CN111175181A - 一种液固混合物密度的连续测定装置及其测定方法 - Google Patents

一种液固混合物密度的连续测定装置及其测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液固混合物密度的连续测定装置，包括承接体，承接体的下方设有圆柱体，承接体的底部设有接料管，接料管的一端与设置在承接体底部的导流口对接，接料管的另一端从圆柱体内部伸出，并与导流管的一端对接，导流管的另一端盘绕在圆柱体的外壁上；圆柱体的底部内壁上设有称重传感器。本发明还公开了一种液固混合物密度的连续测定方法，解决了现有液固混合物密度测定方法存在的测量误差大的问题。

Description

一种液固混合物密度的连续测定装置及其测定方法
技术领域
本发明属于气象水利观测技术领域，涉及一种液固混合物密度的连续测定装置；本发明还涉及上述测定装置的测定方法。
背景技术
在气象水利领域，对降雨情况的观测是一项重要工作。观测过程始于每次降雨开始，终于每次降雨结束。观测过程中需要观测和记录的数据通常包括：降雨时间长度，降雨过程中的实时降雨量变化，降雨中的泥沙含量等指标。这一系列指标对于气象预测、地质情况分析、环保评估都是很重要的原始数据。
目前我国常采用的观测手段是用一个或者多个大小完全相同的容器在露天环境下承接雨水。通过人工观测雨量大小来调整取样测量时间。当雨量较小的情况下，就将每一次承接雨水的时间拉长。如果雨量较大的情况下，就将每一次承接雨水的时间缩短。对于承接雨水的时间长短没有严格的计算公式和控制方法，大多以观测者的主观意愿作为判断依据。每次测量获取所需数据的方法是通过称量本次容器里面雨水的体积和重量，从而计算出从上一次测量到这一次测量的时间间隔内，降雨量是多少，以及雨水中的泥沙含量有多少。
这种获取检测数据的方法有以下一些缺点。
第一，靠人工观测雨量大小，由人来根据自己的主观判断来决定称量的时间，这会使得称量雨水的时间间隔长短不一，没有规律性，对后期绘制降雨量变化曲线有很大的不利影响。对于降雨量的变化趋势计算带来很大误差。
第二，每次将含有泥沙成分的雨水从承接容器转移到称量容器的过程中，可能会出现不慎泼洒导致雨水的体积和重量损失的现象。这种损失会导致降雨量的测量数据偏小，泥沙含量的测量数据偏大，两个数据都带有非高斯分布误差，给后期的数据分析和基于该数据的预测带来干扰。
第三，在承接雨水的容器倾倒雨水过程中，容易出现泥沙沉积物附着在容器内壁或者底部，使得下次测量时泥沙含量高于真实值，同样会导致非高斯分布误差。也同样会对后期的数据分析和基于该数据的预测结果带来干扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种液固混合物密度的连续测定装置，解决了现有液固混合物密度测定方法存在的测量误差大的问题。
本发明的目的是还提供一种液固混合物密度的连续测定方法。
本发明所采用的第一种技术方案为，一种用于测量固液混合物密度的装置，包括承接体，承接体的下方设有圆柱体，承接体的底部设有接料管，接料管的一端与设置在承接体底部的导流口对接，接料管的另一端从圆柱体内部伸出，并与导流管的一端对接，导流管的另一端盘绕在圆柱体的外壁上；圆柱体的底部内壁上设有称重传感器。
本发明所采用的第二种技术方案为，一种液固混合物密度的连续测定方法，具体包括如下步骤：
步骤1，计算液固混合物在运行切线方向上的推力Fpt和垂直于管壁的推力Fpt；
步骤2，对导流管进行受力分析，根据导流管在水平方向上的压力Fhp计算液固混合物重量；
步骤3，根据液固混合物的体积V求液固混合物的实时密度Pm；
步骤4，计算液固混合物种实时固体含量密度Ps：
步骤5，计算一个测量周期内，液固混合物的体积Utotal；
步骤6，计算导流管中固液混合物的重量Gh(t)及质量M(t)；
步骤7，在t时刻到t+1时刻的Δt时间间隔内，计算液固混合密度值P‘m；
步骤8，根据加权平均法对步骤3和步骤7所求密度值进行修正。
本发明所采用的第二种技术方案的特点还在于，
步骤1的具体过程为：
当液固混合物在导流管中时，会同时受到两个力的作用；这两个力分别是液固混合物受到向下的重力AB和导流管管道内壁给它的垂直于管壁的推力AC；这两个力产生的合力AD与导流管管壁平行，在合力AD的推动下，液固混合物沿着导流管加速螺旋下降，并最终从导流管下端管口排出；
导流管的切线方向与水平方向的夹角为a，且导流管管壁对液固混合物的推力方向与液固混合物的运动切线方向垂直，由此可以得出
∠CDA＝90°–a (2)；
∠DCA＝a (3)；
DA＝sina×AB (4)；
即液固混合物在运动切线方向上的推力大小为
Fpt＝sina×Gh (5)；
而管壁对液固混合物的垂直于管壁的推力大小为
Fpr＝cos a×Gh (6)。
步骤2的具体过程为:
液固混合物会对导流管管壁的垂直方向产生一个与Fpr大小相同、方向相反的压力Fvt；压力Fvt会形成两个分力效果，一个垂直方向的压力Fvp，一个向水平方向的压力Fhp；
Fpr＝-Fvt (7)；
Fvp＝cos a×Fvt (8)；
Fhp＝sin a×Fvt (9)；
根据公式(10)求出液固混合物重量Gh：
Figure BDA0002380014690000041
步骤3的具体过程为：
已知，螺旋形导流管长度L、导流管的半径r，可以得出液固混合物的体积V为：
V＝πr2L (11)；
根据体积V得出液固混合物的实时密度Pm为：
Figure BDA0002380014690000042
步骤4的具体过程为：
已知纯净液体的密度Pp得到液固混合物中的实时固体含量密度Ps为：
Ps＝Pm-Pp (13)。
步骤5的具体过程为：在导流管的起始端和终端，通过流量计测出液固混合物的进入导流管的初始速度VF(t)和最后流出导流管的最终速度VL(t)，再根据的液固混合物在导流管管道中从开始流入到最后流出的时间T，可以得出一次完整测量周期内，液固混合物的体积Utotal为：
Figure BDA0002380014690000051
步骤6的具体过程为：
根据称重传感器测出导流管上垂直于水平面的分力Fvp，根据如下公式 (15)～(16)可以得出任一时刻t，导流管中固液混合物的重量Gh(t)及质量M(t)为：
Figure BDA0002380014690000052
Figure BDA0002380014690000053
步骤7的具体过程为：
从t时刻到t+1时刻的Δt时间间隔内，将导流管内的液固混合物分为：存留部分质量Mc(t)、排出部分质量Mo(t)、流入部分质量Mi(t)，各部分的质量计算过程为：
M(t)＝Mc(t)+Mo(t) (17)；
M(t+1)＝Mc(t)+Mi(t) (18)；
可以得出
Mi(t)-Mo(t)＝M(t+1)-M(t) (19)；
Mi(t)＝VF(t)*πr2*Δt*P’m (20)；
Mo(t)＝VL(t)*πr2*Δt*P‘m (21)；
则液固混合密度值P‘m为：
Figure BDA0002380014690000061
步骤8的具体过程为：
根据如下公式(23)对步骤3和步骤7所求的液固混合物密度值进行修正：
Figure BDA0002380014690000062
本发明的有益效果是：
第一，具有成本方面的优势。现有测量方法在雨水的承接、称重、体积测量和排出这一系列操作步骤的执行过程中，都需要人工参与这会造成一定程度的人工成本支出。
而采用本发明所设计的方案，可将雨水的承接、称重、体积测量和排出这一系列操作紧密衔接起来。在执行过程中不需要任何人工参与操作，可以完全规避人工成本的支出。从而极大地降低总体运营成本。
第二，具有体积和占地面积方面的优势。现有的测量方法在实施过程中，雨水的承接、称重、体积测量这一系列操作都需要在一个独立的地方来执行，因此会占用较大的工作区域。
本发明所设计的方案中，承接、称重和体积测量部分可以在同一个设备中执行完成，各部分可以在空间上垂直堆叠，因此只需要很小的面积就可以进行正常作业，可以节省大量的工作空间。
第三，具有测量精度方面的优势。由于本发明方案中，承接、称重、体积测量和排出过程可以做到无缝衔接，不需要任何人工干预，也不需要将固液混合物在多个容器之间转换，所以可以最大限度地减小误差，提高测量结果的精度。
附图说明
图1是本发明一种液固混合物密度的连续测定装置的结构示意图；
图2是本发明一种用于测量固液混合物密度的装置中承接体与接料管连接的结构示意图；
图3是本发明一种液固混合物密度的连续测定装置中圆柱体的内部结构示意图；
图4是本发明一种液固混合物密度的连续测定装置的透视图；
图5是本发明一种液固混合物密度的连续测定装置中对导流管的受力分析示意图；
图6是本发明一种液固混合物密度的连续测定装置中导流管在水平方向上受力Fhp的分解示意图。
图中，1.承接体，2.接料管，3.圆柱体，4.导流管，5.水平辐条，6.垂直支柱，7.称重传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种液固混合物密度的连续测定方法，采用一种液固混合物密度的连续测定装置，如图1、2所示，包括圆锥状的承接体1，承接体1 的下方设有圆柱体3，承接体1的底部设有接料管2，接料管2的一端与设置在承接体1锥底的导流口对接，接料管2的另一端从圆柱体3内部伸出，并与导流管4的一端对接，导流管4的另一端沿着圆柱体3的外壁从上至下呈螺旋状盘绕。
如图1中A处所示，承接体1最低点处通过接料管2与导流管4连接，正上方流下或者洒下的液固混合物接收到承接体1上后，通过接料管2流入螺旋形的导流管4中，经过导流管4流下后从导流管4最下端的出口排出。
如图1所示，圆柱体3外侧的导流管4具有固定的倾斜角度α，液固混合物在流动时是沿着一个固定角度α向下运动的。
如图3、4所示，承接体1的底部通过水平设置的辐条5支撑，辐条5 的下方沿竖直方向设有支柱6，支柱6的底部设有称重传感器7。称重传感器7的数量为两根，两根称重传感器7呈十字交叉状设置在圆柱体3的底部。称重传感器7可以实时称量出整个装置的总重量Gz，总重量由空置装置本身的重量Ge和螺旋形管道中液固混合物的重量Gh组成。即
Gz＝Ge+Gh (1)；
在辐条上均有力矩传感器，可以测量辐条受到的扭力矩。
由于机械加工的误差，以及水平放置时可能出现的微小角度偏差，可能会导致最终的计算结果出现误差。为零使得到的结果更加精确，本发明会从两种独立途径分别计算出固体混合物的含量密度值。然后采用动态滤波优化算法来修正误差，从而得到更加准确的结果。
本发明为一种液固混合物密度的连续测定方法，具体包括如下步骤：
步骤1，如图5所示，当液固混合物在导流管4中时，会同时受到两个力的作用；这两个力分别是液固混合物受到向下的重力AB和导流管4管道内壁给它的垂直于管壁的推力AC；这两个力产生的合力AD与导流管4管壁平行，在合力AD的推动下，液固混合物沿着导流管4加速螺旋下降，并最终从下端管口排出。
步骤2，如图5所示，导流管4的切线方向与水平方向的夹角为a，且导流管4管壁对液固混合物的推力方向与液固混合物的运动切线方向垂直，由此可以得出
∠CDA＝90°–a (2)；
∠DCA＝a (3)；
DA＝sina×AB (4)；
即液固混合物在运动切线方向上的推力大小为
Fpt＝sin a×Gh (5)；
而管壁对液固混合物的垂直于管壁的推力大小为
Fpr＝cos a×Gh (6)；
步骤3，如图6所示，由于作用力与反作用力原理，液固混合物会对导流管4管壁的垂直方向产生一个与Fpr大小相同，方向相反的压力Fvt；压力会形成两个分力效果，一个垂直方向的压力Fvp，一个向水平方向的压力Fhp；
Fpr＝-Fvt (7)；
Fvp＝cos a×Fvt (8)；
Fhp＝sina×Fvt (9)；
由于液固混合物呈现螺旋形运动，因此水平方向上的压力Fhp会推动圆柱体3旋转运动，圆柱体3内部的横向支撑辐条上的传感器可以直接测量出 Fhp的大小；由以上计算公式可以得出通过Fhp来计算出液固混合物重量的计算公式如下：
Figure BDA0002380014690000091
步骤4，由于螺旋形导流管4长度L固定且已知，导流管4的半径r固定且已知，由此可以得出液固混合物的体积V为。
V＝πr2L (11)；
由此可以得出液固混合物的实时密度Pm等于
Figure BDA0002380014690000101
步骤5根据已知纯净液体的密度Pp得到液固混合物中的实时固体含量密度Ps为：
Ps＝Pm-Pp (13)；
步骤6，由于液固混合物的运动轨迹从平面方向上看是做圆周运动，且导流管4各处直径相同，因此在垂直于圆周的所有方向上的所有力的合力为零；因此液固混合物的运动状况是一个运动加速度标量不变，矢量方向不断变化的匀加速过程。在导流管4的起始端和终端，有流量计可以测出液固混合物的进入螺旋形导流管4的初始速度VF(t)和最后流出管道的最终速度 VL(t)，再根据主控单元记录的液固混合物在管道中从开始流入到最后流出的时间T，可以得出一次完整测量的液固混合物的体积Utotal为：
Figure BDA0002380014690000102
步骤7，如图4所示，圆柱体3中轴底部的称重传感器7可测出固液混合物所受合力分解后垂直于水平面的分力Fvp；由式(15)～(16)可以得出任一时刻t，导流管4中固液混合物的重量Gh(t)及质量M(t)为：
Figure BDA0002380014690000103
Figure BDA0002380014690000104
步骤8，由于导流管4中的液固混合物在管道上端流入的同时也在不断从下方流出；因此在从t时刻到t+1时刻的Δt时间间隔内，可以将导流管4 管道内的液固混合物分为：存留部分Mc(t)、排出部分Mo(t)、流入部分Mi(t)；
M(t)＝Mc(t)+Mo(t) (17)；
M(t+1)＝Mc(t)+Mi(t) (18)；
可以得出
Mi(t)-Mo(t)＝M(t+1)-M(t) (19)；
Mi(t)＝VF(t)*πr2*Δt*P’m (20)；
Mo(t)＝VL(t)*πr2*Δt*P‘m (21)；
步骤9，根据如下公式(22)，液固混合密度值P‘m：
Figure BDA0002380014690000111
步骤10，至此，通过两个独立的方式分别计算得出了液固混合物的密度 P‘m和Pm；这两个结果都是固液混合物的密度计算结果，但是都有误差。因此我们再用加权平均法来缩小误差范围，提高计算结果精度。
在本发明中，两种测量计算方法的各自测量精度受到螺旋形导流管4的倾斜角度a影响最大。当角度a比较大时，液固混合物对导流管4管壁的水平方向推力就会减小，由于受力传感器对微小力矩不敏感的特性，这会使得通过水平方向受力大小计算得到的液固混合物密度值Pm误差较大；同理，当角度值a比较小的时候，液固混合物的计算密度值P‘m也会有较大的误差。因此采用加权平均的方法来修正误差。所用权值与管道倾斜角度a有关。
最终液固混合物的修正后公式如下。
Figure BDA0002380014690000112
本发明一种液固混合物密度的连续测定方法的特点为：
1.本发明所采用的方案没有任何活动机械部件。这样有利于减小误差和减小设备的损坏率，延长使用寿命。
2.本发明所采用的测量方案可以做到连续测量，不需要中间间断下来对承接的固液混合物进行单独称量和倾倒处理。这样保证了数据的连续性和准确性。
3.本发明通过两套相互独立的算法来计算出固液混合物的密度值，然后再通过加权平均法来将两个值融合，实现减小误差的目的。由此可以得到高精度的密度计算结果。

Claims (10)

1.一种液固混合物密度的连续测定装置，其特征在于，包括承接体，承接体的下方设有圆柱体，承接体的底部设有接料管，接料管的一端与设置在承接体底部的导流口对接，接料管的另一端从圆柱体内部伸出，并与导流管的一端对接，导流管的另一端盘绕在圆柱体的外壁上；圆柱体的底部内壁上设有称重传感器。
2.一种液固混合物密度的连续测定方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1，计算液固混合物在运行切线方向上的推力Fpt和垂直于管壁的推力Fpt；
步骤2，对导流管进行受力分析，根据导流管在水平方向上的压力Fhp计算液固混合物重量；
步骤3，根据液固混合物的体积V求液固混合物的实时密度Pm；
步骤4，计算液固混合物种实时固体含量密度Ps：
步骤5，计算一个测量周期内，液固混合物的体积Utotal；
步骤6，计算导流管中固液混合物的重量Gh(t)及质量M(t)；
步骤7，在t时刻到t+1时刻的△t时间间隔内，计算液固混合密度值P‘m；
步骤8，根据加权平均法对步骤3和步骤7所求密度值进行修正。
3.根据权利要求2所述的一种液固混合物密度的连续测定方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：
当液固混合物在导流管中时，会同时受到两个力的作用；这两个力分别是液固混合物受到向下的重力AB和导流管管道内壁给它的垂直于管壁的推力AC；这两个力产生的合力AD与导流管管壁平行，在合力AD的推动下，液固混合物沿着导流管加速螺旋下降，并最终从导流管下端管口排出；
导流管的切线方向与水平方向的夹角为a，且导流管管壁对液固混合物的推力方向与液固混合物的运动切线方向垂直，由此可以得出
∠CDA＝90°–a (2)；
∠DCA＝a (3)；
DA＝sina×AB (4)；
即液固混合物在运动切线方向上的推力大小为
Fpt＝sina×Gh (5)；
而管壁对液固混合物的垂直于管壁的推力大小为
Fpr＝cosa×Gh (6)。
4.根据权利要求3所述的一种液固混合物密度的连续测定方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为:
液固混合物会对导流管管壁的垂直方向产生一个与Fpr大小相同、方向相反的压力Fvt；压力Fvt会形成两个分力效果，一个垂直方向的压力Fvp，一个向水平方向的压力Fhp；
Fpr＝-Fvt (7)；
Fvp＝cosa×Fvt (8)；
Fhp＝sina×Fvt (9)；
根据公式(10)求出液固混合物重量Gh：
Figure FDA0002380014680000021
5.根据权利要求4所述的一种液固混合物密度的连续测定方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：
已知，螺旋形导流管长度L、导流管的半径r，可以得出液固混合物的体积V为：
V＝πr2L (11)；
根据体积V得出液固混合物的实时密度Pm为：
Figure FDA0002380014680000031
6.根据权利要求5所述的一种液固混合物密度的连续测定方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：
已知纯净液体的密度Pp得到液固混合物中的实时固体含量密度Ps为：
Ps＝Pm-Pp (13)。
7.根据权利要求6所述的一种液固混合物密度的连续测定方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程为：在导流管的起始端和终端，通过流量计测出液固混合物的进入导流管的初始速度VF(t)和最后流出导流管的最终速度VL(t)，再根据的液固混合物在导流管管道中从开始流入到最后流出的时间T，可以得出一次完整测量周期内，液固混合物的体积Utotal为：
Figure FDA0002380014680000032
8.根据权利要求7所述的一种液固混合物密度的连续测定方法，其特征在于，所述步骤6的具体过程为：
根据称重传感器测出导流管上垂直于水平面的分力Fvp，根据如下公式(15)～(16)可以得出任一时刻t，导流管中固液混合物的重量Gh(t)及质量M(t)为：
Figure FDA0002380014680000033
Figure FDA0002380014680000034
9.根据权利要求8所述的一种液固混合物密度的连续测定方法，其特征在于，所述步骤7的具体过程为：
从t时刻到t+1时刻的△t时间间隔内，将导流管内的液固混合物分为：存留部分质量Mc(t)、排出部分质量Mo(t)、流入部分质量Mi(t)，各部分的质量计算过程为：
M(t)＝Mc(t)+Mo(t) (17)；
M(t+1)＝Mc(t)+Mi(t) (18)；
可以得出
Mi(t)-Mo(t)＝M(t+1)-M(t) (19)；
Mi(t)＝VF(t)*πr2*△t*P’m (20)；
Mo(t)＝VL(t)*πr2*△t*P‘m (21)；
则液固混合密度值P‘m为：
Figure FDA0002380014680000041
10.根据权利要求9所述的一种液固混合物密度的连续测定方法，其特征在于，所述步骤8的具体过程为：
根据如下公式(23)对步骤3和步骤7所求的液固混合物密度值进行修正：
Figure FDA0002380014680000042
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