CN110455354A - 一种悬臂梁应变传感式流速流量测量装置以及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了流量测试领域内的一种悬臂梁应变传感式流速流量测量装置，包括位于管道内部竖直放置的等截面方形弹性直杆和位于管道外部具有应变测量、流速/流量计算及结果显示功能的计算显示模块，弹性直杆上部接近固定端处贴有两组应变片，分别用于弯曲正应力和切应力测量，本发明利用弹性直杆的形变度推算水流速度和水深，从而得到的体积流量，使得测量结构简单、成本低廉，计算可靠，本发明可用于管道水流数据测量中。

Description

一种悬臂梁应变传感式流速流量测量装置以及应用方法

技术领域

本发明涉及一种流量测量装置，特别涉及一种悬臂梁应变传感式流速流量测量装置。

背景技术

本流速流量测量装置主要用于管道、沟渠中对水流量的测量。流体流量的计量方法通常有速度法、容积法和质量法等。本装置采用速度法，即通过测量流体的平均流速乘，再以水流截面积，求得流体体积流量。而流体平均流速的测量通常采用差压式、转子式、电磁式和超声波式等方法。

差压式流量计现场安装条件要求高，压损大，且测量精度一般；转子流量计耐压低，适用于中小管径和低流速检测；电磁流量计只能测量导电介质的液体流量，且安装与调试复杂；超声波流量计抗干扰能力差，且安装的不确定性会给流量测量带来较大误差。

上述流量计量方法还普遍存在结构复杂、价格偏高的特点，不利于普及推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种悬臂梁应变传感式流速流量测量装置，利用弹性直杆的形变度推算水流速度和水深，从而得到的体积流量。

本发明的目的是这样实现的：一种悬臂梁应变传感式流速流量测量装置，包括位于管道内部竖直放置的等截面方形弹性直杆和位于管道外部具有应变测量、流速/流量计算及结果显示功能的计算显示模块，所述弹性直杆上部接近固定端处贴有两组应变片，分别用于弯曲正应力和切应力测量。

作为本发明的进一步限定，所述两组应变片均粘贴于弹性直杆上部接近固定端处，其中一组用于正应力测量的两个应变片分别粘贴于弹性直杆迎水面和背水面对等位置，应变片敏感栅沿杆轴线方向；另一组用于切应力测量的两个应变片分别粘贴于弹性直杆侧面中性层位置，应变片敏感栅分别沿与杆轴线呈±45°方向。所述应变片通过导线与计算显示模块相连。

作为本发明的进一步限定，所述弹性直杆纵轴线垂直于管道顶切面，弹性直杆上端与管道顶部牢固安装形成刚性联结，下端自由且接近管道底部，杆宽面面向来水方向。

一种悬臂梁应变传感式流速流量测量装置应用方法，用以测量管道内水流深度：

其中，ε为第一组应变片所测应变，E为材料弹性模量，a和b分别为矩形截面的长和宽，其中b为与中性轴平行的宽度尺寸，l为杆长，其值接近管道直径，ε′为第二组应变片所测应变，μ为材料泊松比，S_z为静矩，q为水流作用于杆的单位长度动压力，h为水流深度；

用于测量管道内水流流速：

其中，v水流流速，ρ为水流密度；

用于测量管道内水流流量：

Q＝vA

其中，A为水流横截面积，可由水深h和流道形状与尺寸确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用悬臂梁应变传感原理，管道中只有一根宽度很小的弹性直杆，阻力损失小；利用两种应变贴片组合即可确定水流深度和压力，进一步可确定水流速度和流量，结构简单、成本低廉，计算可靠。本发明可以用于管道水流数据测量中。

附图说明

图1为本发明总体布置示意图；

图2为本发明弹性直杆示意图；

图3为本发明计算原理示意图。

图中，1弹性直杆，2计算显示模块，3为应变片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1-3所示的一种悬臂梁应变传感式流速流量测量装置，包括位于管道内部竖直放置的等截面方形弹性直杆1和位于管道外部具有应变测量、流速/流量计算及结果显示功能的计算显示模块2，弹性直杆1上部接近固定端处贴有两组应变片3，分别用于弯曲正应力和切应力测量，两组应变片3均粘贴于弹性直杆1上部接近固定端处，其中一组用于正应力测量的两个应变片3-1分别粘贴于弹性直杆1迎水面和背水面对等位置，应变片3-1敏感栅沿杆轴线方向；另一组用于切应力测量的四个应变片3-2两两分别粘贴于弹性直杆1侧面中性层位置，应变片3-2敏感栅分别沿与杆轴线呈±45°方向。应变片3通过导线与计算显示模块2相连，弹性直杆1纵轴线垂直于管道顶切面，弹性直杆1上端与管道顶部牢固安装形成刚性联结，下端自由且接近管道底部，杆宽面面向来水方向。

一种悬臂梁应变传感式流速流量测量装置应用方法，包括以下步骤：

1.弹性直杆1由管道上方向下垂直插入管道，使其上端固定，下端自由并接近管道底部；

2.两组应变片3分别粘贴于弹性杆1接近固定端处，并分别对应于弯曲正应力测量点和切应力测量点；

3.流速流量计算显示模块2置于管道外侧；

4.管道中水流冲击弹性直杆1，使其产生形变；

5.通过应变片3及应变测试电路测得与上述形变对应的应变值；

6.根据所测应变值并结合相应公式计算流速和水深，进一步计算流量；

7.计算显示模块2实时显示流速、累计流量等参数，并按需要进行存储或远程发送。

以下以图1-3中的弹性直杆为例，说明具体计算原理。

第一组应变片处于单向应力状态，其应变值为

其中，ε为第一组应变片所测应变，E为材料弹性模量，a和b分别为矩形截面的长和宽，其中b为与中性轴平行的宽度尺寸，l为杆长，其值接近管道直径，q为水流作用于杆的单位长度动压力，h为水流深度(见图3)；

第二组应变片处于纯剪切应力状态，其应变值为

其中，ε′为第二组应变片所测应变，μ为材料泊松比；

由(1)、(2)两式可得

由动量定理可得流速v与q的关系为：

其中，ρ为水流密度；

将式(3)代入(5)可得

进一步可确定流量为

Q＝vA (7)

其中，Q为体积流量，A为水流横截面积，可由水深h和流道形状与尺寸确定。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种悬臂梁应变传感式流速流量测量装置，其特征在于，包括位于管道内部竖直放置的等截面弹性直杆和位于管道外部具有应变测量、流速/流量计算及结果显示功能的计算显示模块，所述弹性直杆上部接近固定端处贴有两组应变片，分别用于弯曲正应力和切应力测量。

2.根据权利要求1所述的一种悬臂梁应变传感式流速流量测量装置，其特征在于，所述两组应变片均粘贴于弹性直杆上部接近固定端处，其中一组用于正应力测量的两个应变片分别粘贴于弹性直杆迎水面和背水面对等位置，应变片敏感栅沿杆轴线方向；另一组用于切应力测量的两个应变片分别粘贴于弹性直杆侧面中性层位置，应变片敏感栅分别沿与杆轴线呈±45°方向。所述应变片通过导线与计算显示模块相连。

3.根据权利要求1所述的一种悬臂梁应变传感式流速流量测量装置，其特征在于，所述弹性直杆纵轴线垂直于管道顶切面，弹性直杆上端与管道顶部牢固安装形成刚性联结，下端自由且接近管道底部，杆宽面面向来水方向。

4.一种悬臂梁应变传感式流速流量测量装置应用方法，其特征在于，

用以测量管道内水流深度：

其中，ε为第一组应变片所测应变，E为材料弹性模量，a和b分别为矩形截面的长和宽，其中b为与中性轴平行的宽度尺寸，l为杆长，其值接近管道直径，ε′为第二组应变片所测应变，μ为材料泊松比，S_z为静矩，q为水流作用于杆的单位长度动压力，h为水流深度；

用于测量管道内水流流速：

其中，v水流流速，ρ为水流密度；

用于测量管道内水流流量：

Q＝vA

其中，A为水流横截面积，可由水深h和流道形状与尺寸确定。