申请/专利权人：江苏省水利科学研究院

申请日：2018-08-08

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN108801844B

主分类号：G01N7/00

分类号：G01N7/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2018.12.07#实质审查的生效;2018.11.13#公开

摘要：本发明公开了一种掺气浓度测量装置，包括进流系统、气液分离系统、测流系统和测气系统；进流系统用以隔离被测对象水体与环境中的大气，包括泄水陡槽和海绵挡板，海绵挡板设置在泄水陡槽的上方。气液分离系统用以分离被测对象水体的水相和气相，包括气液分离箱、消能栅格、溢流挡板，消能栅格和溢流挡板均固定在气液分离箱内部下方，溢流挡板位于消能栅格下游；气液分离箱上设有入口、出气口和出水口，泄水陡槽与入口连通，测流系统与出水口连通，测气系统与出气口连通。本发明还公开一种掺气浓度测量方法，将掺气水流中水和气相分离，并分别测量不同分离相的体积或流量，准确计算掺气水流的平均掺气浓度，解决掺气水流平均掺气浓度测量的难题。

主权项：1.一种掺气浓度测量装置，其特征在于，所述掺气浓度测量装置包括进流系统、气液分离系统、测流系统和测气系统；所述进流系统包括泄水陡槽和海绵挡板，所述海绵挡板设置在所述泄水陡槽的上方；所述气液分离系统包括气液分离箱、消能栅格、溢流挡板，所述消能栅格和溢流挡板均固定在所述气液分离箱内部下方，所述溢流挡板位于所述消能栅格下游；所述气液分离箱上设置有入口、出气口和出水口，所述泄水陡槽与所述入口连通，所述测流系统与所述出水口连通，所述测气系统与所述出气口连通；所述海绵挡板前后间隔设置两道，第一道所述海绵挡板用于拦截进流水体携带的流动气体，第二道所述海绵挡板可隔断下游气体回溯；所述消能栅格设置有多个，所述消能栅格的表面均布若干通孔，所述消能栅格竖向、间隔设置；所述溢流挡板包括横板与溢流板，所述横板水平固定在所述溢流板迎水面的上部，所述溢流板固定在所述气液分离箱的底面，所述溢流板的上游面为纵横栅格腔室；所述测流系统包括依次连接的竖井进口、竖井、观察窗口、水平管道，所述竖井进口为漏斗状，所述观察窗口为透明材质；所述测流系统还包括水气分离栅格、流量计和水阀，所述水气分离栅格垂直于竖井轴线、间隔设置在所述竖井内，所述流量计设置在所述水平管道的下游部位，所述水阀设置在所述水平管道的末端，位于所述流量计下游；所述测气系统包括与所述气液分离系统连通的第一排气管和第二排气管，活动接口、密闭气囊、气阀、调节阀，所述密闭气囊通过所述活动接口与所述第一排气管的管口连接，所述密闭气囊适应气体体积自由伸缩；所述气阀设置在所述第一排气管的管口与所述活动接口之间，所述调节阀设置在所述第二排气管端部。

全文数据：_种掺气浓度测量装置及方法技术领域[0001]本发明涉及水利水电工程技术领域，具体涉及一种掺气浓度测量装置及方法。背景技术[0002]水流掺气现象广泛存在于各种泄水建筑物中：对于高水头、长流程的溢洪道或泄洪洞，高速水流会导致泄槽结构空化空蚀破坏，工程上往往采用掺气措施来减免泄槽空化空蚀;此外，水流表面也有自掺气的发生;竖井管道中水流湍急、紊动剧烈也会挟入空气，携气现象更加复杂。因此，水流掺气一直是多相流体力学研究中的重要课题，水流掺气浓度是研究中非常重要的参数之一，准确测得水流掺气浓度极为关键。[0003]关于水流掺气浓度的测量大多是通过模型试验的方法来进行。水流掺气浓度为掺气水流中气体的体积占水气混合体体积的比值，若以Va表示掺气水流中气体的体积，Vw表示掺气水流中水的体积，则掺气浓度C可表示为：[0004][0005]但是，在实际测量中，往往不能准确得到气体体积¥3和水的体积Vw，使得掺气浓度C的计算具有很大误差。[0006]目前，在水力学实验室研究中通常借助掺气浓度仪来测定水流的掺气浓度，通过这种方式可得到水槽中单点水体的掺气浓度。掺气浓度仪主要由传感器、主机和导线组成，通过对水气两相流和清水两种状态下电极间电阻进行测量来换算得到掺气浓度，然而，水体电阻的变化也会受到水温、水质、含沙量等因素影响，因此，这种方法的测量精度不高。发明内容[0007]本发明实施例的目的在于提供一种掺气浓度测量装置及方法，用以解决现有掺气浓度测量方法精准度不高的问题。[0008]为实现上述目的，本发明实施例提供一种掺气浓度测量装置，所述掺气浓度测量装置包括进流系统、气液分离系统、测流系统和测气系统;所述进流系统包括泄水陡槽和海绵挡板，所述海绵挡板设置在所述泄水陡槽的上方;所述气液分离系统包括气液分离箱、消能栅格、溢流挡板，所述消能栅格和溢流挡板均固定在所述气液分离箱内部下方，所述溢流挡板位于所述消能栅格下游;所述气液分离箱上设置有入口、出气口和出水口，所述泄水陡槽与所述入口连通，所述测流系统与所述出水口连通，所述测气系统与所述出气口连通。[0009]优选地，所述消能栅格设置有多个，所述消能栅格的表面均布若干通孔，所述消能栅格竖向、间隔设置。[0010]优选地，所述溢流挡板包括横板与溢流板，所述横板水平固定在所述溢流板迎水面的上部，所述溢流板固定在所述气液分离箱的底面，所述溢流板的上游面为纵横栅格腔室。[0011]优选地，所述测流系统包括依次连接的竖井进口、竖井、观察窗口、水平管道，所述竖井进口为漏斗状，所述观察窗口为透明材质;所述测流系统还包括水气分离栅格、流量计和水阀，所述水气分离栅格垂直于竖井轴线、间隔设置在所述竖井内，所述流量计设置在所述水平管道的下游部位，所述水阀设置在所述水平管道的末端，位于所述流量计下游。[0012]优选地，所述测气系统包括与所述气液分离系统连通的第一排气管和第二排气管，活动接口、密闭气囊、气阀、调节阀，所述密闭气囊通过所述活动接口与所述第一排气管的管口连接，所述密闭气囊适应气体体积自由伸缩;所述气阀设置在所述第一排气管的管口与所述活动接口之间，所述调节阀设置在所述第二排气管端部。[0013]本发明实施例还提供一种掺气浓度测量方法，具体包括以下步骤：向所述泄水陡槽引入水流，调节所述海绵挡板的高度，使其底面与水面接触;水流流入所述气液分离箱，通过所述消能栅格消能，从所述溢流挡板上部溢出，实现气液分离；当水流稳定后，通过所述测流系统测得单位时间内的液体体积，同时，通过所述测气系统测得气体体积，依据掺气浓度的定义计算得出平均掺气浓度。[00M]本发明实施例具有如下优点：[0015]本发明实施例提供的一种掺气浓度测量装置，包括进流系统、气液分离系统、测流系统和测气系统。其中，进流系统包括泄水陡槽和海绵挡板，在测量过程中可形成液封，减少次生水流的干扰，减少测量误差。气液分离系统包括气液分离箱、消能栅格、溢流挡板，集消能、集气、溢流功能于一体，使得掺气水流中气体液体完全分离，提高测量精度。泄水陡槽与气液分离箱的入口连通，测流系统与气液分离箱的出水口连通，测气系统与气液分离箱出气口连通。测流系统与测气系统分别测量出液相与气相的体积，经过公式计算即可得到掺气浓度，基于该掺气浓度测量装置的测量方法原理简单、操作方便，测量方法直接。附图说明[0016]图1为本发明实施例1提供的掺气浓度测量装置的纵截面图。[0017]图2为本发明实施例1提供的掺气浓度测量装置的横截面图。。[0018]图3为本发明实施例1提供的掺气浓度测量方法的流程图。[0019]图4为本发明实施例1提供的掺气浓度测量方法的部分流程图。[0020]其中，1-泄水陡槽、2-海绵挡板、3-气液分离箱、4-消能栅格、5-溢流挡板、6-竖井进口、7-竖井、8-观察窗口、9-水平管道、10-水气分离栅格、11-流量计、12-水阀、13-第一排气管、14-活动接口、15-密闭气囊、16-气阀、17-第二排气管、18-调节阀。具体实施方式[0021]以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。[0022]实施例1[0023]如图1、图2所示，本实施例提供的掺气浓度测量装置包括进流系统、气液分离系统、测流系统和测气系统。[0024]进流系统包括泄水陡槽1和海绵挡板2,海绵挡板2设置在泄水陡槽1的上方，海绵挡板2上下高度可调。在测量过程中，调整海绵挡板2的高度，使其底部与实验水体水面刚好接触，形成液封。通常海绵挡板2前后间隔设置两道:第一道海绵挡板用于拦截进流水体携带的流动气体，第二道海绵挡板可隔断下游气体回溯。[0025]气液分离系统包括气液分离箱3、消能栅格4、溢流挡板5，气液分离箱3上设置有入口、出气口和出水口，泄水陡槽1与入口连通，测流系统与出水口连通，测气系统与出气口连通。消能栅格4和溢流挡板5均固定在气液分离箱内部下方，消能栅格4设置有三个，消能栅格4的表面均布若干通孔，通常竖向、间隔设置;溢流挡板5位于消能栅格的下游，溢流挡板5包括横板与溢流板，横板水平固定在溢流板迎水面的上部，溢流板固定在气液分离箱的底面，溢流板的上游面为纵横栅格腔室，溢流板的纵截面为直角梯形状。当掺气水流进入气液分离箱3,经过消能栅格4和溢流挡板5的溢流板充分消能，使水体中气体溢出，气液完全分离，气体集结在气液分离箱3的上部空间区域进入测气系统，液体从溢流挡板5中的横板顶部溢流进测水系统。[0026]测流系统包括依次连接的竖井进口6、竖井7、观察窗口8、水平管道9，竖井进口6为漏斗状，观察窗口8为透明材质。在竖井内水平、间隔设置水气分离栅格10,在水平管道的下游部设置流量计11，流量计前水平管道的长度大于10倍管径，在水平管道的末端设置水阀12。[0027]测气系统包括第一排气管13、活动接口14、密闭气囊15和气阀16,密闭气囊15通过活动接口14与第一排气管13的管口连接，气阀16设置在第一排气管13的管口与活动接口14之间。[0028]为了提高测量精准度，在测量前需要进行稳流操作，因此，在气液分离箱3的上方还设置第二排气管17,在第二排气管17的端部设置有调节阀18。[0029]本实施例提供的掺气浓度测量装置的相关尺寸及材质：泄水陡槽1为0.4m*0.3m*〇.4m，其底板坡度为60°通常，底板坡度大于30°，侧壁为透明材料可观察到水面流态。气液分离箱3采用有机玻璃制作，尺寸为竖井7的管径0.3m、高度为2m。水平管道9的直径为0.3m，长度为4m。第一排气管13和第二排气管17的管径为0.1m、高度为lm。密闭气囊15采用轻质软塑料膜制作，是一种无伸缩性圆柱体软膜，直径最大值为0.5m，长度最大值为3m;密闭气囊15可适应气体体积自由伸缩，其的初始状态为压缩状态，充气后膨胀，在其外侧壁从底部起标有刻度，便于充气后读取密闭气囊15的实际长度。关于掺气浓度测量装置的具体尺寸和材质，在使用时可根据实际需求选择，以上尺寸和材质不对本发明形成限定。[0030]如图3、图4所示，本实施例提供的掺气浓度测量装置的掺气浓度测量方法为：向泄水陡槽1引入水流，调节海绵挡板2的高度，使其底面与水面接触;水流流入气液分离箱3，通过消能栅格4消能，从溢流挡板5上部溢出，实现气液分离；当水流稳定后，通过测流系统测得单位时间内的液体体积，同时，通过测气系统测得气体体积，依据掺气浓度的定义计算得出平均掺气浓度。[0031]具体分为以下步骤：[0032]步骤SI，向泄水陡槽1引入水流，调节海绵挡板2的高度，使其底面与水面接触。目的是形成液封，隔绝外界空气与分离箱气体。[0033]步骤S2，打开调节阀18和水阀12，关闭气阀16，通过观察窗口8观察水流流态，至水流稳定。水流稳定是指:水流无气泡且流量计有恒定示数。[0034]步骤S3，排尽密闭气囊15的气体，将密闭气囊15通过活动接口14连接到气阀16末端。[0035]步骤S4，打开气阀16，关闭调节阀18，记录此时时间ti同时记录流量计读数Qw多次取平均值）。[0036]步骤S5,当密闭气囊15收集到气体后，密闭气囊15的半径为r，拔出活动接口14,记录此时时间t2,读取密闭气囊15鼓胀的有效高度h。[0037]步骤S6,数据处理。[0038]步骤S6分为：[0039]步骤S61，计算气体气相体积Va=Jir2*h。[0040]步骤S62，计算液体液相体积Vw=Qw*t2_ti。[0041]步骤S63，计算掺气水流的平均掺气浓度:C=VaVa+Vw。[0042]本实施例提供的掺气浓度测量装置及方法从掺气浓度的定义出发，测量掺气水流的平均掺气浓度或掺气量，原理简单、操作方便，测量方法直接，干扰因素少。掺气浓度测量装置消能充分，气、液分离过程平稳，对来流条件的适应能力强，通过不同阀门调节，保证气液完全分离进而分别准确测量气相、液相体积，测量精度高。[0043]实施例2[0044]本实施例提供的掺气浓度测量装置与实施例基本相同，不同之处仅为:本实施例选风速仪代替密闭气囊，作为测气系统的测量方法，用于测量掺气水流中的气相流量。[0045]虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

权利要求：1.一种掺气浓度测量装置，其特征在于，所述掺气浓度测量装置包括进流系统、气液分离系统、测流系统和测气系统;所述进流系统包括泄水陡槽和海绵挡板，所述海绵挡板设置在所述泄水陡槽的上方;所述气液分离系统包括气液分离箱、消能栅格、溢流挡板，所述消能栅格和溢流挡板均固定在所述气液分离箱内部下方，所述溢流挡板位于所述消能栅格下游;所述气液分离箱上设置有入口、出气口和出水口，所述泄水陡槽与所述入口连通，所述测流系统与所述出水口连通，所述测气系统与所述出气口连通。2.根据权利要求1所述的掺气浓度测量装置，其特征在于，所述消能栅格设置有多个，所述消能栅格的表面均布若干通孔，所述消能栅格竖向、间隔设置。3.根据权利要求1所述的掺气浓度测量装置，其特征在于，所述溢流挡板包括横板与溢流板，所述横板水平固定在所述溢流板迎水面的上部，所述溢流板固定在所述气液分离箱的底面，所述溢流板的上游面为纵横栅格腔室。4.根据权利要求1所述的掺气浓度测量装置，其特征在于，所述测流系统包括依次连接的竖井进口、竖井、观察窗口、水平管道，所述竖井进口为漏斗状，所述观察窗口为透明材质；所述测流系统还包括水气分离栅格、流量计和水阀，所述水气分离栅格垂直于竖井轴线、间隔设置在所述竖井内，所述流量计设置在所述水平管道的下游部位，所述水阀设置在所述水平管道的末端，位于所述流量计下游。5.根据权利要求1所述的掺气浓度测量装置，其特征在于，所述测气系统包括与所述气液分离系统连通的第一排气管和第二排气管，活动接口、密闭气囊、气阀、调节阀，所述密闭气囊通过所述活动接口与所述第一排气管的管口连接，所述密闭气囊适应气体体积自由伸缩;所述气阀设置在所述第一排气管的管口与所述活动接口之间，所述调节阀设置在所述第二排气管端部。6.—种掺气浓度测量方法，其特征在于，所述掺气浓度测量方法通过采用权利要求1〜5任一项所述的掺气浓度测量装置进行，具体包括以下步骤：向所述泄水陡槽引入水流，调节所述海绵挡板的高度，使其底面与水面接触;水流流入所述气液分离箱，通过所述消能栅格消能，从所述溢流挡板上部溢出，实现气液分离；当水流稳定后，通过所述测流系统测得单位时间内的液体体积，同时，通过所述测气系统测得气体体积，依据掺气浓度的定义计算得出平均掺气浓度。

百度查询： 江苏省水利科学研究院 一种掺气浓度测量装置及方法

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