一種壓力信號(hào)流量測量裝置以及流量測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及實(shí)驗(yàn)量測領(lǐng)域，具體涉及一種壓力信號(hào)流量測量裝置以及提高精度的 流量測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水力學(xué)及流體力學(xué)是工科院校許多專業(yè)的一門主要專業(yè)基礎(chǔ)課?，F(xiàn)代水力學(xué)是建 立在實(shí)驗(yàn)、理論、計(jì)算三大支柱上的，因此，實(shí)驗(yàn)是教學(xué)環(huán)節(jié)中不可或缺的內(nèi)容。其中，孔口 與管嘴出流是該教學(xué)領(lǐng)域重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。在容器垂直壁上開孔，流體經(jīng)過孔口流出 的流動(dòng)現(xiàn)象叫孔口出流，其出流條件可以是定水頭下的出流或者變水頭下出流，可以是流 入空氣中，也可以是流入同一介質(zhì)的流體中。在孔口的周界上安裝一個(gè)長度約為孔口直徑 3~4倍的短管，這樣的短管稱圓柱形外管嘴。管嘴按其形狀可分為：流線型管嘴，柱形外 管嘴，圓錐形管嘴。流體流經(jīng)該短管，并在出口斷面形成滿管流，這種流動(dòng)現(xiàn)象稱為管嘴出 流。
[0003] 作為工程上常見的水力設(shè)施一一孔口管嘴，與孔口管嘴相關(guān)的重要流體力學(xué)教學(xué) 實(shí)驗(yàn)就有孔口管嘴實(shí)驗(yàn)和動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)。這2種實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器國內(nèi)的活塞式動(dòng)量定律實(shí) 驗(yàn)儀和帶移動(dòng)觸頭的孔口管嘴實(shí)驗(yàn)儀為代表已被國內(nèi)幾百所院校采用，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中 都需要測量多組不同水頭下的孔口管嘴出流流量，以驗(yàn)證相關(guān)的流體力學(xué)基本定律。傳統(tǒng) 測定孔口管嘴流量時(shí)需要在穩(wěn)定水頭下，用重量法（即通過秒表計(jì)時(shí)，在孔口管嘴出流的 下游水槽出流口用水筒接取一筒水，并用電子秤稱重?fù)Q算得到水體積，再除以計(jì)時(shí)時(shí)間即 能得到出流流量）或體積法（直接用大的量筒接取出流水，并用秒表計(jì)時(shí)）去測量孔口管 嘴的出流流量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，實(shí)驗(yàn)環(huán)境也容易搞濕搞臟，學(xué)生對(duì)這類傳統(tǒng)的流量測量方法學(xué)習(xí) 1~2次以后即可達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，不需要對(duì)每個(gè)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)都重復(fù)這類手工傳統(tǒng)的 測量方法，容易浪費(fèi)寶貴的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間。同時(shí)，傳統(tǒng)流量測量方法也無法實(shí)時(shí)測量孔口管 嘴的出流流量。
[0004] 隨著現(xiàn)代量測技術(shù)的發(fā)展，其他各行業(yè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)儀器在現(xiàn)代量測技術(shù)的創(chuàng)新和 應(yīng)用上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于流體力學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器。而對(duì)于孔口管嘴實(shí)驗(yàn)和動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)這類 實(shí)驗(yàn)儀器想要實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)字化量測甚至將來實(shí)現(xiàn)面向MOOC的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，第一步要 解決的就是如何實(shí)現(xiàn)孔口管嘴出流流量的數(shù)字化實(shí)時(shí)量測。
[0005] 而這類電測儀表，常常需要實(shí)時(shí)校驗(yàn)零點(diǎn)，如電子秤稱重后，去掉重物就能校驗(yàn)其 零點(diǎn)，而且這種儀器的零點(diǎn)相當(dāng)穩(wěn)定。然而，對(duì)于管流和水箱出流的流量計(jì)而言，由于實(shí)驗(yàn) 過程中受溫度和流體壓力場的影響，因而零點(diǎn)并不是很穩(wěn)定的。傳統(tǒng)的流量計(jì)在需要調(diào)零 或校驗(yàn)零點(diǎn)的時(shí)候，往往需要在管道充滿水流的情況下進(jìn)行關(guān)閘，使管內(nèi)水流靜止不動(dòng)，水 箱初始水位為零的時(shí)候才能進(jìn)行。這對(duì)于教學(xué)實(shí)驗(yàn)來說會(huì)中途停止實(shí)驗(yàn)操作，重新回到實(shí) 驗(yàn)開始的狀態(tài)下，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，非常不方便。因此，能夠在實(shí)驗(yàn)過程中，不需要關(guān)機(jī)的情況 下，實(shí)時(shí)地調(diào)零或校驗(yàn)零點(diǎn)非常重要。
[0006] 市面上和公開技術(shù)資料顯示有很多種有關(guān)管道、明渠液體流量測量的現(xiàn)代量測裝 置及發(fā)明專利，但針對(duì)桌面型實(shí)驗(yàn)儀器低壓水頭下的孔口管嘴出流流量還沒有什么較好的 高精度數(shù)字化實(shí)時(shí)測量裝置。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明提供了一種壓力信號(hào)流量測量裝置，可以方便的數(shù)字化精確量測流體力學(xué) 基本實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)量實(shí)驗(yàn)儀和孔口與管嘴實(shí)驗(yàn)儀中孔口與管嘴的射流流量，并具有很好的教 學(xué)效果。
[0008] 一種壓力信號(hào)流量測量裝置，包括：
[0009] 側(cè)壁帶出流口的實(shí)驗(yàn)水箱，所述的實(shí)驗(yàn)水箱中設(shè)有將實(shí)驗(yàn)水箱隔成進(jìn)水工作區(qū)和 溢流區(qū)的溢流隔板，所述的實(shí)驗(yàn)水箱中設(shè)有將進(jìn)水工作區(qū)隔成進(jìn)水區(qū)和穩(wěn)水工作區(qū)的穩(wěn)水 孔板；
[0010] 設(shè)置在所述實(shí)驗(yàn)水箱內(nèi)穩(wěn)水工作區(qū)的液氣轉(zhuǎn)換測壓筒，所述液氣轉(zhuǎn)換測壓筒的底 部與所述實(shí)驗(yàn)水箱的內(nèi)部空間連通，所述液氣轉(zhuǎn)換測壓筒的頂部設(shè)有連通定位管，該連通 定位管的底面位于所述出流口的中軸水平面上；
[0011] 與所述液氣轉(zhuǎn)換測壓筒連接，用于檢測所述液氣轉(zhuǎn)換測壓筒內(nèi)壓縮空氣與外界空 氣壓差的流體壓差傳感器；
[0012] 與所述流體壓差傳感器連接，用于將流體壓差傳感器檢測到的壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成出 流口流量的微電腦。
[0013] 本發(fā)明中，實(shí)驗(yàn)水箱通過水泵充水時(shí)，液位會(huì)有較大波動(dòng)的擺動(dòng)上升，此時(shí)測壓筒 通過底部進(jìn)水口會(huì)同樣進(jìn)水，但通過底部一個(gè)或多個(gè)小進(jìn)水口的穩(wěn)流過濾進(jìn)水，能使測壓 筒內(nèi)部水位上升很平穩(wěn)，測壓筒內(nèi)部空氣則會(huì)向上通過連通定位管跑掉，隨著外部實(shí)驗(yàn)水 箱中水位升高并高于測壓筒，對(duì)應(yīng)測壓筒內(nèi)水位平穩(wěn)上升等高觸碰到頂部的連通定位管底 平面時(shí)，測壓筒上部會(huì)封閉一段空氣柱無法排出，此時(shí)測壓筒內(nèi)部水位不再升高，測壓筒內(nèi) 水會(huì)從其頂部的連通定位管內(nèi)流出與實(shí)驗(yàn)水箱水體連通。不過由于空氣具有可壓縮性，但 計(jì)算可得測壓筒中空氣壓縮帶來的水頭高度相對(duì)誤差有限（〈〇. 12% )，這樣，可以認(rèn)為測 壓筒內(nèi)封閉的壓縮空氣壓力即為水箱中水體相對(duì)于孔口與管嘴中軸水平面的作用水頭。
[0014] 但是實(shí)驗(yàn)水箱液位較高時(shí)，筒內(nèi)液位會(huì)產(chǎn)生較高的絕對(duì)誤差，如測壓筒初始密封 空氣柱高度3cm，測量2米水頭時(shí)，就會(huì)有0. 5cm的絕對(duì)誤差。此時(shí)即可通過加氣復(fù)位裝置 對(duì)液氣轉(zhuǎn)換測壓筒加氣復(fù)位，即通過氣泵向液氣轉(zhuǎn)換測壓筒壓入空氣，使液氣轉(zhuǎn)換測壓筒 內(nèi)液面下降脫離連通定位管后，再斷開氣泵，關(guān)閉連通氣泵的管路，筒內(nèi)多余壓縮空氣會(huì)通 過連通定位管向上排掉，精確的保持筒內(nèi)液氣交界面與連通定位管底面同水平面，與孔口 管嘴中軸線同水平面。如此加氣復(fù)位后即可消除前述空氣壓縮帶來的筒內(nèi)液位升高誤差， 大大提高整個(gè)測量裝置的精度。
[0015] 實(shí)驗(yàn)水箱中穩(wěn)定水位時(shí)，通過電測儀測得基于管嘴與孔口的作用水頭壓力后，再 用重量法，測得孔口與管嘴的出流流量，可形成一組標(biāo)定數(shù)據(jù)。
[0016] 根據(jù)孔口與管嘴的物理規(guī)律和出流流量公式：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種壓力信號(hào)流量測量裝置，其特征在于，包括： 側(cè)壁帶出流口的實(shí)驗(yàn)水箱，所述的實(shí)驗(yàn)水箱中設(shè)有將實(shí)驗(yàn)水箱隔成進(jìn)水工作區(qū)和溢 流區(qū)的溢流隔板，所述的實(shí)驗(yàn)水箱中設(shè)有將進(jìn)水工作區(qū)隔成進(jìn)水區(qū)和穩(wěn)水工作區(qū)的穩(wěn)水孔 板； 設(shè)置在所述實(shí)驗(yàn)水箱內(nèi)穩(wěn)水工作區(qū)的液氣轉(zhuǎn)換測壓筒，所述液氣轉(zhuǎn)換測壓筒的底部與 所述實(shí)驗(yàn)水箱的內(nèi)部空間連通，所述液氣轉(zhuǎn)換測壓筒的頂部設(shè)有連通定位管，該連通定位 管的底面位于所述出流口的中軸水平面上； 與所述液氣轉(zhuǎn)換測壓筒連接，用于檢測所述液氣轉(zhuǎn)換測壓筒內(nèi)壓縮空氣與外界空氣壓 差的流體壓差傳感器； 與所述流體壓差傳感器連接，用于將流體壓差傳感器檢測到的壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成出流口 流量的微電腦。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力信號(hào)流量測量裝置，其特征在于，所述的流體壓差傳感 器中的一測量口通大氣，所述的流體壓差傳感器中的另一測量口通過導(dǎo)管與所述液氣轉(zhuǎn)換 測壓筒密封連接，該導(dǎo)管上連接有與大氣相通的電控調(diào)零氣閥。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力信號(hào)流量測量裝置，其特征在于，所述的液氣轉(zhuǎn)換測壓 筒連接有加氣復(fù)位裝置，所述的加氣復(fù)位裝置包括：氣泵，所述氣泵的排氣嘴與所述液氣轉(zhuǎn) 換測壓筒內(nèi)壓縮空氣連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓力信號(hào)流量測量裝置，其特征在于，所述的氣泵與所述液 氣轉(zhuǎn)換測壓筒之間的通路上設(shè)有電控加氣氣閥。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力信號(hào)流量測量裝置，其特征在于，所述的連通定位管的 底面為水平面。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力信號(hào)流量測量裝置，其特征在于，所述的穩(wěn)水孔板高于 所述溢流隔板，所述的穩(wěn)水孔板低于溢流隔板高度的部分開有多排穩(wěn)水孔。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力信號(hào)流量測量裝置，其特征在于，所述的實(shí)驗(yàn)水箱中進(jìn) 水區(qū)的底部設(shè)有進(jìn)水口，所述的實(shí)驗(yàn)水箱中溢流區(qū)設(shè)有出水口。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力信號(hào)流量測量裝置，其特征在于，所述的溢流隔板上設(shè) 有溢流孔，該溢流孔內(nèi)塞有塞子。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力信號(hào)流量測量裝置，其特征在于，所述的導(dǎo)管插入所述 液氣轉(zhuǎn)換測壓筒的一端位于所述連通定位管的底面與所述液氣轉(zhuǎn)換測壓筒的頂面之間，且 高于所述連通定位管的底面。
10. -種提高精度的流量測量方法，其特征在于，采用權(quán)利要求4所述的壓力信號(hào)流量 測量裝置，該方法包括： 1) 實(shí)驗(yàn)初始，實(shí)驗(yàn)水箱尚未進(jìn)水，對(duì)流體壓差傳感器輸出的壓差信號(hào)進(jìn)行初始調(diào)零； 2) 實(shí)驗(yàn)水箱進(jìn)水，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)工作狀態(tài)需要測量實(shí)驗(yàn)流量數(shù)據(jù)前，先啟動(dòng)氣泵和打開電 控加氣氣閥，將液氣轉(zhuǎn)換測壓筒內(nèi)水位壓下低于連通定位管的底面后，即可關(guān)閉氣泵和關(guān) 閉電控加氣氣閥，完成復(fù)位操作； 3) 在復(fù)位操作后再讀取微電腦將流體壓差傳感器檢測到的壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成出流口流 量的數(shù)據(jù)，即可得到提高精度后的實(shí)驗(yàn)流量數(shù)據(jù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓力信號(hào)流量測量裝置以及提高精度的流量測量方法，該裝置包括：帶出流口的實(shí)驗(yàn)水箱，實(shí)驗(yàn)水箱中設(shè)有將進(jìn)水工作區(qū)隔成進(jìn)水區(qū)和穩(wěn)水工作區(qū)的穩(wěn)水孔板；設(shè)置在實(shí)驗(yàn)水箱內(nèi)穩(wěn)水工作區(qū)的液氣轉(zhuǎn)換測壓筒，測壓筒的頂部設(shè)有連通定位管，該連通定位管的底面位于出流口的中軸水平面上；用于檢測所述液氣轉(zhuǎn)換測壓筒內(nèi)壓縮空氣與外界空氣壓差的流體壓差傳感器；用于將流體壓差傳感器檢測到的壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成出流口流量的微電腦。本發(fā)明裝置和方法能自動(dòng)復(fù)位和實(shí)時(shí)調(diào)零，提高檢測精度，可以方便的數(shù)字化精確量測流體力學(xué)基本實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)量實(shí)驗(yàn)儀和孔口與管嘴實(shí)驗(yàn)儀中孔口與管嘴的射流流量，并具有很好的教學(xué)效果。
【IPC分類】G01F1-36, G09B23-12
【公開號(hào)】CN104766513
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510152116
【發(fā)明人】毛欣煒, 毛根海
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué), 杭州源流科技有限公司
【公開日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年4月1日