双通道快速准确建立水中溶解氧含量的方法及其系统的制作方法

双通道快速准确建立水中溶解氧含量的方法及其系统的制作方法
【专利摘要】双通道快速准确建立水中溶解氧含量的方法及其系统：实验池设有由暴气电磁阀控制的氧或空气暴气机构及由氮气电磁阀控制的氮暴气机构；实验池中设有溶解氧电极，其输出接计算机，特征是系统中还设有高浓度溶解氧水备用池、低浓度溶解氧水备用池；高浓度溶解氧水备用池中设有溶解氧电极以及氧或空气暴气机构并通过电磁阀或水泵与实验池连通；低浓度溶解氧水备用池中设有溶解氧电极以及氮暴气机构；并通过电磁阀或水泵与实验池连通。本发明的本方法与系统能够实时监控、精确控制设备中的含氧量，双通道控制实验池中含氧量，降低体系控制与响应的滞后性，保持体系中含氧量的稳定性。使与水体溶解氧相关的研究或实验能够顺利精确进行。
【专利说明】双通道快速准确建立水中溶解氧含量的方法及其系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双通道快速准确建立水中溶解氧含量的方法及其系统，本方法和系统能够快速精确控制设备中的溶解氧含量。
【背景技术】
[0002]水中的溶解氧与生物活动密切相关，其含量变化往往是反映生物生长状况和污染监测的一个主要指标[1_2]。溶解氧研究在化学和生态环境科学中具有十分重要的地位，然而，由于溶解氧控制中广泛存在的大时滞，对设定值的较大幅度偏高和偏低等影响，使溶液中的溶解氧控制存在很大的波动，这些波动使溶解氧在化学过程与生物学过程中的研究难以达到准确定量[3_4]。通常的做法不外乎从提高溶解氧电极的灵敏度和反应速度，以及控制电路的预测功能等方面入手[5_6]，这些方法在一定程度上起到了提高系统的响应速度和减小数值的波动，但由于氧气在水中的溶解平衡和热力学过程使得大时滞等问题难以解决。
[0003]—个快速、准确而稳定的双通道溶解氧系统的控制和实现,有利于对与溶解氧有密切关系的化学过程和生物学过程方面的定量研究。设计一套能够实时监控、稳定且精确控制，并且能够在很快时间内达到设定值的水体中溶解氧含量的系统非常重要。但是目前的现有技术中没有相应的技术方案。
[0004]参考文献
[1]C.Langmanl, P.C.Hansonl, S.R.Carpenterl, Y.H.Hu.Control ofdissolved oxygen in northern temperate lakes over scales ranging from minutesto days[J].AQUATIC BIOLOGY Aquat Biol，2010，9:193-202
[2]刘剑峰，宋涛，李睿瑜，李明，刘国强.人工肝生物反应器中溶解氧浓度动态分布的模型与数值分析?过程工程学报，2008, 8 (3):417-424
[3]TiloStahl, Gregory Duffy, Steven Kestel, Matthew Gray.DissolvedOxygen Control Based in Real-Time Oxygen Uptake Rate Estimation.Florida WaterResources Journal, 2013:50-53
[4]江剑，李武林，蒋小虎，瞿国庆.污水处理生化池曝气量的智能控制系统.微计算机信息，2007，23 (4): 57-58，91
[5]于广平，张平，魏松岩，苑明哲，王宏.仿人智能PID控制及在污水处理溶解氧控制中的应用.控制系统，2006，22 (2):13-16
[6]P.Chevakidagarn, A.P.Annachhatre, U.Puetpaiboon,T.Koottatep.Dissolved oxygen control system for upgrading conventional activated sludgeprocess for seafood industrial wastewater in Southern Thailand.Asian J.EnergyEnviron, 2007,8(1):1-14。

【发明内容】

[0005]本发明的目的是克服现有技术的不足，利用确定溶解氧值的溶液和暴气输入双通道方法，提供一种双通道快速准确建立水中溶解氧含量的方法及其系统，以快速准确地建立水中溶解氧含量；旨在利用高低溶解氧水备用池，以不同方式混合，提供一种用于快速准确建立实验池水中溶解氧含量的系统，实时监控、精确控制设备中的含氧量，使与水体溶解氧相关的研究或实验能够顺利进行。
[0006]本发明的技术方案如下:
一种双通道快速准确建立水中溶解氧含量的方法，其特征在于，步骤如下:
通空气或氧气等使高浓度溶解氧水备用池的溶解氧维持在某一较高设定值，使高浓度溶解氧水的备用池水保持高浓度溶解氧状态；
通氮气等或加热等使低浓度溶解氧水备用池的溶解氧维持在某一较低设定值，使低浓度溶解氧水的备用池水保持低浓度溶解氧状态；
当溶解氧电极探测到实验池中的含氧量远低于设定值时，则可编程控制器打开高浓度溶解氧水电磁阀(可以附加水泵或计量泵，称为I号电磁阀及水泵)，使高浓度溶解氧水备用池向实验池注入经过计算的特定体积的高浓度溶解氧水；上部分溢出的水又回到高浓度溶解氧水备用池中；同时打开暴气电磁阀(3号电磁阀)使氧(或空气)暴气机构向实验池水暴入氧气(或空气)；当实验池溶解氧值到达设定值时关闭高浓度溶解氧水电磁阀及水泵、关闭暴气电磁阀(3号电磁阀)。
[0007]当溶解氧电极探测到实验池中的含氧量略低于设定值时，则可编程控制器打开高浓度溶解氧水电磁阀(可以附加水泵或计量泵 ，称为I号电磁阀及水泵)，使高浓度溶解氧水备用池向实验池注入经过计算的特定体积的高浓度溶解氧水；上部分溢出的水又回到高浓度溶解氧水备用池中；
当溶解氧电极探测到实验池中的含氧量远高于设定值，则可编程控制器打开低浓度溶解氧水电磁阀(可以附加水泵或计量泵，称为2号电磁阀及水泵),使低浓度溶解氧水备用池向实验池注入经过计算的特定体积的低浓度溶解氧水；上部分溢出的水又回到低浓度溶解氧水备用池中；同时打开氮气电磁阀(4号电磁阀)使氮暴气机构向实验池水暴入氮气；当实验池溶解氧值到达设定值时停止低浓度溶解氧水电磁阀(可以附加水泵或计量泵，称为2号电磁阀及水泵)、停止氮气电磁阀(4号电磁阀)。
[0008]当溶解氧电极探测到实验池中的含氧量略高于设定值，可编程控制器发出指令打开低浓度溶解氧水电磁阀及水泵(2号电磁阀及水泵),使低浓度溶解氧水备用池向实验池注入经过计算的特定体积的低浓度溶解氧水；上部分溢出的水又回到低浓度溶解氧水备用池中。
[0009]上述方法可以在实验池中通入高浓度溶解氧水和氧气或空气，双通道方式控制实验池中含氧量，降低体系的滞后性，保持体系中含氧量的稳定性。
[0010]完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述双通道快速准确建立水中溶解氧含量的方法所使用的设备:一种快速准确建立水中溶解氧含量的系统，实验池设有:由暴气电磁阀(3号电磁阀)控制的氧(或空气)暴气机构及由氮气电磁阀(4号电磁阀)控制的氮暴气机构；实验池中还设有用于探测含氧量的溶解氧电极，实验池和备用池的溶解氧电极的输出接计算机，其特征在于，该系统中还设有:高浓度溶解氧水备用池、低浓度溶解氧水备用池；所述高浓度溶解氧水备用池中设有氧(或空气)暴气机构；所述高浓度溶解氧水备用池通过高浓度溶解氧水电磁阀及水泵(I号电磁阀及水泵)与实验池连通；所述低浓度溶解氧水备用池中设有氮暴气机构；所述低浓度溶解氧水备用池通过低浓度溶解氧水电磁阀及水泵(2号电磁阀及水泵)与实验池连通。
[0011]所述高浓度溶解氧水备用池、低浓度溶解氧水备用池与实验池连通的方式是:在高浓度溶解氧水备用池底部以高浓度溶解氧水电磁阀及水泵(I号电磁阀及水泵)连接实验池，上部用管道连通；在低浓度溶解氧水备用池底部以低浓度溶解氧水电磁阀及水泵(2号电磁阀及水泵)连接实验池，上部也有管道连通。
[0012]所述“溶解氧电极的输出接计算机”的连接方式是:溶解氧电极探测实验池及备用池中的含氧量，采集到的信号经过溶解氧变送器进入可编程控制器器，可编程控制器器通过DP总线与计算机相连。 [0013]所述可编程控制器对各个电磁阀及水泵发出指令的方式是，所述可编程控制器分别通过各溶解氧变送器对各个电磁阀及水泵发出指令。
[0014]所述的用于快速准确建立水中溶解氧含量的系统，溶解氧电极采用德国PISCO0S-120溶氧电极，该电极适用于各种恶劣水质，膜不易损坏，抗污染，无需更换膜和电解液。其测量范围为0 — 40ppm，温度范围0 — 60°C，自带温度补偿电阻22kQ。
[0015]所述的用于快速准确建立水中溶解氧含量的系统，溶解氧变送器采用输入输出隔离二线制变送器，对溶解氧电极采集到的信号进行温度补偿和放大，得到标准的4一20mA信号，方便可编程控制器器进行处理。
[0016]所述的用于快速准确建立水中溶解氧含量的系统，可编程控制器器采用西门子S7-214型号，本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/I输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。22K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器(lOOKHz)，2个IOOKHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量1/0，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。
[0017]所述的低浓度溶解氧水备用池中还可以设置加热设备，以使用加热方式降低氧含量。
[0018]所述的用于快速准确建立水中溶解氧含量的系统，通过通空气或氧气获得某一较高设定值的高浓度溶解氧水的备用池，通氮气获得某一较低设定值的低浓度溶解氧水的备用池。当溶解氧电极探测到实验池中的含氧量远低于设定值，则打开I号电磁阀及水泵和3号电磁阀，在实验池中通入定量的高浓度溶解氧水和氧气或空气，上部分溢出的水又回到高浓度溶解氧水备用池中；略低于设定值，可编程控制器发出指令打开I号电磁阀及水泵，在实验池中通入定量的高浓度溶解氧水，上部分溢出的水又回到高浓度溶解氧水的备用池中。当溶解氧电极探测到实验池中的含氧量远高于设定值，则打开2号电磁阀及水泵和4号电磁阀，在实验池中通入定量的低浓度溶解氧水或氮气，上部分溢出的水又回到低浓度溶解氧水备用池中；略高于设定值，可编程控制器发出指令打开2号电磁阀及水泵，在实验池中通入定量的低浓度溶解氧水,上部分溢出的水又回到低浓度溶解氧水的备用池中。双通道控制实验池中含氧量，降低体系的滞后性，保持体系中含氧量的稳定性。
[0019]本发明克服了现有技术的不足，提供了快速准确建立水中溶解氧含量的方法与系统，能够实时监控、精确控制设备中的含氧量，双通道地控制实验池中含氧量，降低体系的滞后性，保持体系中含氧量的稳定性。使与水体溶解氧相关的研究或实验能够顺利进行。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1为本发明的整个控制系统结构图。
【具体实施方式】
[0021]如图1所示，本发明整个控制系统结构主要包括实验池1、高浓度溶解氧水备用池2、低浓度溶解氧水备用池3 ;各部分之间连接关系如下:实验池I两边各通有高浓度溶解氧水备用池2和低浓度溶解氧水备用池3，在高浓度溶解氧水备用池2的底部以高浓度溶解氧水电磁阀(I号电磁阀及水泵)4连接实验池1，上部用管道连通；在低浓度溶解氧水备用池3底部以低浓度溶解氧水电磁阀(2号电磁阀及水泵)5连接实验池1，上部也有管道连通。实验池I的底部设置暴气电磁阀(3号电磁阀)6通空气或氧气，实验池I的底部还设置有氮气电磁阀(4号电磁阀)7通氮气。采用溶解氧电极8、9、10探测实验池I和备用池中的含氧量，采集到的信号经过溶解氧变送器11、12、13进入可编程控制器器14，可编程控制器器14通过DP总线与计算机15相连。
[0022]在计算机中设定实验池中溶解氧允许范围，当溶解氧电极探测到实验池中的含氧量远低于设定值，可编程控制器发出指令打开I号电磁阀及水泵和3号电磁阀，根据备用池和实验池容积和含氧量计算出需要输 入到实验池I的备用池高溶解氧的体积，使实验池的溶解氧达到设定值的相应体积的高浓度溶解氧水，以及氧气或空气进行暴气，上部分溢出的水又回到高浓度溶解氧水的备用池中；如果略低于设定值，可编程控制器发出指令打开I号电磁阀及水泵，根据备用池和实验池容积和含氧量，计算出需要输入到实验池I的备用池高溶解氧的体积，该体积可以使实验池的溶解氧达到设定值，在实验池中通入该计算得到的高浓度溶解氧水，上部分溢出的水又回到高浓度溶解氧水的备用池中；远高于于设定值时，则打开2号电磁阀及水泵和4号电磁阀，根据备用池和实验池容积和含氧量，计算出需要输入到实验池I的备用池低溶解氧的体积，该体积可以使实验池的溶解氧达到设定值，在实验池中通入该体积的低浓度溶解氧水，同时进行氮气暴气，上部分溢出的水又回到低浓度溶解氧水的备用池中；略高于设定值，可编程控制器发出指令打开2号电磁阀及水泵，根据备用池和实验池容积和含氧量，计算出需要输入到实验池I的备用池低溶解氧的体积，该体积可以使实验池的溶解氧达到设定值，在实验池中通入该体积的低浓度溶解氧水，上部分溢出的水又回到低浓度溶解氧水的备用池中。如此反复循环始终保持实验池中溶解氧在设定的恒定值。
【权利要求】
1.一种双通道快速准确建立水中溶解氧含量的方法，其特征在于，步骤如下:通空气或氧气使高浓度溶解氧水备用池保持高浓度溶解氧状态；通氮气或加热，使低浓度溶解氧水备用池水保持低浓度溶解氧状态；当溶解氧电极探测到实验池中的含氧量远低于设定值时，则可编程控制器打开高浓度溶解氧水电磁阀及水泵，使高浓度溶解氧水备用池向实验池注入经过计算的特定体积的高浓度溶解氧水；上部分溢出的水又回到高浓度溶解氧水备用池中；同时打开暴气电磁阀使氧或空气暴气机构向实验池水暴入氧气或空气；当实验池溶解氧值到达设定值时，关闭高浓度溶解氧水电磁阀及水泵、关闭暴气电磁阀；当溶解氧电极探测到实验池中的含氧量略低于设定值时，则可编程控制器打开高浓度溶解氧水电磁阀及水泵，使高浓度溶解氧水备用池向实验池注入经过计算的特定体积的高浓度溶解氧水；上部分溢出的水又回到高浓度溶解氧水备用池中；当溶解氧电极探测到实验池中的含氧量远高于设定值，则可编程控制器打开低浓度溶解氧水电磁阀及水泵，使低浓度溶解氧水备用池向实验池注入经过计算的特定体积的低浓度溶解氧水；上部分溢出的水又回到低浓度溶解氧水备用池中；同时打开氮气电磁阀使氮暴气机构向实验池水暴入氮气；当实验池溶解氧值到达设定值时停止低浓度溶解氧水电磁阀及水泵、停止氮气电磁阀；当溶解氧电极探测到实验池中的含氧量略高于设定值，可编程控制器发出指令打开低浓度溶解氧水电磁阀及水泵，使低浓度溶解氧水备用池向实验池注入经过计算的特定体积的低浓度溶解氧水；上部分溢出的水又回到低浓度溶解氧水备用池中。
2.权利要求1所述的方法所使用的设备:一种双通道快速准确建立水中溶解氧含量的系统，实验池设有:由暴气电磁阀控制的氧或空气暴气机构及由氮气电磁阀控制的氮暴气机构；实验池中还设有用于探测含氧量的溶解氧电极，该溶解氧电极的输出接计算机，其特征在于，该系统中还设有:高浓度溶解氧水备用池、低浓度溶解氧水备用池；所述高浓度溶解氧水备用池中设有氧或空气暴气机构；所述高浓度溶解氧水备用池通过高浓度溶解氧水电磁阀与实验池连通；所述低浓度溶解氧水备用池中设有氮暴气机构；所述低浓度溶解氧水备用池通过低浓度溶解氧水电磁阀与实验池连通。
3.根据权利要求2所述的快速准确建立水中溶解氧含量的系统，其特征在于，所述高浓度溶解氧水备用池、低浓度溶解氧水备用池与实验池连通的方式是:在高浓度溶解氧水备用池底部以高浓度溶解氧水电磁阀及附加水泵或计量泵连接实验池；高浓度溶解氧水备用池与实验池的上部也用管道连通；在低浓度溶解氧水备用池底部以低浓度溶解氧水电磁阀及附加水泵或计量泵连接实验池，低浓度溶解氧水备用池与实验池的上部也用管道连通。
4.根据权利要求2所述的快速准确建立水中溶解氧含量的系统，其特征在于，所述“溶解氧电极的输出接计算机”的连接方式是:溶解氧电极探测实验池中的含氧量，采集到的信号经过溶解氧变送器进入可编程控制器器，该可编程控制器器通过DP总线与计算机相连。
5.根据权利要求2所述的快速准确建立水中溶解氧含量的系统，其特征在于，所述的溶解氧电极采用PISCO 0S-120溶氧电极；其测量范围为O — 40ppm，温度范围O — 60°C，自带温度补偿电阻22k Ω。
6.根据权利要求2所述的快速准确建立水中溶解氧含量的系统，其特征在于，所述可编程控制器对各个电磁阀发出指令的方式是，所述可编程控制器分别通过各溶解氧变送器对各个电磁阀发出指令。
7.根据权利要求6所述的快速准确建立水中溶解氧含量的系统，其特征在于，所述的溶解氧变送器采用输入输出隔离二线制变送器，对溶解氧电极采集到的信号进行温度补偿和放大，得到标准的4一20mA信号，方便可编程控制器器进行处理。
8.根据权利要求2所述的快速准确建立水中溶解氧含量的系统，其特征在于，所述的可编程控制器器采用S7-214型号，本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/I输出共3个模拟量I/O点，连接7个扩展模块。
9.根据权利要求2-8之一所述的快速准确建立水中溶解氧含量的系统，其特征在于，所述的低浓度溶解氧水备用池中还设置有加热设备。
【文档编号】C02F7/00GK103588310SQ201310596229
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】王伟, 卢杰妍, 刘静, 陈孝政, 曹媛 申请人:中国科学院南京地质古生物研究所