一种流量可控的水下曝气装置的制作方法

本实用新型属于水下气体释放设备技术领域，涉及一种流量可控的水下曝气装置。

背景技术：

曝气是在水环境工程中应用极为广泛的一种工程技术。该技术主要利用气液混合时的气体转移现象，利用气体加压设备将目标气体送入曝气池，或利用曝气器产生水跃，形成水气混合液，进而增加水中的气体溶解量。水体增氧是水下曝气的一种最为常见的应用，通过曝气作业进行增氧，一方面能够抑制并改善湖泊、水库等蓄水区域的分层现象，解决目标水体底部缺氧、内源污染释放、富营养化和藻类爆发等诸多水质问题；另一方面能够用于生活污水、城市污水以及有机性工业废水处理。此外，在水产养殖领域，适当地增氧作业能够有效的改善好氧水生生物的存活率、增肉率、饲料系数等指标，推动水产养殖业的发展。因此，综合上述分析可见，水下曝气技术在水环境整治、污水处理、水产养殖等领域具有广泛的应用价值。

曝气流量是曝气过程中的一个重要参数，曝气流量直接影响曝气产生的上升流流量，进而影响曝气作业的整体性能。

目前，现有技术中的曝气装置在流量控制方面相对粗放，主要通过控制出口压力以及流量控制阀来进行流量的控制，这种控制方法在连续、大流量曝气作业中较为适用，但在局部水体的定量曝气中难以进行精确的控制。

技术实现要素：

为了解决现有技术中曝气装置曝气方式单一，曝气量无法精确控制的问题。本实用新型提供一种流量可控的水下曝气装置，所述水下曝气装置具有流量可控功能，既能够实现连续、大流量曝气作业的流量控制，同时能够以设定的频率向水体中定量释放气体，实现微量气体释放的精确控制。通过此曝气装置的应用，能够满足多种曝气操作的需要，提高曝气设备的实用性和适用性。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种流量可控的水下曝气装置，所述水下曝气装置包括：供气单元、微流量控制单元、曝气孔孔径调节单元和中央控制单元；

所述供气单元，用于提供曝气所需的气体来源；

所述微流量控制单元，和所述供气单元连接，用于对曝气量进行控制；

所述曝气孔孔径调节单元，设置于所述微流量控制单元的曝气孔处，用于对曝气过程中曝气孔的孔径大小进行调节；

所述中央控制单元和所述供气单元、所述微流量控制单元以及所述曝气孔孔径调节单元分别连接；

其中，所述微流量控制单元包括流量调节单元的保护壳体、集气腔、设置于所述集气腔一侧的可移动隔板、设置于所述集气腔和曝气孔之间用于防止外部水体倒灌的单向阀、用于驱动所述可移动隔板发生形变的压电元件、对所述压电元件施加激励的控制缆。

进一步地，所述供气单元包括储气罐和流量控制阀；所述流量控制阀设置于所述储气罐气体出口处，用于控制储气罐的气体出口流量；

所述中央控制单元能够控制所述流量控制阀的打开或关闭。

进一步地，所述曝气孔孔径调节单元包括可移动滑片、用于带动所述可移动滑片进行移动的滑动电机、滑轨；

所述中央控制单元与所述滑动电机连接，用于控制所述滑动电机使所述滑动电机带动所述可移动滑片沿滑轨移动以实现对曝气孔孔径的调节。

进一步地，所述集气腔是所述单向阀、所述可移动隔板和所述保护壳体共同界定形成的腔体；所述集气腔通过输气通道和所述供气单元中的流量控制阀的输出端相连；

所述中央控制单元用于通过控制缆对压电元件施加外部激励，通过所述中央控制单元调节外部激励对压电元件的形变量进行调节进而控制曝气量。

所述水下曝气装置包括连续曝气和脉动曝气两种爆气模式；

当采用连续曝气模式时，通过中央控制单元的控制将供气单元中的流量控制阀调节至预设的流量，并保持微流量控制单元中的单向阀打开，通过曝气孔孔径调节单元调节曝气孔的孔径大小来控制曝气量；

当采用脉动曝气模式时，通过中央控制单元控制打开流量控制阀，并且所述中央控制单元控制单向阀关闭，使集气腔中充满气体并达到稳定压力，中央控制单元通过控制缆对压电元件施加激励，使压电元件产生膨胀形变，在压电元件的驱动下可移动隔板移动并压缩集气腔的容积，改变集气腔内部的压力，所述中央控制单元控制单向阀打开，使得集气腔内的部分气体经单向阀、排气孔进入孔径调节单元最终排出。

本实用新型的有益技术效果：

本实用新型提供的水下曝气装置中的所述微流量控制单元和供气单元连接，能够对曝气量进行控制；并且，所述曝气孔孔径调节单元设置于所述微流量控制单元的曝气孔处，用于对曝气过程中曝气孔的孔径大小进行调节。本实用新型所述水下曝气装置能够实现连续、大流量曝气作业的流量控制，同时能够以设定的频率向水体中定量释放气体，实现微量气体释放的精确控制。通过此曝气装置的应用，能够满足多种曝气操作的需要，提高曝气设备的实用性和适用性。

附图说明

图1是本实用新型所提出的水下曝气装置的一种实施例的整体结构示意图；

图2-3是水下曝气装置曝气孔调节单元的一种实施例的结构图；

图4是水下曝气装置流量调节单元的一种实施例的结构图；

图5a-5d为本实用新型实施例中一种水下曝气装置曝气过程以及信号激励示意图；

附图标记：

100.供气单元；101.储气罐；102.流量控制阀；200.曝气孔孔径调节单元；201.曝气孔；202.可移动滑片；203.滑动电机；204.滑轨；205.滑片连接器；206.第一限位器；207.第二限位器2；208.滑片滑动轴；300.微流量控制单元；301.集气腔；302.可移动隔板；303.压电元件；304.控制缆；305.控制缆固定锁扣；306.单向阀；307.输气通道；308.流量调节单元的保护壳体；309.排气孔；400.中央控制单元。

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，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

相反，本实用新型涵盖任何由权利要求定义的在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本实用新型有更好的了解，在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。

针对现有技术中曝气装置曝气方式单一，曝气量无法精确控制的技术问题。本实用新型实施例提供一种流量可控的水下曝气装置，下面结合图1～3，对所述水下曝气装置中的各功能单元的具体结构设计以及工作原理进行详细地说明。

如图1所示，水下曝气装置包含供气单元100、曝气孔孔径调节单元200、流量控制单元300和中央控制单元400。

供气单元100：用于提供曝气所需的气体来源；在本实施例中，具体地，所述供气单元100包括储气罐101和流量控制阀102；其中，所述储气罐101用于提供曝气装置所需的气源，所述流量控制阀102设置于所述储气罐101气体出口处，用于控制储气罐的气体出口流量；所述中央控制单元400和所述流量控制阀102连接能够控制所述流量控制阀102的打开或关闭。

曝气孔孔径调节单元200：由于当流量一定的情况下，控制曝气孔的孔径大小能够一定情况下起到曝气量调节的作用。本实施例中水下曝气装置具有曝气孔孔径调节的功能，具体通过曝气孔孔径调节单元200来实现。如图2所示，曝气孔孔径调节单元200包括两个相互连接的可移动滑片202和滑动电机203。在进行曝气孔孔径调节操作时，通过本装置的中央控制单元400对滑动电机203进行控制，进而使可移动滑片202沿滑轨204做同步、对向滑动，实现对曝气孔201孔径的调节。

进一步的，为了确保两个可移动滑片202滑动的同步性，设有滑片连接器205，滑片连接器205的两端分别与两个可移动滑片202的滑片滑动轴208相连。作为优选，滑片连接器为两个。其中，滑片连接器205设置于所述可移动滑片202和所述滑轨204的滑动连接处，可移动滑片202通过所述滑片滑动轴208在所述滑轨204进行滑动。

更进一步的，为了对曝气孔孔径的调节范围进行限定，在所述滑轨204的中间位置和边缘位置分别设有第一限位器206和第二限位器207，可移动滑片202移动至所述第一限位器206处时，对应曝气孔孔径最小值；可移动滑片202移动至所述第二限位器207处时，对应曝气孔孔径最大值；在本实施例中，曝气孔孔径的调节范围在0.5cm～2cm(如图2-3所示)。

微流量控制单元300包括流量调节单元的保护壳体308、集气腔301、设置于所述集气腔301一侧的可移动隔板302、设置于所述集气腔301和曝气孔之间用于防止外部水体倒灌的单向阀306、和所述可移动隔板302连接且用于驱动所述可移动隔板302发生形变的压电元件303、对所述压电元件303施加激励的控制缆304；在本实施例中，控制缆304通过控制缆固定锁扣305固定于压电元件303。

所述集气腔301是所述单向阀306、所述可移动隔板302和所述保护壳体308共同界定形成的腔体；所述集气腔301通过输气通道307和所述供气单元100中的流量控制阀102的输出端相连(如图4所示)。

所述中央控制单元400通过控制缆304对压电元件303施加外部激励，由于压电元件303的形变量和施加的外部激励呈正相关，能够通过所述中央控制单元400调节外部激励对压电元件303的形变量进行调节，进而控制曝气量。

因此，上述本实用新型实施例所提供的曝气装置中，微流量调节单元用于在脉动曝气模式下的曝气作业，通过对微流量调节单元中的压电元件施加激励，压电元件带动隔板挤压集气腔中的气体，进而实现气体的排出。中央控制单元作为本装置的核心控制器，用于对曝气装置工作模式的选择和切换以及装置中供气单元、曝气孔调节单元和微流量控制单元的具体操作进行控制，如，包括对供气单元的流量控制阀、曝气孔调节单元的滑动电机、微流量调节单元的单向阀和压电元件的具体操作进行控制。

本实用新型实施例所述的曝气装置设有两种曝气模式，即连续曝气和脉动曝气，其中连续曝气是指以固定流速向目标水体中连续释放气体，脉动曝气是指以一定的频率、定量的向目标水体中释放气体。曝气模式的选择和切换通过中央控制单元400进行控制。

当采用连续曝气模式时，通过中央控制单元400的控制将供气单元100中的流量控制阀102调节至预设的流量，并保持微流量控制单元300中的单向阀306打开，曝气量的控制通过曝气孔孔径调节单元200对曝气孔201的孔径大小进行调节；所述连续曝气用于以固定流速向目标水体中连续释放气体；

在脉动曝气模式下，则需通过微流量调节单元300和中央控制单元400对曝气量进行联合控制，具体如下：

集气腔301通过输气通道307与供气单元100中的流量控制阀输出端相连，脉动曝气时，首先通过中央控制单元400控制打开流量控制阀102，并且所述中央控制单元400控制单向阀306关闭，使集气腔301中充满气体并达到稳定压力；然后中央控制单元400通过控制缆304对压电元件303施加激励，使压电元件303产生膨胀形变，在压电元件303的驱动下隔板302随之移动并压缩集气腔301的容积，进而改变集气腔301内部的压力，所述中央控制单元400控制单向阀306打开，使得腔内的部分气体经单向阀306、排气孔309进入孔径调节单元200最终排出，压电元件的激励过程如图5a-d所示。曝气过程中，中央控制单元400根据激励信号的脉冲重复周期PRF和脉冲宽度τ控制单向阀306的开闭状态以及持续时间。以一个脉冲周期为例，如图5a所示：其中，在阶段a单向阀306处于关闭状态；在阶段b和c，当中央控制单元400检测到激励信号的上升沿时，打开单向阀306并根据脉冲宽度τ保持开启时间；当一个脉冲周期结束后，中央控制单元400关闭单向阀306。在本实施例中，激励信号的脉冲重复周期PRF为1s，激励信号的脉冲宽度τ为0.2ms。

由于压电元件303的形变量与施加的外部激励呈正相关，因此可以通过调节外部激励对压电元件303的形变量进行调节，进而控制曝气量。本实施例中，压电元件的材质为PZT4。为了提高压电元件303的灵敏度，隔板302的材质选用轻金属(如硬铝)，保护壳体308选用硬金属(如黄铜)。压电元件的激励信号为锯齿波脉冲，峰值电压Vmax＝85V，最大频率fmax＝200Hz，压电元件的最大形变量Δdmax＝30μm。在本实施例中，集气腔为圆柱型腔体，腔体半径r＝1cm，故脉动曝气模式下的最大曝气流量为πr²×Δdmax×fmax＝1.9ml/s，考虑到惯性作用下的额外气体溢出(<实际曝气量的0.01)，在本实施例中，供气单元的供气流量需不低于2.0ml/s。

在实际使用时，该曝气装置可搭载在水下移动平台(如水下机器人)上使用，亦可固定在水下单独或组网使用。

本实用新型提出了一种新型的水下曝气装置，该装置兼具连续曝气和脉动曝气等多种曝气模式，在连续曝气工作模式下，能够向水中连续释放气体，并通过曝气孔孔径的调节实现曝气流量的控制；在脉动曝气工作模式下，能够通过触发压电元件以设定的频率向水体中定量释放气体，实现微量气体释放的精确控制。可以通过连续曝气模式下曝气孔孔径的调节以及脉动曝气模式下曝气量的精确调节，实现水下曝气过程的精细控制。