CN104807508B - 一种实验教学用带测压管显示的数显流量计及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验教学用带测压管显示的数显流量计及测量方法，包括：用于产生压差信号的压差式流量信号发生器；两组测压组件，每组测压组件包含测压筒、连通定位管和测压管；用于检测两个测压筒内压缩空气压强差的压力传感器；用于将压力传感器检测到的压强信号转换成流量的微电脑数显表头；用于安测压管的固定支架；用于标定测压管内液位的刻度标尺。本发明装置和方法，综合性、创新性的利用了流体力学原理解决实验测量显示的难题，并结合了传统测压管和现代量测技术，具有高精度、高显示性，可广泛应用于流体力学实验教学仪器中，能激发学生的学习兴趣、启发学生的创新意识，对培养创新能力有益，具备很好的教学效果。

Description

一种实验教学用带测压管显示的数显流量计及测量方法

技术领域

本发明涉及实验量测领域，具体涉及一种实验教学用带测压管显示的数显流量计及测量方法。

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，实验教学用小型管道水流的小流量、小压差、高精度数显流量测量装置，目前处于空白状态。以小型台式流体力学水力学教学仪器为例，由于其管径通常在30毫米以下，流量5-300ml/s，流量往往很小，传统上通常用重量计时法或体积计时法手工测量为主。若配备市面上常规的现代量测仪器时，在实验教学应用中却有很多问题，以典型的压差式流量仪为例：

压差式流量仪的压差式信号发生器(例文丘里、孔板等)所产生的流量信号压差大多数仅为0.1-80厘米水柱，而现有流量仪是通过水管连通管将传感器与压差信号发生器的测压点直接相连通，传感器的压力是通过水体传送的，传感器端是密封的，内有空气阻隔，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产生很大的表面张力，其值可达到1-5厘米水柱，甚至更大，使流量信号的压力误差达10％以上，会造成中低端流量误差达10％-30％，因而此类流量仪无法用于有高精度要求的教学实验装置上。

现在市场上也有供应小管径的涡轮流量计等非压差式流量仪，但是目前这类型流量计1％-2％以上精度的流量测量范围，是其满度的70％-100％，在30％以下都是不适用的，而常用小型台式流体力学水力学教学仪器实验流量范围正好处在30％以下，所以也是无法选用。因而长期以来对于小型台式流体力学教学仪器的高精度流量计处于市场的空白状态。

同时，作为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的测压管，是该类实验教学仪器中必备的测量装置。在该领域实验仪器配置中，根据每种实验需求，为了同时量测实验管道或水箱中多个部位的压力信号，会将多个测压管按同一水平高度并排安装固定在测压架上，构成一组排式多测压管测压计，这种传统测压装置能够通过压力传递方式，用测压管水柱高度非常形象的显示出各个测压点压强大小，具备很好的教学效果。当然，如何应用排式多测压管测量实验管道中的多个压强水头也是学生需要掌握的基本测压方法。作为教学实验应用的压差式流量仪，若是能将压差式流量信号发生器2端压力信号高精度的转换为流量在表头显示的同时，再用测压管水柱同步显示出压强值，那就能与传统测压工具集成在一起，具备更好的教学效果。

但是要像上述这样将传统排式测压管与高精度适用于低流量测量的压差式流量计相结合，并能集成为一整套现场测控型创新实验装置，还有很多问题需要解决，比如实时调零问题、多测压管的自动排气问题。

实时调零问题：像这类电测仪表，常常需要实时校验零点，如电子秤称重后，去掉重物就能校验其零点，而且这种仪器的零点相当稳定。然而，对于管流而言，由于实验过程中受温度和流体压力场的影响，因而零点并不是很稳定的。传统的流量计在需要调零或校验零点的时候，往往需要在管道充满水流的情况下进行关闸，使管内水流静止不动。这对于教学实验来说会中途停止实验操作，重新回到实验开始的状态下，重新进行实验，非常不方便。因此，能够在实验过程中，不需要关机的情况下，实时地调零或校验零点非常重要。

多测压管的自动排气问题：在应用测压管水柱测量测压点压强时，测压管底部与测压点之间的连通管上常有气泡或气柱滞留，会造成测压管的测量误差，为此必须对连通管的滞留气泡排掉，学科上称此为测压管排气。其方法是利用洗耳球(吹气球)对每根测压管打气排水，然后利用测点的水压力自流流入测压管内，使其连通细管中的气泡随水流带走，直至连通管和测压管中液面以下充满连续的液体。这个排气操作对单管还行，但对多管的测压计，尤其是数十根的测压管来说，实验者往往觉得难以承受。为了实现自动电控排气，方便操作，同时为将来整个实验装置能实现面向MOOC的远程网络实验的功能，本发明人曾尝试用气泵进行电排气的方法，来解决这一难题，但是需要对每一根测压管设置一台小气泵，才能实现多测压管的同步排气功能。这是因为每根测压管测点压力是不一样的，有些测压管测点压力很低，甚至接近大气压，在此情况下，如果采用多管一泵的方式排气的话，那么只要有其中一根或几根测压管的测压端口排出气流，就会造成气路短路，气路的主通道上压力骤减，造成其他测压管都排不了水，因而达不到同步排气效果。所以想要使用多管一泵的方式排气，还要设计特殊的结构，巧妙运用流体力学原理才能解决。

发明内容

本发明的提供了一种实验教学用带测压管显示的数显流量计及测量方法，巧妙的应用了流体力学基本原理，设计了适用于实验用低流量测量的高精度压差式数显流量计，与传统的排式测压管相结合，很好的统一了传统量测手段与现代量测技术，集成为一整套现场测控型创新实验测量装置，兼具极佳的教学效果。

一种实验教学用带测压管显示的数显流量计，包括：

用于产生压差信号的压差式流量信号发生器；所述的压差式流量信号发生器上带有两个测压点；

两组测压组件，每组测压组件包含一个测压筒，每个测压筒下部设有进水口、顶部设有连通定位管，与所述连通定位管连接的测压管；两组测压组件分别通过各自的测压筒下部进水口与所述压差式流量信号发生器的两个测压点相连；所述的压差式流量信号发生器的两个测压点为两个输出压差的测压点，一个为压力高端，一个为压力低端；

与两组测压组件中的两个测压筒连接，用于检测所述两个测压筒内压缩空气压强差的压力传感器；

与所述压力传感器连接，用于将所述压力传感器检测到的压强信号转换成流量的微电脑数显表头；

用于安装两组测压组件中两个测压管的固定支架；

用于统一标定所述两个测压管内液位的刻度标尺，所述刻度标尺的零刻度与所述两个测压筒中的连通定位管的底面同水平面。

以下作为本发明的优选结构：

所述的实验教学用带测压管显示的数显流量计，还包括：两个电控通气阀，每个电控通气阀至少包括三路，每个电控通气阀的一路与一个测压筒内压缩空气连通，每个电控通气阀的另一路与所述压力传感器连接，每个电控通气阀还有一路与大气导通。

所述的实验教学用带测压管显示的数显流量计，还包括：与所述测压管的顶部开口连通的气泵。

所述的气泵通过分流器与两个测压管的顶部开口连通，所述的分流器与测压管之间连接有阻尼元件，所述的分流器上密封连接有排气电控通气阀；所述的阻尼元件为密封件，该密封件设有用于所述分流器与所述测压管通气的通气孔。

所述的气泵的排气嘴与所述分流器密封连接。

所述的压力传感器为相对压力传感器，可具体采用压差式传感器。

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，所述的刻度标尺为安装在所述滑块上的直尺。

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。

所述的测压筒的进水口位于所述测压筒的侧壁底部。

本发明实验教学用带测压管显示的数显流量计具有2根并排竖直安装在固定支架上的直管式测压管，测压管的顶部开口通大气、底面有进水口，测压管在固定支架支撑下可垂直放置在调好水平的桌面上，在固定支架上部有一个水平测量滑槽，水平测量滑槽上悬挂有一块滑块，一根直尺(透明)顶部开有竖直方向的长形孔，通过螺丝固定在滑块上，滑块可水平移动，就可使用透明直尺以同一零高程基准面，测量各测压管中水柱高度。同时为了保持直尺的零点高程水平面与测压筒顶部插入的连通定位管底面同水平面，可通过滑块下部用于连接固定直尺的竖直向的长形孔，微调直尺的上下固定位置。

固定支架放置在一张调好水平的实验桌面上，台面边上设有两个与测压管对应连接的、带零位高程定位的测压筒，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，两个测压筒内外结构、大小相同，固定粘结在同一水平连接底板上。测压筒高度高于直尺零点的水平面约1～3cm左右。测压筒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密封粘接，以连接底板作为各测压筒密封底板。各测压筒顶面开有一个小孔，垂直插入密封粘接有一根与测压管底部进水口的进水管同外径的连通定位管。连通定位管和进水口的进水管一般内径较大有4mm左右。连通定位管高出顶面约1cm，便于密封外接PVC通水软管，并与对应测压管底部进水口密封连通，构成测压管水柱的密封通水管道。连通定位管插入测压筒深度约1～3cm，底面水平，并保持与直尺零点高程的水平面同平面。两个测压筒侧壁下部接近底面分别开有一个测压进水口，可密封外接通水软管连接到压差式流量信号发生器的二个测压点(即测压嘴)上。压差式流量信号发生器为实验管道上一部分，并通过实验管道与实验水箱的出流口相连。

实验时，实验管道充满满管水流，压差式流量信号发生器的二个测压点(即测压嘴)会产生压差，连接测压筒后，水会从测压筒底部侧壁进水口进入测压筒内部，当水位到达顶部连通定位管的底面水平面后，水位不再上升，水会进入连通定位管，接着进入测压管，形成测压管水柱，待各测压管水柱高度稳定后，水平滑动直尺，分别测量两测压管水柱高度数值即为对应压差式流量信号发生器的二个测压点相对直尺零点高程参考水平面的水头压强。而在测压筒的连通定位管底面水平面到其顶部则会密封一段空气柱，由于连通定位管底面水平面与直尺零点的水平面同平面，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，在测压筒上部开有一个小孔，密封粘接插入一根较细的通气管(可以从顶部插入，也可从上部侧壁插入)，通气管底面别碰到桶内最高水面即可，通气管留在测压筒外部约1cm左右可密封外接空心通气测压软管。为了能巡回电测两个测压筒内压缩空气的压强和压差，两个测压筒分别通过一路通气测压软管，再分别经一个电控通气阀(即电控三通)与压力传感器的两端测压接口相连。两个电控气阀都有3路气嘴，第一路与通过测压软管与测压筒通气管连通，第二路通大气，第三路分别与压力传感器的两个测压接口连通。两个电控三通气阀在不通电时，第一路与第三路导通，第二路与其他二路都不连通；通电时，第二路与第三路连通，第一路与其他二路不连通。

最后压力传感器信号通过传统电路变送输入到微电脑数显表头，通过两个电控气阀(即电控三通气阀)的切换控制组合，即可在微电脑数显表头上巡回显示压差式流量信号发生器的二个测压点对应的测压管水柱高度数显值、由压力传感器测得的压差换算得到的实验管道流量值。

同时，两个电控气阀(即电控三通气阀)与带连通定位管的测压筒的结构组合还有一项很重要的实时调零功能。压力传感器信号通过传统电路变送输入到微电脑数显表头时，通常会设有传统的传感器调零补偿电路，可采用现有技术，能实现压力传感器输入压差信号为零，而输出电压不为零时，补偿修正为零电压输出的功能。传统的传感器调零补偿电路主要原理是利用电位器改变传感器输出给微电脑表头的电压值，使微电脑数显表头接收到的信号负端电压可以调节，从而使微电脑数显表头的显示值，可调节为零。在本测量装置中，由于二个测压筒的液气交界面保持等高，因此，在实验过程的任何时刻都可通过同时使两个电控气阀(即电控三通气阀)通电的方式，使得压力传感器的二个测压口同时与大气连通，然后通过调零补偿电路的电位器调节进行实时调零操作。

但是，若选用的二个测压筒没有连通定位管结构，不能让液气交界面保持等高的话，则在实验水箱的恒压水头下，关闭实验管道的出流阀门，保持实验管道满管流流量为零时，二个平放在调平好桌面上的测压筒因为筒内液面不等高，通过压缩空气传导压强给压力传感器的输入压差信号肯定不为零，此时输出电压也不为零，按照调零操作，在实验管道流量为零时，我们应该调节调零补偿电路中的电位器补偿修正为零电压输出给微电脑数显表头，以显示流量零值，但是这种调零补偿的操作只能在实验初始，实验管道满管流零流量时进行，无法如前述的在实验过程中随时可进行实时调零操作。

在上述发明的实验测量装置中，测压筒内连通定位管底面上部封闭的空气柱初始时为空气大气压，测压筒内通过压差式流量信号发生器二端测压点(即测压嘴)传导过来的压强(或测压管同步导入的水柱压强)会压缩筒内空气柱，使得筒内液气交界面上升超过直尺零点的水平面，这种误差虽然相对误差不高(<0.2％)，但在测压管水柱较高时，比如80cm时，测压筒内初始封闭空气柱高度为3cm时，误差有0.22cm。这对实时调零和实际流量测量还是会产生一些测量误差，为了提高精度，消除这一误差，同时考虑测压管的自动排气，以消除测压管内初始进水时易带来的气泡残留，本实验测量装置设计了一泵多管的加气装置，结构如下：在二根测压管上部增加了与测压管连接的分流器，连接二个测压管与分流器的阻尼元件；与分流器连接的气泵(在本实验装置中，可采用微型气泵)，与分流器连接的排气电控气阀(即电控二通气阀)。

在实际实施时，一套流体力学水力学实验装置除了管道流量需要测量外，还要测量多个点的压力，用于测压的测压管数通常有2～20根，因此分流器通常为三通道以上的气路连通器，即在固定支架上安装2～20根测压管，但是按照本发明的技术方案实施时，即只需从2～20根测压管接入2根测压管即可实现本发明目的。在本发明实施例中，测压管为两根，分流器可采用气路三通，一路与气泵的排气嘴密封连通，还有两路通过阻尼元件与两个测压管的顶部开口密封连通。

阻尼元件为密封件，该密封件设有用于分流器与测压管通气的通气孔，该通气孔为阻尼孔，是在连接管中能完全隔气的阻尼元件上开设的一微孔，其孔径大小可达到阻流增压的排气排水效果。

将各个阻尼元件分别放置于分流器的出口与测压管的顶部开口之间的连接管中，使气流只能从阻尼孔流入各测压管。

在正常测量情况下，测压管顶部开口必须通大气，为此在分流器上设有与之连通的排气电控通气阀(具体可用常开型电控二通气阀)，通过常规控制电路连接，它在气泵工作时同时通电关闭，气泵停止时同时断电自动开启。

由上，通电时，使气泵开，排气电控通气阀(常开型电控二通气阀)关，即可进行测压管的2管同时排气及复位操作。由于阻尼元件的限流增压作用，利用一只微型气泵，就能同时对2根乃至多根测压管进行同步排气，即使在测压管的有些测压端都通大气情况下，也能对其中的单一一根管内尚存有压液体的测压管进行排水排气。在本实验装置中，电控排气在消除测压管内滞留气泡的同时还有复位功能，即实际排气操作时，需要等测压管中各管水柱全部排入各测压筒内，并使各筒内液气交界面被气泵吹入的压缩空气压低，刚脱离各筒内的连通定位管底面水平面，达到复位效果后，再使气泵、通气阀断电。此时，各测压筒内上部不再是初始大气压强的空气柱，而是经过气泵吹气压入的压缩空气柱，气泵停，通气阀开后，重新打开测压筒上部与外界大气相通的气路，但是同样由于阻尼元件的限流增压作用，测压筒内液面回升将筒内上部压缩空气通过测压管的阻尼元件的阻尼孔挤压出去的同时，会自动与筒内上部的压缩空气取得压力平衡，测压筒内液位回升到筒内连通定位管的底面水平面时，各测压筒内上部的封闭压缩空气柱压强即等于对应实验管道中压差式流量信号发生器的两测量点传导过来的水头压强+大气压强。其后，对应测压管中水柱回升到同样大小的水柱压强高度，而二个测压筒内上部压缩空气因为在封闭之前已经被压缩并取得了气液压力平衡，所以不会再压缩使得液气交界面上升，产生与直尺零点高程水平面的误差。这样通过巧妙的排气复位设计与操作，即可精确的消除测压筒内初始大气压强空气柱压缩带来的系统误差，提高实验精度。

在上述实施例中，具体应用时，阻尼元件的阻尼孔(即通气孔)大小需要根据本测量装置应用在哪个流体力学水力学实验装置中，根据排式测压管的数目，主通气管测压水头来决定。比如，集成应用在一个有6根测压管的实验装置中，本发明只需从6根测压管中接入并使用2根测压管即可实现本发明目的，其测压管1～6的测压水头一般在1米以内，如若其中5根测压管直通大气，其余一根测压管给予1米水柱的有压水头，那么要排除这一根测压管中的有压水，则其所提供的气压必须在1米以上，也就是说气泵输给主通气管上的气压压力应大于1米水柱即可。根据实验，确定阻尼元件的阻尼孔(即通气孔)大小，使主通道上的压力通过各管的阻尼孔限流增压达到此要求，才能实现一泵多管的排气功能。

一种实验测量方法，采用所述的实验教学用带测压管显示的数显流量计，并包括以下步骤：

(1)压差式流量信号发生器内液体满管流动，液体从压差式流量信号的两个测压点进入到测压筒和测压管，停止液体流动使压差式流量信号发生器内液体满管流的流量为零；

(2)启动气泵和关闭排气电控通气阀，对两根测压管同时排气复位操作，使得两个测压筒内液气交界面都脱离筒内的连通定位管的底面，关闭气泵和打开排气电控通气阀的气路，使得测压管内水位回升稳定，观察两根测压管内水柱是否同高度，观察测压管内及与测压筒连通的软管内是否还有气泡附着，如果高度不一致或/和有气泡附着，则重复步骤(2)，如果高度一致且没有气泡附着，则进入步骤(3)；

(3)通过补偿电路对压力传感器初始调零，将压力传感器的两个测量接口同时通大气，实现实时调零；

(4)调零完成后，开始实验，使压差式流量信号发生器内液体流动，根据实验需要调节流量，待每次流量调节稳定后，重复步骤(2)的排气复位操作，消除掉测压筒内上部空气压缩变化带来的误差后，即可一边通过两根测压管同步测量压差式流量信号发生器的二端压强，又可通过微电脑表头巡回测量压差式流量信号发生器的二端压强和流量数据。

所述的实验测量方法，还包括步骤(5)：控制两个电控通气阀都不通大气时，微电脑表头将显示压力传感器输出压差信号转换的流量数值；控制两个电控通气阀其中一个通大气另一个不通大气时，微电脑表头将显示压差式流量信号发生器上与两个电控通气阀中不通大气那一个连接的那一端的压强值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明实验教学用带测压管显示的数显流量计设置了两个可控制液位等高的液气转换型测压筒(简称测压筒)，将压差式流量信号发生器与压力传感器之间由连通定位管内的液体直接传递压力的方式，通过液气转换的双筒，转变为气体的介质，将压力传送给压力传感器，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，使小流量测量的精度可由10％提高到1％以上，并填补了台式小型流体力学水力学实验仪器的高精度数显流量仪空白。同时还避免了液体与压力传感器长时间接触易带来的对压力传感器的腐蚀，提高了压力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气路传压给压力传感器，方便直接的电测得到相对零高程的相对大气压压强，又能通过密封水路传压到传统测压管中，形成测压管水柱，在微电脑数显表头显示流量的同时，还能形象的用两根测压管水柱同步显示压差式流量信号发生器两端测压嘴传导过来的压强，与文丘里、孔板等近百年来长期写入教课书的传统的压差式流量计应用相配合，本实验教学用带测压管显示的数显流量计非常适合实验教学使用。

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，可自动确定压力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，同时也解决了两个测压筒如何精确保持液面等高的问题。也为系统能随时实时调零和排气复位提高测量精度打下基础。

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气路通断切换系统，通过巡回切换，用一个压力传感器即可实现2组测压管各管水头及流量压差的巡回测量，同时与一泵多管加气装置相配合，实现了实验过程中系统可实时调零的功能，并通过排气复位的特殊实验操作方法，可彻底消除测压筒内上部空气压缩带来的液面升高引起的压强测量误差。

在一泵多管加气装置中则创新运用流体力学中阻尼孔限流增压的原理，省去对每根测压管分别用洗耳球进行排气排水的繁琐操作，且气泵用量少，结构简单，操作方便，排气效果好，也方便了电控排气复位的操作，不但适用于本流量测量装置，还特别适用于更多管的排式测压计的自动控制排气。

本发明作为流体力学实验教学用流量测量仪，综合性、创新性的利用了流体力学多种原理解决实验测量难题，能激发学生的学习兴趣、启发学生的创新意识，对培养创新能力有益，具备很好的教学效果。

附图说明

图1为本发明一种实验教学用带测压管显示的数显流量计的结构示意图。

具体实施方式

如附图1所示，为本发明一种实验教学用带测压管显示的数显流量计，包括：用于产生压差信号的压差式流量信号发生器29，压差式流量信号发生器29上带有两个测压点；两组测压组件，每组测压组件包含一个测压筒11，每个测压筒11下部设有进水口12、顶部设有连通定位管10，与连通定位管10连接的测压管2；两组测压组件分别通过各自的测压筒11下部进水口12与压差式流量信号发生器29的两个测压点相连；与两组测压组件中的两个测压筒11连接，用于检测两个测压筒11内压缩空气压强差的压力传感器19，压力传感器19具体可采用压差传感器；与压力传感器19连接，用于将压力传感器19检测到的压强信号转换成流量的微电脑数显表头23；用于安装两组测压组件中两个测压管2的固定支架1；用于统一标定两个测压管2内液位的刻度标尺，刻度标尺的零刻度与两个测压筒11中的连通定位管10的底面同水平面。测压筒11的进水口位于测压筒11的侧壁底部。

实验教学用带测压管显示的数显流量计，还包括：两个电控通气阀，即电控三通气阀17和一个电控三通气阀18，每个电控通气阀至少包括三路，每个电控通气阀的一路与一个测压筒11内压缩空气连通，每个电控通气阀的另一路与压力传感器19连接，每个电控通气阀还有一路与大气导通。

实验教学用带测压管显示的数显流量计，还包括：与测压管2的顶部开口连通的气泵43。气泵43通过分流器41与两个测压管2的顶部开口连通，分流器41与测压管2之间连接有阻尼元件42，分流器41上密封连接有电控二通气阀44(即排气电控通气阀)；阻尼元件42为密封件，该密封件设有用于分流器41与测压管2通气的通气孔。气泵43的排气嘴与分流器41密封连接。

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，刻度标尺为安装在滑块5上的直尺3。直尺3上设有长形孔7，该直尺3通过螺丝6与该长形孔7配合固定在滑块5上。

本发明实验教学用带测压管显示的数显流量计具有2根并排竖直安装在固定支架1上的直管式的测压管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7，通过螺丝6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顶部插入的连通定位管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7，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，台面边上设有两个与测压管2对应连接的，带零位高程定位的测压筒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，两个测压筒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1～3cm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顶面开有一个小孔，垂直插入密封粘接有一根与测压管2底部进水口4的进水管同外径的连通定位管10。连通定位管10和进水口4的进水管一般内径较大有4mm左右。连通定位管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。连通定位管10插入测压筒11深度约1～3cm，底面水平，并保持与直尺3零点高程的水平面26同平面。两个测压筒11侧壁下部接近底面分别开有一个测压进水口12，可密封外接通水软管28连接到压差式流量信号发生器29的二个测压点上。压差式流量信号发生器29为能产生压差信号的流量测量管段，具体采用文丘里、孔板或管嘴等传统流量测压实验管段，也是实验管道30上的一部分，并通过实验管道30与实验水箱33的出流口相连。压差式流量信号发生器29上的二个测压点分别设置在传统压差式测压实验管段的高压点和低压点，在该两点管壁下方开2个小孔插入2根不锈钢空心管即可做为测压点引出的连接口，实验水箱33内设有溢流板34，溢流板34将实验水箱33分成进水工作区和溢流区，进水工作区的底部设有进水口，溢流区的底部设有出水口，通过实验水箱33的进水口进水，形成溢流液面35，提供实验管道30的恒压供水。

实验时，实验管道30充满满管水流，压差式流量信号发生器29的二个测压点会产生压差，连接测压筒11后，水会从测压筒11底部侧壁进水口12进入测压筒11内部，当水位到达顶部连通定位管10的底面水平面26后，水位不再上升，水会进入连通定位管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2管水柱高度数值即为对应压差式流量信号发生器29的二个测压嘴相对直尺3零点高程参考水平面26的水头压强。而在测压筒11的连通定位管10底面水平面26到其顶部则会密封一段空气柱，由于连通定位管10底面水平面26与直尺零点的水平面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。为了能巡回电测两个测压筒内压缩空气的压强和压差，两个测压筒11分别通过一路通气测压软管15，再分别经一个电控三通气阀17和一个电控三通气阀18与压力传感器19相连。电控三通气阀17和电控三通气阀18都有3路气嘴，第一路与测压软管15连通，第二路通大气，第三路分别与压力传感器19的测压接口20和测压接口21连通。电控三通气阀17和电控三通气阀18在不通电时，第一路与第三路导通，第二路与其他二路都不连通；通电时，第二路与第三路连通，第一路与其他二路不连通。

最后压力传感器19信号通过传统电路变送输入到微电脑数显表头23，通过电控三通气阀17的切换控制组合，即可在微电脑数显表头23上巡回显示压差式流量信号发生器29的二个测压嘴对应的测压管水柱高度数显值、由压力传感器19测得的压差换算得到的实验管道流量值。

同时，电控三通气阀17、18与带连通定位管10的测压筒11的结构组合还有一项很重要的实时调零功能。压力传感器19信号通过传统电路变送输入到微电脑数显表头23时，通常会设有传统的传感器调零补偿电路，可采用现有技术，能实现压力传感器19输入压差信号为零，而输出电压不为零时，补偿修正为零电压输出的功能。传统的传感器调零补偿电路主要原理是利用电位器改变传感器输出给微电脑数显表头23的电压值，使微电脑数显表头23接收到的信号负端电压可以调节，从而使微电脑数显表头23的显示值，可调节为零。在本测量装置中，由于二个测压筒11的液气交界面保持等高，因此，在实验过程的任何时刻都可通过同时使电控三通气阀17、18电路接通得方式，使得压力传感器19的二个测压口同时与大气连通，然后通过调零补偿电路的电位器调节进行实时调零操作。

但是，若选用的二个测压筒11没有连通定位管10结构，不能让液气交界面保持等高的话，则在实验水箱33的恒压水头下，关闭实验管道30的出流阀门，保持实验管道30满管流流量为零时，二个平放在调平好桌面25上的测压筒11因为筒内液面不等高，通过压缩空气传导压强给压力传感器19的输入压差信号肯定不为零，此时输出电压也不为零，按照调零操作，在实验管道流量为零时，我们应该调节调零补偿电路中的电位器补偿修正为零电压输出给微电脑数显表头23，以显示流量零值，但是这种调零补偿的操作只能在实验初始，实验管道30满管流零流量时进行，无法如前述的在实验过程中随时可进行实时调零操作。

在上述实施的实验测量装置中，测压筒11内连通定位管10底面上部封闭的空气柱初始时为空气大气压，测压筒11内通过压差式流量信号发生器29二端测压嘴传导过来的压强(或测压管2同步导入的水柱压强)会压缩筒内空气柱，使得筒内液气交界面上升超过直尺零点的水平面26，这种误差虽然相对误差不高(<0.2％)，但在测压管2水柱较高时，比如80cm时，测压筒11内初始封闭空气柱高度为3cm时，误差有0.22cm。这对实时调零和实际流量测量还是会产生一些测量误差，为了提高精度，消除这一误差，同时考虑测压管2的自动排气，以消除测压管2内初始进水时易带来的气泡残留，本实验测量装置具体实施时增加了一泵多管的加气装置，结构如下：在二根测压管2上部增加了与测压管连接的分流器41，连接二个测压管2与分流器41的阻尼元件42；与分流器41连接的气泵43(在本实验装置中，可采用微型气泵)，与分流器41连接的电控二通气阀44。

在实际实施时，一套流体力学水力学实验装置除了管道流量需要测量外，还要测量多个点的压力，用于测压的测压管数通常有2～20根，因此分流器41通常为三通道以上的气路连通器。在本例中，测压管2为两根，分流器41可采用气路三通，一路与气泵43的排气嘴密封连通，还有两路通过阻尼元件42与两个测压管2的顶部开口密封连通。

阻尼元件42为密封件，该密封件设有用于分流器41与测压管2通气的通气孔，该通气孔为阻尼孔，是在连接管中能完全隔气的阻尼元件42上开设的一微孔，其孔径大小可达到阻流增压的排气排水效果。

将各个阻尼元件42分别放置于分流器41的出口与测压管2的顶部开口之间的连接管中，使气流只能从阻尼孔流入各测压管2。

在正常测量情况下，测压管2顶部开口必须通大气，为此在分流器41上设有与之连通的电控二通气阀44，通过常规控制电路连接，它在气泵43工作时同时通电关闭，气泵43停止时同时断电自动开启。

由上，通电时，使气泵43开，电控二通气阀44关，即可进行测压管2的2管同时排气及复位操作。由于阻尼元件42的限流增压作用，利用一只微型气泵43，就能同时对2根乃至多根测压管2进行同步排气，即使在测压管2的有些测压端都通大气情况下，也能对其中的单一一根管内尚存有压液体的测压管进行排水排气。在本实验装置中，电控排气在消除测压管内滞留气泡的同时还有复位功能，即实际排气操作时，需要等测压管2中各管水柱全部排入各测压筒11内，并使各筒内液气交界面被气泵43吹入的压缩空气压低，刚脱离各筒内的连通定位管底面水平面，达到复位效果后，再使气泵43、电控二通气阀44断电。此时，各测压筒11内上部不再是初始大气压强的空气柱，而是经过气泵吹气压入的压缩空气柱，气泵43停，电控二通气阀44开后，重新打开测压筒11上部与外界大气相通的气路，但是同样由于阻尼元件42的限流增压作用，测压筒11内液面回升将筒内上部压缩空气通过测压管2的阻尼元件42的阻尼孔挤压出去的同时，会自动与筒内上部的压缩空气取得压力平衡，测压筒11内液位回升到筒内连通定位管10的底面水平面26时，各测压筒11内上部的封闭压缩空气柱压强即等于对应实验管道中压差式流量信号发生器29的各测压点传导过来的水头压强+大气压强。其后，对应测压管2中水柱回升到同样大小的水柱压强高度，而二个测压筒11内上部压缩空气因为在封闭之前已经被压缩并取得了气液压力平衡，所以不会再压缩使得液气交界面上升，产生与直尺零点高程水平面的误差。这样通过巧妙的排气复位设计与操作，即可精确的消除测压筒内初始大气压强空气柱压缩带来的系统误差，提高实验精度。

综上所述，本发明一种实验教学用带测压管显示的数显流量计的实验测量方法如下：

(1)在实验水箱33内液位处于溢流液面35高程时，具有恒压实验水头，保持实验管道30满管流出流，实验管道30中水会通过管道上的压差式流量信号发生器29的二端测压点分别进入测压筒11和测压管2，此时，关闭实验管道30的出流口阀门，保持实验管道30中满管流流量为零。

(2)通电气泵43和电控二通气阀44，对二根测压管2同时排气复位操作，使得二个测压筒11内液气交界面都脱离筒内的连通定位管10的底面，即断电气泵43和电控二通气阀44，打开电控二通气阀44的气路，使得测压管2内水位回升稳定，观察二根测压管2内水柱是否同高度，测压管2内及与测压筒11连通的软管内是否还有气泡附着，若有，重复第(2)步排气复位操作，一般1～2次即可排除气泡干净，同时完成了测压筒11内的压缩空气充气复位的作用。直至，二根测压管2内水柱同高度，且测压管2内及与测压筒11连通的软管内没有气泡附着，可进入步骤(3)；

(3)此时，微电脑数显表头23显示应该为零，不为零时，通过调节压力传感器19的补偿电路可进行初始调零操作。同时，控制电控三通气阀17和18同时通电，压力传感器19的二个测压口同时都通大气，压差为零，即系统设置到实时调零状态，若已经过初始调零操作，则能验证一下，微电脑数显表头23同样应该显示为零。

(4)打开实验管道30的出流口阀门，根据实验需要调节实验管道中的流量，待每次流量调节稳定后，重复一遍第(2)步的排气复位操作，消除掉测压筒11内上部空气压缩变化带来的误差后，即可一边通过二根测压管2同步测量压差式流量信号发生器29的二端压强，又可通过微电脑表头巡回测量数据了。

(5)控制电控三通气阀17和18都不通电时，微电脑数显表头23将显示压力传感器19输出压差信号转换的流量数值；控制电控三通气阀17通电，电控三通气阀18不通电时，微电脑表头23将显示压差式流量信号发生器29的一端压强值；控制电控三通气阀17不通电，电控三通气阀18通电时，微电脑表头23将显示压差式流量信号发生器29的另一端压强值。

Claims (10)

1.一种实验教学用带测压管显示的数显流量计，其特征在于，包括：

用于产生压差信号的压差式流量信号发生器，所述的压差式流量信号发生器上带有两个测压点；

两组测压组件，每组测压组件包含一个测压筒，每个测压筒下部设有进水口、顶部设有连通定位管，与所述连通定位管连接的测压管；两组测压组件分别通过各自的测压筒下部进水口与所述压差式流量信号发生器的两个测压点相连；

与两组测压组件中的两个测压筒连接，用于检测所述两个测压筒内压缩空气压强差的压力传感器；

与所述压力传感器连接，用于将所述压力传感器检测到的压强信号转换成流量的微电脑数显表头；

用于安装两组测压组件中两个测压管的固定支架；

用于统一标定所述两个测压管内液位的刻度标尺，所述刻度标尺的零刻度与所述两个测压筒中的连通定位管的底面同水平面。

2.根据权利要求1所述的实验教学用带测压管显示的数显流量计，其特征在于，还包括：两个电控通气阀，每个电控通气阀至少包括三路，每个电控通气阀的一路与一个测压筒内压缩空气连通，每个电控通气阀的另一路与所述压力传感器连接，每个电控通气阀还有一路与大气导通。

3.根据权利要求2所述的实验教学用带测压管显示的数显流量计，其特征在于，还包括：与所述测压管的顶部开口连通的气泵。

4.根据权利要求3所述的实验教学用带测压管显示的数显流量计，其特征在于，所述的气泵通过分流器与两个测压管的顶部开口连通，所述的分流器与测压管之间连接有阻尼元件，所述的分流器上密封连接有排气电控通气阀；

所述的阻尼元件为密封件，该密封件设有用于所述分流器与所述测压管通气的通气孔。

5.根据权利要求4所述的实验教学用带测压管显示的数显流量计，其特征在于，所述的气泵的排气嘴与所述分流器密封连接。

6.根据权利要求1所述的实验教学用带测压管显示的数显流量计，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，所述的刻度标尺为安装在所述滑块上的直尺。

7.根据权利要求6所述的实验教学用带测压管显示的数显流量计，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。

8.根据权利要求1所述的实验教学用带测压管显示的数显流量计，其特征在于，所述的测压筒的进水口位于所述测压筒的侧壁底部。

9.一种实验测量方法，其特征在于，采用权利要求4所述的实验教学用带测压管显示的数显流量计，并包括以下步骤：

(1)压差式流量信号发生器内液体满管流动，液体从压差式流量信号的两个测压点进入到测压筒和测压管，停止液体流动使压差式流量信号发生器内液体满管流的流量为零；

(2)启动气泵和关闭排气电控通气阀，对两根测压管同时排气复位操作，使得两个测压筒内液气交界面都脱离筒内的连通定位管的底面，关闭气泵和打开排气电控通气阀的气路，使得测压管内水位回升稳定，观察两根测压管内水柱是否同高度，观察测压管内及与测压筒连通的软管内是否还有气泡附着，如果高度不一致或/和有气泡附着，则重复步骤(2)，如果高度一致且没有气泡附着，则进入步骤(3)；

(3)通过补偿电路对压力传感器初始调零，将压力传感器的两个测量接口同时通大气，实现实时调零；

(4)调零完成后，开始实验，使压差式流量信号发生器内液体流动，根据实验需要调节流量，待每次流量调节稳定后，重复步骤(2)的排气复位操作，消除掉测压筒内上部空气压缩变化带来的误差后，即可一边通过两根测压管同步测量压差式流量信号发生器的二端压强，又可通过微电脑表头巡回测量压差式流量信号发生器的二端压强和流量数据。

10.根据权利要求9所述的实验测量方法，其特征在于，还包括步骤(5)：控制两个电控通气阀都不通大气时，微电脑表头将显示压力传感器输出压差信号转换的流量数值；控制两个电控通气阀其中一个通大气另一个不通大气时，微电脑表头将显示压差式流量信号发生器上与两个电控通气阀中不通大气那一个连接的那一端的压强值。