CN111289774B - 一种带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统，包括环形水槽、旋转电机、旋转臂、流速仪固定装置、水波消除装置、旋转电机转速检测装置和数据采集设备，旋转电机固定在环形水槽中心处的支撑柱顶端，旋转臂首端与旋转电机的电机轴固定连接，末端水平设置于环形水槽上方，流速仪固定装置通过升降电机驱动升降杆带动被测流速仪没入或提出水面，水波消除装置包括布置于环形水槽内的梳流网及布置在水槽内外槽壁上的内外圈防波挡板，旋转电机转速检测装置用于计算旋转臂末端的线速度，数据采集设备用于采集流速仪发出的磁脉冲信号个数和监控显示流速。本系统能降低占地面积，流速仪检测时间可无限扩展且能保证流速的检测校准精度。

Description

一种带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统

技术领域

本发明涉及计量技术领域，具体涉及一种带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统。

背景技术

水体的流速测量是水流量计量的重要组成部分之一。在计算自然水体的水流量、工厂排污口的排污水量等场景中，均需要对水体的流速进行测量。随着国家对环境保护问题的日益重视，各个环境监测部门使用的流速仪台数不断增长。作为环境保护数据的重要来源之一，流速仪流速量值的准确与否直接关系到环保数据的准确性。因此，对常见的旋桨式流速仪、旋杯式流速仪、超声波流速仪进行流速量值的定期校准成为各个流速仪使用单位、尤其是环境监测部门的任务之一，流速仪检测也是计量技术机构的日常校准任务之一。

目前，计量检测机构采用的流速仪校准装置均是基于直线水槽的，即在一定长度、深度的直线水槽中注满清水，将被测流速仪固定在装夹机构上并没入水中，而后以标准速度沿直线水槽进行直线运动，读取被测流速仪显示流速或脉冲数、脉冲时间等参数并与标准速度进行比对，从而达到流速仪流速校准的目的。

然而，在现有的流速仪校准装置中，直线水槽的长度均在50米以上，甚至达到200米，因而水槽占地面积极大。同时，直线水槽在检测大流速(标准速度大于3m/s)时，基于加速和减速过程的安全考虑，50米的直线水槽有效检测时间在8秒以下，导致检测时长不足。

基于直线水槽的不足，已有部分资料公布了采用环形水槽来实现流速仪的流速测定。然而，本发明的发明人经过研究发现，现有的环形水槽在流速仪的流速测定过程中，由于流速仪在运动过程中，会产生水波和水波撞击水槽壁面后产生的回波，因而流速仪在沿环形水槽进行环形运动时，其对流速测量精度影响较大。基于前述困难，直到目前尚无应用于计量技术机构的环形水槽流速仪校准装置。

发明内容

针对现有流速仪校准用直线水槽占地面积过大、不能进行长时间流速校准以及环形水槽因校准精度差无法应用的技术问题，本发明提供一种带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统，该系统能够保证流速仪检测校准精度，能够满足常见的旋桨式流速仪、旋杯式流速仪、超声波流速仪“流速量值”的检测校准工作。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统，包括环形水槽、旋转电机、旋转臂、流速仪固定装置、水波消除装置、旋转电机转速检测装置和数据采集设备；其中，所述旋转电机固定设置在环形水槽中心处的支撑柱顶端，所述旋转臂的首端与旋转电机的电机轴固定连接，所述旋转臂的末端水平设置于所述环形水槽上方；所述流速仪固定装置包括固定在旋转臂上并靠近旋转臂末端设置的升降电机和升降杆夹具，所述升降电机的电机轴通过安装齿轮与升降杆夹具上滑动安装的齿条啮合，所述升降杆夹具的齿条上装夹有水平截面呈船底型的升降杆，所述升降杆靠近环形水槽水面的一端固定有用于装夹被测流速仪的流速仪夹具；所述水波消除装置包括梳流网、内圈防波挡板和外圈防波挡板，所述梳流网呈U型布置于环形水槽内，且所述旋转臂的旋转半径位于梳流网的U型槽内，所述内圈防波挡板均匀布置在环形水槽的内槽壁上，所述外圈防波挡板均匀布置在环形水槽的外槽壁上，所述内圈防波挡板和外圈防波挡板与环形水槽高度相同且与水槽壁面接触点切线所呈的夹角为45～135度；所述旋转电机转速检测装置包括第一微电脑计时器、光电探头和光电探头反馈点，所述光电探头反馈点安装于旋转臂的末端，所述光电探头支撑设置并与光电探头反馈点处于同一水平高度，所述第一微电脑计时器与光电探头电连接用于记录光电探头反馈点连续两次经过光电探头时产生的两个脉冲时间差，以计算旋转臂末端的线速度即标准流速；所述数据采集设备包括摄像头数据采集装置、磁脉冲采集器、第二微电脑计时器和计时器，所述摄像头数据采集装置用于监控被校准超声波流速仪显示界面的显示流速值，所述磁脉冲采集器用于采集被校准旋桨式流速仪、旋杯式流速仪校准中发出的磁脉冲信号个数，所述第二微电脑计时器与磁脉冲采集器连接用于根据采集的磁脉冲信号个数计算被校准旋桨式流速仪、旋杯式流速仪的测量流速，所述计时器用于记录正式的流速仪试验时间。

与现有技术相比，本发明提供的带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统具体检测时，先将环形水槽内注满清水，接着升降电机带动升降杆下降，将升降杆靠近环形水槽水面一端上流速仪夹具装夹的被测流速仪没入水中，然后设置旋转电机转速，使旋转臂末端的线速度达到第一个检测标准流速点，记录被测流速仪的示值，之后重新设置旋转电机转速，以此完成所有预设标准流速点的检测，检测完毕后，旋转电机停止转动，升降电机通过升降杆将被测流速仪从水中升起并进行卸载。本申请通过调节旋转电机频率，测量旋转电机的角速度即转速，利用角速度和线速度的换算关系，得到旋转臂末端的线速度，以达到流速校准的目的；同时采用带有水波消除装置的环形水槽流道后，本校准系统可以极大的减少占地面积，流速仪的检测时间可无限扩展，同时可保证流速的校准检测精度。因此，该校准系统可为那些有流速仪校准需求、但资金和场地均有限的机构提供有效的解决方案，有效避免了现有流速仪校准用直线水槽占地面积过大、投资成本高、不能进行流速仪的长时间一次性流速校准以及现有环形水槽流速检测精度差等问题。

进一步，所述梳流网的网孔形状为正方形或菱形。

进一步，所述梳流网的网孔形状为正方形，且所述梳流网的厚度至少是网孔长度或宽度的2倍。

进一步，所述外圈防波挡板的数量为4R₂₁且不少于12块，所述内圈防波挡板的数量为外圈防波挡板数量的60％且不少于12块，其中R₂₁为环形水槽的外径R₂四舍五入取整数后的值。

进一步，所述环形水槽的内径R₁、梳流网的布置内径r₁、旋转臂的旋转半径r、梳流网的布置外径r₂和环形水槽的外径R₂之间依次呈等间距分布。

附图说明

图1是本发明提供的带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统的部分俯视结构示意图。

图2是本发明提供的带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统的部分部面结构示意图。

图3是本发明提供的梳流网截面示意图。

图4是本发明提供的数据采集流程框图。

图中，1、环形水槽；2、旋转电机；20、支撑柱；3、旋转臂；4、升降电机；5、升降杆；6、流速仪夹具；7、梳流网；8、内圈防波挡板；9、外圈防波挡板；10、第一微电脑计时器；11、光电探头；12、光电探头反馈点。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1至图4所示，本发明提供一种带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统，包括环形水槽1、旋转电机2、旋转臂3、流速仪固定装置、水波消除装置、旋转电机转速检测装置和数据采集设备；其中，所述旋转电机2固定设置在环形水槽1中心处的支撑柱20顶端，所述旋转臂3的首端与旋转电机2的电机轴固定连接，所述旋转臂3的末端水平设置于所述环形水槽1上方，由此在旋转电机2的驱动下旋转臂3可在环形水槽1上方实现旋转；

所述流速仪固定装置包括固定在旋转臂3上并靠近旋转臂末端设置的升降电机4和升降杆夹具，所述升降电机4的电机轴通过安装齿轮与升降杆夹具上滑动安装的齿条啮合，所述升降杆夹具的齿条上装夹有水平截面呈船底型的升降杆5，所述升降杆5靠近环形水槽1水面的一端固定有用于装夹被测流速仪的流速仪夹具6，具体地所述升降杆夹具的作用是夹紧升降杆5并在升降电机4的驱动下提升或下放升降杆，以进一步将流速仪夹具6没入或提出水面，而本领域技术人员在前述对于升降杆夹具的作用和主要结构介绍下，对于升降杆夹具的具体结构设计是很容易实现的，所述升降杆5是具有一定外形尺寸的长杆，其在升降电机4的升降控制下可将固定于流速仪夹具6的被测流速仪没入水中或提出水面，且将升降杆5的水平截面外形设置呈船底型，由此可减小流速仪测量时水波的产生，所述流速仪夹具6的具体结构可采用本领域技术人员熟知的现有技术(如背景技术提到的)来实现，其外形尺寸满足大部分现有流速仪的旋桨、旋杯、超声波探头的需要；

所述水波消除装置包括梳流网7、内圈防波挡板8和外圈防波挡板9，所述梳流网7呈U型布置于环形水槽1内，即所述梳流网7布置于旋转臂3旋转半径两侧的水道内和环形水槽1底部，且所述旋转臂3的旋转半径位于梳流网的U型槽内，即所述旋转臂3的旋转半径r(长度)在环形水槽1内梳流网7的布置内径r₁和布置外径r₂之间，由此能很好满足被测流速仪的校准和安装要求，而所述梳流网7的主要作用是梳流水波，所述内圈防波挡板8均匀布置在环形水槽1的内槽壁上，所述外圈防波挡板9均匀布置在环形水槽1的外槽壁上，所述内圈防波挡板8和外圈防波挡板9与环形水槽1高度相同且与水槽壁面接触点切线所呈的夹角为45～135度，即与水槽壁面接触点切线的垂线之间的夹角小于45度，由此在被测流速仪运动过程中，基本能够避免水波和水波撞击水槽壁面后产生回波，进而较大减轻了被测流速仪运动时对流速测量精度的影响；

所述旋转电机转速检测装置包括第一微电脑计时器10、光电探头11和光电探头反馈点12，所述光电探头反馈点(类似于镜面反射)12安装于旋转臂3的末端，所述光电探头11支撑设置并与光电探头反馈点12处于同一水平高度，所述第一微电脑计时器10与光电探头11电连接用于记录光电探头反馈点12连续两次经过光电探头11时产生的两个脉冲时间差T，以计算旋转臂3末端的线速度即标准流速v；具体地，旋转臂3每旋转一圈，光电探头反馈点12会两次经过光电探头11从而产生两个脉冲，第一微电脑计时器10记录两个脉冲的时间差T，即为旋转臂旋转一圈所需时长T(旋转周期)，则旋转臂的旋转角速度ω＝2π/T，利用现有角速度和线速度的换算关系，得到旋转臂末端的线速度即标准流速v＝ω×r，其中r为旋转臂的长度即旋转半径；检测校准时将被测流速仪安装在流速仪夹具6上，由此检测时，标准流速即为旋转臂末端的线速度；

所述数据采集设备包括摄像头数据采集装置、磁脉冲采集器、第二微电脑计时器和计时器，所述摄像头数据采集装置用于监控被校准超声波流速仪显示界面的显示流速值，所述磁脉冲采集器用于采集被校准旋桨式流速仪、旋杯式流速仪校准中发出的磁脉冲信号个数，所述第二微电脑计时器与磁脉冲采集器连接用于根据采集的磁脉冲信号个数计算被校准旋桨式流速仪、旋杯式流速仪的测量流速，所述计时器用于记录正式的流速仪试验时间；具体地，可将被测超声波流速仪、旋桨式流速仪、旋杯式流速仪通过导线与水外面被测流速仪对应的流速显示装置(即被测流速仪的二次仪表)连接，达到显示流速值监控(对超声波流速仪)或磁脉冲信号个数采集(对旋桨式流速仪、旋杯式流速仪)，所述第二微电脑计时器具体可采用与第一微电脑计时器10相同的方式，即通过两个磁脉冲信号的时间差和获取一定量总数的脉冲信号个数所耗总时长来推算被测流速仪的显示流速。

与现有技术相比，本发明提供的带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统具体检测时，先将环形水槽内注满清水，接着升降电机带动升降杆下降，将升降杆靠近环形水槽水面一端上流速仪夹具装夹的被测流速仪没入水中，然后设置旋转电机转速，使旋转臂末端的线速度达到第一个检测标准流速点，记录被测流速仪的示值，之后重新设置旋转电机转速，以此完成所有预设标准流速点的检测，检测完毕后，旋转电机停止转动，升降电机通过升降杆将被测流速仪从水中升起并进行卸载。本申请通过调节旋转电机频率，测量旋转电机的角速度即转速，利用角速度和线速度的换算关系，得到旋转臂末端的线速度，以达到流速校准的目的；同时采用带有水波消除装置的环形水槽流道后，本校准系统可以极大的减少占地面积，流速仪的检测时间可无限扩展，同时可保证流速的校准检测精度。因此，该校准系统可为那些有流速仪校准需求、但资金和场地均有限的机构提供有效的解决方案，有效避免了现有流速仪校准用直线水槽占地面积过大、投资成本高、不能进行流速仪的长时间一次性流速校准以及现有环形水槽流速检测精度差等问题。

作为具体实施例，请参考图3所示，所述梳流网7的网孔形状为正方形或菱形，即所述梳流网7的横截面呈正方形或菱形的网孔形状分布，由此可尽力使梳流后的水波流动方向与被测流速仪运动方向呈90度，进而大大减少了被测流速仪运动时水波和水波撞击水槽壁面后产生回波的可能。

作为优选实施例，请参考图3所示，所述梳流网7的网孔形状为正方形，因而网孔长度a和宽度b相等，且所述梳流网7的厚度至少是网孔长度或宽度的2倍，而本实施例中采用这样的梳流网结构设计，由此可以梳流水波，尽力使梳流后的水波在各方向上与流速仪线速度运动方向呈90度，最大限度减小水波在线速度方向对旋桨或旋杯的冲击，确保测量校准的准确性。

作为具体实施例，请参考图1所示，所述外圈防波挡板9的数量为4R₂₁且不少于12块，所述内圈防波挡板8的数量为外圈防波挡板数量的60％且不少于12块，其中R₂₁为环形水槽的外径R₂四舍五入取整数后的值，由此可以使内外圈防波挡板数量随环形水槽半径的变化而变化，最大限度的将水波和回波能量耗散在水槽壁面、防波挡板构成的区域及附近，而多余的水波能量由梳流网负责梳流减小；同时，避免了防波挡板布置过密导致的水波不能碰撞壁面、致使防波效果变弱的问题。

作为具体实施例，请参考图1和图2所示，所述环形水槽1的内径R₁、梳流网7的布置内径r₁、旋转臂3的旋转半径r、梳流网7的布置外径r₂和环形水槽1的外径R₂之间依次呈等间距分布，即环形水槽的内径R₁、梳流网的布置内径r₁、旋转臂的旋转半径r、梳流网的布置外径r₂和环形水槽的外径R₂之间均匀分布，由此可以最大限度的拉开被测流速仪距环形水槽内外壁、梳流网距环形水槽内外壁、被测流速仪距梳流网的距离，充分利用水槽内的空间，耗散水波能量，减小水波和水回波对被测流速仪测量精度的影响。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统，其特征在于，包括环形水槽、旋转电机、旋转臂、流速仪固定装置、水波消除装置、旋转电机转速检测装置和数据采集设备；其中，所述旋转电机固定设置在环形水槽中心处的支撑柱顶端，所述旋转臂的首端与旋转电机的电机轴固定连接，所述旋转臂的末端水平设置于所述环形水槽上方；所述流速仪固定装置包括固定在旋转臂上并靠近旋转臂末端设置的升降电机和升降杆夹具，所述升降电机的电机轴通过安装齿轮与升降杆夹具上滑动安装的齿条啮合，所述升降杆夹具的齿条上装夹有水平截面呈船底型的升降杆，所述升降杆靠近环形水槽水面的一端固定有用于装夹被测流速仪的流速仪夹具；所述水波消除装置包括梳流网、内圈防波挡板和外圈防波挡板，所述梳流网呈U型布置于环形水槽内，且所述旋转臂的旋转半径位于梳流网的U型槽内，所述内圈防波挡板均匀布置在环形水槽的内槽壁上，所述外圈防波挡板均匀布置在环形水槽的外槽壁上，所述内圈防波挡板和外圈防波挡板与环形水槽高度相同且与水槽壁面接触点切线所呈的夹角为45～135度，所述外圈防波挡板的数量为4R₂₁且不少于12块，所述内圈防波挡板的数量为外圈防波挡板数量的60％且不少于12块，其中R₂₁为环形水槽的外径R₂四舍五入取整数后的值；所述旋转电机转速检测装置包括第一微电脑计时器、光电探头和光电探头反馈点，所述光电探头反馈点安装于旋转臂的末端，所述光电探头支撑设置并与光电探头反馈点处于同一水平高度，所述第一微电脑计时器与光电探头电连接用于记录光电探头反馈点连续两次经过光电探头时产生的两个脉冲时间差，以计算旋转臂末端的线速度即标准流速；所述数据采集设备包括摄像头数据采集装置、磁脉冲采集器、第二微电脑计时器和计时器，所述摄像头数据采集装置用于监控被校准超声波流速仪显示界面的显示流速值，所述磁脉冲采集器用于采集被校准旋桨式流速仪、旋杯式流速仪校准中发出的磁脉冲信号个数，所述第二微电脑计时器与磁脉冲采集器连接用于根据采集的磁脉冲信号个数计算被校准旋桨式流速仪、旋杯式流速仪的测量流速，所述计时器用于记录正式的流速仪试验时间。

2.根据权利要求1所述的带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统，其特征在于，所述梳流网的网孔形状为正方形或菱形。

3.根据权利要求2所述的带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统，其特征在于，所述梳流网的网孔形状为正方形，且所述梳流网的厚度至少是网孔长度或宽度的2倍。

4.根据权利要求1所述的带有水波消除装置的环形水槽流速仪校准系统，其特征在于，所述环形水槽的内径R₁、梳流网的布置内径r₁、旋转臂的旋转半径r、梳流网的布置外径r₂和环形水槽的外径R₂之间依次呈等间距分布。

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