基于电路通断的气体流量测定系统的制作方法

本实用新型涉及微生物发酵领域，具体为一种基于电路通断的气体流量测定系统，可用于测定气体流速及流量。

背景技术：

在研究微生物燃料电池、沼气发酵等过程时，微生物发酵产生二氧化碳、甲烷等气体，气体的生成量和生成速率能够反应微生物的活性、发酵过程的进行程度等，是研究的一个重要参数。气体产气量的检测可以用排水集气法、气体流量计等，气体流量计通常用于气体流量较大的场合，对于微量气体难以测量。排水集气法需要人工测量产气量，记录数据，操作不方便。特别是实验室中反应装置规模很小，产生的气体量小，不在常用的气体流量计量程范围内，测量其产气过程比较困难。

中国实用新型专利(授权公告号CN2883386Y)公开一种基于气泡计数的微生物呼吸速率测定装置，设置有微生物培养瓶，微生物培养瓶的气相与U型通道相连接，在所述U型通道内装有可透光的密封液，U型通道的入口立管是气体进入端，U型通道的出口立管是气体排出端，在所述出口立管上可透光的、有密封液的部位外侧，安装用于检测出口立管内气泡通过数量的光电感应检测装置。

中国发明专利申请(公开号CN1952639A)公开一种基于光电技术的气泡自动计数系统，包括进气管、气泡管、玻璃测量管、测量剂、发光二极管、直流恒压电源、硅光电池、放大电路、数据采集卡和计算机。利用硅光电池感应由发光二极管发出的光信号，将光信号转换为电压信号，经放大电路放大后，通过数据采集卡输入到计算机。在玻璃测量管中，当气泡通过测量剂时，气泡对光信号的扰动引起硅光电池输出电压信号的波动，利用计算机对采集到的电压信号进行波形分析，从而实现气泡计数。

上述两项专利“基于气泡计数的微生物呼吸速率测定装置”和“基于光电技术的气泡自动计数系统”都是利用光电原理进行测量，对光环境要求较高。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于电路通断的气体流量测定系统，主要用于测量气体产气量和气体流速。

本实用新型的技术方案是：

一种基于电路通断的气体流量测定系统，该测定系统由缓冲装置、气泡测定传感器和信号采集器三部分组成，具体结构如下：

缓冲装置包括：缓冲瓶、进气管、温度传感器及压力传感器、气体连接管，进气管的一端伸至缓冲瓶内，待测气体通过进气管的另一端进入缓冲瓶，气体连接管的两端分别连接缓冲瓶和气泡测定传感器中的气泡管，缓冲瓶中的温度传感器及压力传感器与信号采集器连接；

气泡测定传感器包括：气泡管、内管、气泡、正极、液面、负极、外管、进气管、出气管，气泡管为竖直管部分和倾斜管部分上下组合的一体管结构，气泡管的倾斜管部分倾斜向下，进气管、测定管外管和出气管自下而上竖向组合形成测定管，外管内竖向设置内管；气泡管的上部管口通过气体连接管与缓冲瓶相连，气泡管的下部管口与测定管的进气管连通，形成底部倾斜的U型结构；气泡测定传感器中装有溶液，气泡管和测定管的液面高度一致；

内管为筒形细管部分和倒置的漏斗形集气罩部分上下组合的一体结构，进气管位于内管正下方，内管下部的漏斗形集气罩部分与进气管的上口对应，气泡通过内管下部的漏斗形集气罩部分进入内管上部的筒形细管部分，内管设置于液面以下，所述筒形细管部分的上部侧面、于外管内侧安装正极，正极位于液面以下，与溶液接触；负极与内管上部的筒形细管部分顶部对应，负极位于液面的上面，不接触溶液，所述正极和负极的引出导线与信号采集器连接。

所述的基于电路通断的气体流量测定系统，信号采集器采用单片机或数据采集卡。

所述的基于电路通断的气体流量测定系统，外管的内径大于出气管和进气管的内径。

所述的基于电路通断的气体流量测定系统，内管上部的筒形细管部分为比气泡管细的管。

所述的基于电路通断的气体流量测定系统，液面保持在内管上部的筒形细管部分顶端以上，所述筒形细管部分不触及正极。

本实用新型的设计思想是：

本实用新型基于电路的通断进行测量，气体通入装有溶液的气泡测定传感器中，气泡管产生气泡，气泡进入内管上部细管，推动细管中的溶液上喷形成液柱，当液柱触及探针电极时，测量电路处于通路状态；没有气泡产生时，测量电路处于断路状态。电路的通断导致测量装置所测量到的电压或电流发生变化，通过采集电路的电压或电流变化得出气泡个数，气体流量由气泡个数乘以单个气泡的体积得出，气体流速由气体流量除以所用时间得出。

本实用新型的优点及积极效果是：

本实用新型测定系统由缓冲装置、气泡测定传感器和信号采集器组成，通过电路的通断测量气体流量，气流通入气泡测定传感器产生气泡，气泡通过内管上部筒形细管时，测量电路处于连通状态，当气泡未通过内管上部筒形细管时，测量电路处于断路状态。电路的通断导致电极两端的电压或电流发生变化，统计变化次数，可得出通过气泡的个数。进一步的，通过信号采集器电压或电流的变化，并统计出气泡的个数，从而可以计算出气体流过的体积，流过的气体除以通气时间，即可得出气体流速。该装置结构简单，能够准确的测量出气体流量，为分析微生物发酵等过程提供良好条件。

附图说明

图1为本实用新型的系统装置示意图。

图2为本实用新型的气泡测定传感器示意图。

图3为本实用新型的处于通路状态的气泡测定传感器示意图。

图中零部件序号说明：1缓冲装置；11进气管；12温度传感器及压力传感器；13缓冲瓶；14气体连接管；2气泡测定传感器；21气泡管；22内管；23气泡；24电极(正极)；25液面；26电极(负极)；27外管；28进气管；29出气管；3信号采集器。

具体实施方式

下面，通过附图和实施例对本实用新型进一步详细阐述。

如图1-图2所示，本实用新型基于电路通断的气体流量测定系统，主要由缓冲装置1、气泡测定传感器2和信号采集器3三部分部分组成，具体结构如下：

如图1所示，缓冲装置1包括：缓冲瓶13、进气管11、温度传感器及压力传感器12、气体连接管14，进气管11的一端伸至缓冲瓶13内，待测气体通过进气管11的另一端进入缓冲瓶13，气体连接管14的两端分别连接缓冲瓶13和气泡测定传感器2中的气泡管21。缓冲瓶13中的温度传感器及压力传感器12与信号采集器3连接，信号采集器3采集缓冲瓶13中气体的温度和压力。

如图2所示，气泡测定传感器2包括：气泡管21、内管22、气泡23、电极(正极)24、液面25、电极(负极)26、外管27、进气管28、出气管29等，气泡管21为竖直管部分和倾斜管部分上下组合的一体管结构，气泡管21的倾斜管部分倾斜向下，进气管28、测定管外管27和出气管29自下而上竖向组合形成测定管，外管27的内径大于出气管29和进气管28的内径，外管27内竖向设置内管22；气泡管21的上部管口通过气体连接管14与缓冲瓶13相连，气泡管21的下部管口与测定管的进气管28连通，形成底部倾斜的U型结构。气泡测定传感器2中装有溶液，气泡管21和测定管的液面25高度一致，溶液可用氯化钠水溶液等，具有一定的导电能力。

内管22为筒形细管部分和倒置的漏斗形集气罩部分上下组合的一体结构，进气管28位于内管22正下方，内管22下部的漏斗形集气罩部分与进气管28的上口对应，气泡23通过内管22下部的漏斗形集气罩部分进入内管22上部的筒形细管部分，再由所述筒形细管部分经外管27、出气管29排出。内管22设置于液面25以下，内管22上部的筒形细管部分为比气泡管2细的管，所述筒形细管部分的上部侧面、于外管27内侧安装探针电极(正极)24，液面25保持在内管22上部的筒形细管部分顶端以上，所述筒形细管部分不触及探针电极(正极)24。

探针电极(负极)26与内管22上部的筒形细管部分对应，探针电极(负极)26位于液面25的上面，不接触溶液。探针电极(正极)24置于液面25以下，与溶液接触。探针电极(正极)24和探针电极(负极)26的放电端(电极探针端)采用不锈钢丝或石墨等耐腐蚀材料，探针电极(正极)24和电极(负极)26的引出导线与信号采集器3连接。

信号采集器3采用单片机或数据采集卡(如：STM32F103VET6芯片)，用于采集数据。信号采集器3连接缓冲装置1中的温度传感器及压力传感器12，信号采集器3连接气泡测定传感器2中的探针电极(正极)24和电极(负极)26，形成一条测量电路的回路。

当气体通入装有溶液的气泡测定传感器中，在气泡管中产生气泡，气泡在管中上升并推动溶液向上流动形成液柱，筒形细管部分的上部设置测量电路。由于溶液导电，因此没有气泡时电路处于断路状态；有气泡通过时液柱上喷出，电路处于通路状态。因此每通过一个气泡，电路通断一次，相应的电压及电流均发生变化一次，通过采集气泡测定传感器的电压或电流的变化次数即可得出通过气泡的个数。气体流量由气泡个数乘以单个气泡的体积得出，气体流速由气体流量除以所用时间得出。采用单片机定时器计算出开启至结束时间，即要测量的气体流动时间。

实施例

如图1-图3所示，本实用新型基于电路通断的气体流量测定方法如下：

以采集电压为例说明，气流由进气管11通入缓冲瓶13，通过气体连接管14进入气泡管21产生气泡23，气泡23未通过内管22上部的筒形细管部分时，探针电极(负极)26未接触溶液，测量电路处于断路状态(如图2)，此时测量电路的电压较小或为零，因此信号采集器3采集的电压较低。当气泡23通过内管22上部的筒形细管部分时，气泡23变成气柱推动内管22上部筒形细管部分内的溶液上喷，在液面25处形成一个液泡，此时探针电极(负极)26接触到所述液泡，测量电路处于通路状态(如图3)，信号采集器3所测电压是高电位的电压，电压较大。气泡23间断通过，测量电路不断处于通断状态，信号采集器3的电压会间隔出现高低电压变化。统计高低电压出现的次数进行数模转换导入单片机中，即可直接读出气泡的个数，从而可以计算出气体流过的体积。

信号采集器3采集电流也可以得出气泡的个数，并计算出气体流过的体积。利用单片机定时器计算出开启至结束的时间即为通气时间，流过的气体除以通气时间，即可得出气体流速。气泡管21的管径决定气泡的大小，使用不同的气泡管21可测量不同范围的流速。