CN104751710B - 一种带巡回电测数显的排式测压装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带巡回电测数显的排式测压装置，包括：两组以上的测压组件，每组测压组件包括：测压筒、设在所述测压筒顶部的连通定位管、与所述连通定位管连接的测压管、与所述测压筒内压缩空气连通的导管以及设置在所述导管上的阀门；压差传感器，两组以上的测压组件通过各自阀门与所述压差传感器连接；用于标定各个测压组件中测压管内液位的直尺。本发明带巡回电测数显的排式测压装置，可广泛替代流体力学水力学基本实验中量测水头压强的传统排式测压管，巧妙的应用了流体力学基本原理，很好的统一了传统量测手段与现代量测技术，兼具极佳的教学效果。
Description
技术领域
本发明涉及实验量测领域，特别涉及一种带巡回电测数显的排式测压装置。
背景技术
水力学及流体力学是工科院校许多专业的一门主要专业基础课。现代水力学是建立在实验、理论、计算三大支柱上的，因此，实验是教学环节中不可或缺的内容。其中，测压管是水力学及流体力学实验过程中最为常用的压强量测仪器之一，它是最简单的一种液柱式压力计，用一直径8-10mm的透明直玻璃管，管的下端与量测点通过软管密封连接，管的上端开口与大气相通，据测压管中液柱上升的高度，就可得到该点的压强。在教学实验中液体通常为水，即测压管水头，它是以测压管水面到基准面的高度表示的单位重量水的总势能。测压管通常安装在测压架上，测压管水头高度会用在测压管上标刻度线、测压架上铺设坐标纸或在测压架上固定刻度尺形式，通过人眼手工测量水柱高度。而在实际一个实验中，往往需要同时量测实验管道或水箱中多个部位的压力信号，因此根据实验需要将多个测压管按同一水平高度并排安装在测压架上，构成一组排式测压管，并且这类实验教学用测压管的高度一般都在100cm以内，以测量低压水头为主。
随着现代量测技术的发展，流体力学类实验教学仪器也引入应用了不少。比如对需要用到排式测压管测压的多个测压点，国内外这类实验教学仪器都直接用多个压力传感器取代，并配合压力变送器、多路输入数显表头或带微电脑多路A/D输入巡回切换的数显单表头。但作为学生教学实验仪器，我们始终认为，像排式测压管这类传统最为常用压强量测仪器的使用，是学生实验教学中应该学习掌握的基本知识，不可或缺，但同时也应该学习现代量测技术，并可用更精准的现代量测仪器去校准人眼手测的误差，从而在对比中提高传统的基本实验动手能力。
因此配备现代量测技术的排式测压管应该是这样的，它既能对实验多个测压点分别用传统的测压管人眼手工测量水头高度，又能同步通过相连的压力传感器配合压力变送表头实时数显各测压管水头值。这种带同步数显的排式测压管市场上却找不到，也未有什么设计方案，其中涉及的几个问题可能比较难很好解决：
(1)排式测压管是通过架子并排固定竖直立在实验台上，排式测压管的刻度标尺也同样如此，较好的有底调式测压架发明专利用了滑槽式同一根固定高度标尺来统一量测各并排测压管的水柱高度。然而标尺零点悬空在靠近实验台面的某个位置高度，随安装位置高低，相对实验台面有上下偏差，如何让多个测压管标尺悬空的高程零点(测压管水头基准零位高程)与压差传感器测量的压差零点准确的保持等零位是个难点。
(2)多个传感器会产生多个零点，不但成本高、实验调节时麻烦，且在相互比较引用并代入一个公式计算时，也容易将多个传感器自身不同的测量误差累积叠加的更大。
(3)若传感器测压端与水体测压点通过水路直接相连通，因为传感器的压力是通过水体传送的，传感器端接口端是密封的，内有密封空腔，很难彻底排空空气，残留微小气泡，连通管中的有压水柱不能直接作用在传感器的压力芯片上，又由于传感器内的压力传递通道很细小，因而在液气交界面上会产生很大的表面张力，其值可达到1-5厘米水柱，甚至更大，对通常100cm内的实验用测压管低压水头，压力测量误差可达10％以上。
发明内容
本发明提供了一种带巡回电测数显的排式测压装置，可广泛替代流体力学水力学基本实验中量测水头压强的传统排式测压管，巧妙的应用了流体力学基本原理，很好的统一了传统量测手段与现代量测技术，兼具极佳的教学效果。
一种带巡回电测数显的排式测压装置，包括：
两组以上的测压组件，每组测压组件包括：测压筒、设在在所述测压筒顶部的连通定位管、与所述连通定位管连接的测压管、与所述测压筒内压缩空气连通的导管以及设置在所述导管上的阀门；
压差传感器，两组以上的测压组件通过各自阀门与所述压差传感器连接；
用于标定各个测压组件中测压管内液位的直尺。
本发明中，两组以上(包括两组)的测压组件，每组测压组件包括：测压筒、设在在所述测压筒顶部的连通定位管、与所述连通定位管连接的测压管、与所述测压筒内压缩空气连通的导管以及设置在所述导管上的阀门。因此，每组测压组件均包括：一个测压筒、一个连通定位管、一个测压管、一个导管以及一个阀门，通过一个导管连接有一个阀门，每组测压组件中的阀门都与压差传感器连接，可以通过打开或关闭阀门来用压差传感器检测不同测压组件中测压筒内压缩空气与外界空气压差。因此，可以减少多个传感器叠加误差，多零点的调整麻烦，对排式测压管用同一压差传感器巡回切换测量会更准确。
为了减少多个传感器叠加误差，多零点的调整麻烦，对排式测压管(即不同的测压组件)用同一压差传感器巡回切换测量会更准确。为此专门设计了多气路通断择一的气路通断控制切换通路。n根测压管通过n个测压筒的通气测压软管，分别密封连接到n个2通电控微型气阀(阀门的一种)的一路通气口，n个2通气阀的另一端通气口再通过软管密封连接到(n+1)通路气管接头上，最后将气管接头第n+1通路用通气软管密封连接到压差传感器的一个测量接口上，压差传感器另一个测量接口直接通大气，压差信号最后送入电测仪表的压力变送器智能表头。这类直流电控微型气阀都是常闭型的，通电时即开启气路通路，因此通过电测仪表的波段选择开关巡回切换控制n个电控微型气阀的直流电路通断，即可控制n个气阀的气路通断，实现用一个压差传感器巡回测量n根测压管水头(即测压管水柱标尺读值、测点相对大气压的压强值)的功能。
当然，上述这样的测压筒结构会随着密封空气柱的压缩，实际测压筒内部水位会略高于联通定位管底面参考零高程，假设其差值为Δh，在此我们可以计算分析一下其误差对这个测量装置有多大影响。对于桌面型流体力学水力学实验的测压管水头高度都是1m以下的低压水头，若达1m测压管水头时，会产生最大绝对误差，假设密封空气柱未压缩前体积为V1，压缩后体积为V2，计算如下：
根据气体方程可知，PV/T＝nR，气体P压力(空气就是大气压)，V为空气体积，T为空气的开氏温度(273.15+摄氏度)，n为空气物质的量(摩尔数)，R为气体常数。
对于测压筒内密封空气柱，T，n，R均为固定值不变；
已知，初始未压缩前P1＝1个大气压＝1000cm水柱，密封空气柱高度h＝1cm；
压缩后P2＝1000cm水柱+100cm水柱＝1100cm水柱；
P1×V1＝P2×V2；
P1×h＝P2×(h-Δh)；
计算绝对误差：Δh＝h-P1×h/P2＝0.091cm；
相对误差＝Δh/测压管水柱高度＝0.091/100＝0.091％；
当测压管水柱为1cm时，P2＝1001cm水柱，
绝对误差：Δh＝0.000999cm，相对误差为：0.0999％
由上计算可知，这种空气压缩带来的误差远远小于系统的设计误差1级精度，在0～100cm水柱低压测量范围内，绝对误差最大也小于0.91mm，完全可以忽略。根据上述计算，也可得到测压筒设计时，顶部插入的联通定位管底面与测压筒顶面距离高度越小，误差越小，留有1cm距离误差已小于千分之一，足够。
若再考虑连接的通气测压管中压缩空气误差，计算如下：一般通气测压管长度<100cm，内径约2mm，考虑长度100cm，测压管最大水头100cm水柱时的最大误差，设通气测压管中压缩减小的体积为ΔV，则根据前面的气体方程可知，
ΔV＝V1-V2＝V1-(P1/P2×V1)；
＝3.14×0.12×100-1000/1100×3.14×0.12×100；
＝0.29cm3；
对于4cm直径的圆柱体测压筒，会让前述Δh误差增大0.02cm，总体误差也才0.111％。
综上，在上述设计测压筒结构中，空气压缩体积变化带来的测压管水头压强值测量误差最大才千分之一级别，相对本教学实验仪器1级精度标称而言，完全可以忽略。
作为优选，各个测压组件中的连通定位管的底面与所述直尺的零刻度同水平面。通过使联通定位管底面与测压管标尺零点同水平面，可自动确定压差传感器测量的相对大气压的压差零点与测压管标尺悬空的高程零点(测压管水头基准零位高程)保持等零位。
作为优选，每组测压组件中，所述的测压管的顶部设有用于通大气的开口，所述的测压管的底部通过软管与所述连通定位管连通。
作为优选，每组测压组件中，所述的测压筒的底部设有进水口。
作为优选，所述的带巡回电测数显的排式测压装置，还包括：固定支架，所述的直尺和各个测压组件中测压管均安装在所述固定支架上。
进一步优选，所述的固定支架设有水平测量滑槽，该水平测量滑槽设有滑块，所述直尺安装在所述滑块上。通过滑块在水平测量滑槽内滑动，可以调整直尺到不同的位置，从而实现对各个测压组件中测压管内液位的标定。
更进一步优选，所述的直尺上设有长形孔，该直尺通过螺丝与该长形孔配合固定在所述滑块上，该螺丝处于拧松状态时，可在长形孔内滑动，从而调整直尺在固定支架上的位置，从而方便调整直尺的零刻度与连通定位管的底面同水平面。
作为优选，所述的压差传感器中的一测量接口通大气，所述的压差传感器中的另一测量接口与各个测压组件中的阀门连接。
作为优选，每组测压组件中，所述的导管插入所述测压筒的一端位于所述连通定位管的底面与所述测压筒的顶面之间，且高于所述连通定位管的底面。
作为优选，所述的带巡回电测数显的排式测压装置，还包括：与所述压差传感器连接的压力变送器数显表头。
作为优选，所述的带巡回电测数显的排式测压装置，还包括：与各个测压组件中的阀门连接的选择开关。通过选择开关关闭和打开各个测压组件中的阀门，从而使得同一压差传感器能够检测不同测压组件中测压筒内压缩空气与外界空气压差。
由上，相对传统排式测压管，本发明有如下优点：
巧妙的通过排式带有联通定位管结构的液气转换测压筒(简称测压筒)配合多气路择一的气路通断切换系统、压差传感器等现代量测仪表，为传统的排式测压管水头测压配置了高精度同步巡回测量数显系统。它能集成到各种流体力学水力学实验教学仪器中，既能让学生对比学习传统测压方法与现代量测技术，还让学生进一步学习流体力学理论知识配合现代量测技术在实验装置中的创新应用，是能够真正对学生实验教学有帮助的测量装置。
针对排式多个测压管，在使用液气转换测压筒后，巧妙的应用电控微型气阀设计了多气路择一的气路通断切换系统，通过巡回切换，选择通断不同的测压筒待测气路，用一个压差传感器即可实现排式测压管各管水头的巡回测量，有效的避免了多个传感器易带来的叠加误差，方便了传感器本身零点调整、标定，在提高实验精度的同时还大大降低了仪器成本。
通过测压筒的液气稳压转换技术，对于实验台上常规1m以内低压水头的量测，避免了液体直接与压力传感器密闭连接管接触时由于存在很难排空的小气泡引起的液体表面张力带来的几乎10％级别的压力误差。大大提高了1m水头下的常规流体压力传感器在低压水头压力下的液体压力检测精度。同时还避免了液体与传感器长时间接触易带来的对传感器的腐蚀，提高了传感器使用寿命和长时间使用的精度。
创新应用流体力学原理，设计了测压筒中的联通定位管，既可将测压点压强通过密封水路传压到传统测压管中，形成测压管水柱，又能通过密封气路传压给压差传感器，方便直接的电测得到相对零高程的相对大气压压强。并且，通过使测压筒顶部的联通定位管底面与测压管标尺零点同水平面，可自动确定压差传感器测量的相对大气压的压差零点与测压管标尺悬空的高程零点(测压管水头基准零位高程)保等零位，解决了传统测压管配置数显测压表时难以统一基准零点的难题。
为保障测压筒顶部的联通定位管底面与测压管标尺零点同水平面，方便调整测压架加工时易带来的测压管标尺悬挂高度偏差，特别设计了可在垂直方向上下微调距离的测压架标尺，通过实测调整，可以很方便的消除这一误差。
附图说明
图1为本发明带巡回电测数显的排式测压装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明带巡回电测数显的排式测压装置，包括：两组以上的测压组件，每组测压组件包括：测压筒11、设在在测压筒11顶部的连通定位管10、与连通定位管10连接的测压管2、与测压筒11内压缩空气连通的导管(通气管13和通气测压软管15)以及设置在导管(通气管13和通气测压软管15)上的阀门16；压差传感器19，两组以上的测压组件通过各自阀门16与压差传感器19连接；用于标定各个测压组件中测压管2内液位的直尺3。
各个测压组件中的连通定位管10的底面与直尺3的零刻度同水平面。通过使联通定位管10底面与测压管标尺(即直尺3)零点同水平面，可自动确定压差传感器19测量的相对大气压的压差零点与测压管标尺悬空的高程零点(测压管水头基准零位高程)保持等零位。每组测压组件中，测压管2的顶部设有用于通大气的开口，测压管2的底部通过软管9与连通定位管10连通。每组测压组件中，测压筒11的底部设有进水口4。
带巡回电测数显的排式测压装置，还包括：固定支架1，直尺3和各个测压组件中测压管2均安装在固定支架1上。
固定支架1设有水平测量滑槽8，该水平测量滑槽8设有滑块5，直尺3安装在滑块5上。通过滑块5在水平测量滑槽8内滑动，可以调整直尺到不同的位置，从而实现对各个测压组件中测压管2内液位的标定。
直尺3上设有长形孔6，该直尺3通过螺丝7与该长形孔6配合固定在滑块5上，该螺丝7处于拧松状态时，可在长形孔6内滑动，从而调整直尺3在固定支架1上的位置，从而方便调整直尺3的零刻度与连通定位管10的底面同水平面。
压差传感器19中的一测量接口21通大气，压差传感器19中的另一测量接口20与各个测压组件中的阀门16连接。
每组测压组件中，导管(通气管13和通气测压软管15)插入测压筒11的一端位于连通定位管10的底面与测压筒11的顶面之间，且高于连通定位管10的底面。
带巡回电测数显的排式测压装置，还包括：与压差传感器19连接的压力变送器数显表头23。
带巡回电测数显的排式测压装置，还包括：与各个测压组件中的阀门16连接的选择开关24。通过选择开关24关闭和打开各个测压组件中的阀门16，从而使得同一压差传感器19能够检测不同测压组件中测压筒11内压缩空气与外界空气压差。
本发明带巡回电测数显的排式测压装置附图1中以两组的测压组件为例。带巡回电测数显的排式测压装置具有2根以上并排竖直安装在固定支架1上的测压管2，测压管2顶部开口通大气、底面有进水口4，测压管2在固定支架1支撑下可垂直放置在调好水平的桌面25上，在固定支架1上部有一个水平测量滑槽8，水平测量滑槽8上悬挂有一块滑块5，一根直尺3(透明)顶部开有竖直方向的长形孔6，通过螺丝7固定在滑块5上，水平移动滑块5，就可使用透明直尺3以同一零高程基准面，测量各测压管2中水柱高度。同时为了保持直尺的零点高程水平面26与测压筒11顶部插入的联通定位管10底面同水平面，可通过滑块5下部用于连接固定直尺3的竖直向的长形孔6，微调直尺3的上下固定位置。
固定支架1放置在一张调好水平的实验桌面25上，台面边上设有一排与测压管同等数量可一一对应连接的，带零位高程定位的液气转换测压筒11(即测压筒11)，可以用透明有机玻璃材料制作，内部蓄水清楚可见，方便实验观察。并且，每个测压筒11内外结构、大小相同，固定粘结在同一水平连接底板14上。测压筒11高度高于直尺3零点的水平面约1cm左右。测压筒11可为一个空心圆柱体或多边形空心柱体结构，作为排式测压筒，各筒壁可直接垂直与同一连接底板14密封粘接，以连接底板14作为各测压筒11密封底板。各测压筒11顶面开有1个小孔，垂直插入密封粘接有一根与测压管2底部进水口4的进水管同外径的联通定位管10。联通定位管10和进水口4的进水管一般内径较大有4mm左右。联通定位管10高出顶面约1cm，便于密封外接PVC通水软管9，并与对应测压管2底部进水口4密封连通，构成测压管2水柱的密封通水管道。联通定位管10插入测压筒11深度约1cm，底面水平，并保持与直尺3零点的水平面26同平面。测压筒11侧壁下部接近底面开有一个测压进水口12，可密封外接通水软管连接到待测的实验管道、水箱等测压点上。测压点都是通水的，连接测压筒11后，水会从底部侧壁进水口12进入测压筒11内部，当水位到达顶部联通定位管10底面水平面26后，水位不再上升，水会进入联通定位管10，接着进入测压管2，形成测压管水柱27，待各测压管水柱高度稳定后，水平滑动直尺3，分别测量各管水柱高度数值即为对应各测压点相对零参考水平面26的水头压强。而在测压筒11的联通定位管10底面水平面26到其顶部则会密封一段空气柱，由于联通定位管10底面水平面26与标尺零点的水平面26同平面，所以，该段密封压缩空气柱压强即为测压管水头压强与大气压强之和。
为了测量该段密封压缩空气柱压强，在测压筒11上部开有一个小孔，密封粘接插入一根内径2mm的不锈钢通气管13(可以从顶部插入，也可从上部侧壁插入)，通气管13底面别碰到桶内最高水面即可，通气管13留在测压筒11外部约1cm左右可密封外接空心通气测压软管15。
为了减少多个传感器叠加误差，多零点的调整麻烦，对排式测压管用同一压差传感器巡回切换测量会更准确，采用了多气路择一的气路通断控制切换系统。2根测压管2通过2个测压筒11的通气测压软管15，分别密封连接到2个阀门16(具体为2通电控微型气阀)的一路通气口，2个阀门16(具体为2通电控微型气阀)的另一端通气口再通过软管17密封连接到3通路气管接头18上，最后将气管接头18的第3通路用通气软管密封连接到压差传感器19的一个测量接口20上，压差传感器19的另一个测量接口21直接通大气，压差信号最后送入电测仪表22的压力变送器智能数显表头23。这类2通电控微型气阀都是常闭型的，通电时即开启气路通路，因此通过电测仪表的波段选择开关24巡回切换控制2个电控微型气阀的直流电路通断，即可控制阀门16的气路通断，实现用一个压差传感器19巡回测量2根测压管水头(即测压管水柱标尺读值、测点相对大气压的压强值)的功能。其中，压力变送器智能数显表头23显示的44.8cm为使用时的水柱数据。
具体实验时，先要调水平好桌面25，将各测压筒11的进水口12通过通水软管，与待测的实验管道、水箱等各测压点引出细管密封连接好，实验管道、水箱在实验初始未进水时，测压筒11与压差传感器19的测量接口21相接的管路直通大气，与测量接口20等压，此时需对与压差传感器19连接的压力变送器数显表头23初始调零，然后启动实验仪器水泵供水，进入实验，根据各实验步骤，待测压管2水柱稳定后，即可一边通过测压架上直尺3滑动，以手工人眼传统方式测量测压管水柱高度，又可通过波段开关24，巡回选择开启各测压管对应的液气压力传导气路，对比使用电测数显仪表22高精度测量。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种带巡回电测数显的排式测压装置，其特征在于，包括：
两组以上的测压组件，每组测压组件包括：测压筒、设在在所述测压筒顶部的连通定位管、与所述连通定位管连接的测压管、与所述测压筒内压缩空气连通的导管以及设置在所述导管上的阀门，所述的测压筒的底部设有进水口；
压差传感器，两组以上的测压组件通过各自阀门与所述压差传感器连接，所述的压差传感器中的一测量接口通大气，所述的压差传感器中的另一测量接口与各个测压组件中的阀门连接；
用于标定各个测压组件中测压管内液位的直尺。
2.根据权利要求1所述的带巡回电测数显的排式测压装置，其特征在于，各个测压组件中的连通定位管的底面与所述直尺的零刻度同水平面。
3.根据权利要求1所述的带巡回电测数显的排式测压装置，其特征在于，每组测压组件中，所述的测压管的顶部设有用于通大气的开口，所述的测压管的底部通过软管与所述连通定位管连通。
4.根据权利要求1所述的带巡回电测数显的排式测压装置，其特征在于，还包括：固定支架，所述的直尺和各个测压组件中测压管均安装在所述固定支架上。
5.根据权利要求4所述的带巡回电测数显的排式测压装置，其特征在于，所述的固定支架设有水平测量滑槽，该水平测量滑槽设有滑块，所述直尺安装在所述滑块上。
6.根据权利要求5所述的带巡回电测数显的排式测压装置，其特征在于，所述的直尺上设有长形孔，该直尺通过螺丝与该长形孔配合固定在所述滑块上。
7.根据权利要求1所述的带巡回电测数显的排式测压装置，其特征在于，每组测压组件中，所述的导管插入所述测压筒的一端位于所述连通定位管的底面与所述测压筒的顶面之间，且高于所述连通定位管的底面。
8.根据权利要求1所述的带巡回电测数显的排式测压装置，其特征在于，还包括：与所述压差传感器连接的压力变送器数显表头。
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