CN101294829A - 渠道流量测定仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渠道流量测定仪及其测量方法，所述测定仪包括壳体、水平尺、量角器、细线、吊球以及一张“夹角－流速”关系曲线图。所述测量方法，包括放置所述测定仪于横梁上，使吊球没入水中，调节所述水平尺使所述量角器的180°线与水平面平行；在渠道水流的冲力作用下，吊球达到一个新平衡点并保持恒定时，读取细线与垂直方向夹角；根据上述夹角反查“夹角－流速”关系曲线，得出渠道水流的流速，从而计算得到渠道的流量。本发明所述测定仪及其测量方法，结构简单，操作简便，计量准确；测量过程所产生的水头损失小，适用于田间渠系的现场测试，便于在灌区内推广使用。

Description

渠道流量测定仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种渠道流量的测量装置，特别涉及一种适合用于末级渠系水量计量的渠道流量测定仪及其测量方法。

背景技术

选取适宜的量水设施，对灌区用水量进行精确计量是促进灌区节水，提高灌区科学管理水平的重要手段和基础措施。对实现水资源的高效可持续利用具有重要意义。

目前，我国现有灌区中主要实行“斗口计量”的方法，而对斗渠以下的各级渠系(如农渠及毛渠)的水量计量很少，所以在大尺度上水量计量较为准确，而分散到农户的水量却难以准确把握。随着节水农业的发展和水价制度的改革，迫切需要研究并推广可对灌区末级渠系计量的量水设备。

当前用于干、支以及斗渠流量常规观测的固定量水设施、如三角堰、梯形堰或巴歇尔量水槽等，以及一些电子量测设备、如超声波流量计，往往由于耗资巨大，运行管理需要一定的技术水平以及水头损失大等诸多因素的限制，致使其并不适用于末级渠系农渠及毛渠的水量计量。

因此，针对末级渠系的特点，开发一种造价低、应用简单且计量准确的量水装置显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种适合用于末级渠系水量计量的渠道流量测定仪及其测量方法，具有造价低、应用简单且计量准确的优点。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：一种渠道流量测定仪，设置在渠道的田间配水口上，包括壳体、水平尺、量角器、细线、吊球以及供查阅的“夹角-流速”关系曲线图，壳体顶部设有水平尺、侧部设有量角器，细线的一端固设在量角器的中心、另一端与吊球相连；其中水平尺用于调节量角器的位置，使量角器的180°线与水平面平行；吊球深入水面以下，当水流在渠道通过时，吊球在水流的冲力，细线的拉力，以及重力和浮力的共同作用下达到一个新平衡点并保持恒定，得到细线与垂直方向夹角，通过夹角反查“夹角-流速”关系曲线图，得出渠道水流的流速，然后求此流速与渠道过水断面面积的乘积，从而得到渠道的流量。

所述渠道流量测定仪的测量方法，按照以下步骤进行：

步骤A：放置所述渠道流量测定仪于所述田间配水口的横梁上，并使吊球没入水中，调节所述水平尺，使所述量角器的180°线与水平面平行；

步骤B：在所述细线的拉力，水流的冲力以及重力和浮力的共同作用下达到一个新平衡点并保持恒定时，读取细线与垂直方向夹角；

步骤C：根据上述夹角反查“夹角-流速”关系曲线，得出渠道水流的流速，然后求此流速与渠道过水断面面积的乘积，从而得到渠道的流量。

本发明的有益效果可概括为以下四点：

1.相比现有技术，本发明通过水流对吊球的冲力，将流速转化成细线的夹角从而得到流量数据，本发明所述渠道流量测定仪具有灵敏度高，计量准确的优点；

2.相比现有技术，本发明测量过程所产生的水头损失小，不影响渠道过水；

3.相比现有技术，本发明由于通过流速及水深转化且吊球为轴对称结构，不论通过配水口流态如何，均能适应，故适用范围广；

4.相比现有技术，本发明所述渠道流量测定仪具有结构简单，携带方便，操作简便灵活，成本低廉，适用于田间渠系的现场测试，便于在灌区内推广使用的优点。

附图说明

图1是现有技术中所述的末渠的田间配水口结构简图；

图2是本发明所述的渠道流量测定仪安装在田间配水口上的俯视示意图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是本发明所述吊球的受力结构图；

图5是本发明所述的夹角一流速关系曲线图。

图中：1田间配水口、2横梁、3闸槽、4渠道流量测定仪、4.1水平尺、4.2量角器、4.3吊球、Fc-水流的冲力、F_h-重力与浮力的合力、F-细线的拉力。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图2-3所示的一种渠道流量测定仪，设置在渠道的田间配水口1上，包括壳体、水平尺4.1、量角器4.2、细线、吊球4.3以及供查阅的“夹角-流速”关系曲线图(参见图5)。如图1所示，所述田间配水口1上设有横梁2及闸槽3。如图3所示，所述渠道流量测定仪的壳体顶部设有水平尺4.1，壳体侧部设有量角器4.2。细线的一端固设在量角器4.2的中心，另一端与吊球4.3相连。其中水平尺4.1用于调节量角器4.2的位置，使量角器4.2的180°线与水平面平行。吊球4.3深入水面以下，当水流在渠道通过时，吊球4.3在水流的冲力，细线的拉力，以及重力和浮力的共同作用下达到一个新平衡点并保持恒定，得到细线与垂直方向夹角。通过夹角反查“夹角-流速”关系曲线图，得出渠道水流的流速，然后求此流速与渠道过水断面面积的乘积，从而得到渠道的流量。

所述渠道流量测定仪4的测量方法，按照以下步骤进行：

步骤A：放置所述渠道流量测定仪4于所述田间配水口1的横梁2上，将所述的吊球4.3通过细线置于渠道中一定深度处，调节所述水平尺4.1，使所述量角器4.2的180°线与水平面平行；

步骤B：渠道中有水流通过时，吊球细线的拉力、水流的冲力以及重力和浮力的共同作用下达到一个新平衡点并保持恒定，细线将与垂直方向偏离，并产生一个夹角，读取细线与垂直方向夹角θ；

步骤C：根据上述夹角θ反查“夹角-流速”关系曲线(参见图5)，得出渠道水流的流速，然后求此流速与渠道过水断面面积的乘积，从而得到渠道的流量。

本发明的实现原理：

如图4所示，在流速为v的水中，吊球在垂直方向的力F_h(重力与浮力的合力)，细线的拉力F，以及水流的冲力F_c的共同作用下达到平衡，此时，细线与水平方向产生一个夹角θ。

如图4所示，当吊球达到平衡位置处时，其速度为v_b＝0，此时的夹角θ的正切值与吊球所受的力之间的关系可用式(11)表示，据此可求得夹角θ与水流速度v_w的关系如式(13)所示。具体推导过程如下所示：

根据流体力学理论，在平衡位置处，吊球由于水流冲力沿水平方向所产生的加速度可由公式(1)表示。此时，在吊球在水流冲力，重力以及细线的拉力达到平衡状态，吊球的速度为v_b＝0，将该值带入公式(1)以后，得到小球的加速度a，如式(2)所示。

$a=\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=c_D\frac{3}{4D}\frac{p_w}{p_b}|{\stackrel{\→}{v}}_b-{\stackrel{\→}{v}}_w|(v_b-v_w)---\left(1\right)$

$a=\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=c_D\frac{3}{4D}\frac{p_w}{p_b}{v_w}^2---\left(2\right)$

根据牛顿第二定律，可得吊球所受的水流冲力F_c如式(3)所示。其中吊球的质量m_b可由式(4)确定，吊球的体积可由球体的体积公式(5)确定，将公式(4)和(5)代入式(3)即可求得吊球此时所受的水流冲力F_c(式6)。

F_c＝m_ba                                (3)

m_b＝ρ_bV_b                              (4)

$V_b=\frac{4\mathrm{\π}}{3}{\left(\frac{D}{2}\right)}^3---\left(5\right)$

$F_c=C_D{v_w}^2\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{8}{\mathrm{\ρ}}_b---\left(6\right)$

吊球所受的浮力可由式(7)求得，重力由式(8)计算，重力与浮力的合力可由式(9)表示。将式(4)代入式(8)，将式(5)带入式(7)，然后在将式(7)和(8)代入式(9)即可得到重力和浮力的合力F_h的表达式，如式(10)所示。

F_f＝ρ_wgV_b                             (7)

G_b＝m_bg                                (8)

F_h＝G_b-F_f                              (9)

$F_h=\frac{{\mathrm{\πD}}^{3}g}{6}({\mathrm{\ρ}}_b-{\mathrm{\ρ}}_w)---\left(10\right)$

根据受力分析图4，细线与垂直方向的夹角θ的正切值可由式(11)表示：

$\mathrm{tg\θ}=\frac{F_c}{F_h}---\left(11\right)$

将式(6)和式(10)带入式(11)，可得式(12)。

$\mathrm{tg\θ}=\frac{{6C}_D{\mathrm{\ρ}}_b}{\mathrm{Dg}({\mathrm{\ρ}}_b-{\mathrm{\ρ}}_w)}{v}_w^2---\left(12\right)$

由式(12)求夹角θ的反正切值，转换可得式(13)。

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left[\frac{{6C}_D{\mathrm{\ρ}}_b}{\mathrm{Dg}({\mathrm{\ρ}}_b-{\mathrm{\ρ}}_w)}{v}_w^2\right]---\left(13\right)$

在式(1)-(13)中，所涉及到的各参数表述如下：

c_D--经验系数；D--吊球的直径；ρ_w--水的密度；ρ_b--吊球的密度；

v_b--吊球的速度；v_w-水流速度；V_b--吊球的体积；F_c--水流冲力；

F_f--吊球所收的浮力；G_b--吊球的重力；F_h--浮力与重力的合力

θ--与垂直方向的夹角；g--重力加速度

在实施过程中，重力加速度g＝9.8N/Kg，通常经验系数c_D＝0.01，假设所选取的吊球为塑料空心球，其密度为p_b＝0.1kg/m³，球的直径D＝0.1m，则根据式(13)，可得到夹角θ与水流速度v_w的关系曲线，如图5所示。

在具体实施过程中，亦可选取其它材质的吊球，只要获得其密度及直径参数，即可根据式(13)获得类似图5所示的“夹角-流速关系曲线”，根据此曲线即可由量角器测得的夹角，求得对应的水流速度。根据将在曲线上查得的流速数据与渠道的过水断面面积相乘，即可得到所测渠道的流量数据。

对比例：

为对本发明测量结果的可靠性进行考核，任意选取了渠道的某一过水断面，将本发明的测量结果与超声波流量计的测量结果进行了对照，如表1所示：

表1本发明的测量结果与超声波流量计的测量结果对照表(单位：m³/s)

注：表中选取的渠道过水断面面积为0.25m²

本发明通过水流冲力，将流速转化成细线的夹角从而得到流量数据，具有灵敏度高，计量准确的优点；测量过程所产生的水头损失小，不影响渠道过水；本发明无论水流形态如何，均能适应，故适应性广；本发明所述渠道流量测定仪具有结构简单，携带方便，操作简便灵活，成本低廉，适用于田间渠系的现场测试，便于在灌区内推广使用的优点。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种渠道流量测定仪，设置在渠道的田间配水口上，其特征在于：包括壳体、水平尺、量角器、细线、吊球以及供查阅的“夹角-流速”关系曲线图，壳体顶部设有水平尺、侧部设有量角器，细线的一端固设在量角器的中心、另一端与吊球相连；其中水平尺用于调节量角器的位置，使量角器的180°线与水平面平行；吊球深入水面以下，当水流在渠道通过时，吊球在水流的冲力，细线的拉力，以及重力和浮力的共同作用下达到一个新平衡点并保持恒定，得到细线与垂直方向夹角，通过夹角反查“夹角-流速”关系曲线图，得出渠道水流的流速，然后求此流速与渠道过水断面面积的乘积，从而得到渠道的流量。

2.根据权利要求1所述渠道流量测定仪的测量方法，其特征在于：按照以下步骤进行：

步骤A：放置所述渠道流量测定仪于所述田间配水口的横梁上，并使吊球没入水中，调节所述水平尺，使所述量角器的180°线与水平面平行；

步骤B：在所述细线的拉力，水流的冲力以及重力和浮力的共同作用下达到一个新平衡点并保持恒定时，读取细线与垂直方向夹角；

步骤C：根据上述夹角反查“夹角-流速”关系曲线，得出渠道水流的流速，然后求此流速与渠道过水断面面积的乘积，从而得到渠道的流量。

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