CN107247156B - 一种基于压力感应的流速测量的实施方法 - Google Patents

一种基于压力感应的流速测量的实施方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种基于压力感应的流速测量的实施方法，在呈中空的测量筒(3)内部两端分别安装有可左右移动的第一活塞(1)和第二活塞(2)，所述的第一活塞(1)与第二活塞(2)与所述的测量筒(3)之间形成密闭结构；在所述的测量筒(3)的内部正中间设置有隔板(4)，在所述的测量筒(3)的上端安装有带有刻度的U型管(5)，在所述的U型管(5)的内部正中间有一段液柱(6)；在所述的U型管(5)上安装有手柄(7)，所述的手柄(7)位于所述的测量筒(3)的正上方；它克服了现有技术中无法做到全范围的通用的缺点，具有装置原理简单，实际操作简便、快速、直观，成本低廉且无需电力驱动的优点。

Description

一种基于压力感应的流速测量的实施方法
技术领域
本发明涉及到测量水流流速的技术领域，更加具体来说是一种基于压力感应的流速测量的实施方法。
背景技术
在地质学上我们知道，水流速度代表着水体能量的大小，它是沉积砂体类型和形态的控制因素之一，所以测量水流流速在进行影响沉积模拟实验结果因素的研究时，具有重要的参考价值。
目前测量水流流速的方法和技术已经相当成熟了，总结起来包括以下几种：(1)浮标测流法，基本原理就是利用浮标漂流的距离除以经历的时间得到速度。该方法要求较低，操作简便易行而被广泛应用，但是存在着采用人工测距且受天气、风速影响较大，测量精度低的问题。(2)螺旋桨式测速仪，利用水流冲击螺旋桨时的转动，建立转速和流速之间的关系。其特点是测量精度高，量程宽广，但是在水面漂浮物较多时容易造成螺旋桨遇卡，并且螺旋桨转动时会对原有的水流流场造成扰动和破坏，降低测量准确性。(3)超声波测速法，代表仪器多普勒测速仪，是利用超声波在水中的传播特性来测定流速。该方法简单，工作量小，能够测量瞬时流速以及流速变化过程并以数字形式或过程线形式显示结果。缺点：超声波在静水传播的速度在河水中容易受到水温、水压、水中杂质的影响，且对测流地址的选取要求较高，一般用于海水底流测定。(4)电磁法测流速，对应的仪器即为电磁流速测量仪，利用水流切割磁场产生的感应电动势与流水的速度成正比关系来进行测量，此种方法测量时存在着工作量大，技术复杂，仪器造价昂贵的问题，难以广泛运用。
综上所述，虽然测速仪器多且技术成熟，但各自也存在着无法克服的问题，无法做到全范围的通用，需要具体问题具体分析。在水槽实验中，我们不仅要考虑成本，还要寻求一种简单，方便，直观的测速装置。
发明内容
本发明的第一目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出一种基于压力感应的流速测量装置。
本发明的技术方案是通过如下措施来实施的：一种基于压力感应的流速测量装置，其特征在于：在呈中空的测量筒内部两端分别安装有可左右移动的第一活塞和第二活塞，所述的第一活塞与第二活塞与所述的测量筒之间形成密闭结构；在所述的测量筒的内部正中间设置有隔板，在所述的测量筒的上端安装有带有刻度的U型管，在所述的U型管的内部正中间有一段液柱；在所述的U型管上安装有手柄，所述的手柄位于所述的测量筒的正上方。
在上述技术方案中：测量装置包括旋转叶片、带指针的杆和方位罗盘；带指针的杆自下而上贯穿所述的隔板和测量筒，在所述的带指针的杆的尾部安装有旋转叶片，在所述的带指针的杆的顶部与所述的测量筒管壁的上端之间安装有方位罗盘。
在上述技术方案中：在所述的测量筒管壁外侧的正中间安装水平仪；在所述的测量筒的管壁两侧安装有第一环扣和第二环扣。
在上述技术方案中：在所述的测量筒的两端安装有底部支架；所述的底部支架包括呈半圆形的铁箍和两个伸缩杆；所述的伸缩杆位于所述的铁箍的两端；所述的铁箍卡住位于上端所述的测量筒并与两侧第一环扣与第二环扣套接。
在上述技术方案中：所述的U型管的两端分别与所述的测量筒相互贯通。
在上述技术方案中：所述的测量筒的直径为5-10厘米，且与所述的铁箍同径。
在上述技术方案中：所述的液柱采用醒目的颜料灌注而成；所述的底部支架的高度为3-5厘米。
本发明还包括一种实施方法：一种基于压力感应的流速测量装置的实施方法，它包括如下步骤；
①、在内部呈中空的测量筒的正中间安装有隔板，所述的隔板将所述的测量筒一分为二，在左右两端的所述的测量筒内安装有第一活塞和第二活塞；在所述的测量筒的上方安装有U型管，所述的U型管的左右两端分别与所述的测量筒相互贯通，在所述的测量筒的筒壁外侧正中间安装有水平仪，在所述的测量筒的两端安装有第一环扣和第二环扣；
②、将测量装置中的带指针的杆自下而上穿过测量筒和隔板，并使所述的测量装置内的旋转叶片位于所述的测量筒的下方和使所述的测量装置内的方位罗盘位于所述的测量筒的筒壁上方；
③、将所述的底部支架内呈半圆形的铁箍卡住位于测量筒的外壁，并使所述的铁箍的两端分别与第一环扣与第二环扣套接；
④、通过手柄将装置提放浸没于水中，根据水的流向，分别观察方位罗盘和U型管内液柱所在的刻度值，便得到所测水流的流向和流速。
在上述技术方案中：可根据现场地形调整伸缩杆的长度，使得水平仪始终保持水平，同时校对液柱的位置位于所述的U型管的正中间。
在上述技术方案中：所述的液柱采用有色颜料灌注而成。
本发明包括如下优点：1、利用具有速度V的流体流动产生的动能去冲击活塞压缩气体，实现动能向内能的转化，气体在被压缩的情况下产生压力差，从而对U形管中的液柱做功，使液柱产生位移L，通过建立V与L之间的关系实现对流速的测量。这是一种全新的理论方法创新。2、装置不仅能测量水流速度的大小，而且能够测量水流的方向，实现了测速的矢量化。3、该发明装置是针对水下的不同深度测量流速的，且并不需要太深的水深，适用于较小的流速场，适用条件要比涡轮式流量计要广。4、装置原理简单，实际操作简便、快速、直观，成本低廉且无需电力驱动，满足了水槽沉积模拟实验的要求，同时在不脱离本次发明的精神和范围的情况下，相关领域的人员仍可根据本发明公布的内容推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。
附图说明
图1为本发明测量原理示意图。
图2为测量装置整体结构示意图。
图3为本发明中的测量装置主体部分结构示意图。
图4为底部支架结构示意图。
图5为水流方向测量装置示意图。
图中：第一活塞1、第二活塞2、测量筒3、隔板4、U型管5、液柱6、手柄7、第一环扣8、第二环扣8.1、水平仪9、底部支架10、铁箍11、伸缩杆12、测量装置14、旋转叶片14.1、带指针的杆14.2、方位罗盘14.3。
具体实施方式
下文将结合附图详细的说明本发明的具体实施情况，以便使本领域技术人员更加清楚和理解本发明的原理和优点，但是它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。
一方面为了详细说明这种基于压力感应的流速测量装置的方法原理，结合原理示意图1加以说明。如图1所示：圆柱形空腔测量筒3被隔板4隔开，两端是可以自由滑动的第一活塞1和第二活塞2，在测量筒的上方有一个U型管5，管的正中间有一段液柱6，其长度可以忽略不计。测量筒两边的空腔充满着密闭的空气(也可以是其他气体)，U形管与空腔是连通的。在静止状态下，由于测量筒两端的活塞1、2所受的压力相等，液柱6是居中的。
当流体冲击活塞1所在的一端时，活塞2所在一端没有流体冲击，可以看成是静止的。流体具有速度V，在冲击活塞1时会压缩左边空腔的气体，这个时候左右空腔间气体的平衡状态被打破产生一个压力差，这个压力差会推动液柱6向右移动一段距离L，再次平衡后会稳定下来。由此我们就知道，流体的速度v跟液柱的移动距离L是正相关的。只要得到V与L之间的关系式，那么测定一个L，就可以得知该距离对应的速度大小。需要说明的是目前难以直接推导出这种计算公式，因为一方面在压缩气体的过程中难以保持始终在平衡状态，另一方面气体推动液柱移动的过程中，压力差是非线性变化的。有一个事实是，可以通过在给定的已知流速的水槽中测定多组V与L的数据，然后通过线性回归法得出二者间的关系式，从而对装置进行标定。显然，这种理论是行得通的(图中箭头表示水流方向和流速示意图，其中L表示液柱6行进的距离)。
参照图1-5所示：一种基于压力感应的流速测量装置，在呈中空的测量筒3内部两端分别安装有可左右移动的第一活塞1和第二活塞2，所述的第一活塞1与第二活塞2与所述的测量筒3之间形成密闭结构；在所述的测量筒3的内部正中间设置有隔板4，在所述的测量筒3的上端安装有带有刻度的U型管5，在所述的U型管5的内部正中间有一段液柱6；在所述的U型管5上安装有手柄7，所述的手柄7位于所述的测量筒3的正上方。
测量装置14包括旋转叶片14.1、带指针的杆14.2和方位罗盘14.3；
带指针的杆14.2自下而上贯穿所述的隔板4和测量筒3，在所述的带指针的杆14.2的尾部安装有旋转叶片14.1，在所述的带指针的杆14.2的顶部与所述的测量筒3管壁的上端之间安装有方位罗盘14.3。
在所述的测量筒3管壁的正中间安装水平仪9；
在所述的测量筒3的管壁两侧安装有第一环扣8和第二环扣8.1。
在所述的测量筒3的两端安装有底部支架10；所述的底部支架10包括呈半圆形的铁箍11和两个伸缩杆12；所述的伸缩杆12位于所述的铁箍11的两端；所述的铁箍卡住位于上端所述的测量筒3并与两侧第一环扣8与第二环扣8.1套接。
所述的U型管5的两端分别与所述的测量筒3相互贯通。
所述的测量筒3的直径为5-10厘米，且所述的铁箍11同径或者铁箍11的直径略比测量筒3的直径大一点，只要能卡住测量筒3便可。
所述的液柱6采用醒目的颜料灌注而成，所述的底部支架10的高度为3-5厘米。
本发明还包括一种基于压力感应的流速测量装置的实施方法，它包括如下步骤；
①、在内部呈中空的测量筒3的正中间安装有隔板4，所述的隔板4将所述的测量筒3一分为二，在左右两端的所述的测量筒3内安装有第一活塞1和第二活塞2；在所述的测量筒3的上方安装有U型管5，所述的U型管5的左右两端分别与所述的测量筒3相互贯通，在所述的测量筒3的筒壁的正中间安装有水平仪9，在所述的测量筒3的两端安装有第一环扣8和第二环扣8.1；
②、将测量装置14中的带指针的杆14.2自下而上穿过测量筒3和隔板4，并使所述的测量装置14内的旋转叶片14.1位于所述的测量筒3的下方和使所述的测量装置14内的方位罗盘14.3位于所述的测量筒3的筒壁上方；
③、将所述的底部支架10内呈半圆形的铁箍11卡住位测量筒3，并使所述的铁箍11的两端分别与第一环扣8与第二环扣8.1套接；
④、通过手柄7将装置提放浸没于水中，根据水的流向，分别观察方位罗盘14.3和U型管5内的液柱6的刻度值，便得到所测水流的流向和流速。
根据现场地形调整伸缩杆12的长度，可使水平仪9始终保持水平，同时校对液柱6的位置位于所述的U型管5的正中间；所述的液柱6采用有色颜料灌注而成。
所述的U型管5采用的材料足以支撑装置的提放而不易破碎。
上述未详细说明的部分均为现有技术。

Claims (9)

1.一种基于压力感应的流速测量的实施方法，其特征在于：在呈中空的测量筒(3)内部两端分别安装有可左右移动的第一活塞(1)和第二活塞(2)，所述的第一活塞(1)与第二活塞(2)与所述的测量筒(3)之间形成密闭结构；在所述的测量筒(3)的内部正中间设置有隔板(4)，在所述的测量筒(3)的上端安装有带有刻度的U型管(5)，在所述的U型管(5)的内部正中间有一段液柱(6)；在所述的U型管(5)上安装有手柄(7)，所述的手柄(7)位于所述的测量筒(3)的正上方；它包括如下步骤；
①、在内部呈中空的测量筒(3)的正中间安装有隔板(4)，所述的隔板(4)将所述的测量筒(3)一分为二，在左右两端的所述的测量筒(3)内安装有第一活塞(1)和第二活塞(2)；在所述的测量筒(3)的上方安装有U型管(5)，所述的U型管(5)的左右两端分别与所述的测量筒(3)相互贯通，在所述的测量筒(3)的筒壁外侧正中间安装有水平仪(9)，在所述的测量筒(3)的两端安装有第一环扣(8)和第二环扣(8.1)；
②、将测量装置(14)中的带指针的杆(14.2)自下而上穿过测量筒(3)和隔板(4)，并使所述的测量装置(14)内的旋转叶片(14.1)位于所述的测量筒(3)的下方和使所述的测量装置(14)内的方位罗盘(14.3)位于所述的测量筒(3)的筒壁上方；
③、将底部支架(10)内呈半圆形的铁箍(11)卡住位于测量筒(3)的外壁，并使所述的铁箍(11)的两端分别与第一环扣(8)与第二环扣(8.1)套接；
④、通过手柄(7)将装置提放浸没于水中，根据水的流向，分别观察方位罗盘(14.3)和U型管(5)内液柱(6)所在的刻度值，便得到所测水流的流向和流速；
流体的速度v跟液柱的移动距离L是正相关的；在给定的已知流速的水槽中测定多组V与L的数据，然后通过线性回归法得出二者间的关系式，从而对装置进行标定。
2.根据权利要求1所述的一种基于压力感应的流速测量的实施方法，其特征在于：测量装置(14)包括旋转叶片(14.1)、带指针的杆(14.2)和方位罗盘(14.3)；带指针的杆(14.2)自下而上贯穿所述的隔板(4)和测量筒(3)，在所述的带指针的杆(14.2)的尾部安装有旋转叶片(14.1)，在所述的带指针的杆(14.2)的顶部与所述的测量筒(3)管壁的上端之间安装有方位罗盘(14.3)。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于压力感应的流速测量的实施方法，其特征在于：在所述的测量筒(3)管壁外侧的正中间安装水平仪(9)；在所述的测量筒(3)的管壁两侧安装有第一环扣(8)和第二环扣(8.1)。
4.根据权利要求3所述的一种基于压力感应的流速测量的实施方法，其特征在于：在所述的测量筒(3)的两端安装有底部支架(10)；所述的底部支架(10)包括呈半圆形的铁箍(11)和两个伸缩杆(12)；所述的伸缩杆(12)位于所述的铁箍(11)的两端；所述的铁箍卡住位于上端所述的测量筒(3)并与两侧第一环扣(8)与第二环扣(8.1)套接。
5.根据权利要求4所述的一种基于压力感应的流速测量的实施方法，其特征在于：所述的U型管(5)的两端分别与所述的测量筒(3)相互贯通。
6.根据权利要求5所述的一种基于压力感应的流速测量的实施方法，其特征在于：所述的测量筒(3)的直径为5-10厘米，且与所述的铁箍(11)同径。
7.根据权利要求6所述的一种基于压力感应的流速测量的实施方法，其特征在于：所述的液柱(6)采用醒目的颜料灌注而成；所述的底部支架(10)的高度为3-5厘米。
8.根据权利要求7所述的一种基于压力感应的流速测量的实施方法，其特征在于：根据现场地形调整伸缩杆(12)的长度，使得水平仪(9)始终保持水平，同时校对液柱(6)的位置位于所述的U型管(5)的正中间。
9.根据权利要求8所述的一种基于压力感应的流速测量的实施方法，其特征在于：所述的液柱(6)采用有色颜料灌注而成。
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