊(45)上；數(shù)據(jù)采集卡(46)輸出端與電腦(47)連接，具有兩路數(shù)據(jù)采集功能，輸入端與信號(hào)調(diào)理模塊(45)連接。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，測量管(5)的截面積為0.5-4mm2,電導(dǎo)探針(41)從管壁插入到管中心處，測量管(5)的一端與采樣管(I)連接，另一端與蠕動(dòng)泵⑶連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，蠕動(dòng)泵(3)用于控制采樣速度。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，分析軟件的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)采集得到探針電壓信號(hào)與數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的參考信號(hào)，基于乘法器原理和低通濾波器得到電導(dǎo)測量信號(hào)，根據(jù)氣體與液體接觸測量管(5)內(nèi)電導(dǎo)探針(41)所產(chǎn)生電壓差異，對(duì)電導(dǎo)測量信號(hào)進(jìn)行二值化，最后通過計(jì)算氣體產(chǎn)生電壓的積累時(shí)間占總測量時(shí)間比來估計(jì)氣泡體積濃度。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種微氣泡體積濃度測量裝置，用于測量氣液兩相流中微氣泡體積濃度。該裝置包括采樣管、超聲裝置、蠕動(dòng)泵、電導(dǎo)測量系統(tǒng)、測量管和分析軟件。該裝置的測量原理是基于超聲波的空化作用加速微氣泡聚并成大氣泡，并以氣柱的形態(tài)通過測量管，根據(jù)氣體與液體接觸電導(dǎo)探針時(shí)所產(chǎn)生的電壓差異來估計(jì)采樣點(diǎn)處微氣泡的體積濃度。本發(fā)明具有快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G01N27/60
【公開號(hào)】CN105092684
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410527918
【發(fā)明人】張文暉, 張盆, 楊冰, 謝晶磊, 劉佩
【申請(qǐng)人】天津科技大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2014年10月9日