一種壓力信號流量測量裝置以及流量測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及實驗量測領(lǐng)域，具體涉及一種壓力信號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 立在實驗、理論、計算三大支柱上的，因此，實驗是教學(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) 實驗就有孔口管嘴實驗和動量定律實驗。這2種實驗教學(xué)儀器國內(nèi)的活塞式動量定律實 驗儀和帶移動觸頭的孔口管嘴實驗儀為代表已被國內(nèi)幾百所院校采用，在實際實驗教學(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需要在穩(wěn)定水頭下，用重量法（即通過秒表計時，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，再除以計時時間即 能得到出流流量）或體積法（直接用大的量筒接取出流水，并用秒表計時）去測量孔口管 嘴的出流流量，費時費力，實驗環(huán)境也容易搞濕搞臟，學(xué)生對這類傳統(tǒng)的流量測量方法學(xué)習(xí) 1~2次以后即可達(dá)到實驗教學(xué)目的，不需要對每個流體力學(xué)實驗都重復(fù)這類手工傳統(tǒng)的 測量方法，容易浪費寶貴的實驗操作時間。同時，傳統(tǒng)流量測量方法也無法實時測量孔口管 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)域的實驗儀器在現(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)類實驗教學(xué)儀器。而對于孔口管嘴實驗和動量定律實驗這類 實驗儀器想要實現(xiàn)全面的數(shù)字化量測甚至將來實現(xiàn)面向MOOC的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實驗，第一步要 解決的就是如何實現(xiàn)孔口管嘴出流流量的數(shù)字化實時量測。
[0005] 而這類電測儀表，常常需要實時校驗零點，如電子秤稱重后，去掉重物就能校驗其 零點，而且這種儀器的零點相當(dāng)穩(wěn)定。然而，對于管流和水箱出流的流量計而言，由于實驗 過程中受溫度和流體壓力場的影響，因而零點并不是很穩(wěn)定的。傳統(tǒng)的流量計在需要調(diào)零 或校驗零點的時候，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，水 箱初始水位為零的時候才能進(jìn)行。這對于教學(xué)實驗來說會中途停止實驗操作，重新回到實 驗開始的狀態(tài)下，重新進(jìn)行實驗，非常不方便。因此，能夠在實驗過程中，不需要關(guān)機(jī)的情況 下，實時地調(diào)零或校驗零點非常重要。
[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，但針對桌面型實驗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)字化實時測量裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種壓力信號流量測量裝置，可以方便的數(shù)字化精確量測流體力學(xué) 基本實驗中的動量實驗儀和孔口與管嘴實驗儀中孔口與管嘴的射流流量，并具有很好的教 學(xué)效果。
[0008] 一種壓力信號流量測量裝置，包括：
[0009] 側(cè)壁帶出流口的實驗水箱，所述的實驗水箱中設(shè)有將實驗水箱隔成進(jìn)水工作區(qū)和 溢流區(qū)的溢流隔板，所述的實驗水箱中設(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)置在所述實驗水箱內(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 部與所述實驗水箱的內(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轉(zhuǎn)換成出 流口流量的微電腦。
[0013] 本發(fā)明中，實驗水箱通過水泵充水時，液位會有較大波動的擺動上升，此時測壓筒 通過底部進(jìn)水口會同樣進(jìn)水，但通過底部一個或多個小進(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)部空氣則會向上通過連通定位管跑掉，隨著外部實驗水 箱中水位升高并高于測壓筒，對應(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，測壓筒上部會封閉一段空氣柱無法排出，此時測壓筒內(nèi)部水位不再升高，測壓筒內(nèi) 水會從其頂部的連通定位管內(nèi)流出與實驗水箱水體連通。不過由于空氣具有可壓縮性，但 計算可得測壓筒中空氣壓縮帶來的水頭高度相對誤差有限（〈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于孔口與管嘴中軸水平面的作用水頭。
[0014] 但是實驗水箱液位較高時，筒內(nèi)液位會產(chǎn)生較高的絕對誤差，如測壓筒初始密封 空氣柱高度3cm，測量2米水頭時，就會有0. 5cm的絕對誤差。此時即可通過加氣復(fù)位裝置 對液氣轉(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， 大大提高整個測量裝置的精度。
[0015] 實驗水箱中穩(wěn)定水位時，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】
1. 一種壓力信號流量測量裝置，其特征在于，包括： 側(cè)壁帶出流口的實驗水箱，所述的實驗水箱中設(shè)有將實驗水箱隔成進(jìn)水工作區(qū)和溢 流區(qū)的溢流隔板，所述的實驗水箱中設(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)置在所述實驗水箱內(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 所述實驗水箱的內(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所述的壓力信號流量測量裝置，其特征在于，所述的實驗水箱中進(jìn) 水區(qū)的底部設(shè)有進(jìn)水口，所述的實驗水箱中溢流區(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所述的壓力信號流量 測量裝置，該方法包括： 1) 實驗初始，實驗水箱尚未進(jìn)水，對流體壓差傳感器輸出的壓差信號進(jìn)行初始調(diào)零； 2) 實驗水箱進(jìn)水，進(jìn)入實驗工作狀態(tài)需要測量實驗流量數(shù)據(jù)前，先啟動氣泵和打開電 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驗流量數(shù)據(jù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓力信號流量測量裝置以及提高精度的流量測量方法，該裝置包括：帶出流口的實驗水箱，實驗水箱中設(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)置在實驗水箱內(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復(fù)位和實時調(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)基本實驗中的動量實驗儀和孔口與管嘴實驗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】CN104766513
【申請?zhí)枴緾N201510152116
【發(fā)明人】毛欣煒, 毛根海
【申請人】浙江大學(xué), 杭州源流科技有限公司
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月1日