一种测量水流掺气浓度的传感器及测量方法与流程

本发明属于水电工程勘测设计领域，具体涉及一种测量水流掺气浓度的传感器及测量方法。

背景技术：

对于水利水电工程泄水建筑物而言，泄槽是约束和引导水流的通道，当泄槽水流流速较高时，泄水建筑物混凝土表面容易发生空蚀破坏，通常的解决方案是在泄槽内设置底部掺气设施和侧壁掺气设施，利用掺气设施的作用强迫高速水流掺气，以达到减免空蚀破坏的目的。水流掺气浓度是衡量掺气设施有效性的重要指标。根据电导率测量仪的工作原理，我们可以通过测量清水的电导率和掺气水流的电导率，然后求算清水电阻和掺气电阻，进而计算水流的掺气浓度。

我国幅员辽阔，各个地区河道水体中的电解质含量各不相同，水流的电导率差异很大，对电导率传感器的灵敏度提出了很高的要求。影响传感器灵敏度的主要因素有极片面积或两个极片相邻边的线性长度，面积越大或线性长度越长，传感器的灵敏度越高。目前，测量水流掺气浓度的传感器由两个平行的电极片构成，极板平面向上，如图1所示。在传感器外周尺寸一定的条件下，长方形电极片难以有效增加线形长度，灵敏度难以提高；长方形极片传感器有较强的方向性，安装传感器时极片的长边方向应与水流方向平行，对于同一个测点而言，由于水力条件的不同，水流的方向是不完全相同的，长方形极片传感器不能适应水流方向的变化；传感器的测量区域为两个电极片的外包络线所包围的区域，区域狭长，代表性不强。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种使用方便、测量精度高的测量水流掺气浓度的传感器，减小测量误差；本发明的目的之二在于提供一种利用本发明的传感器测量水流掺气浓度的方法。

本发明的技术方案为：一种测量水流掺气浓度的传感器，包括本体，其特征在于，所述本体内设置有中心电极和圆环形电极，所述圆环形电极围绕中心电极设置，且圆环形电极的中心轴线与中心电极的中心轴线重合的，所述中心电极和圆环形电极各自与一根相应的引出线连接。

所述中心电极为圆形电极片或圆柱形电极。

所述圆环形电极的为圆环电极片或圆管形电极。

所述中心电极和圆环形电极的上端均与本体的上表面平齐。

所述中心电极和圆环形电极均由石墨制成。

所述石墨的肖氏硬度不小于60。

所述中心电极的直径为20～30mm；所述圆环形电极的内径为40～50mm，外径为40～60mm。

所述本体为圆柱形，本体的直径为50～70mm，长度为50～100mm。

所述本体由绝缘材料制成，所述绝缘材料为环氧树脂、聚酯、聚氨酯、有机硅树脂中的一种或多种。

一种利用上述的传感器测量掺气浓度的方法，包括如下步骤：

(1)采用方法1或方法2建立对应关系：

方法1：用上述的测量水流掺气浓度的传感器和已标定的电导率传感器分别测量电导率相同的同种溶液的电导率，建立测量水流掺气浓度的传感器量测值与已标定的电导率传感器量测值的对应关系；

方法2：用上述的测量水流掺气浓度的传感器测量标准溶液的电导率，建立测量水流掺气浓度的传感器量测值与标准溶液电导率的对应关系；

(2)用测量水流掺气浓度的传感器测量待测水流的电导率值，然后根据步骤中获得的对应关系对该量测值进行修正，获得水流的电导率修正值kc；用同型号的传感器测量清水的电导率值，然后根据步骤中获得的对应关系对该量测值进行修正，获得清水的电导率修正值k0；

(3)计算获得水流的掺气浓度c。

步骤中计算水流的掺气浓度c的公式为：

在传感器外周尺寸一定的条件下，通过调整中心电极的周长和两电极的间距，提高电导率量测值，降低零值电阻，从而提高传感器的灵敏度。

本发明的创新之处在于，本发明采用了横截面为圆形、圆环形的电极，可以适应任意不同的水流方向，使得现场安装更加便利；传感器的测量区域为圆环形电极的外圆所包围的区域，相对于长方形电极的狭长区域，测量域更广，代表性更强，可减小随机测量误差；在传感器外周尺寸一定的条件下，本发明能够最大限度地增加中心电极的周长，从而增大两个极片相邻边有效的线性长度，降低零值电阻，从而提高传感器的灵敏度。

本发明的传感器本体可以直接埋置在混凝土内，一次性安装完成，无需后期装配；传感器本体外周尺寸较小，且与混凝土构成一个整体，不会成为空化源，对泄水建筑物无不利影响；另外，本发明采用了中心电极和圆环形电极，中心电极优选为圆形电极片或圆柱形电极，可以适应任意不同的水流方向，同时传感器现场安装不受方向限制，更加便利；传感器的测量区域为圆环形电极的外圆所包围的区域，相对于长方形电极的狭长区域，测量域更广，代表性更强，可减小随机测量误差；在传感器本体外周尺寸一定的条件下，本发明能够最大限度地增加中心电极的周长，从而增大两个极片相邻边有效的线性长度，降低零值电阻，从而提高传感器的灵敏度。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)安装方便，通过圆环形电极和中心电极的使用，安装时无需考虑安装方向；

(2)测量精度高，对水流电导率的变化反应更为灵敏，有利于获得更为准确的测量结果；

(3)传感器本体外周尺寸较小，且与混凝土构成一个整体，不会成为空化源，不会给泄水建筑物带来不利影响。

附图说明

图1是现有传感器的结构示意图；

图2是图1的纵向剖面图；

图3是本发明实施例1的传感器的结构示意图；

图4是本发明实施例1的传感器的纵向剖面图；

图5是本发明实施例1中传感器量测值与传统传感器量测值的比测关系图；

图6是本发明实施例2中传感器量测值与传统传感器量测值的比测关系图；

图7是本发明实施例3的传感器的结构示意图；

图8是本发明实施例3的传感器的纵向剖面图。

其中，1-本体，2-中心电极，3-圆环形电极，4-引出线，5-螺丝孔。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

实施例1

一种测量水流掺气浓度的传感器，如图3至图4所示，包括中心电极2、圆环形电极3、引出线4、本体1，所述中心电极2的直径为30mm，圆环形电极3的内圆直径为40mm、外圆直径为50mm，由不锈钢材料制成；所述引出线4分别与中心电极2、圆环形电极3的底部连接；所述中心电极2、圆环形电极3设置在本体1内，两者的上表面与本体1齐平，且两者的中心轴线重合；所述本体1由绝缘的pvc灰塑板制成，直径为96mm，厚度为14mm，面板上开有螺丝孔5用来固定传感器。本实施例可用于水力学原型观测。表1为传统的用于水力学原型观测的长方形极片传感器与实施例1对电解质含量不同的溶液进行比对测量的电导率值，通过线性拟合获得本实施例的传感器量测值与原型长方形电极片传感器的比测关系，如图5所示，实施例1的量测值是传统传感器的1.388倍。可见，相比传统传感器，本实施例的电导率测量值变化更为灵敏，故本实施例的传感器能够感知掺气水流电导率的更细微的变化，从而更为准确地测量得出掺气水流的掺气浓度。

表1传统长方形极片传感器与实施例1电导率测量结果对比情况表

实施例2

本实施例在其他保持与实施例1相同的情况下，将中心电极2的直径设为20mm，圆环形电极3的内圆直径设为24mm、外圆直径设为30mm，由印刷电路板制成。本实施例可用于水力学模型试验。表2为传统的用于水力学模型试验的长方形极片传感器与实施例2的比对测量值，通过线性拟合获得本实施例的传感器量测值与模型长方形电极片传感器的比测关系，如图6所示，实施例2的量测值是传统传感器的1.661倍，可见，相比传统传感器，本实施例的电导率量测值变化更为灵敏，故本实施例的传感器能够感知掺气水流电导率的更细微的变化，从而更为准确地测量得出掺气水流的掺气浓度。

表2传统长方形极片传感器与实施例2电导率测量结果对比情况表

实施例3

本实施例的测量水流掺气浓度的传感器，如图7、图8所示，包括传感器本体1、中心电极2、圆环形电极3、引出线4；所述传感器本体1为圆柱体，直径60mm，高度60mm，由绝缘材料制成；中心电极2为圆柱形电极，直径为30mm；圆环形电极3的内圆直径为40mm、外圆直径为50mm，电极高度均为30mm，中心电极2和圆环形电极3均由肖氏硬度(hsd)为60的石墨材料制成，两者的中心轴线重合；所述引出线4分别与中心电极2、圆环形电极3的底部连接。使用时，将该传感器埋置于测量区域，并使得传感器的上表面与被测面齐平。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。