[发明专利]高压条件下氧气溶解度的测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体溶解度的测量技术，特别涉及一种用于高压条件下氧气溶解度与压强关系的测量方法及其测量装置，属于水利工程溶解气体过饱和技术领域。

背景技术

我国许多大型水利工程中，根据其水量调度需求，水利工程需要通过溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物向下游河道泄水。由于水垫塘或河道内水流压强远远高于大气压强，达到几个甚至十个以上大气压，同时大坝泄水时水流会伴随大量掺气，因此这种大流量、强掺气水流在大坝水垫塘的高压环境下会发生溶解氧过饱和，且这种过饱和溶解氧会存在于下游数十千米甚至数百千米水体中，致使鱼类等水生生物患气泡病，从而对河流水生生态系统造成严重危害。

大坝下游过饱和溶解氧的产生和释放，主要与掺气量、以及掺入气体在水体内的承压大小和时间、坝下水垫塘和河道的水深及流速等诸多因素有关，因此高压条件下的溶解氧过饱和问题属于复杂的水气两相流问题，它涉及到水工水力学、环境水力学、气液界面传质等许多领域，其研究难度极大。因此，目前关于高压条件下氧气溶解度研究较为匮乏，用于研究的实验装置亦缺乏。

在现阶段，水利工程中对高压条件下溶解氧问题研究通常采用的手段是原型观测，但其存在诸多的限制性因素：（1）观测者必须到正在泄水的大坝现场观测，极为不便；（2）高坝泄洪中水体流量、流速、掺气量、下游压力、水深等诸多物理因素和物理条件均存在着不可控制性和不可重复性；（3）泄水过程中下游水体中的水流压强测量工作较为困难，往往采用经验公式或者半经验半理论公式，从而造成较大的误差；（4）为保证水利工程发电、灌溉等综合效益，高坝泄水频率较低，且历时短。因此对大坝下游高压条件下溶解氧问题的研究仅仅依靠原型观测是远远不够的。

目前常用的溶解氧的测量方法有化学碘量法和使用在溶氧仪中的膜电极法等。化学碘量法的原理是：当水样中加入硫酸锰和碱性碘化钾溶液时，会立即生成氢氧化锰沉淀，氢氧化锰极其不稳定，容易被水中的溶解氧氧化成锰酸锰，再加入硫酸酸化后，已化合的溶解氧将碘化钾氧化并释放出与溶解氧量相当的游离态碘，然后用硫代硫酸钠的标准溶液进行滴定。根据硫代硫酸钠的用量，计算出水中溶解氧的含量。使用电极法其原理为：通过具有选择性的透氧膜使水中的溶解氧在电极上产生与氧浓度成正比的电信号，再将这一信号经放大、转换及温度补偿后输出到溶氧仪中，从而直接测量溶解氧的浓度。以上两种方法都是常压条件下的溶解氧测量方法，不能完成高压条件下氧气溶解度的测量。这是因为如果将高压条件下达到溶解平衡的水体降至常压再采用化学碘量法或者溶氧仪的膜电极法测量氧气溶解度，会出现由于压力突然减小而造成溶解氧释放的问题，严重影响测量精度。因此为了保证测量精度，需在高压反应釜的高压条件下完成对氧气溶解度的测量，但由于反应釜的空间有限，溶氧仪放入反应釜中，有可能与搅拌器相碰撞，从而使溶氧仪受到损坏，此外溶氧仪为常压条件下使用的仪器，放置在反应釜中会因为高压作用而受到破坏。

本课题组经过探索、研究与分析，对传统碘量法进行改进，提出高压化学碘量法，并设计高压条件下氧气溶解度测量装置，以实现对高压条件下氧气溶解度的精确测量。

发明内容

本发明的目的正是为了克服传统测量法中所存在的缺陷与不足，提供一种用于高压条件下氧气溶解度的测量装置；以及提供一种用该测量装置用于高压条件下氧气溶解度的测量方法。通过该测量装置及测量方法，即能测量在高压条件下氧气在水中的精确溶解度，从而为科研、工业、水产养殖、农业、废水生化处理、水体自净以及如何减缓溶解氧过饱和对鱼类的影响提供理论指导和技术支持。

本发明的目的是通过以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明高压条件下氧气溶解度的测量装置，其特征在于包括高压氧气瓶、第一控制阀门、温控仪、测温仪、第一进气管、高压反应釜、搅拌器、压力表、加热套、第二控制阀门、第二进气管、取样釜、进水管和第三控制阀门；所述取样釜通过安装有第二控制阀门的第二进气管和安装有第三控制阀门的进水管与高压反应釜底部连接；搅拌器安装在高压反应釜顶部外侧，搅拌器传动轴穿过高压反应釜顶部并插入其中心位置；加热套包裹在高压反应釜中部与温控仪一端相连，温控仪另一端与测温仪相连；压力表安装于高压反应釜顶部上，高压氧气瓶通过安装有第一控制阀门的第一进气管连接到高压反应釜顶部。

上述技术方案中，所述搅拌器为一电动机通过传动轴连接的两个叶片构成。

上述技术方案中，所述第一进气管的出口高程应靠近高压反应釜底部位置，以加速高压氧气瓶供给的氧气充分溶解。