一种实验室用微量沼气计量装置的制作方法

本实用新型属于气体流量测量技术领域，尤其是涉及一种实验室用微量沼气计量装置。

背景技术：

实验室条件下，厌氧发酵反应装置规模较小、处理有机物能力有限，极易出现沼气产量低于常用沼气流量计量程范围的情况。为了提高产气数据的精度，实验室常常采用简易的排水法测定气体流量，然而排水装置占地面积大、超量程气体无法计量、人力劳动量大，大大降低了科研效率。

此外，目前实验室常用的沼气流量计量方式无法直接检测较低的产沼气速率，需要人工长时间记录产气量和产气时间，进而推算产沼气速率。所以，有必要提出一种用于实验室的微量沼气计量装置。

发明专利“微量气体流量计及流量测量方法”(公告号为CN103076054B)所述的微量气体流量计主要包括固定腔、称重腔、称重传感器和气泵，由气体变化引起液体变化，通过称重传感器测量称重腔体的重量值变化，来推算微量气体的流量。上述专利的附属设备、切换阀较多，测试过程复杂，并且尚未解决产气速率测定的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种实验室用微量沼气计量装置，以方便实验室用微量沼气的计量。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种实验室用微量沼气计量装置，包括集气腔、换向电磁阀、压力传感器、计时器、单片机、显示屏、进气管和排气管，所述进气管和排气管通过一个换向电磁阀分别连接至集气腔，所述集气腔上安装有压力传感器，所述压力传感器、换向电磁阀、计时器和显示屏均与单片机连接，所述单片机内部还设置有计数器。

进一步的，所述集气腔上还安装有温度传感器，所述温度传感器连接至单片机。

进一步的，所述进气管另一端连接至发酵罐。

进一步的，所述排气管另一端自由放置。

进一步的，所述集气腔为固定容积的腔体。

进一步的，所述集气腔上设有进气口和排气口，所述进气口和排气口分别连接进气管和排气管。

相对于现有技术，本实用新型所述的实验室用微量沼气计量装置具有以下优势：

本实用新型所述的实验室用微量沼气计量装置能够实现实验室微量沼气产量和产沼气速率的检测，其自动化程度高，结构简单，便于操作，可制作一体化装置，便于携带，大大降低了实验室的人力投入，提高科研效率。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的实验室用微量沼气计量装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例所述的控制电路原理图；

图3为本实用新型实施例所述的压力传感器的连接电路原理图；

图4为本实用新型实施例所述的单片机控制流程图。

附图标记说明：

1-集气腔；2-进气管；3-排气管；4-换向电磁阀；5-压力传感器；6-单片机；7-温度传感器；8-显示屏；9-发酵罐。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1所示，一种实验室用微量沼气计量装置，包括集气腔1、换向电磁阀4、压力传感器5、计时器、单片机6、显示屏8、进气管5和排气管3，所述进气管2和排气管3通过一个换向电磁阀4分别连接至集气腔1，所述集气腔1上安装有压力传感器5，所述压力传感器5、换向电磁阀4、计时器和显示屏8均与单片机6连接，所述单片机6内部还设置有计数器。

所述集气腔上还安装有温度传感器7，所述温度传感器7连接至单片机6。

所述进气管2另一端连接至发酵罐9。

所述排气管3另一端自由放置。

所述集气腔为固定容积的腔体。

所述集气腔1上设有进气口和排气口，所述进气口和排气口分别连接进气管2和排气管3。

所述单片机6为AT89C51单片机。

所述压力传感器5型号为MPX4250，且所述压力传感器5通过模数转换器连接在单片机6。

所述模数转换器型号为ADC0832。

所述温度传感器7型号为DS18B20。

所述计时器为DS1302实时时钟模块。

所述显示屏8为LCD液晶显示屏。

本实施例的工作过程及原理如下：

通过所述换向电磁阀4控制集气腔1的进气和排气，通过所述压力传感器5测定集气腔1内的压力变化，将压力值以电信号的形式传送到控制电路中，所述控制电路如图2和图3所示，控制电路以单片机为核心，依据最高压力和最低压力进行通断响应，当压力增加到设定的最高压力值时，所述控制电路接通，引起计时器、单片机内部的计数器功能和换向电磁阀4动作，当压力降低到最低压力值时，所述控制电路断开，引起换向电磁阀4动作；所述显示屏8显示计数器、计时器、实时的温度传感器7和压力传感器5的输出；所述温度传感器7测定集气腔1内温度，以电信号形式输送到控制电路中，以显示实时温度。

本实施例所述实验室用微量沼气计量装置分为接收沼气和排放沼气两种状态，这两种状态的切换是通过控制电路实现的。如图4所示，实际应用中，重复如下操作步骤进行沼气的计量：

A.即接收沼气状态，换向电磁阀4使进气管2接通，排气管3关闭，发酵罐9内生成的沼气通过进气管2不断进入集气腔1，压力传感器5检测压力值变化，当压力值达到最大时，进入步骤B；

B.即接收态切换到排放态，当压力增加到设定最高压力值时，控制电路响应，计时器记录响应的时间(即为排气时间)，单片机内部的计数器的数值增加1单位，换向电磁阀4动作，进气管2关闭，排气管3接通，进入步骤C；

C.即排放沼气状态，换向电磁阀4使进气管2关闭，排气管3接通，集气腔1通过排气管3直接与大气相连，集气腔1内的高压气体排向大气，导致压力降低，当压力值降低到设定最低压力值时，进入步骤D；

D.即排放态切换到接收态，当压力值降低到设定最低压力值，控制电路响应，换向电磁阀4动作，进气管打开，排气管关闭。

在步骤C中，由于进气管3关闭，排放沼气的过程中产生的沼气得以在发酵罐9内储存。

将集气腔1的最高压力和最低压力之间的沼气产量设定为单位沼气产量(该值与集气腔体积、最高压力、最低压力和温度有关)，根据温度传感器7所测数据对单位沼气产量进行计算。发酵罐9内的产沼气量为计数器所统计的排气次数与单位沼气产量的乘积。单位沼气产量ΔV按以下过程进行计算：

ΔV＝Δn*22.4

Δn＝(P_高-P_低)*V/RT

ΔV＝(P_高-P_低)*V/RT*22.4

其中，ΔV是集气腔1内压力值由最高压力释放到最低压力过程中，收集到的沼气在标态下的体积，即单位沼气产量，单位为L；Δn是集气腔1内压力值在最高压力和最低压力之间时，收集到沼气的摩尔数，单位为mol；P_高是设定最高压力值，单位为Pa；P_低是设定最低压力值，单位为Pa；V是集气腔1的体积，单位为m³；R为常量8.314J/(mol·K)；T是温度传感器7测定集气腔1体内气体温度，单位为K；

产沼气速率需调用计时器所记录的排气时间，根据排气时间间隔和单位沼气产量，可直接得出单位时间下的产气量，即产沼气速率。绘制计时器所记录时间与累积产气量关系曲线，可计算得出产沼气速率的变化趋势。

在发酵罐和进气管间设置二氧化碳吸收装置，则本沼气计量装置就可主要计量甲烷气体的产量和产气速率。

压力传感器5的实时输出显示在显示屏8上，可以获得集气腔1内的当前压力值，可用于分析集气腔1内收集的沼气产量。单片机上设置的复位键用于清除计时器和计数器的数据，压力设置键用于手动设定最高压力值和最低压力值。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。