CN104764496B - 一种基于作用水头的孔口管嘴类流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于作用水头的流量测量装置，包括：侧壁带出流口的实验水箱；设置在所述实验水箱内的液气转换测压筒，所述液气转换测压筒的底部与所述实验水箱的内部空间连通，所述液气转换测压筒的顶部设有连通定位管，该连通定位管的底面位于所述出流口的中轴水平面上；与所述液气转换测压筒连接，用于检测所述液气转换测压筒内压缩空气与外界空气压差的流体压差传感器；与所述流体压差传感器连接，用于将流体压差传感器检测到的压差信号转换成出流口流量的微电脑。本发明可以方便的数字化精确量测流体力学基本实验中的动量实验仪和孔口与管嘴实验仪中孔口与管嘴的射流流量，并具有很好的教学效果。

Description

一种基于作用水头的孔口管嘴类流量测量装置

技术领域

本发明涉及实验量测领域，具体涉及一种基于作用水头的孔口和管嘴类流量测量装置。

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，孔口与管嘴出流是该教学领域重要的学习内容之一。在容器垂直壁上开孔，流体经过孔口流出的流动现象叫孔口出流，其出流条件可以是定水头下的出流或者变水头下出流，可以是流入空气中，也可以是流入同一介质的流体中。在孔口的周界上安装一个长度约为孔口直径3～4倍的短管，这样的短管称圆柱形外管嘴。管嘴按其形状可分为：流线型管嘴，柱形外管嘴，圆锥形管嘴。流体流经该短管，并在出口断面形成满管流，这种流动现象称为管嘴出流。

作为工程上常见的水力设施——孔口管嘴，与孔口管嘴相关的重要流体力学教学实验就有孔口管嘴实验和动量定律实验。这2种实验教学仪器国内的活塞式动量定律实验仪和带移动触头的孔口管嘴实验仪为代表已被国内几百所院校采用，在实际实验教学中都需要测量多组不同水头下的孔口管嘴出流流量，以验证相关的流体力学基本定律。传统测定孔口管嘴流量时需要在稳定水头下，用重量法(即通过秒表计时，在孔口管嘴出流的下游水槽出流口用水筒接取一筒水，并用电子秤称重换算得到水体积，再除以计时时间即能得到出流流量)或体积法(直接用大的量筒接取出流水，并用秒表计时)去测量孔口管嘴的出流流量，费时费力，实验环境也容易搞湿搞脏，学生对这类传统的流量测量方法学习1～2次以后即可达到实验教学目的，不需要对每个流体力学实验都重复这类手工传统的测量方法，容易浪费宝贵的实验操作时间。同时，传统流量测量方法也无法实时测量孔口管嘴的出流流量。

随着现代量测技术的发展，其他各行业领域的实验仪器在现代量测技术的创新和应用上已远远领先于流体力学类实验教学仪器。而对于孔口管嘴实验和动量定律实验这类实验仪器想要实现全面的数字化量测甚至将来实现面向MOOC的网络远程实验，第一步要解决的就是如何实现孔口管嘴出流流量的数字化实时量测。

市面上和公开技术资料显示有很多种有关管道、明渠液体流量测量的现代量测装置及发明专利，但针对桌面型实验仪器低压水头下的孔口管嘴出流流量还没有什么较好的高精度数字化实时测量装置。

发明内容

本发明提供了一种基于作用水头的流量测量装置，可以方便的数字化精确量测流体力学基本实验中的动量实验仪和孔口与管嘴实验仪中孔口与管嘴的射流流量，并具有很好的教学效果。

一种基于作用水头的流量测量装置，包括：

侧壁带出流口的实验水箱；

设置在所述实验水箱内的液气转换测压筒，所述液气转换测压筒的底部与所述实验水箱的内部空间连通，所述液气转换测压筒的顶部设有连通定位管，该连通定位管的底面位于所述出流口的中轴水平面上；

与所述液气转换测压筒连接，用于检测所述液气转换测压筒内压缩空气与外界空气压差的流体压差传感器；

与所述流体压差传感器连接，用于将流体压差传感器检测到的压差信号转换成出流口流量的微电脑。

本发明中，实验水箱通过水泵充水时，液位会有较大波动的摆动上升，此时测压筒通过底部进水口会同样进水，但通过底部一个或多个小进水口的稳流过滤进水，能使测压筒内部水位上升很平稳，测压筒内部空气则会向上通过联通定位管跑掉，随着外部实验水箱中水位升高并高于测压筒，对应测压筒内水位平稳上升等高触碰到顶部的联通定位管底平面时，测压筒上部会封闭一段空气柱无法排出，此时测压筒内部水位不再升高，测压筒内水会从其顶部的联通定位管内流出与实验水箱水体联通。在这类桌面型小水箱中，由于水头不高，不会超过100cm水柱，测压筒中空气压缩带来的水头高度误差非常有限(<0.12％，可以忽略)，这样，可以认为测压筒内封闭的压缩空气压力即为水箱中水体相对于孔口与管嘴中轴水平面的作用水头。

实验水箱中稳定水位时，通过压差测量仪测得基于管嘴与孔口的作用水头压力后，再用重量法，测得孔口与管嘴的出流流量，可形成一组标定数据。

根据孔口与管嘴的物理规律和出流流量公式：

其中，Q_v为孔口或管嘴出流流量，A为孔口管嘴面积，H₀为作用于孔口和管嘴的中轴水平面的水头高度，μ为与孔口管嘴收缩断面等相关的系数(针对相同品种实验仪器的孔口管嘴虽然设计的孔口或管嘴形状大小一致，但因实际加工误差，每台的μ值都不一样)。

由上，一个箱体垂直侧壁上固定的孔口与管嘴的射流出流流量只与作用于该出流口的作用水头相关，针对每台已固定孔口与管嘴的实验仪器只需要一组Q_v-H₀标定数据，即可确定μ值，将该流量公式方程通过程序写入压差测量仪中微电脑表头，即可实时通过测量作用于孔口管嘴的作用水头压力，经过内部程序换算，在LED表头显示出孔口管嘴的实时流量。

作为优选，所述的出流口为孔口或管嘴。

作为优选，所述的液气转换测压筒的底部设有与所述实验水箱的内部空间相通的连通口，用于与所述实验水箱连通。所述液气转换测压筒的底部与所述实验水箱的底面固定，或者，所述液气转换测压筒的侧壁与所述实验水箱的侧壁固定。所述的连通定位管的底面为水平面。

作为优选，所述的实验水箱中设有将实验水箱隔成进水工作区和溢流区的溢流隔板，溢流隔板设置在实验水箱内，固定在实验水箱的底面，将实验水箱内部隔成两部分，一部分为进水工作区，液气转换测压筒设置在进水工作区中，实验水箱的出流口也设置在进水工作区中。

进一步优选，所述的实验水箱中进水工作区的底部设有进水口，所述的实验水箱中溢流区设有出水口。进水工作区溢流出来的水通过出水口排出去。

更进一步优选，所述的出水口设置在所述实验水箱中溢流区的底部，方便排水。

所述的溢流隔板上设有溢流孔，该溢流孔内塞有塞子。当需要调整溢流位置时，可通过打开塞子实现。可以在溢流隔板的不同高度上设置不同的溢流孔，从而更好的调整溢流水位。

作为优选，所述的流体压差传感器中的一测量口通大气，所述的流体压差传感器中的另一测量口通过导管与所述液气转换测压筒密封连接。

进一步优选，所述的导管插入所述液气转换测压筒的一端位于所述连通定位管的底面与所述液气转换测压筒的顶面之间，且高于所述连通定位管的底面。

作为优选，所述的基于作用水头的流量测量装置，还包括：与所述微电脑连接的显示屏。微电脑和显示屏可以采用集成的，如微电脑数显表头。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

巧妙的利用孔口管嘴的作用水头转换配合现代量测技术，实现了孔口管嘴的实时流量检测，对于流体力学这类实验教学类仪器首次实现了孔口与管嘴的实时流量数字化检测，便于今后整体仪器的升级甚至数据网络远程传递、网上远程实验打下基础。

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差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粘滞力带来的几乎10％级别的压力误差。大大提高了1m水头下的常规流体压差传感器在低压水头压力下的液体压力检测精度。

通过测压筒顶部的联通定位管可自动确定相对于孔口管嘴作用水头的基准高程，即孔口管嘴的中轴水平面为基准高程零点。再通过液气转换测压筒将作用于孔口管嘴的作用水头压强通过压缩空气传导给压差传感器，由于压差传感器测量的是相对大气压的压强，因此能直接方便的测得作用于孔口管嘴的作用水头压强。这种巧妙利用流体力学原理设计的前端测量装置在数据测量简单直接的同时还具有很好的教学效果。比如稳流结构的应用、大孔径联通定位通气管原理、液气转换的静水压力传递理论、孔口管嘴流量计算原理等，特别适合教学实验仪器的创新教学。

附图说明

图1为本发明基于作用水头的流量测量装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于作用水头的流量测量装置，包括：带出流口7的实验水箱6，出流口7为孔口或管嘴；设置在实验水箱6内的液气转换测压筒2，液气转换测压筒2的底部与实验水箱6的底面固定，液气转换测压筒2的底部设有连通口1，用于与实验水箱6连通，液气转换测压筒2的顶部设有连通定位管5，该连通定位管5的底面位于出流口7的中轴水平面上，连通定位管5的底面为水平面；与液气转换测压筒2连接，用于检测液气转换测压筒2内压缩空气与外界空气压差的流体压差传感器10；与流体压差传感器10连接，用于将流体压差传感器10检测到的压差计算出流口流量的微电脑。电测仪14，包括；流体压差传感器10以及与流体压差传感器10连接的微电脑，流体压差传感器10中的一测量口通大气，流体压差传感器10中的另一测量口与液气转换测压筒2连接。流体压差传感器10中的另一测量口通过导管(空心压力传导管12、软管9和通气管4)与液气转换测压筒2连接，并且导管插入液气转换测压筒2的一端位于连通定位管5的底面与液气转换测压筒2的顶面之间，且高于连通定位管5的底面。

实验水箱6中设有将实验水箱6隔成进水工作区和溢流区的溢流隔板15，溢流隔板15设置在实验水箱6内，固定在实验水箱6的底面，将实验水箱6内部隔成两部分，一部分为进水工作区，液气转换测压筒2设置在进水工作区中，实验水箱6的出流口7也设置在进水工作区中。

实验水箱6中进水工作区的底部设有进水口16，实验水箱6中溢流区设有出水口17。出水口17设置在实验水箱6中溢流区的底部，方便排水。

溢流隔板15上设有高度不同的两个溢流孔，溢流孔内塞有塞子18、塞子19。当需要调整溢流位置时，可通过打开塞子实现，从而更好的调整溢流水位。

具有一个带孔口或管嘴出流待测流量的实验水箱6，此类实验水箱已经大规模应用：通常有一个进水口16，一块低于水箱高度的溢流隔板15将水箱内部隔离成2部分，水箱进水后液位高于溢流隔板15即溢流而出，通过出水口17流出实验水箱6。为了获得多个溢流恒定水位，这类实验水箱在溢流隔板15上会在不同高度开设几个溢流大孔，并用塞子18、塞子19塞住，根据需要拔掉不同高度塞子就可调节不同高度的溢流恒定水位。水平面8为不拔掉塞子时的溢流恒定水位。

实验水箱6中设有一个透明有机玻璃材质的液气转换测压筒2，液气转换测压筒2为一直径5cm左右圆柱体，高度高于实验水箱6出流的孔口管嘴(即出流口7)中轴水平线1cm，有密封机玻璃盖，无底面，在离开孔口管嘴较远距离用胶水粘结固定于实验水箱6之底面。测压筒侧壁底部开有半圆的联通口1(侧壁底部沿底部一圈可多开几个小联通口，起到过滤稳流进水作用，保证筒内液位水平稳定上升)，可与实验水箱6水相通。液气转换测压筒2上部密封插入有2根空心管，一根孔径较大空心管是有机玻璃材质的联通定位管5，外壁与液气转换测压筒2上盖开孔内壁通过胶水密封粘接，垂直固定相连，内径约为5mm，其底部圆环平面平整，并与出流的孔口管嘴中轴水平面3齐平，上端出口与实验水箱6蓄水空间相通。另一根较细的空心管为内径1.5mm的空心不锈钢通气管4，该空心不锈钢通气管4外壁通过502胶水与液气转换测压筒2上部开孔内壁气密封粘连，与液气转换测压筒2内封住的上部空气柱相通，筒外气嘴凸出液气转换测压筒2约1cm左右，可密封外套适合内径的PVC透明软管作为通气测压连接软管9(即PVC测压软管9)，PVC测压软管9具备较好的弹性，可紧紧的外套在不锈钢通气管4外侧，在这种实验较低气压即1.1倍大气压力内，PVC测压软管9与不锈钢通气管4可以做到很好的气密连接。PVC测压软管9长约80cm，引出实验水箱6外另一端紧紧套在流体压差传感器10的一个接口空心压力传导管12上，流体压差传感器10为相对压差传感器，具有2个空心压力传导管11和12，空心压力传导管11与大气相通。

实验时，调好桌面水平，放在桌面上的实验水箱6通过水泵从进水口16充水，液位会以波浪型摆动上升，此时液气转换测压筒2通过底部连通口1同步稳流过滤进水，并使液气转换测压筒2内部水位平稳上升，液气转换测压筒2内部空气会向上通过联通定位管5排掉，随着外部实验水箱6中水位升高并高于液气转换测压筒2，对应液气转换测压筒2内水位平稳上升等高触碰到顶部的联通定位管5底平面时，液气转换测压筒2上部会封闭一段空气柱无法排出，此时测压筒2内部水位不再升高，液气转换测压筒2内水会从其顶部的联通定位管5内流出与实验水箱6水体联通。因此流体压差传感器10通过气路联通的空心不锈钢通气管4，测的就是液气转换测压筒2中密封压缩空气柱相对大气压的压力。流体压差传感器10测得的压强信号送入微电脑中，经微电脑内部按标定公式换算好后，微电脑智能表头13的LED屏上显示孔口管嘴流量数值。

紧靠实验仪边放置，方便与测压PVC测压软管9相连的电测仪14，电测仪14包含有流体压差传感器10和可编程存储的微电脑数显表头13，压差传感器10测得的压力信号可以输入到微电脑中，经内部A/D转换，并通过微电脑内孔口或管嘴的出流流量公式的程序转换在微电脑数显表头13直接显示出流量数据。

具体实施时，每套基于作用水头的孔口和管嘴类流量测量装置在实验水箱稳定水头下，对流量检测装置做一组Q_v-H₀标定数据，即根据孔口与管嘴的出流流量公式将每台的μ值算出标定出来，存入微电脑表头的程序设置参数中。标定了一个μ值固定常数，即可标定好一台实验水箱的压差信号与出流口流量的非线性对应关系，这样根据实时测得的作用水头H₀，即可实时测量实验仪器各阶段的孔口或管嘴出流流量。

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 (10)

1.一种基于作用水头的流量测量装置，其特征在于，包括：

侧壁带出流口的实验水箱；

设置在所述实验水箱内的液气转换测压筒，所述液气转换测压筒的底部与所述实验水箱的内部空间连通，所述液气转换测压筒的顶部设有连通定位管，该连通定位管的底面位于所述出流口的中轴水平面上；

与所述液气转换测压筒连接，用于检测所述液气转换测压筒内压缩空气与外界空气压差的流体压差传感器；

与所述流体压差传感器连接，用于将流体压差传感器检测到的压差信号转换成出流口流量的微电脑。

2.根据权利要求1所述的基于作用水头的流量测量装置，其特征在于，所述的出流口为孔口或管嘴。

3.根据权利要求1所述的基于作用水头的流量测量装置，其特征在于，所述的液气转换测压筒的底部设有与所述实验水箱的内部空间相通的连通口。

4.根据权利要求1所述的基于作用水头的流量测量装置，其特征在于，所述的连通定位管的底面为水平面。

5.根据权利要求1所述的基于作用水头的流量测量装置，其特征在于，所述的实验水箱中设有将实验水箱隔成进水工作区和溢流区的溢流隔板。

6.根据权利要求5所述的基于作用水头的流量测量装置，其特征在于，所述的实验水箱中进水工作区的底部设有进水口，所述的实验水箱中溢流区设有出水口。

7.根据权利要求6所述的基于作用水头的流量测量装置，其特征在于，所述的出水口设置在所述实验水箱中溢流区的底部。

8.根据权利要求5所述的基于作用水头的流量测量装置，其特征在于，所述的溢流隔板上设有溢流孔，该溢流孔内塞有塞子。

9.根据权利要求1所述的基于作用水头的流量测量装置，其特征在于，所述的流体压差传感器中的一测量口通大气，所述的流体压差传感器中的另一测量口通过导管与所述液气转换测压筒密封连接。

10.根据权利要求9所述的基于作用水头的流量测量装置，其特征在于，所述的导管插入所述液气转换测压筒的一端位于所述连通定位管的底面与所述液气转换测压筒的顶面之间，且高于所述连通定位管的底面。