CN104882048B - 一种具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，包括：侧壁带出流口的恒压供水箱，该出流口为管嘴；与恒压供水箱的出流口连接的集水箱；用于测量恒压供水箱的出流口射流动量力的动量管，固定在集水箱中；设置在恒压供水箱内稳水工作区的液气转换测压筒，液气转换测压筒的顶部设有连通定位管，并位于出流口的中轴水平面上；压差传感器；用于将压差传感器检测到的压强信号转换成流量的微电脑数显表；自循环供水器。本发明实验仪能自动复位、消除空气压缩的误差及实时调零，精度高，可以方便的数字化精确测量流体力学动量定律实验仪的射流流量和射流动量力2个基本物理量，并具有很好的教学效果。

Description

一种具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪

技术领域

本发明涉及技术实验量测领域，具体涉及一种具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪。

背景技术

动量定律是流体力学、水力学的基本理论之一，其动量方程是理论力学中的动量定律在流体力学、水力学中数学表达式。它反映了流体运动的动量变化与作用力之间的关系，其特点在于不必知道流动范围内部的流动过程，而只需要知道其边界上的流动情况即可，因而它可用来方便解决急变流中流体与边界面之间的相互作用力问题。因此，动量定律的实验是教学环节中不可缺少的内容。

其中专利号为ZL 89109218.8的活塞式动量定律实验仪自发明以来已被国内几百所院校采用。该实验仪以作用于活塞上的水压力来抗衡恒压供水箱管嘴射流对平板冲击所产生的动量力，将动量力的测量转换为流体内点压强的测量，既可验证动量定律，又能测定射流的动量修正系数，是传统配重法动量教学实验的换代仪器。

在这个动量实验仪器教学中，2个实验参数——管嘴射流的流量和将射流动量力转换为流体内点压强的测压管水柱都需要用手动测量方式完成。

传统测定管嘴射流流量时，需要在恒压水头下，用重量法(即通过秒表计时，在管嘴射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管嘴的出流流量。

将射流动量力的测量转换为流体内点压强的测量则需要通过带活塞套的测压管人眼观测标尺，读取其测压管水柱压强值。

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。而对于动量定律实验这类革命性的实验仪器很有必要实现全面的数字化量测，并推广到将来的面向MOOC的网络远程实验中，推向全世界。但是，第一步要解决的是如何实现上述2大实验参数：流量及测压管水柱(与测压管标尺同参考零点)的数字化实时量测问题。同时，作为实验教学仪器应该保留原来传统的现场手测功能，并应用流体力学基本原理来解决动量实验仪中上述2个实验参数的高精度测量问题的话，会更具教学效果。

遍历市场，针对上述动量实验仪管嘴射流的小流量高精度数字化测量和能与受到射流冲击的测压管水柱同标尺数据显示测压计都没有现成的，只能自己开发。而在开发过程中，还发现一系列零点实时校准和误差消除等问题。比如实时校验零点，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，对于管流和水箱出流的流量计而言，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，水箱初始水位为零的时候才能进行。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。

发明内容

本发明提供了一种具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，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中管嘴的射流流量，方便的数字化精确量测与射流动量力平衡的动量管水头、方便的实时调零、系统复位等全实验过程的电测控制和量测，并具有很好的教学效果。

一种具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，其特征在于，包括：

侧壁带出流口的恒压供水箱，该出流口为管嘴，所述的恒压供水箱中设有将恒压供水箱隔成进水工作区和溢流区的溢流隔板，所述的恒压供水箱中设有将进水工作区隔成进水区和稳水工作区的稳水孔板；

与所述恒压供水箱的出流口连接的集水箱；

用于测量所述恒压供水箱的出流口射流动量力的动量管，固定在所述集水箱中；

设置在所述恒压供水箱内稳水工作区的液气转换测压筒，所述液气转换测压筒的底部与所述恒压供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，所述的连通定位管的底面为水平面，并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压差传感器；

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

自循环供水器，所述的恒压供水箱中进水区的底部设有进水口，所述的恒压供水箱中溢流区设有出水口，所述的恒压供水箱的进水口和出水口与所述自循环供水器相连。

本发明针对动量实验仪管嘴射流的小流量高精度数字化测量设计如下，因为动量实验仪恒压供水水箱的管嘴射流流量，对于一台已经加工好的水箱管嘴射流只与作用于该管嘴中轴平面的水头压强相关，其他都是固定常数值(即放大系数)，而对不同的动量实验仪恒压供水水箱的管嘴，由于每台管嘴的形状、大小、材料都一样，只是存在加工精度误差，到时候根据每台的实验实测数据标定调整一下放大系数即可。而因为是流体力学实验教学仪器，特别考虑用流体力学原理来设计前端的高精度测压装置。

恒压供水箱通过水泵充水时，进水区水位会有较大波动的摆动上升，此时通过稳水孔板稳水后进入稳水工作区的水位就会相对稳定许多。为了测量作用于恒压供水箱出流口中轴平面的水头压强，在稳水工作区设计安装了一个液气转换测压筒，恒压供水箱进水通过一级稳水孔板稳水后，再经液气转换测压筒底部一个或多个小进水口的稳流过滤进水，这样二级稳水后，使液气转换测压筒内部水位上升更平稳，液气转换测压筒内部空气会向上通过连通定位管跑掉，随着外部恒压供水箱中水位升高并高于液气转换测压筒，对应测压筒内水位平稳上升等高触碰到顶部的连通定位管底平面时，液气转换测压筒上部会封闭一段空气柱无法排出，此时液气转换测压筒内部水位不再升高，液气转换测压筒内水会从其顶部的连通定位管内流出与恒压供水箱水体连通。不过由于空气具有可压缩性，但计算可得液气转换测压筒中空气压缩带来的水头高度相对误差有限(<0.5％)，这样，可以认为液气转换测压筒内封闭的压缩空气压力即为水箱中水体相对于管嘴出流口中轴水平面的作用水头。

恒压供水箱中稳定水位时，通过电测仪测得基于管嘴的作用出流口水头压力后，再用重量法，测得管嘴的出流流量，可形成一组标定数据。

根据管嘴的物理规律和出流流量公式：

其中，Q_v为管嘴出流流量，A为管嘴面积，H₀为作用于管嘴的中轴水平面的水头高度，μ为与管嘴收缩断面等相关的系数(针对相同品种实验仪器的管嘴虽然设计的管嘴形状大小一致，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，将该流量公式方程的非线性换算写入电测仪的微电脑中，即可实时通过测量作用于管嘴的作用水头压力，经过内部换算，在微电脑自带的LED表头显示出管嘴的实时流量。

所述的集水箱设有回水出口，所述的自循环供水器设有回水进口，所述的回水出口和回水进口通过漏斗和回水管形成回路。

所述的压差传感器中的一测量口通大气，所述的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，该导管上连接有与大气相通的电控调零气阀；

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。

所述的电控调零气阀至少有并联的两路气路，一路气路的两端分别与所述压差传感器的测量口和所述液气转换测压筒连通，另一路气路的两端分别与所述压差传感器的测量口和大气连通。电控调零气阀具体可采用电控三通气阀。通过电控调零气阀控制，可将压差传感器中的另一测量口也通大气，这时，压差传感器2个测量口同时通大气，此时即可对压差传感器输出的压差信号进行实时调零。这一功能为流量测量装置提供了一个实时调零的作用，避免了量测过程中需要检测零点时传统仪器必须全关流速或流量阀门才能进行校验的麻烦，这种实时检测功能尤其在教学实验中是很有必要的。

所述的液气转换测压筒连接有加气复位装置，所述的加气复位装置包括：气泵和测压筒电控加气气阀，所述气泵的排气嘴通过测压筒电控加气气阀与所述液气转换测压筒内压缩空气密封连接。当气泵开启，测压筒电控加气气阀打开，气泵启动并向液气转换测压筒注气，液气转换测压筒内液位下降。断电后，液气转换测压筒内液位自动恢复到连通定位管的定位位置。必须设置该复位装置的原因有二，一是在实际试用中发现液气转换测压筒顶部的气体有时会因接管或者传感器气路系统的微漏气引起液面上升，造成测量误差，这种情况会在实验超时下偶然发生。如果没有这一复位装置，实验者必须停机关水使恒压供水箱和液气转换测压筒内液位都降低到定位线以下，才能重新实验。二是当恒压供水箱的液位较高时，如测压筒初始密封空气柱高度3cm，测量1米水头时，会使液气转换测压筒内液位产生0.3cm左右的偏高，产生小于0.5％的零点误差，此时通过加气复位装置对液气转换测压筒加气复位，即通过气泵向液气转换测压筒压入空气，使液气转换测压筒内液面下降脱离连通定位管后，再断开气泵，关闭连通气泵的管路，筒内多余压缩空气会通过连通定位管向上排掉，精确的保持筒内液气交界面与连通定位管底面同水平面，与管嘴中轴线同水平面。如此加气复位后即可消除前述空气压缩带来的筒内液位升高误差，大大提高整个测量装置的精度。

所述的集水箱内固定有射流测压筒，所述的射流测压筒通过管路与所述动量管连通，所述射流测压筒的底面低于恒压供水箱出流口的中轴水平面；

所述的射流测压筒的顶部密封连通有一根直管式测压管，该直管式测压管底部的进水管插入所述射流测压筒内，该直管式测压管底部的进水管底面为水平面，与所述恒压供水箱出流口的中轴水平面同平面。

所述的导管上还连接有测压选择电控气阀，所述测压选择电控气阀至少包括并联的两路气路，一路气路的两端分别与所述电控调零气阀和所述液气转换测压筒连通，另一路气路的两端分别与所述电控调零气阀和所述射流测压筒内压缩空气连通。

所述的直管式测压管顶部封闭并开有通气孔，该通气孔通过测压管电控加气气阀与所述排气泵的排气嘴密封连通；

所述的测压管电控加气气阀至少有并联的两路气路，一路气路的两端分别与所述直管式测压管的通气孔和所述排气泵的排气嘴连通，另一路气路的两端分别与所述直管式测压管的通气孔和大气连通。

所述的稳水孔板高于所述溢流隔板，所述的稳水孔板低于溢流隔板高度的部分开有多排稳水孔；

所述的溢流隔板上设有溢流孔，该溢流孔内塞有塞子。

所述的恒压供水箱的出流口为喇叭形管嘴。

动量管的具体结构可采用申请号为89109218.8的中国发明专利，动量管是由一面装有叶片和导流板另一面固定有活塞的冲击平板、活塞套、导流管、泄水窄槽、测压管及标尺组合而成。作为优选，所述的动量管内设有阻尼孔板。

本发明设计了与带活塞套的测压管相连的带标尺零点定位的测压筒管，并且与该测压管连接方式也比较特别，通常测量带活塞套的测压管中水头时，射流测压筒进水口会与其底部相连，但是由于带活塞套的测压管下部因为射流的冲击，压力会不太稳定，因此将测压连通孔设计在了带活塞套的测压管中下部阻尼孔板的上面，测压管内射流进水通过阻尼孔板稳压后，上部压力会非常稳定，再连接射流测压筒，通过液气转换测压，数据精度高也不易有波动变化了。

各水箱、射流测压筒、测压管均用透明有机玻璃材质，连接软管也均为透明PVC材质，便于学生观察实验现象，教学展示性好。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

巧妙的利用管嘴的作用水头转换配合现代量测技术，实现了动量实验中管嘴射流的实时流量检测，再通过与带活塞套的测压管以特殊方式相连的带标尺零点定位的射流测压筒管，配合气路切换阀门实现了带活塞套的测压管中水柱高度的同步数字化巡回测量，为动量实验仪器实现测量数据的网络远程传递、网上远程实验打下了基础。

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水头下的常规压差传感器在低压水头压力下的液体压力检测精度。

设在稳水工作区的测压筒，通过其顶部的连通定位管可自动确定相对于恒压供水箱管嘴作用水头的基准高程，即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、大孔径连通定位通气管原理、液气转换的静水压力传递理论、管嘴流量计算原理等，特别适合教学实验仪器的创新教学。

创新应用流体力学原理，设计了与带活塞套的测压管以特殊方式相连的带标尺零点定位的测压筒管，可稳定的测量带活塞套的测压管中射流的等水头压强。并且，通过使测压筒顶部的联通定位管底面与带活塞套的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带活塞套的测压管标尺零点等零位，解决了活塞式动量定律实验仪中带活塞套的测压管水头高度，同参考零点、同步数字化电测显示的难题。学生从中可以学习到很多流体力学知识，开拓创新思维，教学效果好。

巧妙的应用电控微型气阀设计了双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两个液气转换测压管内的气压的巡回测量，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。

通过分别向2个测压筒(液气转换测压筒和射流测压筒)主动的加气复位，能巧妙地消除2个测压筒内空气压缩带来的测压筒内液位升高的误差，提高最终实验流量和射流动量力的测量精度。其次，对液气转换测压筒加气复位功能，还可有效避免在实际使用中，由于长时间实验下，液气转换测压筒顶部因接管或者压差传感器连接气路系统的微漏气引起液面上升造成的测量误差，无需停机关水重新实验。

实时调零功能为本发明流量和射流动量力的测量装置提供一个实时调零校准的作用，避免了量测过程中需要检测零点校准时，传统动量实验仪器必须关泵才能进行校验的麻烦，这种实时检测功能尤其在教学实验中是很有必要的。

附图说明

图1为本发明具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪的基本结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，包括：侧壁带出流口7的恒压供水箱6，该出流口7为管嘴，恒压供水箱6中设有将恒压供水箱6隔成进水工作区和溢流区的溢流隔板15，恒压供水箱6中设有将进水工作区隔成进水区和稳水工作区的稳水孔板22；与恒压供水箱6的出流口7连接的集水箱38；用于测量恒压供水箱6的出流口7射流动量力的动量管，固定在集水箱38中；设置在恒压供水箱6内稳水工作区的液气转换测压筒2，液气转换测压筒2的底部与恒压供水箱6的内部空间连通，液气转换测压筒2的顶部设有连通定位管5，连通定位管5的底面为水平面，并位于出流口7的中轴水平面3上；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压差传感器10；与压差传感器10连接，用于将压差传感器10检测到的压强信号转换成流量的微电脑数显表13；自循环供水器14，恒压供水箱6中进水区的底部设有进水口16，恒压供水箱6中溢流区设有出水口17，恒压供水箱6的进水口16和出水口17与自循环供水器44相连。

集水箱38设有回水出口并连接有上回水管41，自循环供水器44设有回水进口并连接有下回水管42，下回水管42连接有漏斗43，漏斗43承接来自上回水管41的出水，回水出口和回水进口通过漏斗43和回水管形成回路。

压差传感器10中的一测量口11通大气，压差传感器10中的另一测量口12通过导管与液气转换测压筒2密封连接，该导管上连接有与大气相通的电控调零气阀26。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。

电控调零气阀26至少有并联的两路气路，一路气路的两端分别与压差传感器10的测量口12和液气转换测压筒2连通，另一路气路的两端分别与压差传感器10的测量口12和大气连通。

液气转换测压筒2连接有加气复位装置，加气复位装置包括：气泵25和测压筒电控加气气阀23，气泵25的排气嘴通过测压筒电控加气气阀23与液气转换测压筒2内压缩空气密封连接。

集水箱38内固定有射流测压筒34，射流测压筒34通过管路与动量管连通，射流测压筒34的底面低于恒压供水箱6出流口7的中轴水平面3。射流测压筒34的顶部密封连通有一根直管式测压管37，该直管式测压管37底部的进水管35插入射流测压筒34内，该直管式测压管37底部的进水管35底面为水平面，与恒压供水箱6出流口7的中轴水平面3同平面。

导管上还连接有测压选择电控气阀28，测压选择电控气阀28至少包括并联的两路气路，一路气路的两端分别与电控调零气阀26和液气转换测压筒2连通，另一路气路的两端分别与电控调零气阀26和射流测压筒34内压缩空气连通。

直管式测压管37顶部封闭并开有通气孔，该通气孔通过测压管电控加气气阀27与排气泵25的排气嘴密封连通。

测压管电控加气气阀27至少有并联的两路气路，一路气路的两端分别与直管式测压管37的通气孔和排气泵25的排气嘴连通，另一路气路的两端分别与直管式测压管37的通气孔和大气连通。

动量管内设有阻尼孔板36。

稳水孔板22高于溢流隔板15，稳水孔板22低于溢流隔板15高度的部分开有多排稳水孔。溢流隔板15上设有两个不同高度的溢流孔，该溢流孔内塞有塞子18和塞子19。

基于专利号为ZL 89109218.8的活塞式动量定律实验仪的结构，动量管的具体结构可采用申请号为89109218.8的中国发明专利，动量管是由一面装有叶片和导流板另一面固定有活塞的冲击平板、活塞套、导流管、泄水窄槽、测压管32及标尺组合而成。

该实验仪具有一个带管嘴出流口7的恒压供水箱6，通常放在实验桌面上，出流口7为喇叭形进口管嘴，可形成射流出流，恒压供水箱6侧壁外设有集水箱38，集水箱38中固定有一个带活塞套的测压管32，其活塞套侧壁设有泄水窄槽，测压管32的活塞套滑动连接有一个带翼片冲击平板的活塞30，且该活塞30中间有导流管，可以让部分冲击的射流通过导流管流入带活塞套的测压管32中，测压管32的活塞套中轴、活塞30的活塞圆心中轴与恒压供水箱6侧壁的出流口7的中轴在同一中轴线3上，且测压管32上的标尺零点设在中轴线3的水平面上。

恒压供水箱6中设有一块低于水箱高度的溢流隔板15，固定在恒压供水箱6的底面，将水箱内部密封隔离成进水工作区和溢流区两部分，恒压供水箱6进水后液位高于溢流隔板15即溢流而出，恒压供水箱6侧壁的管嘴射流出流口7也设置在进水工作区中，为了让出流口7的管嘴射流稳定，在进水工作区设置有一块将该区再隔成进水区和稳水工作区两部分的稳水孔板22，稳水孔板22高于溢流隔板15，稳水孔板22低于溢流隔板15高度的部分开有多排稳水孔。恒压供水箱6的进水工作区底部设有进水口16，通过进水管与其下的自循环供水器44相连。自循环供水器44由水箱和供水水泵组成。恒压供水箱6的溢流区设有出水口17，并通过出水管与其下的自循环供水器44相连，出水口17设置在溢流区的底部，方便排空水至自循环供水器44的水箱中。

恒压供水箱6，为了测量不同组实验数据，获得多个溢流恒定水位，这类恒压供水箱在溢流隔板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。

活塞式动量实验仪的集水箱38下部设有回水出口与上回水管41相连，上回水管41出口正对漏斗43，漏斗43通过下回水管42与自循环供水器44相连；恒压供水箱6的出流口7的管嘴射流会流入集水箱38，经上回水管41、漏斗43和下回水管42回到自循环供水器44，再通过其内水泵打入恒压供水箱6，形成自循环实验管路。

手动对活塞式动量实验仪流量测量时，只能通过重量体积法测量上回水管41出口的流量来对应测量恒压供水箱6的出流口7的管嘴射流流量，存在着实时性差的问题，要待系统完全平衡稳定后，实验数据才准确。另外，活塞式动量实验仪中，测压管32的活塞套内旋转滑移的带翼片冲击平板的活塞30与射流动量力存在着自动反馈控制的平衡设计，活塞30受管嘴出流口7的射流冲击带翼片冲击平板后，会在测压管32的活塞套内旋转滑动，并部分堵住活塞套侧壁的泄水窄槽，射流动量力大于活塞30所受的测压管32内水柱静水总压力，则推动活塞30旋转向右深入测压管32的活塞套内，泄水窄槽泄流孔变小，泄流量减小，测压管32内水柱升高，射流动量力小于活塞30所受的测压管32内水柱静水总压力时，活塞30向左往水箱出流口7方向运动，泄水窄槽泄流孔变大，泄流量增大，测压管32内水柱下降。最终这样的自动反馈控制平衡后，对应的射流动量力会转换为活塞30所受的静水总压力＝带活塞套的测压管32的测压管水头(压强值)×活塞受力截面积，即用带活塞套的测压管32上固定的标尺，手工人眼测量其测压管水头高度后，转换就可得到该射流动量力。

由上，为了实时性的数字化测量出流口7的管嘴射流流量，在原实验仪基础上增加设计了如下测量结构：在恒压供水箱6内的稳水工作区远离出流口7地方设置有一个液气转换测压筒2，液气转换测压筒2的底部与恒压供水箱6的底面固定，或侧面与恒压供水箱6侧面固定，液气转换测压筒2的底部设有连通口1(侧壁底部一圈可多开几个小连通口，起到过滤稳流进水作用，保证筒内液位水平更稳定上升)，用于与恒压供水箱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3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压差传感器10(相对压力传感器)；与压差传感器10连接的传统调零电路、满度放大电路及最终能将压差传感器10检测到的压差放大信号转换为出流口实时流量的微电脑数显表13，这几部分也组成了电测仪14。压差传感器10中的一测量接口11通大气，压差传感器10中的另一测量接口12与液气转换测压筒2密封连接。此类测量流体压力的压差传感器10的2个测量接口均为空心压力传导管，其中的测量接口12通过导管(空心压力传导管12、空心软管46、空心软管45、空心软管9和通气管4依次密封串联连接的管路)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的一端端面最低点位于连通定位管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，导管可以通过顶面也可以通过上部侧面与液气转换测压筒2上部被封闭的空气柱相通，从而能传导筒内经液气传压后的压缩空气柱压强到压差传感器10中。

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，经稳压孔板22稳流和液气转换测压筒2底部连通口1同步稳流过滤进水，可使液气转换测压筒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连通定位管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连通定位管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，此时液气转换测压筒2内部水位不再升高，液气转换测压筒2内水会从其顶部的连通定位管5内流出与实验水箱6水体连通。因此压差传感器10通过气路连通的导管，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。而因为液气转换测压筒2中的液气交界面与恒压供水箱6的出流口7的中轴水平面3为等平面，所以该相对压强即等于恒压供水箱6中恒定水头作用于出流口7的中轴水平面3的作用水头H₀。压差传感器10测得H₀的压差信号送入微电脑数显表13中，经微电脑内部按标定公式换算好后，微电脑数显表13的LED屏上就能显示出流口7的管嘴射流流量数值。

电测仪14一般紧靠动量实验仪放置在实验桌面上，电测仪14包含测量流体压差的压差传感器10、传统调零电路、满度放大电路和可编程存储的微电脑数显表头13，压差传感器10测得的压力信号经传统调零电路、满度放大电路输入到微电脑中，经其内部A/D转换，并通过微电脑内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管嘴类流量测量装置在实验水箱的某个溢流稳定水头下，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，并存储于微电脑数显表头13中，这样微电脑数显表头13根据实时测得的作用水头H₀，即可实时测量数显动量实验仪器出流口7的管嘴射流流量数值。

电测仪14中配置的此类流体压差传感器电测系统，实际压差信号输入为零时，传感器输出电压信号通常不为零，会输出一微小正值，传统应用该类压差传感器组成的电测系统，通常需要在每次测量前通过传统调零电路中的可调电位器手工调零，实际实验时测量数据才准确，实验初始时若忘记调零，则实验等于白做需重新初始化调零后再开始。为方便学生实验，本实验仪器巧妙应用了气路传压变化非常迅速的特点，使用电控微型气阀创新设计了实验全程系统随时可调零校准的测量辅助系统。

在导管(空心压力传导管12、空心软管46、空心软管45、空心软管9和通气管4)的空心软管45与空心软管46之间串联有与大气相通的电控调零气阀26。电控调零气阀26具体可采用电控三通气阀(或并联的2个电控2通气阀)。通过控制电控三通气阀26的气路切换，即可实现实时调零功能。电控三通气阀26第一接口通过空心软管45和空心软管9与液气转换测压筒2密封连接，电控三通气阀26第二接口与压差传感器10的空心压力传导管12相连，电控三通气阀26第三接口与大气相通。实际工作时，电控三通气阀26未通电状态下，电控三通气阀26第一接口与第二接口相通，压差传感器10正常测量实验压差信号；需要实时调零时，电控三通气阀26通电，切换气路，第二接口与第三接口相通。压差传感器10的两个测量口同时通大气，此时即可对压差传感器10输出的压差信号进行实时调零。这一结构提供流量测量装置一个实时调零的作用，避免了量测过程中需要检测零点时传统仪器必须全关流速或流量阀门才能进行校验的麻烦，这种实时检测功能尤其在教学实验中是很有必要的。

液气转换测压筒2还连接有加气复位装置，加气复位装置包括：气泵25，气泵25的排气嘴通过连接管24与液气转换测压筒2内压缩空气密封连接，或优选的通过一个三通直接与空心软管9密封连接，并最终通过液气转换测压筒2上的通气管4与筒内压缩空气密封连通)。因为一般此类微型气泵断电时气路不会完全密闭切断，所以在气泵25与液气转换测压筒2之间的通路(即连接管24)上须设一个可密闭切断气路的测压筒电控加气气阀23。测压筒电控加气气阀23具体可采用电控二通气阀。气泵25依次与测压筒电控加气气阀23及液气转换测压筒2上部，用连接管24和空心软管9相连通。当气泵25和测压筒电控加气气阀23用一个复位按通按钮给与供电时，测压筒电控加气气阀23导通，气泵25启动并向液气转换测压筒2注气，液气转换测压筒2内液位下降。断电后，液气转换测压筒2内液位自动恢复到连通定位管5的定位位置。

必须设置该加气复位装置的原因有二，一是在实际试用中发现液气转换测压筒2顶部的气体有时会因接管或者传感器气路系统的微漏气引起液面上升，造成测量误差，这种情况会在实验超时下偶然发生。如果没有这一加气复位装置，实验者必须停机关水使恒压供水箱6和液气转换测压筒2内液位都降低到连通定位管5的底面定位水平面以下，才能重新实验。二是当恒压供水箱6液位8较高时，会使液气转换测压筒2内液位产生0.5mm左右的偏高，产生小于0.5％的零点误差，此时通过加气复位装置对液气转换测压筒2加气复位，即通过气泵25向液气转换测压筒2压入空气，使液气转换测压筒2内液面下降脱离连通定位管5后，再断开气泵，关闭连通气泵25的管路，筒内多余压缩空气会通过连通定位管5向上排掉，精确的保持筒内液气交界面与连通定位管5底面同水平面，与出流口7的管嘴中轴线同水平面。如此加气复位后即可消除前述空气压缩带来的筒内液位升高误差，大大提高整个测量装置的精度。

作为活塞式动量实验仪，为了实时的数字化测量带活塞套的测压管32中的测压管水头，又增加了如下结构设计：设计了与带活塞套的测压管32固定相连的液气转换型射流测压筒34，射流测压筒34约5～6cm高，底面低于管嘴出流口7的中轴水平面3，顶面高于水平面3，射流测压筒34下部(低于管嘴出流口7的中轴水平面3的下部侧壁或底部，优选底部)设有进水嘴33，射流测压筒34顶部密封连通有一根直管式测压管37，直管式测压管37底部进水管35插入射流测压筒34内，与射流测压筒34内空间相通，且测压管37底部的进水管35底面为水平面，与测压管32的活塞套圆心中轴水平面同平面，即与管嘴出流口7的中轴水平面3同平面、与测压管32上的标尺零点同水平面，为系统统一的高程定位零点。直管式测压管37高度与带活塞套的测压管32同高度或比之略低都可。射流测压筒34的上部(高于管嘴出流口7的中轴水平面3的侧壁或顶部，优选顶部)设有测压气嘴50。

但其中，射流测压筒34与带活塞套的测压管32的连接方式比较特别，通常测量带活塞套的测压管32中水头时，射流测压筒34进水嘴33会与带活塞套的测压管32底部通过空心通软管相连，但是由于带活塞套的测压管32下部因为有射流进流的冲击，压力会不太稳定，因此将测压连通孔31设计在了带活塞套的测压管32中下部新增的阻尼孔板36的上面0.5cm左右处(带活塞套的测压管32中与射流冲力平衡的最低水头都高于此高度)，该阻尼孔板36上设有连接带活塞套的测压管32内部上下空间的阻尼小孔，一方面可使与带活塞套的测压管32旋转滑动连接的冲击平板30，在射流动量力和带活塞套的测压管32水头作用力下，更快的取得自反馈控制平衡稳定，另一方面，带活塞套的测压管32内射流进水通过阻尼孔板36的稳压后，上部压力会非常稳定，再通过空心软管连接到射流测压筒34的进水嘴33，通过液气转换测压，数据精度高且不会有跳动。

实际工作时，带活塞套的测压管32中水会通过与连通孔31连接的空心软管，从进水嘴33进入射流测压筒34内，水位上升到直管式测压管37底部进水管35的底面定位水平面时，将会在入射流测压筒34上部封闭一段空气柱，射流测压筒34内水位不再上升，会通过直管式测压管37底部进水管35进入直管式测压管37中，最终形成稳定高度的水柱，而测压筒34上部封闭空气柱气压就等于带活塞套的测压管32中的水柱标尺高度水头压强+大气压强，测量该密闭空气柱相对大气压的压强即为测压管32中的水柱标尺高度水头压强。

由于本发明应用了液气转换传压技术，因此，进一步的，为了有效避免多个传感器易带来的叠加误差，方便传感器本身零点调整，本发明巧妙的利用气路传压变化非常迅速的特点，使用电控微型气阀设计了双气路择一的气路通断切换系统，实现了用一个压差传感器巡回测量两个液气转换测压管内的气压功能。具体设计如下：在压差传感器10中的测量口12与液气转换测压筒2密封连接的导管气路上增加一个测压选择电控气阀28(或2个并联的电控2通气阀)，使得与液气转换测压筒2密封连接的空心软管9和与射流测压筒34的测压气嘴50密封连接的空心软管39通过测压选择电控气阀28并联连接后，再依次与空心软管45、电控调零气阀26和空心软管46串联密封连接，并最终和压差传感器10的测量口12密封连通。

具体连接：测压选择电控气阀28的第一接口与空心软管39相连，第二接口与空心软管45相连，第三接口与空心软管9相连。巡回测量工作时，默认状态一，测压选择电控气阀28不通电，则测压选择电控气阀28的第一接口与第二接口内部气路导通，与第三接口都不导通，压差传感器10可测量射流测压筒34内的压缩空气相对大气压的压差。由于插入射流测压筒34内测压管37底部的进水管35底面与带活塞的测压管32的标尺零点同平面，因此，状态一时，将压差传感器10测量得到压差信号，传导到微电脑数显表头13，就能同步电测数显出测压管32的标尺高度作用水头值；状态二时，令测压选择电控气阀28通电，则测压选择电控气阀28的第三接口与第二接口内部气路导通，与第一接口不导通，则压差传感器10可测量液气转换测压筒2内的压缩空气相对大气压的压差，同样，因为液气转换测压筒2中的液气交界面与恒压供水箱6的出流口7的中轴水平面3为等平面，所以该相对压强即等于恒压供水箱6中恒定水头作用于出流口7的中轴水平面3的作用水头H₀，压差传感器10将测量的压差信号传导到微电脑数显表头13，通过存储在其内部的经过标定的非线性修正对应转换数据表，即可经内部换算，实时显示出流口7的射流流量。同时由上功能所述，微电脑数显表头13应该选用2路以上物理量数值显示的智能表头。

同样的，为了自动高精度电测的射流测压筒34中的液气传压的压缩气柱气压，设计了排气复位功辅助结构，并巧妙的利用同一个气泵25对直管式测压管37排气、射流测压筒34复位。结构如下：直管式测压管37顶部封闭，但在上部设有通气孔气嘴51，通过测压管电控加气气阀27与排气泵25的排气嘴密封连通；测压管电控加气气阀27为三通电控气阀(或2个并联的电控2通气阀)，它可提供两路并联气路通路电控选择：一路为直管式测压管37上部的通气孔气嘴51与排气泵25的排气嘴连接管路，即测压管电控加气气阀27的第二接口通过空心软管40与直管式测压管37上部的通气孔气嘴51密封连通，测压管电控加气气阀27的第一接口通过空心软管、三通与排气泵25的排气嘴密封连通；另一路为直管式测压管37上部的通气孔气嘴51与测压管电控加气气阀27的通大气口连接管路，即测压管电控加气气阀27的第二接口与其开口通大气的第三接口形成的这一气路。

不通电时，测压管电控加气气阀27的第二接口和第三接口内部气路导通，与第一接口不连通，即相当于直管式测压管37顶部通大气，直管式测压管37底部进水嘴33才能进水，正常测量带活塞套的测压管32内的水头高度。通电时，测压管电控加气气阀27的第二接口和第一接口内部气路导通，与第三接口不连通，选择该气路导通时，方便排气泵25对直管式测压管37和射流测压筒34排气，进行复位操作，以消除直管式测压管37内的附壁气泡和射流测压筒34内空气压缩带来误差；

必须设置该排气复位辅助装置的原因有三，一是传统使用直管式测压管37测量水头时，都需要用洗耳球(吹气球)在直管式测压管37上方开口对测压管打气排水，然后利用测点的水压力自流流入直管式测压管37内，使其连通细管中的气泡随水流带走，直至连通管和直管式测压管37中液面以下充满连续的液体，没有附壁气泡影响测量精度，在此用电控排气泵25来对直管式测压管37排气。二、是直管式测压管37水头较高时，会使射流测压筒34内液气交界面产生0.4mm左右的偏高，产生小于0.5％的零点误差，通过排气往射流测压筒34的上部密封气柱内压入有压压缩空气进行复位，能消除这一误差，提高实验精度。三、在实际试用中发现液气转换测压筒2顶部的气体有时会因接管或者传感器气路系统的微漏气引起液面上升，造成测量误差，这种情况会在实验超时下偶然发生。如果没有这一排气复位装置，实验者必须停机关水，使射流测压筒34内液位都降低到直管式测压管37底部的进水管35底面定位水平面以下，才能重新实验。

Claims (8)

1.一种具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，其特征在于，包括：

侧壁带出流口的恒压供水箱，该出流口为管嘴，所述的恒压供水箱中设有将恒压供水箱隔成进水工作区和溢流区的溢流隔板，所述的恒压供水箱中设有将进水工作区隔成进水区和稳水工作区的稳水孔板；

与所述恒压供水箱的出流口连接的集水箱；

用于测量所述恒压供水箱的出流口射流动量力的动量管，固定在所述集水箱中；

设置在所述恒压供水箱内稳水工作区的液气转换测压筒，所述液气转换测压筒的底部与所述恒压供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，所述的连通定位管的底面为水平面，并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压差传感器；

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

自循环供水器，所述的恒压供水箱中进水区的底部设有进水口，所述的恒压供水箱中溢流区设有出水口，所述的恒压供水箱的进水口和出水口与所述自循环供水器相连；

所述的压差传感器中的一测量口通大气，所述的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，该导管上连接有与大气相通的电控调零气阀；

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；

所述的电控调零气阀至少有并联的两路气路，一路气路的两端分别与所述压差传感器的测量口和所述液气转换测压筒连通，另一路气路的两端分别与所述压差传感器的测量口和大气连通。

2.根据权利要求1所述的具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，其特征在于，所述的集水箱设有回水出口，所述的自循环供水器设有回水进口，所述的回水出口和回水进口通过漏斗和回水管形成回路。

3.根据权利要求1所述的具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，其特征在于，所述的液气转换测压筒连接有加气复位装置，所述的加气复位装置包括：气泵和测压筒电控加气气阀，所述气泵的排气嘴通过测压筒电控加气气阀与所述液气转换测压筒内压缩空气密封连接。

4.根据权利要求3所述的具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，其特征在于，所述的集水箱内固定有射流测压筒，所述的射流测压筒通过管路与所述动量管连通，所述射流测压筒的底面低于恒压供水箱出流口的中轴水平面；

所述的射流测压筒的顶部密封连通有一根直管式测压管，该直管式测压管底部的进水管插入所述射流测压筒内，该直管式测压管底部的进水管底面为水平面，与所述恒压供水箱出流口的中轴水平面同平面。

5.根据权利要求4所述的具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，其特征在于，所述的导管上还连接有测压选择电控气阀，所述测压选择电控气阀至少包括并联的两路气路，一路气路的两端分别与所述电控调零气阀和所述液气转换测压筒连通，另一路气路的两端分别与所述电控调零气阀和所述射流测压筒内压缩空气连通。

6.根据权利要求4所述的具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，其特征在于，所述的直管式测压管顶部封闭并开有通气孔，该通气孔通过测压管电控加气气阀与所述排气泵的排气嘴密封连通；

所述的测压管电控加气气阀至少有并联的两路气路，一路气路的两端分别与所述直管式测压管的通气孔和所述排气泵的排气嘴连通，另一路气路的两端分别与所述直管式测压管的通气孔和大气连通。

7.根据权利要求1所述的具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，其特征在于，所述的动量管内设有阻尼孔板。

8.根据权利要求1所述的具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，其特征在于，所述的稳水孔板高于所述溢流隔板，所述的稳水孔板低于溢流隔板高度的部分开有多排稳水孔；

所述的溢流隔板上设有溢流孔，该溢流孔内塞有塞子。