一种标定掺气测量设备的方法与流程

本发明涉及一种标定掺气测量设备的方法，是一种对水的特性进行测量的方法，是一种用于对水中掺气浓度进行测量的设备进行标定的方法。

背景技术：

1、体积掺气浓度参数是衡量水工过水建筑物高速水流掺气减蚀性能的一项主要指标，在其他行业也不乏引用。限于水气两相流场运动的复杂性，以往科学和生产实践中尚缺乏可溯源的体积掺气浓度这一参数的标准源物质。掺气测量通常采用专用的掺气浓度仪以及形状各异的掺气传感器(如果掺气测量使用的是电导测量仪，则掺气传感器是各种形状的电极)进行测量。掺气浓度仪和掺气传感器是一种计量设备，需要标定，统一标准，才能达到精确测量的目的。然而由于早年限于原有的技术条件、测量的精度要求较低等原因，对于电导掺气浓度仪的校准只能依据maxwell理论公式，调整标准电阻器的电阻值来模拟掺气浓度参数，而对于掺气浓度传感器则缺乏标准校验物质。传统的电阻值模拟标定方式的精确度较差，各个掺气浓度仪之间存在误差，以致使用不同掺气浓度仪所测量的数据存在差异，影响了掺气量测量数据的权威性。近年来，由于科技的进步和生产水平的提高，对掺气量测量的精度提出了越来越严格的要求，掺气浓度仪及其掺气传感器的测量精度要达到相当精确的一致性标准，使其成为一种真正的计量设备成为行业的迫切需求。近年来，国内研发了一些适合实际应用场合的掺气量标定设备，如中国专利zl201921021352.x(公开日：2020.5.15)和zl202123017903.5(公开日：2022.5.31)。然而，这些掺气量标定装置普遍存在的一个问题是：为了模拟真实的掺气工况，设置了水平或接近水平的横向运动的水流，而掺入的空气气流在进入水中时虽然尽量与水流的运动方向一致，但空气横向进入水流后会快速的以气泡的形式上升，形成气泡倾斜上升现象，断面掺气浓度不均匀，进而影响仪器的测量精度。这种情况对于进行掺气测量是允许的，但作为一个计量标准设施则是难以接受的。另一方面，现有标定掺气设备方案中，空气掺入也是一个大问题。现有方案是设计几个喷口，将气流对水流中吹入空气，或者将水管和气管直接用三通结合，该方案通常无法保证水气的均匀掺混，不能满足标准物质的基本需求。第三个问题是，现有的掺气标定设施的溯源关系链条十分冗长而复杂，如何提取精确的测量数据是个大问题。由于水流是横向运动的，其体积是不断变化的，掺气量是气体和气液综合体的体积比，其体积元素若依据背景温度、压力、质量流量、体积流量等多重动态参数监测计算而得，一旦某个环节出现纰漏都将造成标定误差，而若想校准这些环境要素也十分繁琐而复杂，不便应用。如果不能精确取得体积数据，其标定功能必然大打折扣。因此如何取得直接而精准的溯源关系和稳定而均匀的测量环境，使标定掺气量更加精确，是一个需要解决的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种标定掺气测量设备的方法。所述的方法采用水流静止的圆筒形容器，底部全面积均匀的释放出气泡，简单易得一种稳定可靠且动态均匀的标准体积掺气浓度源物质发生装置，并通过这一装置连接的各种数据采集和计算设施，进而对各种体积掺气浓度测量仪或传感器进行校正，以提高掺气设备的总体测量精度。

2、本发明的目的是这样实现的：一种标定掺气测量设备的方法，所述方法所使用的系统包括：掺气浓度标准源发生装置，所述的掺气浓度标准源发生装置依次与掺气仪、数据采集器、数据处理和显示装置连接；所述的掺气浓度标准源发生装置包括：一上端开口底部封闭的截面形状上下一致且底部密闭的竖置筒，所述竖置筒上端对大气敞开并设置固定测量设施的设备平台，所述竖置筒底部设置一个出气面与竖置筒截面形状相同或接近相同的气泡盘，所述的气泡盘包括盘体和气泡石，所述气泡盘上表面与仪表平台之间设有电子液位计和刻度尺液位计，所述的电子液位计与数据采集器连接，所述气泡盘的进气口与带有流量调控器的压缩空气源连接；所述的方法的步骤如下：

3、步骤1，根据标定要求连接掺气设备：如果是校正掺气仪则在设备平台上固定至少一个经过校正的掺气传感器，所述经过校正的掺气传感器与被校正的掺气仪连接；如果是校正掺气传感器，则在设备平台上固定至少一个被校正的掺气传感器，所述被校正的掺气传感器与经过校正的掺气仪连接；

4、步骤2，设置标准静置水体：在水平截面积为s的竖置筒中注入带有盐分的纯净水，形成水平截面上下一致的水体，在静置状态下，通过刻度尺液位计读取静置水体的液位高度为l0，这时静置水体的体积v水为：

5、v水＝l0×s；

6、步骤3，开启测量设备：为电子液位计、掺气仪、数据采集器、数据处理和显示装置加电，使各项设备进入测量状态，记录静置水体在各个仪器上显示的数值；将电子液位计与刻度尺液位计的数据进行相互验证；

7、步骤4，设置标准水气两相流场：开启压缩空气源，依据标定要求调节流量调控器调控进入气泡盘的压缩空气压力p1和流量控制不变，因竖置筒顶端与大气p0的连通作用，空气从气泡盘的整个出气面均匀析出，形成大量气泡，经过5～10秒后，进出水体的空气在压缩空气量保持稳定不变时自动到达动态平衡，在动态平衡状态下水气两相流场的自由液面的液位保持稳态不变，水气两相流场内所包含的气体体积也保持稳态不变，竖置筒内形成均匀的水气两相流场；

8、步骤5，数据采样：设定测量条件，包括：进气量q和\或进气量条件的个数k、每个进气量条件下的样本组数n，以及采样时段长度；调节流量调控器，在每一个进气量条件下，按设定的样本组数和采样时段分别采集掺气浓度数据和动态液位数据；

9、步骤6，计算掺气量：根据掺气仪显示的掺气量计算各个进气量条件下被测掺气的总时段平均值c’测，同时计算标准掺气浓度的总时段平均值c’标，先计算对应于每个掺气量条件下各个采样周期所采集水气两相流场的液位高度l1所对应标准掺气浓度c标，c标的计算公式：

10、

11、计算c’标：

12、

13、其中，n为样本个数，是正整数；

14、步骤7，计算校正系数：以各组标准掺气浓度的总时段平均值c’标和被测掺气的总时段平均值c’测为基准，计算被测掺气值和标准掺气值的校正系数。

15、进一步，所述的竖置筒中注入的水体高度为竖置筒高度的2/3～3/4。

16、进一步，所述的水体中的盐分为0.1～0.5％的naci。

17、进一步，所述的步骤2中通过设置在平台的温度计对水体的温度进行测量。

18、进一步，所述的步骤6中当掺气传感器位于水气两相流场表层时，所述的c’标按式2ac’标/(1+a)计修正系数；当掺气传感器位于表层以下深度h0时，则c’标按线性插值通式2(1+(a-1)h0/l1)c’标/(1+a)计算修正系数；当掺气传感器位于中间层即h0＝l1/2时，则c’标无须修正。

19、本发明的优点和有益效果是：本发明利用水中气泡自然上浮特性，以竖置的等截面积圆筒和底部气泡盘、数据采集和处理、空气压缩机等简单设备，将两相流场中液体和气体两部分体积的计量简化为综合液位的计量，并溯源至基本长度测量单位，形成了统一精确的测量基准，通过这一测量基准，对各种掺气设备进行标定，以建立精确的测量体系。圆筒中产生的均匀的水气两相流场即标准掺气浓度源物质，只与进气量一项参数有关，改变进气量的大小即可改变均匀水气两相流场内的体积掺气浓度指标的大小，常规室内环境下与水气两相流场的背景温度、压力有一定关系，但温度影响已包含在水气两相流的液位计测中，在校正精度要求较低时压力(大气压和水深)影响也可以忽略，但当校正精度要求较高时，需要通过计算修正系数的方式对测量计算进行修正。圆筒仅设空气循环供给设施，但无需计量进气量，也无需外设循环水池、供水环路及水量计量等设施，设备数量少、结构简单、体积小巧、成本低廉、节省布置空间，节能降耗、绿色环保、工作性能稳定可靠。圆筒组成一个开放式系统，便于上端布设一个可透气的仪表平台，一方面连通大气，一方面固定被校正的仪器或传感器，水气两相流流场直观可视，组装调试简单、可操作性强，在一般小规模实验室或办公室即能组装运行。