CN105526976A - 流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种流量测量装置及方法，该装置包括：测流器，测流器自下而上依次包括沉沙部件、体积法测流部件和三角堰测流部件，沉沙部件、体积法测流部件和三角堰测流部件的外周依次连接、内部贯通，沉沙部件的底部设有排沙孔，体积法测流部件的底部设有排水孔；液位传感器，用于测量测流器中的水位高度；以及数据采集器，用于采集液位传感器测量的水位高度。该流量测量装置通过设置带有排沙孔的沉沙部件而不易淤积泥沙。此外，通过设置两种不同形式的流量测量部件，既可以对刚出流的小流量进行精确测量，又能够长时间地对大流量进行精确测量，从而实现了高精度宽流量的流量测量。

Description

流量测量装置及方法

技术领域

本公开涉及水文水资源工程、水土保持、水循环产汇流实验的流量测量，特别是涉及一种流量测量装置及方法。

背景技术

目前国内外土壤侵蚀和产汇流实验小区的流量测量都采用体积法，即采用圆柱桶存放出流水量，用水位计测量桶内水位高度，然后计算流量。在野外天然降雨和室内实验过程中，实验小区的出流往往是先小流量，随着降雨的持续，小区内土壤达到饱和，流量增加。如果采用圆柱桶体积法测流，刚刚开始出流的小流量很难测量到，随着持续的降雨，出现大流量时，携带大量泥沙，底部会淤积泥沙，一定时段后，圆柱桶会存满水，不能测量流量。由于研究的需要，刚刚出流流量和大流量都需要精确测量，因此需要设计一种高精度宽流量的测量装置。

发明内容

本公开的目的是提供一种流量测量装置及方法，其克服了现有流量测量装置容易淤积泥沙的缺点，能够实现高精度宽流量的流量测量。

本公开的一方面提供一种流量测量装置，包括：

测流器，所述测流器自下而上依次包括沉沙部件、体积法测流部件和三角堰测流部件，所述沉沙部件、体积法测流部件和三角堰测流部件的外周依次连接、内部贯通，所述沉沙部件的底部设有排沙孔，所述体积法测流部件的底部设有排水孔；

液位传感器，用于测量所述测流器中的水位高度；以及

数据采集器，用于采集所述液位传感器测量的水位高度。

优选地，所述沉沙部件具有四棱台外形，所述沉沙部件的底面是边长为a₁的正方形，顶面是边长为b₁的正方形，高为h₁，且a₁>b₁。

优选地，所述体积法测流部件具有四棱台外形，所述体积法测流部件的底面是边长为a₂的正方形，顶面是边长为b₂的正方形，高为h₂，且a₂<b₂。

优选地，所述三角堰测流部件具有四棱柱外形，底面是边长为a₃的正方形，所述三角堰测流部件的一个侧面设置有三角形堰口，所述三角形堰口的顶角为θ，顶点位于所述三角堰测流部件的一个侧面的垂直中心线上，且所述顶点与所述三角堰测流部件的底面的距离为h₃、与所述三角堰测流部件的顶面的距离为h₄。

优选地，a₁＝0.6m，b₁＝0.1m，h₁＝0.3m。

优选地，a₂＝0.1m，b₂＝0.6m，h₂＝0.6m。

优选地，a₃＝0.6m，h₃＝0.1m，h₃+h₄＝0.3m，θ＝30°。

优选地，所述液位传感器的量程为0至1m，测量精度为1mm。

优选地，所述数据采集器的数据采集时间间隔为5s。

本公开的另一方面提供一种采用上述流量测量装置的流量测量方法，包括以下步骤：

步骤1：打开所述排沙孔，排空所述沉沙部件内部的泥沙；

步骤2：关闭所述排沙孔，打开所述排水孔，向所述流量测量装置中注水，直到水从所述排水孔溢出；

步骤3：通过所述数据采集器采集所述液位传感器测量的水位高度，并基于以下公式计算瞬时流量：

当h_t≤h₂时：

V_t＝((a₂+(b₂-a₂)h_t/h₂)²+a₂ ²+((a₂+(b₂-a₂)h_t/h₂)*a₂)^0.5)*h_t/3

Q_t＝(V_t-V_t-1)/Δt

当h₂<h_t≤h₂+h₃时：

V_t＝a₃*a₃*(h_t-h₂)

Q_t＝(V_t-V_t-1)/Δt

当h₂+h₃<h_t≤h₂+h₃+h₄时：

$Q_t=C_d*8/15*tg(\mathrm{\&theta;}/2)*\sqrt{2g}{(h_t-h_2-h_3+K_h)}^{5/2}$

其中，h_t表示t时刻以所述体积法测流部件的底面为零基准面测量的水位高度，即所述液位传感器测量的水位高度，V_t表示t时刻所述测流器中的液体体积，V_t-1表示t-1时刻所述测流器中的液体体积，Q_t表示t时刻的瞬时流量，C_d为流量系数，K_h为考虑粘滞力和表面张力综合影响的校正值，θ为所述三角形堰口的顶角。

本公开的流量测量装置的有益效果是通过设置带有排沙孔的沉沙部件而不易淤积泥沙。此外，通过在流量测量装置中设置两种不同形式的流量测量部件，既可以对刚出流的小流量进行精确测量，又能够长时间地对大流量进行精确测量，从而实现了高精度宽流量的流量测量。

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示出了根据示例性实施例的流量测量装置的示意图；

图2示出了根据示例性实施例的流量测量方法的流程图。

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。

图1示出了根据示例性实施例的流量测量装置的示意图，根据本公开的流量测量装置包括：

测流器，测流器自下而上依次包括沉沙部件1、体积法测流部件2和三角堰测流部件3，沉沙部件1、体积法测流部件2和三角堰测流部件3的外周依次连接、内部贯通，沉沙部件的底部设有排沙孔1-1，体积法测流部件的底部设有排水孔2-1；

液位传感器4，用于测量测流器中的水位高度；以及

数据采集器5，用于采集液位传感器测量的水位高度。

排沙孔打开时，可以排空沉沙部件内部的泥沙。排沙孔关闭，排水孔打开时，侧流器中的水位上升，随着水位的升高，水可从排水孔溢出。

液位传感器可以采用任何适当的现有传感器，其优选地设置在测流器顶部，以便于测量测流器中的水位高度。

数据采集器可以采用任何适当的现有数据采集器，其可以有线或无线(例如射频、蓝牙等)方式与液位传感器进行通信，并能够将采集的数据传输至外部数据处理设备进行处理。

本公开的流量测量装置设置带有排沙孔的沉沙部件，从而不易淤积泥沙，克服了现有技术的缺陷。此外，在沉沙部件上方设置带有排水孔的体积法测流部件，当打开排水孔时，水位正好处于体积法测流部件的底面，该底面可作为水位测量的零基准面。体积法测流部件很容易检测到刚刚出流的小流量，测量精确。而三角堰测流部件则是为了测量相对较大流量而设计的。通过自上而下依次设置沉沙部件、体积法测流部件和三角堰测流部件，该流量测量装置不仅可以对刚出流的小流量进行精确测量，又能够长时间地对大流量进行精确测量，而且不易沉积泥沙。

作为优选方案，沉沙部件具有四棱台外形，沉沙部件的底面是边长为a1的正方形，顶面是边长为b₁的正方形，高为h₁，且a₁>b₁。

作为优选方案，体积法测流部件具有四棱台外形，体积法测流部件的底面是边长为a₂的正方形，顶面是边长为b₂的正方形，高为h₂，且a₂<b₂。

作为优选方案，三角堰测流部件具有四棱柱外形，底面是边长为a3的正方形，三角堰测流部件的一个侧面设置有三角形堰口3-1，三角形堰口3-1的顶角为θ，顶点位于三角堰测流部件的一个侧面的垂直中心线上，且顶点与三角堰测流部件的底面的距离为h3、与三角堰测流部件的顶面的距离为h4。

选择棱台形状的沉沙部件和体积法测流部件以及棱柱形状的三角堰测流部件的主要原因是流量公式计算简便、便于计算瞬时流量，此外制作和安装也比较简单便捷。应当指出的是，也可选用其他形状的部件。

作为优选方案，a₁＝0.6m，b₁＝0.1m，h₁＝0.3m。

作为优选方案，a₂＝0.1m，b₂＝0.6m，h₂＝0.6m。

作为优选方案，a₃＝0.6m，h₃＝0.1m，h₃+h₄＝0.3m，θ＝30°。

作为优选方案，所述液位传感器的量程为0至1m，测量精度为1mm。

上述尺寸设置基本可以满足一般条件下的流量测量要求，如果应用于特殊条件，例如流量极大或极小的情况，可以根据实际情况调整上述尺寸。

作为优选方案，数据采集器的数据采集时间间隔为5s，可以根据实际需求进行调整。

本公开的另一方面提供一种采用上述流量测量装置的流量测量方法，包括以下步骤，如图2所示：

步骤1：打开排沙孔，排空沉沙部件内部的泥沙；

步骤2：关闭排沙孔，打开排水孔，向流量测量装置中注水，直到水从排水孔溢出；

步骤3：通过数据采集器采集液位传感器测量的水位高度，并基于以下公式计算瞬时流量：

当h_t≤h₂时：

V_t＝((a₂+(b₂-a₂)h_t/h₂)²+a₂ ²+((a₂+(b₂-a₂)h_t/h₂)*a₂)^0.5)*h_t/3

Q_t＝(V_t-V_t-1)/Δt

当h₂<h_t≤h₂+h₃时：

V_t＝a₃*a₃*(h_t-h₂)

Q_t＝(V_t-V_t-1)/Δt

当h₂+h₃<h_t≤h₂+h₃+h₄时：

$Q_t=C_d*8/15*tg(\mathrm{\&theta;}/2)*\sqrt{2g}{(h_t-h_2-h_3+K_h)}^{5/2}$

其中，h_t表示t时刻以体积法测流部件的底面为零基准面测量的水位高度，即液位传感器测量的水位高度，V_t和V_t-1为中间变量，V_t表示t时刻所述测流器中的液体体积，V_t-1表示t-1时刻所述测流器中的液体体积，Q_t表示t时刻的瞬时流量，C_d为流量系数，K_h为考虑粘滞力和表面张力综合影响的校正值，θ为三角形堰口的顶角。根据《中华人民共和国水利行业标准-堰槽测流规范》(SL-24-91)(以下简称《堰槽测流规范》)，C_d和K_h可以查表得到，C_d的查表值为0.586，K_h的查表值为0.0023。

应用示例

图1示出了根据示例性实施例的流量测量装置的示意图。根据示例性实施例的流量测量装置自下而上依次包括沉沙部件1、体积法测流部件2和三角堰测流部件3，沉沙部件1、体积法测流部件2和三角堰测流部件3的外周依次连接、内部贯通。

沉沙部件1是下大上小的四棱台，底面正方形的尺寸为0.6m*0.6m，顶面正方形的尺寸为0.1m*0.1m，高0.3m，底部设有排沙孔1-1。

体积法测流部件2是下小上大的四棱台，底面正方形的尺寸为0.1m*0.1m，顶面正方形的尺寸为0.6m*0.6m，高0.6m，底部设有排水孔2-1。

三角堰测流部件3是四棱柱，底面正方形的尺寸为0.6m*0.6m，高0.3m。三角堰测流部件3的一个侧面设置有三角形堰口3-1，三角形堰口3-1的顶角θ为30°，顶点距离三角堰测流部件3的底面0.1m。

液位传感器4用于测量测流器中的水位高度，其量程为0-1m，测量精度为1mm。数据采集器5用于采集液位传感器4测量的水位高度，其数据采集时间间隔为5s。

根据示例性实施例的流量测量方法包括以下步骤：

步骤1：打开排沙孔1-1，排空沉沙部件1内部的泥沙；

步骤2：关闭排沙孔1-1，打开排水孔2-1，向流量测量装置中注水，直到水从排水孔2-1溢出，此时的水位是0.3m；

步骤3：开启液位传感器4和数据采集器5，通过数据采集器5采集液位传感器4测量的水位高度，并基于以下公式计算瞬时流量：

当h_t≤0.6时：

V_t＝((0.1+5h_t/6)²+0.1²+((0.1+5h_t/6)*0.1)^0.5)*h_t/3

Q_t＝(V_t-V_t-1)/Δt

当0.6<h_t≤0.7时：

V_t＝0.6*0.6*(h_t-0.6)

Q_t＝(V_t-V_t-1)/Δt

当0.7<h_t≤0.9时：

$Q_t=0.586*8/15*tg(\mathrm{\&pi;}/12)*\sqrt{2g}{(h_t-0.7+0.0023)}^{5/2}$

其中，h_t表示t时刻以体积法测流部件2的底面为零基准面测量的水位高度，即所述液位传感器4测量的水位高度，V_t和V_t-1为中间变量，V_t表示t时刻测流器中的液体体积，V_t-1表示t-1时刻测流器中的液体体积，Q_t表示t时刻的瞬时流量。C_d为流量系数，根据《中华人民共和国水利行业标准-堰槽测流规范》(SL-24-91)，C_d的查表值为0.586；K_h为考虑粘滞力和表面张力综合影响的校正值，根据《堰槽测流规范》，K_h查表值为0.0023。

采用本公开的流量测量装置，可以测量一次降雨实验的出流流量过程。

上述技术方案只是本发明的一种实施例，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，包括：

测流器，所述测流器自下而上依次包括沉沙部件(1)、体积法测流部件(2)和三角堰测流部件(3)，所述沉沙部件(1)、体积法测流部件(2)和三角堰测流部件(3)的外周依次连接、内部贯通，所述沉沙部件(1)的底部设有排沙孔(1-1)，所述体积法测流部件(2)的底部设有排水孔(2-1)；

液位传感器(4)，用于测量所述测流器中的水位高度；以及

数据采集器(5)，用于采集所述液位传感器测量的水位高度。

2.根据权利要求1所述的流量测量装置，其中所述沉沙部件(1)具有四棱台外形，所述沉沙部件(1)的底面是边长为a₁的正方形，顶面是边长为b₁的正方形，高为h₁，且a₁>b₁。

3.根据权利要求2所述的流量测量装置，其中所述体积法测流部件(2)具有四棱台外形，所述体积法测流部件(2)的底面是边长为a₂的正方形，顶面是边长为b₂的正方形，高为h₂，且a₂<b₂。

4.根据权利要求3所述的流量测量装置，其中所述三角堰测流部件(3)具有四棱柱外形，底面是边长为a₃的正方形，所述三角堰测流部件(3)的一个侧面设置有三角形堰口(3-1)，所述三角形堰口(3-1)的顶角为θ，顶点位于所述三角堰测流部件(3)的一个侧面的垂直中心线上，且所述顶点与所述三角堰测流部件(3)的底面的距离为h₃、与所述三角堰测流部件(3)的顶面的距离为h₄。

5.根据权利要求4所述的流量测量装置，其中a₁＝0.6m，b₁＝0.1m，h₁＝0.3m。

6.根据权利要求5所述的流量测量装置，其中a₂＝0.1m，b₂＝0.6m，h₂＝0.6m。

7.根据权利要求6所述的流量测量装置，其中a₃＝0.6m，h₃＝0.1m，h₃+h₄＝0.3m，θ＝30°。

8.根据权利要求7所述的流量测量装置，其中所述液位传感器(4)的量程为0至1m，测量精度为1mm。

9.根据权利要求1所述的流量测量装置，其中所述数据采集器(5)的数据采集时间间隔为5s。

10.一种采用根据权利要求4所述的流量测量装置的流量测量方法，包括以下步骤：

步骤1：打开所述排沙孔(1-1)，排空所述沉沙部件(1)内部的泥沙；

步骤2：关闭所述排沙孔(1-1)，打开所述排水孔(2-1)，向所述流量测量装置中注水，直到水从所述排水孔(2-1)溢出；

步骤3：通过所述数据采集器(5)采集所述液位传感器(4)测量的水位高度，并基于以下公式计算瞬时流量：

当h_t≤h₂时：

V_t＝((a₂+(b₂-a₂)h_t/h₂)²+a₂ ²+((a₂+(b₂-a₂)h_t/h₂)*a₂)^0.5)*h_t/3

Q_t＝(V_t-V_t-1)/Δt

当h₂<h_t≤h₂+h₃时：

V_t＝a₃*a₃*(h_t-h₂)

Q_t＝(V_t-V_t-1)/Δt

当h₂+h₃<h_t≤h₂+h₃+h₄时：

$Q_t=C_d*8/15*tg(\mathrm{\&theta;}/2)*\sqrt{2g}{(h_t-h_2-h_3+K_h)}^{5/2}$

其中，h_t表示t时刻以所述体积法测流部件(2)的底面为零基准面测量的水位高度，即所述液位传感器(4)测量的水位高度，V_t表示t时刻所述测流器中的液体体积，V_t-1表示t-1时刻所述测流器中的液体体积，Q_t表示t时刻的瞬时流量，C_d为流量系数，K_h为考虑粘滞力和表面张力综合影响的校正值，θ为所述三角形堰口(3-1)的顶角。