CN105403260A - 流量测量装置和方法 - Google Patents

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    • G01F1/86—Indirect mass flowmeters, e.g. measuring volume flow and density, temperature or pressure

Abstract

一种流量测量装置和方法，该装置包括：出流管，用于引入待测水流；集水箱，用于采集出流管引入的水流；测量部件，用于测量集水箱的重量并传输所述重量；以及数据处理装置，用于接收所述重量并基于所述重量计算流量。该装置和方法具有测量数据精度高、使用流量范围广、数据时间分辨率高、数据波动小等优点，特别适合小流量连续径流测量。

Description

流量测量装置和方法
技术领域
本发明涉及流量测量领域，特别涉及一种流量测量装置和方法。
背景技术
洪涝灾害是我国主要的自然灾害之一，次洪模拟精度是对洪涝灾害进行准确的预警预防的关键问题，而对降雨入渗产流过程的认识是准确模拟水文过程的核心。水文实验是研究降雨入渗产流过程的重要手段，水文实验中流量观测的时间分辨率和精度等直接关系到水文实验的数据质量，并影响后续的分析与研究。
目前水文实验中的流量测量方法主要为三角堰法、体积法等。三角堰法只适用于流量变化较小时的流量观测，一种三角堰型号只适用于一定区间内的流量观测，且水位波动会造成流量数据波动较大。体积法分为用水位推求体积和直接用量筒测量体积，前者存在类似于三角堰测流的问题，水位波动难免引起流量波动，此外，对于小流量的观测误差远高于大流量；对于后者，量筒法测量体积推求流量受人为主观影响较大，且不能得到连续的流量变化过程，数据时间分辨率较低。
综上所述，传统的流量测量方法对小流量连续径流测量的精度较低、数据波动较大、时间分辨率较低，使得水文实验流量观测存在较大误差，难以获取准确的流量变化细节信息，限制了人们对降雨入渗产流过程的认识。
发明内容
本公开提供一种流量测量装置和方法，其能够实现高精度、高时间分辨率且简单可靠的流量测量，特别适合小流量连续径流测量。
本公开的一方面提供一种流量测量装置，包括：
出流管，用于引入待测水流；
集水箱，用于采集所述出流管引入的水流；
测量部件，用于测量所述集水箱的重量并传输所述重量；以及
数据处理装置，用于接收所述重量并基于所述重量计算流量。
优选地，所述数据处理装置根据以下公式计算流量：
Qi＝(Mi-Mi-1)/ρΔt
其中，Qi为i时刻的流量，Mi为i时刻所述测量部件测得的重量，Mi-1为i-1时刻所述测量部件测得的重量，ρ为所述待测水流的密度，Δt为数据时间步长。
优选地，所述测量部件是电子称。
优选地，所述测量部件通过数据线与所述数据处理装置连接。
优选地，所述数据处理装置是服务器、个人电脑、笔记本电脑的至少其中之一。
优选地，所述流量测量装置还包括出水口，所述待测水流通过出水口进入所述出流管。
优选地，所述待测水流是连续径流。
本公开的另一方面提供一种流量测量方法，包括以下步骤：
引入待测水流；
采集所述出流管引入的水流；
测量所述集水箱的重量并传输所述重量；以及
接收所述重量并基于所述重量计算流量。
优选地，根据以下公式计算流量：
Qi＝(Mi-Mi-1)/ρΔt
其中，Qi为i时刻的流量，Mi为i时刻所述测量部件测得的重量，Mi-1为i-1时刻所述测量部件测得的重量，ρ为所述待测水流的密度，Δt为数据时间步长。
优选地，所述流量测量方法还包括以下步骤：
所述重量通过数据线从所述测量部件传输至所述数据处理装置。
本公开基于称重的方法，通过称量各个时刻净流量的累计重量，并转换为体积，进而得到各个时刻的流量。与现有技术相比，本公开的有益效果是：①数据精度高，例如可采用电子称作为测量部件，目前大量程电子称的精度为1g，小量程电子称的精度为0.01g，如果每秒钟测量一次重量，测量的流量精度分别为1ml/s和0.01ml/s，均满足一般水文实验的需求；②适用流量范围广，基本适用于任何流量的观测，仅需根据累计流量大小灵活调整测量部件的量程和集水箱的容积即可；③数据时间分辨率高，可以每秒测量一次流量数据；④数据波动小，用称重法测流很好的避免了水位波动对流量数据的影响，获得的流量数据较为平稳。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1显示根据示例性实施例的流量测量装置的示意图；
图2显示根据示例性实施例的流量测量方法的流程图；
图3显示在人工降雨入渗实验中应用根据示例性实施例的流量测量方法获得的流量过程线。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据示例性实施例的流量测量装置包括：
出流管，用于引入待测水流；
集水箱，用于采集出流管引入的水流；
测量部件，用于测量集水箱的重量并传输所述重量；以及
数据处理装置，用于接收所述重量并基于所述重量计算流量。
出流管引入待测水流，集水箱采集出流管引入的待测水流；测量部件按照预设的时间周期测量集水箱的重量，并将该重量传输出去；数据处理装置接收该重量，并基于该重量计算各个时刻待测水流的流量。在实际应用时，待测水流通过集水出流装置进行收集，可以估计待测流量，选择相应量程的测量部件以及容积与之匹配的集水箱。集水箱的尺寸应满足测量空间以及待测流量的要求。
作为优选方案，数据处理装置通过相邻两个时刻的累计重量的差值除以待测水流的密度计算得到各个时刻的流量，计算公式如下：
Qi＝(Mi-Mi-1)/ρΔt
其中，Qi为i时刻的流量，Mi为i时刻所述测量部件测得的重量，Mi-1为i-1时刻所述测量部件测得的重量，ρ为待测水流的密度，Δt为数据时间步长。优选地，Qi的单位是ml/s，Mi和Mi-1的单位是g，ρ的单位是g/cm3，Δt的单位是s。
作为优选方案，测量部件是电子称。目前大量程电子称的精度为1g，小量程电子称的精度为0.01g，如果每秒钟测量一次重量，测量的流量精度分别为1ml/s和0.01ml/s，均能满足一般水文实验的需求。
作为优选方案，测量部件通过数据线与数据处理装置连接，测量部件测量的数据通过数据线传输到数据处理装置，这时测量部件需具备串行接口。或者，测量部件可通过无线方式(例如蓝牙或射频方式)与数据处理装置进行通信，这时测量部件包括相应的通信芯片，例如蓝牙芯片或射频芯片。
作为优选方案，数据处理装置是服务器、个人电脑、笔记本电脑的至少其中之一。
作为优选方案，根据示例性实施例的流量测量装置还包括出水口，待测水流通过出水口进入出流管，再进入集水箱。
作为优选方案，待测水流是连续径流。由于具有精度高、适用流量范围广、数据时间分辨率高、数据波动小等优点，根据示例性实施例的流量测量装置特别适合小流量连续水流的测量。
图2显示根据示例性实施例的流量测量方法的流程图，根据示例性的流量测量方法包括以下步骤：
引入待测水流；
采集出流管引入的水流；
测量集水箱的重量并传输所述重量；以及
接收所述重量并基于所述重量计算流量。
作为优选方案，通过相邻两个时刻的累计重量的差值除以待测水流的密度计算得到各个时刻的流量，计算公式如下：
Qi＝(Mi-Mi-1)/ρΔt
其中，Qi为i时刻的流量，Mi为i时刻所述测量部件测得的重量，Mi-1为i-1时刻所述测量部件测得的重量，ρ为待测水流的密度，Δt为数据时间步长。优选地，Qi的单位是ml/s，Mi和Mi-1的单位是g，ρ的单位是g/cm3，Δt的单位是s。
在应用根据示例性实施例的流量测量方法进行测流时，需要注意以下两点：
①该方法的主要原理是获取重量数据，并将其转换为流体体积得到流量数据，因此获取待测水流的密度是得到准确流量数据的前提。在应用于水文实验径流测量时，径流中杂质(污染物、泥沙等)的含量较少，对密度的影响可以忽略，因此径流的密度等于水的密度(1cm3/s)。特殊情况下(研究污染物运移、土壤侵蚀等)的水文实验中，待测水流的密度不等于水的密度，因此需要预先进行密度标定的工作，之后再使用该方法测流。
②流入集水箱中的水流的动能对测量部件的称重结果存在影响，但对于连续水流来说，这一影响较为恒定，因此在相邻时刻累计重量的差值时抵消掉了动能对最终流量数据的影响。
作为优选方案，该方法还包括以下步骤：所述重量通过数据线从所述测量部件传输至所述数据处理装置。
根据示例性实施例的流量测量装置和方法通过称量各个时刻净流量的累计重量，并转换为体积，进而得到各个时刻的流量。与现有技术相比，本公开的有益效果是：
①数据精度高。例如采用电子称作为测量部件，目前大量程电子称的精度为1g，小量程电子称的精度为0.01g，如果每秒钟测量一次重量，测量的流量精度分别为1ml/s和0.01ml/s，均能满足一般水文实验的需求；
②适用流量范围广。基本适用于任何流量的观测，仅需根据累计流量大小灵活调整测量部件的量程和集水箱的容积即可；
③数据时间分辨率高。可以每秒甚至更短时间测量一次流量数据；
④数据波动小。用称重法测流避免了水位波动对流量数据的影响，获得的流量数据较为平稳。
应用示例
在一场人工降雨入渗实验中应用根据示例性实施例的流量测量装置和方法测量地表径流流量。
图1显示根据示例性实施例的流量测量装置的示意图。如图1所示，流量测量装置包括出水口1、出流管2、集水箱3、电子称4、数据线5和笔记本电脑6。地表径流通过出水口1经由出流管2流入置于电子称4上的集水箱3，电子称4用于测量集水箱3的重量并将该重量传输出去。电子称4通过数据线5与笔记本电脑6连接。
根据示例性实施例的流量测量方法包括以下步骤：
步骤1：通过出流管2引入人工降雨入渗实验中产流过程形成的地表径流；
步骤2：通过集水箱3采集出流管2引入的地表径流；
步骤3：通过电子称4以1s的时间周期测量集水箱3的重量并将该重量传输出去；
步骤4：通过数据线将所述重量传输至笔记本电脑6；
步骤5：笔记本电脑6接收所述重量，并基于相邻两个时刻的累计重量的差值除以地表径流的密度计算得到各个时刻的流量。由于地表径流泥沙含量很低，径流密度等于水的密度。
通过以上步骤得到典型流量过程线如图3所示，其中时间分辨率为1s，数据波动较小，准确可靠。
上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种流量测量装置，其特征在于，包括：
出流管，用于引入待测水流；
集水箱，用于采集所述出流管引入的水流；
测量部件，用于测量所述集水箱的重量并传输所述重量；以及
数据处理装置，用于接收所述重量并基于所述重量计算流量。
2.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，所述数据处理装置根据以下公式计算流量：
Qi＝(Mi-Mi-1)/ρΔt
其中，Qi为i时刻的流量，Mi为i时刻所述测量部件测得的重量，Mi-1为i-1时刻所述测量部件测得的重量，ρ为所述待测水流的密度，Δt为数据时间步长。
3.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，所述测量部件是电子称。
4.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，所述测量部件通过数据线与所述数据处理装置连接。
5.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，所述数据处理装置是服务器、个人电脑、笔记本电脑的至少其中之一。
6.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，还包括出水口，所述待测水流通过出水口进入所述出流管。
7.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，所述待测水流是连续径流。
8.一种流量测量方法，包括以下步骤：
引入待测水流；
采集所述出流管引入的水流；
测量所述集水箱的重量并传输所述重量；以及
接收所述重量并基于所述重量计算流量。
9.根据权利要求8所述的流量测量方法，其特征在于，根据以下公式计算流量：
Qi＝(Mi-Mi-1)/ρΔt
其中，Qi为i时刻的流量，Mi为i时刻所述测量部件测得的重量，Mi-1为i-1时刻所述测量部件测得的重量，ρ为所述待测水流的密度，Δt为数据时间步长。
10.根据权利要求8所述的流量测量方法，还包括以下步骤：
所述重量通过数据线从所述测量部件传输至所述数据处理装置。
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