CN101382447A - 一种用机械结构实现的明渠流量计量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通过旋转叶轮，将水流流速转换为叶轮旋转速ω，通过无级变速器，实现将输入轴转速ω到输出轴转速hω的变换。利用液位计测出液位h，并通过机械连接，将h值送到无级变速器，以实现由ω到hω转速变换。根据本发明制作的流量计有如下特征：计量过程不用电，不依赖于外部条件，不受外部干扰和雷电影响，不受噪声干扰。只要制作材料选择得当，制造工艺合理，机械结构不受破坏，就能够长期稳定工作。

Description

一种用机械结构实现的明渠流量计量的方法

技术领域

本发明涉及一种流量的测量，尤其是一种应用纯机械结构的计量系统，用于像水渠这样的流体流动断面面积处于变动状态的、长期不间断流量计量的方法。

背景技术

水渠的流量计量是一个古典的计量问题，水渠是水传送的主要方式之一，也是一种最经济的方式。只要条件可能，像取水、排水时，尤其是企业废水排放，大多采用明渠排放，在以节能减排、节约能源作为长期国策的今天，对各种取水、污水排放的计量和监控便成为不可缺少的基本事项了。

传统的明渠流量计量方法有多种，其中较经典的有标准断面积法，即通过有规则的过水渠道，测量出其过水面积S和平均流速V，计算流量Q，即:Q＝SVt

其中t为过水时间，在明渠流量中由于S、V均为t的函数，S＝S(t)，V＝V(t)因此，正确表达式应为:

$Q={\∫}_0^{T}S\left(t\right)V\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

对于封闭管道，即S＝S₀为常数，使得

$Q=S_0{\∫}_0^{T}V\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

整个计量方式便大大简化了，所有水表，还有管道式流量计，其基本工作原理均为(2)。对于像(1)中表达二维变量的流量，目前采用得较多的是燕尾槽式超声波流量计(以下简称燕计)，燕计作为当前明渠流量计量几乎是唯一的选择，正在担当起排放监测的历史重任，但燕计有着一些先天性的缺点，使其在应用中造成了不少问题。其缺点主要有:

①必须带电计量，一旦断电必然停止计量，因此必须采用非常手段保证燕计的不间断供电，而明渠计量如污水计量往往地处环境恶劣，供电条件并不好，单纯的UPS电源不足以保证供电的连续性，线路的损坏、接触不良，均会造成计量停止。

②易受外界噪声干扰。目前由于明渠流量计量的重点在于企业的污水排放计量，而工矿企业内往往存在较严重的噪声源，由于其噪声频谱较复杂，容易使得超声波换能器受干扰，使计量失效。

③易受雷电攻击。由于燕计大多安装在空旷地，且附近缺乏雷电保护装置，而燕计作为智能型弱电设备，极易受雷电攻击而损坏。这样的事例到处发生，屡见不鲜。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种机械式计量手段，使得明渠流量以机械方式进行计量，从根本上克服上述缺点。

本发明所采取的技术方案是:通过旋转叶轮，将水流流速转换为叶轮旋转速ω，通过无级变速器，实现将输入轴转速ω到输出轴转速hω的变换。

利用液位计测出液位h，并通过机械连接，将h值送到无级变速器，以实现由ω到hω转速变换。

对于矩形明槽计量而言，则是通过无级变速器将输入轴转速ω到输出轴转速Hω的变换。

根据本发明制作的流量计有如下特征:

(1)通过纯机械方法实现明渠流量计量，计量过程不用电。

(2)通过无级变速器动态地实现乘法运算；使输入轴的转速ω变为输出的转速Hω，从而实现了过水断面面积连续变化的流量计量。

(3)通过浮子式液位计测出的液位高度H，并通过机械连接将其位置信息输入到无级变速器，使其实现Hω的变速输出。

与燕计相比较，本发明的积极效果在于:

1、相对燕计的计量需依赖于供电，本发明用纯机械方法实现；是一个内部循环的计量系统，不依赖于外部条件，只要机械结构不受破坏，便能稳定长期地工作。

2、不受外部干扰和雷电影响，克服了燕计在这一方面的重大缺陷。

3、不受噪声干扰。

综上所述，以本发明方法制作的机械结构式明渠流量计，只要制作材料选择得当，制造工艺合理，便能形成一个克服燕计缺点的、能够长期稳定工作的明渠流量计。

附图说明

图1为本发明的明渠流量计原理示意图。

图2为本发明的无级变速器原理示意图。

具体实施方式

1、本发明的技术依据为:

设渠道过水断面面积为S，S是水位高度h的函数，h为时间t的函数，则S＝S(h)，h＝h(t)，即:S＝S(h(t))

$Q_T={\∫}_0^{T}S\left(h\left(t\right)\right)V\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中V(t)为该断面的平均水流速度。

在该断面插入一叶轮，将其中一半用外壳挡住，这样在水流的冲击下将产生旋转，满足:V(t)＝Rω(t)，其中R为轮叶片的水力半径，ω(t)为叶轮转动角速度，则

$Q_T={\∫}_0^{T}S\left(h\left(t\right)\right)\mathrm{R\ω}\left(t\right)\mathrm{dt}=R{\∫}_0^{T}S\left(h\right)\mathrm{\ω}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

设:S(h)ω(t)＝W(h，t)

则: $Q_T=R{\∫}_0^{T}W(h,t)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

装置M是一个无级变速装置，通过输入轴将叶轮的转动ω输入，并通过液位计F将断面的液位高度送入M，通过机械联动，实现由输入轴ω(t)到W(h，t)的转换，最终由转轮式计数器完成累计也就是积分运算。

即: $N={\∫}_0^{T}W(h,t)\mathrm{dt}$

N为计数器的累计读数。

则: $Q=R{\∫}_0^{t}W(h,t)\mathrm{dt}=\mathrm{RN}---\left(4\right)$

以下以矩形明槽流水计量做进一步说明:

设矩形明槽底宽为a，则:S＝ah

$Q={\∫}_0^T\mathrm{Rah\ω}\left(t\right)\mathrm{dt}=h_0\mathrm{Ra}{\∫}_0^T\frac{h}{h_0}\mathrm{\ω}\left(t\right)\mathrm{dt}$

h₀为参照水位，当h＝h₀

W(h，t)＝ω(t)

此时: $Q=h_0\mathrm{Ra}{\∫}_0^t\mathrm{\ω}\left(t\right)\mathrm{dt}=h_0\mathrm{Ran}$

其中h₀，R，a均为常数，可能通过适当的齿轮系变比，将体现到计数器计量中。

这样: $Q=h_0\mathrm{Ra}{\∫}_0^T\mathrm{H\ω}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(5\right)$

其中: $H=\frac{h}{h_0}$ 是相对水位

在实际安装过程中，只需选定合适的参照水位，例如:最高水位为1.5米时，可选h₀＝1米，则H的取值范围便在0～1.5之间，这样的H值，利于用无级变速器实现由ω到Hω的变速转换。

2、关于无级变速器的说明:

利用无级变速器实现由转速ω到Hω的转换是本方法的关键点，无级变速器已广泛应用于新一代的无级变速摩托车和汽车上，其实现的方法也多种多样，这里不做太多的阐述；为说明本方法的有效性，只提其中一种。

如图2所示。无级变速器由两个形状尺寸完全相同的锥体，及一根三角传输带组成，通过中间一个拨叉，拨动三角带上下移动，从而达到速度转速平滑变换的目的。而拨叉则是通过液位计，获得液位信息h，通过适当连接方法进行上下拨动的控制，使得变速器输出转速随液位的升降作出线性变动，实现由输入转速ω到输出转速Hω的变换，并经过适当的传动比，累计到计数器上，实现整个计量 $Q=\mathrm{Ra}{h}_0{\∫}_0^T\mathrm{H\ω}\left(t\right)\mathrm{dt}$ 过程。

Claims (3)

1、一种用机械结构实现的明渠流量计量的方法，其特征是:通过旋转叶轮，将水流流速转换为叶轮旋转速ω，通过无级变速器，实现将输入轴转速ω到输出轴转速hω的变换。

2、根据权利要求1所述的用机械结构实现的明渠流量计量的方法，其特征是:利用液位计测出液位h，并通过机械连接，将h值送到无级变速器，以实现由ω到hω转速变换。

3、根据权利要求1所述的用机械结构实现的明渠流量计量的方法，其特征是:对于矩形明槽计量而言，则是通过无级变速器将输入轴转速ω到输出轴转速Hω的变换。

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