CN103528922B - 一种测量动态泥沙体积浓度方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量动态泥沙体积浓度方法及装置，其包括以下步骤：1）设置一测量动态泥沙体积浓度装置，该装置包括一连接在水箱底部的管道，在所述管道的两个不同高程上分别取测点一和测点二，在测点一和测点二处各设置有一压力传感器；2）准备阶段：①测量并确定两个测点间清水水头损失系数；②测量计算泥沙密度ρ_S；3）测试阶段：计算确定浑水密度ρ_h及清水密度ρ_W，并计算确定泥沙体积浓度C_V。本发明装置不仅可应用于垂直直管道上，还可以扩展应用于水电站和水泵站等常用的倾斜直管道上。本发明可以广泛用于浑水有压测试系统的泥沙浓度测量和类似测量仪器的标定等。

Description

一种测量动态泥沙体积浓度方法及装置

技术领域

本发明涉及一种泥沙浓度测量方法，特别是关于一种测量动态泥沙体积浓度方法及装置。

背景技术

在日常生活、工农业生产及科学研究工作中，常需了解或测量两种或两种以上不同介质混合在一起后各自所占的比例，在液体中常用浓度来表述。例如，含有泥沙颗粒的浑水，常需要测量这些泥沙颗粒在水中的浓度。浓度有两种主要表达方式：体积浓度C_V和质量浓度C_M。就泥沙浓度而言，体积浓度C_V是浑水中泥沙所占体积与浑水总体积之比，而质量浓度C_M则是浑水中泥沙质量与浑水总质量之比。其实，在已知泥沙密度ρ_S和浑水密度ρ的情况下，测量了体积浓度C_V即可计算确定质量浓度C_M（C_M＝C_V·ρ_S/ρ），反之亦然。

现在，已有超声波衰减法、光电法（红外线法）和γ射线法等多种浓度测量方式能够自动测量浑水中泥沙的体积浓度或质量浓度。但是，在这些测量方式中，其测量精度普遍都比较低，无法满足精确测量的需要。更重要的是，这些测试设备都需要进行标定，而到目前为止还没有能对这些浓度测量设备进行动态标定（指标定时管道内浑水处于流动状态）的设备和方法，用以检验静态标定（指标定时管道内浑水处于静止状态）结果是否可用。因此，有必要设计一种装置及方法，既可以直接用于泥沙浓度的动、静态测量，提高测试精度，还可以用于其它浓度测试仪器的动态标定。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种测量两个测点压力变化计算浑水密度，进而测量动态泥沙体积浓度方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种测量动态泥沙体积浓度方法，其包括以下步骤：1）设置一测量动态泥沙体积浓度装置，该装置包括一连接在水箱底部的管道，在所述管道的两个不同高程上分别取测点一和测点二，在测点一和测点二处各设置有一压力传感器；2）准备阶段：①测量并确定两个测点间清水水头损失系数：水流由上至下流动时，清水水头损失系数：首先，在测量动态泥沙体积浓度装置中运行清水，并选择包括最大和最小流量在内进行N次测量，其中N=3～5，测量的清水流量依次记为Q_1i，其中i＝1,2,…,N；每次测量清水流量Q_1i时分别测量测点一、二处压力p_11i、p_12i，其中i＝1,2,…,N；每次测量的清水密度为ρ_W1i，其中i＝1,2,…,N；其次，计算测点一至测点二清水水头损失Δh_12i＝Z-(p_12i-p_11i)/(ρ_W1i·g)，其中Z为两个测点间高程差，g为重力加速度；最后，计算各清水流量Q_1i时水头损失系数清水水头损失系数A_1i的N点平均值其中N=3～5；水流由下至上流动时，清水水头损失系数：首先，在测量动态泥沙体积浓度装置中运行清水，并选择包括最大和最小流量在内进行N次测量，其中N=3～5，测量的清水流量依次记为Q_2i，其中i＝1,2,…,N；每次测量清水流量Q_2i时分别测量测点一、二处压力p_21i、p_22i，其中i＝1,2,…,N；每次测量的清水密度为ρ_W2i，其中i＝1,2,…,N；其次，计算测点二至测点一清水水头损失Δh_21i＝(p_22i-p_21i)/(ρ_W2i·g)-Z，其中Z为两个测点间高程差，g为重力加速度；最后，计算各清水流量Q_2i时水头损失系数清水水头损失系数A_2i的N点平均值其中N=3～5；②测量计算泥沙密度ρ_S：首先，将泥沙颗粒拌匀，按需要取一定质量的泥沙颗粒烘干，用天平或其它高精度称重设备称取所需烘干后泥沙质量M_S；其次，将称过质量的泥沙全部加入能够计量容积的标准容积桶内，将已测量容积V_W的清水倒入标准桶内，搅拌均匀，使泥沙和清水充分融合，直至泥沙颗粒周围无气泡；最后，测量浑水体积V，按式V_S＝V-V_W计算泥沙或相同矿物质的固体颗粒在浑水中所占体积V_S，按式ρ_S＝M_S/V_S计算泥沙密度ρ_S；3）测试阶段：计算确定浑水密度ρ_h及清水密度ρ_W，并计算确定泥沙体积浓度C_V：①在测量动态泥沙体积浓度装置中运行浑水，水流由上至下流动时，记测点一与测点二处压力分别为p₁₁、p₁₂，浑水流量Q₁，通过测量及计算同温度下清水密度ρ_W1；水流由下至上流动时，记测点一和测点二处压力分别为p₂₁、p₂₂，浑水流量Q₂，通过测量及计算同温度下清水密度ρ_W2；且清水密度ρ_W为水流由上至下流动时清水密度ρ_W1和水流由下至上流动时清水密度ρ_W2其中之一；②根据水流由上至下流动时，浑水流量Q₁和清水水头损失系数A_1i的N点平均值A₁，计算确定测点一至测点二浑水水头损失根据水流由下至上流动时，浑水流量Q₂和清水水头损失系数A_2i的N点平均值A₂，计算确定测点二至测点一浑水水头损失③计算确定浑水密度ρ_h：水流由上至下流动时，通过式计算管口以下管道内浑水密度ρ_h1，其中，Δp₁＝p₁₂-p₁₁为两个测点间压差，g为重力加速度，Z为两个测点间高程差，Δh₁₂为测点一至测点二浑水水头损失；水流由下至上流动时，通过式计算管口以下管道内浑水密度ρ_h2，其中，Δp₂＝p₂₂-p₂₁为两个测点间压差，g为重力加速度，Z为两个测点间高程差，Δh₂₁为测点二至测点一浑水水头损失；且浑水密度ρ_h为水流由上至下流动时管口以下管道内浑水密度ρ_h1和水流由下至上流动时管口以下管道内浑水密度ρ_h2其中之一；④计算泥沙体积浓度C_V：通过式计算水流由上至下流动时泥沙体积浓度C_V1，其中，ρ_h1为水流由上至下流动时管口以下管道内浑水密度，ρ_W1为水流由上至下流动时清水密度，ρ_S为泥沙密度；通过式计算水流由下至上流动时泥沙体积浓度C_V2，其中，ρ_h2为水流由下至上流动时管口以下管道内浑水密度，ρ_W2为水流由下至上时清水密度，ρ_S为泥沙密度；且泥沙体积浓度C_V为水流由上至下流动时泥沙体积浓度C_V1和水流由下至上流动时泥沙体积浓度C_V2其中之一。

所述步骤3）中水流由上至下流动时浑水密度的推导过程如下：

测点一、二的压力分别为p₁₁、p₁₂：

p₁₁＝H₁·ρ₁·g+H₂·ρ_h1·g-ρ_h1·v²/2-Δh₀₁·ρ_h1·g    （1）

p₁₂＝H₁·ρ₁·g+H₂·ρ_h1·g-ρ_h1·v²/2-Δh₀₁·ρ_h1·g+Z·ρ_h1·g-Δh₁₂·ρ_h1·g    （2）

其中，H₁为水箱内水面至管口高程差，H₂为管口至测点一处高程差，ρ₁为水箱至管口内浑水平均密度，ρ_h1为管口以下管道内浑水密度，g为重力加速度，v为浑水流速，Z为两个测点间高程差，Δh₀₁为管口至测点一的浑水水头损失，Δh₁₂为测点一至测点二浑水水头损失；

通过式（2）和式（1）相减得到式（3），两个测点间压差Δp₁＝p₁₂-p₁₁：

Δp₁＝Z·ρ_h1·g-Δh₁₂·ρ_h1·g    （3）

其中，Z为两个测点间高程差，ρ_h1为管口以下管道内浑水密度，g为重力加速度，Δh₁₂为测点一至测点二浑水水头损失；

清水水头损失系数A_1i的N点平均值A₁等同浑水水头损失系数；

利用已知清水水头损失系数A_1i的N点平均值A₁和浑水流量Q₁，通过式计算测点一至测点二浑水水头损失Δh₁₂，得到浑水密度

所述步骤3）中水流由下至上流动时浑水密度的推导过程如下：

测点一、二的压力分别为p₂₁、p₂₂：

p₂₁＝H₁·ρ₁·g+H₂·ρ_h2·g-ρ_h2·v²/2+Δh₁₀·ρ_h2·g    （4）

p₂₂＝H₁·ρ₁·g+H₂·ρ_h2·g-ρ_h2·v²/2+Δh₁₀·ρ_h2·g+Z·ρ_h2·g+Δh₂₁·ρ_h2·g    （5）

其中，H₁为水箱内水面至管口高程差，H₂为管口至测点一处高程差，ρ₁为水箱至管口内浑水平均密度，ρ_h2为管口以下管道内浑水密度，g为重力加速度，v为浑水流速，Z为两个测点间高程差，Δh₁₀为测点一至管口的水头损失，Δh₂₁为测点二至测点一浑水水头损失；

通过式（5）和式（4）相减得到式（6），两个测点之间压差Δp₂＝p₂₂-p₂₁：

Δp₂＝Z·ρ_h2·g+Δh₂₁·ρ_h2·g    （6）

其中，Z为两个测点间高程差，ρ_h2为管口以下管道内浑水密度，g为重力加速度，Δh₂₁为测点二至测点一浑水水头损失；

清水水头损失系数A_2i的N点平均值A₂等同浑水水头损失系数；

利用已知清水水头损失系数A_2i的N点平均值A₂和浑水流量Q₂，通过式计算测点二至测点一浑水水头损失Δh₂₁，得到浑水密度

所述步骤3）中泥沙体积浓度推导过程如下：

泥沙在浑水中所占体积V_S为：

V_S＝V-V_W    （7）

而浑水中泥沙密度ρ_S为：

ρ_S＝M_S/V_S    （8）

在浑水中，泥沙质量和清水质量之间存在如下关系：

ρ_h·V＝ρ_S·V_S+ρ_W·V_W    （9）

而泥沙体积能够表示为：

V_S＝C_V·V    （10）

清水体积能够表示为：

V_W＝V-V_S    （11）

将式（10）和式（11）分别代入式（9）：

ρ_h·V＝ρ_h·C_V·V+ρ_W(V-C_V·V)    （12）

对式（12）进行简化处理后得到：

$C_V=\frac{{\mathrm{\ρ}}_h-{\mathrm{\ρ}}_W}{{\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{\ρ}}_W}.---\left(13\right)$

获取泥沙质量M_S和待测浑水质量M时，采用标准称重设备称重获得；获取清水体积V_W和浑水体积V时，采用计量容积的标准容积桶计量获得。

所述方法采用的测量动态泥沙体积浓度装置，其特征在于：它包括一连接在水箱底部的管道，在所述管道的两个不同高程上分别取测点一和测点二，在测点一和测点二处各设置有一压力传感器。

所述管道采用垂直直管和倾斜直管其中之一。

所述管道外同轴地套设一环形均压管，在所述管道的测点一和测点二处各沿周向均匀开设有若干个采压孔，每一个所述采压孔均通过一短管连通所述管道和所述环形均压管，且保持所述采压孔和所述压力传感器在同一高程。

所述采压孔数量为4个，且沿所述管道外壁同一高程径向均匀设置。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用的是间接测量方式，主要测量设备是压力传感器，故不用像其它浓度测量仪器那样采用复杂的体积、质量测量设备进行标定，测量和标定都非常容易、简单。2、本发明由于所用传感器装在管道边壁，因此测量时不扰流、可动态连续测量和计算机自动采集等特点。3、本发明针对不同的泥沙浓度，只需重复测试阶段步骤，而不需再回到准备阶段重复确定水头损失系数和测量泥沙密度，因此可以避免准备工作的多次重复，本发明可以广泛用于浑水有压测试系统的泥沙浓度测量和类似测量仪器的标定等。

附图说明

图1是本发明装置应用状态示意图

图2是本发明的环形均压管示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明装置包括一连接在水箱1底部的管道2，在管道2的两个不同高程上分别取测点一和测点二，在测点一和测点二处各设置有一压力传感器3和一压力传感器4。

在上述实施例中，管道2可以采用垂直直管或倾斜直管。

在上述实施例中，如图2所示，可以在管道2外同轴地套设一环形均压管5，在管道2的测点一和测点二处各沿周向均匀开设有若干个采压孔6，每一采压孔6均通过一短管7连通管道2和环形均压管5，为减小测量压力过程中的干扰因素，应尽量保持采压孔6和压力传感器3、4在同一高程。

在上述实施例中，采压孔6数量优选为4个，且沿管道2外壁同一高程径向均匀设置。

本发明方法采用的是一种间接测量方式，并不直接测量浑水中泥沙的体积浓度C_V，而是采用在管道2上设置的两个压力传感器3、4测量浑水条件下的两测点间压差，再根据流量计算确定两测点间水头损失。在已知两个压力传感器3、4所在两个测点间的高程差Z和泥沙密度ρ_S的基础上，计算确定该段浑水密度ρ_h，并推算出相应的泥沙体积浓度C_V。

本发明方法原理如下：

1）测量浑水密度ρ_h

浑水密度ρ_h为水流由上至下流动时管口8以下管道2内浑水密度ρ_h1或水流由下至上流动时管口8以下管道2内浑水密度ρ_h2。

①水流由上至下流动时，测量浑水密度ρ_h1

测点一处压力传感器3测得压力为p₁₁和测点二处压力传感器4测得压力为p₁₂：

p₁₁＝H₁·ρ₁·g+H₂·ρ_h1·g-ρ_h1·v²/2-Δh₀₁·ρ_h1·g    （1）

p₁₂＝H₁·ρ₁·g+H₂·ρ_h1·g-ρ_h1·v²/2-Δh₀₁·ρ_h1·g+Z·ρ_h1·g-Δh₁₂·ρ_h1·g    （2）

其中，H₁为水箱1内水面至管口8高程差，H₂为管口8至测点一处高程差，ρ₁为水箱1至管口8内浑水平均密度，ρ_h1为管口8以下管道2内浑水密度，g为重力加速度。在有压系统中，测点一、二过流面积S相等，流量Q_L相同，因此测点一和测点二处浑水流速均为v(v＝Q_L/S)。Z为两个测点间高程差，Δh₀₁为管口8至测点一的浑水水头损失，Δh₁₂表示测点一至测点二浑水水头损失。

通过式（2）和式（1）相减得到式（3），两个测点间压差Δp₁＝p₁₂-p₁₁：

Δp₁＝Z·ρ_h1·g-Δh₁₂·ρ_h1·g    （3）

其中，Z为两个测点间高程差，ρ_h1为管口8以下管道2内浑水密度，g为重力加速度，Δh₁₂为测点一至测点二浑水水头损失。Δh₁₂可以表示为A₁为清水水头损失系数A_1i的N点平均值，Q₁为水流由上至下流动时浑水流量。

由于管道2是直管段，截面面积也没有变化，即没有局部水头损失，因此只有沿程水头损失，其量值比较小，即使考虑两相流流速的差异对水头损失的估算也影响很小，因此将清水水头损失等同为相同条件下浑水水头损失。

采用在清水试验时，测得的清水水头损失系数A_1i的N点平均值A₁和浑水测试时水流由上至下流动时浑水流量Q₁，通过式计算浑水水头损失Δh₁₂，并通过式计算浑水密度ρ_h1。

②水流由下至上流动时，测量浑水密度ρ_h2

测点一处压力传感器3测得压力为p₂₁，测点二处压力传感器4测得压力为p₂₂：

p₂₁＝H₁·ρ₁·g+H₂·ρ_h2·g-ρ_h2·v²/2+Δh₁₀·ρ_h2·g    （4）

p₂₂＝H₁·ρ₁·g+H₂·ρ_h2·g-ρ_h2·v²/2+Δh₁₀·ρ_h2·g+Z·ρ_h2·g+Δh₂₁·ρ_h2·g    （5）

其中，H₁为水箱1内水面至管口8高程差，H₂为管口8至测点一处高程差，ρ₁为水箱1至管口8内浑水平均密度，ρ_h2为管口8以下管道2内浑水密度，g为重力加速度。在有压系统中，测点一、二过流面积S相等，流量Q_L相同，因此测点一和测点二处浑水流速均为v(v＝Q_L/S)，Z为两个测点间高程差，Δh₁₀为测点一至管口8的浑水水头损失。

通过式（5）和式（4）相减得到式（6），两个测点间压差Δp₂＝p₂₂-p₂₁：

Δp₂＝Z·ρ_h2·g+Δh₂₁·ρ_h2·g    （6）

其中，Z为两个测点间高程差，ρ_h2为管口8以下管道2内浑水密度，g为重力加速度，Δh₂₁为测点二至测点一浑水水头损失。

由于管道2是直管段，截面面积也没有变化，即没有局部水头损失，因此只有沿程水头损失，其量值比较小，即使考虑两相流流速的差异对水头损失的估算也影响很小，因此将清水水头损失等同为相同条件下浑水水头损失。

采用在清水试验时，测得的清水水头损失系数A_2i的N点平均值A₂和浑水测试时水流由下至上流动时Q₂，通过式计算浑水水头损失Δh₂₁，并通过式计算浑水密度ρ_h2。

2）根据已知浑水密度ρ_h，推算出相应的泥沙体积浓度C_V

测试前，称取试验泥沙质量M_S兑入已知体积V_W清水中，搅拌均匀后测量浑水体积V，并通过式计算该种泥沙的密度ρ_S。在测量并计算与浑水温度相同的清水密度ρ_W后，可以通过式得到泥沙体积浓度C_V。

水流无论由上至下还是由下至上流动，在计算泥沙体积浓度C_V过程中推导方式相同，故均采用C_V代表泥沙体积浓度，采用ρ_h代表浑水密度，采用ρ_W代表清水密度，且清水密度ρ_W为水流由上至下流动时清水密度ρ_W1或水流由下至上流动时清水密度ρ_W2，浑水密度ρ_h为水流由上至下流动时浑水密度ρ_h1或水流由下至上流动时浑水密度ρ_h2，泥沙体积浓度C_V为水流由上至下流动时泥沙体积浓度C_V1或水流由下至上流动时泥沙体积浓度C_V2。

通过清水密度ρ_W得到泥沙体积浓度C_V的原理如下：

泥沙在浑水中所占体积V_S为：

V_S＝V-V_W    （7）

而浑水中泥沙密度ρ_S可以用下式计算：

ρ_S＝M_S/V_S    （8）

在浑水中，泥沙质量和清水质量之间存在如下关系：

ρ_h·V＝ρ_S·V_S+ρ_W·V_W    （9）

而泥沙体积V_S可以表示为：

V_S＝C_V·V    （10）

其中，C_V为泥沙体积浓度。

清水体积可以表示为：

V_W＝V-V_S    （11）

将式（10）和式（11）分别代入式（9）：

ρ_h·V＝ρ_S·C_V·V+ρ_W(V-C_V·V)    （12）

对式（12）进行简化处理后得到泥沙体积浓度C_V：

$C_V=\frac{{\mathrm{\ρ}}_h-{\mathrm{\ρ}}_W}{{\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{\ρ}}_W}---\left(13\right)$

令ρ_h＝ρ_h1、ρ_W=ρ_W1代入式（13）即可求出相应的水流由上至下流动时泥沙体积浓度C_V1；令ρ_h＝ρ_h2、ρ_W=ρ_W1代入式（13）即可求出水流由下至上流动时泥沙体积浓度C_V2。

本发明方法包括以下步骤：

1）准备阶段：

①测量并确定两个测点间清水水头损失系数

水流由上至下流动时，清水水头损失系数：

首先，在测量动态泥沙体积浓度装置中运行清水，并选择包括最大和最小流量在内进行N次测量，其中N=3～5，测量的清水流量依次记为Q_1i，其中i＝1,2,…,N；每次测量清水流量Q_1i时分别测量测点一、二处压力p_11i、p_12i，其中i＝1,2,…,N；每次测量的清水密度为ρ_W1i，其中i＝1,2,…,N；

其次，计算测点一至测点二清水水头损失Δh_12i＝Z-(p_12i-p_11i)/(ρ_W1i·g)，其中Z为两个测点间高程差，g为重力加速度；

最后，计算各清水流量Q_1i时水头损失系数清水水头损失系数A_1i的N点平均值其中N=3～5。

水流由下至上流动时，清水水头损失系数：

首先，在测量动态泥沙体积浓度装置中运行清水，并选择包括最大和最小流量在内进行N次测量，其中N=3～5，测量的清水流量依次记为Q_2i，其中i＝1,2,…,N；每次测量清水流量Q_2i时分别测量测点一、二处压力p_21i、p_22i，其中i＝1,2,…,N；每次测量的清水密度为ρ_W2i，其中i＝1,2,…,N；

其次，计算测点二至测点一清水水头损失Δh_21i＝(p_22i-p_21i)/(ρ_W2i·g)-Z，其中Z为两个测点间高程差，g为重力加速度；

最后，计算各清水流量Q_2i时水头损失系数清水水头损失系数A_2i的N点平均值其中N=3～5。

②测量计算泥沙密度ρ_S

首先，将泥沙颗粒拌匀，按需要取一定质量的泥沙颗粒烘干，用天平或其它高精度称重设备称取所需烘干后泥沙质量M_S；

其次，将称过质量的泥沙全部加入能够计量容积的标准容积桶内，将已测量容积V_W的清水倒入标准桶内，搅拌均匀，使泥沙和清水充分融合，直至泥沙颗粒周围无气泡；

最后，测量浑水体积V，按式V_S＝V-V_W计算泥沙或相同矿物质的固体颗粒在浑水中所占体积V_S，按式ρ_S＝M_S/V_S计算泥沙密度ρ_S。

2）测试阶段：计算确定浑水密度ρ_h及清水密度ρ_W，并计算确定泥沙体积浓度C_V

①在测量动态泥沙体积浓度装置中运行浑水，水流由上至下流动时，记测点一与测点二处压力分别为p₁₁、p₁₂，浑水流量Q₁，通过测量及计算同温度下清水密度ρ_W1；水流由下至上流动时，记测点一和测点二处压力分别为p₂₁、p₂₂，浑水流量Q₂，通过测量及计算同温度下清水密度ρ_W2；且清水密度ρ_W为水流由上至下流动时清水密度ρ_W1或水流由下至上流动时清水密度ρ_W2；

②根据水流由上至下流动时，浑水流量Q₁和清水水头损失系数A_1i的N点平均值A₁，计算确定测点一至测点二浑水水头损失根据水流由下至上流动时，浑水流量Q₂和清水水头损失系数A_2i的N点平均值A₂，计算确定测点二至测点一浑水水头损失

③计算确定浑水密度ρ_h：水流由上至下流动时，通过式计算管口8以下管道2内浑水密度ρ_h1，其中，Δp₁＝p₁₂-p₁₁为两个测点间压差，g为重力加速度，Z为两个测点间高程差，Δh₁₂为测点一至测点二浑水水头损失；水流由下至上流动时，通过式计算管口8以下管道2内浑水密度ρ_h2，其中，Δp₂＝p₂₂-p₂₁为两个测点间压差，g为重力加速度，Z为两个测点间高程差，Δh₂₁为测点二至测点一浑水水头损失；且浑水密度ρ_h为水流由上至下流动时管口以下管道2内浑水密度ρ_h1和水流由下至上流动时管口8以下管道2内浑水密度ρ_h2其中之一；

④计算泥沙体积浓度C_V：通过式计算水流由上至下流动时泥沙体积浓度C_V1，其中，ρ_h1为水流由上至下流动时管口8以下管道2内浑水密度，ρ_W1为水流由上至下流动时清水密度，ρ_S为泥沙密度；通过式计算水流由下至上流动时泥沙体积浓度C_V2，其中，ρ_h2为水流由下至上流动时管口8以下管道2内浑水密度，ρ_W2为水流由下至上流动时清水密度，ρ_S为泥沙密度；且泥沙体积浓度C_V为水流由上至下流动时泥沙体积浓度C_V1或水流由下至上流动时泥沙体积浓度C_V2。

对于不同的泥沙浓度测量，只需重复上述测试阶段2）的步骤①～④，而不需再回到准备阶段重复确定水流由上至下流动时清水水头损失系数A_1i的N点平均值A₁或水流由下至上流动时清水水头损失系数A_2i的N点平均值A₂和测量泥沙密度ρ_S。

在测量中，应尽量增大测点一和测点二之间的高程差Z，以提高浑水密度ρ_h及泥沙浓度测量精度，但务必注意不要使测试压力超过压力传感器3或4的量程。

上述各实施例仅用于说明本发明，各阶段、各项目测量的具体实施步骤及细则都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别实施步骤和细则进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种测量动态泥沙体积浓度方法，其包括以下步骤：

1)设置一测量动态泥沙体积浓度装置，该装置包括一连接在水箱底部的管道，在所述管道的两个不同高程上分别取测点一和测点二，在测点一和测点二处各设置有一压力传感器；

2)准备阶段：

①测量并确定两个测点间清水水头损失系数

水流由上至下流动时，清水水头损失系数：

首先，在测量动态泥沙体积浓度装置中运行清水，并选择包括最大和最小流量在内进行N次测量，其中N＝3～5，测量的清水流量依次记为Q_1i，其中i＝1,2,…,N；每次测量清水流量Q_1i时分别测量测点一、二处压力p_11i、p_12i，其中i＝1,2,…,N；每次测量的清水密度为ρ_W1i，其中i＝1,2,…,N；

其次，计算测点一至测点二清水水头损失△h_12i＝Z-(p_12i-p_11i)/(ρ_W1i·g)，其中Z为两个测点间高程差，g为重力加速度；

最后，计算各清水流量Q_1i时水头损失系数清水水头损失系数A_1i的N点平均值其中N＝3～5；

水流由下至上流动时，清水水头损失系数：

首先，在测量动态泥沙体积浓度装置中运行清水，并选择包括最大和最小流量在内进行N次测量，其中N＝3～5，测量的清水流量依次记为Q_2i，其中i＝1,2,…,N；每次测量清水流量Q_2i时分别测量测点一、二处压力p_21i、p_22i，其中i＝1,2,…,N；每次测量的清水密度为ρ_W2i，其中i＝1,2,…,N；

其次，计算测点二至测点一清水水头损失△h_21i＝(p_22i-p_21i)/(ρ_W2i·g)-Z，其中Z为两个测点间高程差，g为重力加速度；

最后，计算各清水流量Q_2i时水头损失系数清水水头损失系数A_2i的N点平均值其中N＝3～5；

②测量计算泥沙密度ρ_S

首先，将泥沙颗粒拌匀，按需要取一定质量的泥沙颗粒烘干，用天平或其它高精度称重设备称取所需烘干后泥沙质量M_S；

其次，将称过质量的泥沙全部加入能够计量容积的标准容积桶内，将已测量容积V_W的清水倒入标准桶内，搅拌均匀，使泥沙和清水充分融合，直至泥沙颗粒周围无气泡；

最后，测量浑水体积V，按式V_S＝V-V_W计算泥沙在浑水中所占体积V_S，按式ρ_S＝M_S/V_S计算泥沙密度ρ_S；

3)测试阶段：计算确定浑水密度ρ_h及清水密度ρ_W，并计算确定泥沙体积浓度C_V

①在测量动态泥沙体积浓度装置中运行浑水，水流由上至下流动时，记测点一与测点二处压力分别为p₁₁、p₁₂，浑水流量Q₁，通过测量及计算同温度下清水密度ρ_W1；水流由下至上流动时，记测点一和测点二处压力分别为p₂₁、p₂₂，浑水流量Q₂，通过测量及计算同温度下清水密度ρ_W2；且清水密度ρ_W为水流由上至下流动时清水密度ρ_W1和水流由下至上流动时清水密度ρ_W2其中之一；

②根据水流由上至下流动时，浑水流量Q₁和清水水头损失系数A_1i的N点平均值A₁，计算确定测点一至测点二浑水水头损失根据水流由下至上流动时，浑水流量Q₂和清水水头损失系数A_2i的N点平均值A₂，计算确定测点二至测点一浑水水头损失 ${\mathrm{\Δh}}_{21}=A_2\·Q_2^2;$

③计算确定浑水密度ρ_h：水流由上至下流动时，通过式计算管口以下管道内浑水密度ρ_h1，其中，△p₁＝p₁₂-p₁₁为两个测点间压差，g为重力加速度，Z为两个测点间高程差，△h₁₂为测点一至测点二浑水水头损失；水流由下至上流动时，通过式计算管口以下管道内浑水密度ρ_h2，其中，△p₂＝p₂₂-p₂₁为两个测点间压差，g为重力加速度，Z为两个测点间高程差，△h₂₁为测点二至测点一浑水水头损失；且浑水密度ρ_h为水流由上至下流动时管口以下管道内浑水密度ρ_h1和水流由下至上流动时管口以下管道内浑水密度ρ_h2其中之一；

④计算泥沙体积浓度C_V：通过式计算水流由上至下流动时泥沙体积浓度C_V1，其中，ρ_h1为水流由上至下流动时管口以下管道内浑水密度，ρ_W1为水流由上至下流动时清水密度，ρ_S为泥沙密度；通过式计算水流由下至上流动时泥沙体积浓度C_V2，其中，ρ_h2为水流由下至上流动时管口以下管道内浑水密度，ρ_W2为水流由下至上时清水密度，ρ_S为泥沙密度；且泥沙体积浓度C_V为水流由上至下流动时泥沙体积浓度C_V1和水流由下至上流动时泥沙体积浓度C_V2其中之一。

2.如权利要求1所述的一种测量动态泥沙体积浓度方法，其特征在于：所述步骤3)中水流由上至下流动时浑水密度的推导过程如下：

测点一、二的压力分别为p_11、p₁₂：

p₁₁＝H₁·ρ₁·g+H₂·ρ_h1·g-ρ_h1·v²/2-△h₀₁·ρ_h1·g     (1)

p₁₂＝H₁·ρ₁·g+H₂·ρ_h1·g-ρ_h1·v²/2-△h₀₁·ρ_h1·g+Z·ρ_h1·g-△h₁₂·ρ_h1·g    (2)

其中，H₁为水箱内水面至管口高程差，H₂为管口至测点一处高程差，ρ₁为水箱至管口内浑水平均密度，ρ_h1为管口以下管道内浑水密度，g为重力加速度，v为浑水流速，Z为两个测点间高程差，△h₀₁为管口至测点一的浑水水头损失，△h₁₂为测点一至测点二浑水水头损失；

通过式(2)和式(1)相减得到式(3)，两个测点间压差△p₁＝p₁₂-p₁₁：

△p₁＝Z·ρ_h1·g-△h₁₂·ρ_h1·g    (3)

其中，Z为两个测点间高程差，ρ_h1为管口以下管道内浑水密度，g为重力加速度，△h₁₂为测点一至测点二浑水水头损失；

清水水头损失系数A_1i的N点平均值A₁等同浑水水头损失系数；

利用已知清水水头损失系数A_1i的N点平均值A₁和浑水流量Q₁，通过式计算测点一至测点二浑水水头损失△h₁₂，得到浑水密度

3.如权利要求1所述的一种测量动态泥沙体积浓度方法，其特征在于：所述步骤3)中水流由下至上流动时浑水密度的推导过程如下：

测点一、二的压力分别为p₂₁、p₂₂：

p₂₁＝H₁·ρ₁·g+H₂·ρ_h2·g-ρ_h2·v²/2+△h₁₀·ρ_h2·g    (4)

p₂₂＝H₁·ρ₁·g+H₂·ρ_h2·g-ρ_h2·v²/2+△h₁₀·ρ_h2·g+Z·ρ_h2·g+△h₂₁·ρ_h2·g  (5)

其中，H₁为水箱内水面至管口高程差，H₂为管口至测点一处高程差，ρ₁为水箱至管口内浑水平均密度，ρ_h2为管口以下管道内浑水密度，g为重力加速度，v为浑水流速，Z为两个测点间高程差，△h₁₀为测点一至管口的水头损失，△h₂₁为测点二至测点一浑水水头损失；

通过式(5)和式(4)相减得到式(6)，两个测点之间压差△p₂＝p₂₂-p₂₁：

△p₂＝Z·ρ_h2·g+△h₂₁·ρ_h2·g    (6)

其中，Z为两个测点间高程差，ρ_h2为管口以下管道内浑水密度，g为重力加速度，△h₂₁为测点二至测点一浑水水头损失；

清水水头损失系数A_2i的N点平均值A₂等同浑水水头损失系数；

利用已知清水水头损失系数A_2i的N点平均值A₂和浑水流量Q₂，通过式计算测点二至测点一浑水水头损失△h₂₁，得到浑水密度

4.如权利要求1所述的一种测量动态泥沙体积浓度方法，其特征在于：所述步骤3)中泥沙体积浓度推导过程如下：

泥沙在浑水中所占体积V_S为：

V_S＝V-V_W             (7)

而浑水中泥沙密度ρ_S为：

ρ_S＝M_S/V_S        (8)

在浑水中，泥沙质量和清水质量之间存在如下关系：

ρ_h·V＝ρ_S·V_S+ρ_W·V_W        (9)

而泥沙体积能够表示为：

V_S＝C_V·V              (10)

清水体积能够表示为：

V_W＝V-V_S           (11)

将式(10)和式(11)分别代入式(9)：

ρ_h·V＝ρ_h·C_V·V+ρ_W(V-C_V·V)(12)

对式(12)进行简化处理后得到：

$C_V=\frac{{\mathrm{\ρ}}_h-{\mathrm{\ρ}}_W}{{\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{\ρ}}_W}.---\left(13\right)$

5.如权利要求1所述的一种测量动态泥沙体积浓度方法，其特征在于：获取泥沙质量M_S和待测浑水质量M时，采用标准称重设备称重获得；获取清水体积V_W和浑水体积V时，采用计量容积的标准容积桶计量获得。

6.一种实现根据权利要求1到5任一项所述方法采用的测量动态泥沙体积浓度装置，其特征在于：它包括一连接在水箱底部的管道，在所述管道的两个不同高程上分别取测点一和测点二，在测点一和测点二处各设置有一压力传感器。

7.如权利要求6所述的一种测量动态泥沙体积浓度装置，其特征在于：所述管道采用垂直直管和倾斜直管其中之一。

8.如权利要求6或7所述的一种测量动态泥沙体积浓度装置，其特征在于：所述管道外同轴地套设一环形均压管，在所述管道的测点一和测点二处各沿周向均匀开设有若干个采压孔，每一个所述采压孔均通过一短管连通所述管道和所述环形均压管，且保持所述采压孔和所述压力传感器在同一高程。

9.如权利要求8所述的一种测量动态泥沙体积浓度装置，其特征在于：所述采压孔数量为4个，且沿所述管道外壁同一高程径向均匀设置。