CN114279617A - 一种水工模型试验动水压力精确量测的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水工模型试验动水压力精确量测的装置及方法，该测量装置包括供水循环系统、测量系统和数据采集系统。使用者可以通过带有分化刻度的测压管直接读取水面高度，方便快捷，也可以采用数据采集系统可以对多组动水压力信号进行自动采集，减少人力成本，相比传统测量方式，具有测量精准、智能化程度高、操作简易、测量范围广等优点。测压管底部设置弹簧式排气阀，可以对带有水柱或者气泡的测压管进行排气，避免了传统测压管中气体排气不畅造成的测量误差。

Description

一种水工模型试验动水压力精确量测的装置及方法

技术领域

本发明属于水工水力学领域，具体的是一种水工模型试验动水压力精确量测的装置及方法。

背景技术

水工模型试验是指在比尺缩小的模型中复演与原型相似的水流，进行水工建筑物各种水力学问题研究的试验技术。其中，布置测试系统中，动水压强的量测是必不可少的关键环节，关系到相关水工建筑的安全设计和布置等。

目前，水工模型试验中动水压强的量测基于连通器原理，一般采用测压管量测，包括测压管布设、压强测读和数据整理等步骤。如此，能得到水工建筑物的压强沿程分布关系。但这种方法存在一定的缺陷，首先，试验前常需要对每根测压管进行排气处理，尤其是冬天常规的排气方法对于气体排出的效果并不明显，会造成明显的测量误差，其次，水流紊动会导致测压管凹液面最低处的上下紊动，读取时很难找到最准确的读取位置，造成一定的误差，再次，一般建筑物都需要布置较多的测点，人工读取数据时需要一定的时间周期挨个依次读取，这样不仅费时费力，而且流出的水流经常不能及时回到水库影响恒定流的形成，造成量测误差。

发明内容

本发明提供了一种水工模型试验动水压力精确量测的装置及方法，用以解决背景技术中提出的技术问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种水工模型动水压力精确量测的装置，所述测量装置包括供水循环系统、测量系统和数据采集系统；

所述供水循环系统包括平水塔、水箱、模型主体、尾水渠、回水渠、量水堰、地下回流系统和水泵；所述平水塔通过导水管对水箱进行供水，所述模型主体的一端连接水箱，另一端通过尾水渠、回水渠连接量水堰，所述水箱内的水依次通过模型主体、尾水渠、回水渠和量水堰后到达地下回流系统，所述水泵的下端进水口与地下回流系统连接，上端出水口与平水塔连接；

所述测量系统为多个测压管组成的测压管列阵，多个所述测压管竖向设置，底部设有弹簧式排气阀，并通过连接管并列安装在所述模型主体上；

所述数据采集系统包括压力变送器和无纸记录仪；在所述模型主体上间隔一定距离安装若干压力变送器，所述压力变送器通过数据线与无纸记录仪连接，所述无纸记录仪将采集的动水压力信号通过USB信号线输入至电脑终端。

进一步地，所述弹簧式排气阀的内腔为排气阀腔体，所述排气阀腔体内设有滚珠、按钮杆和复位弹簧；所述弹簧式排气阀的一端为进水口，所述进水口与排气阀腔体连通，靠近所述进水口处设有复位弹簧，所述复位弹簧的一端设有滚珠并连接按钮杆。

垂直于所述排气阀腔体的正下方位置设有排气口，所述排气口与排气阀腔体连通；垂直于所述排气阀腔体的正上方位置设有空心螺纹管，所述空心螺纹管与排气阀腔体连通。

进一步地，所述测压管的底部设有与空心螺纹管相适配的螺纹接口，并通过螺纹连接的方式与弹簧式排气阀固定；所述测压管的管壁上设有刻度尺。

进一步地，还包括有接口螺栓，所述模型主体为压力管，在所述压力管的同侧位置间隔均匀的开设多个观测孔，并通过所述接口螺栓与连接管连接。

进一步地，各所述压力变送器均设置在观测孔的一侧，数量与观测孔相同。

进一步地，所述接口螺栓包括螺纹端和非螺纹端；所述接口螺栓的螺纹端与压力管上的观测孔螺纹连接，非螺纹端与连接管连接。

进一步地，所述连接管为橡胶软管。

一种水工模型动水压力精确量测的方法，包括如下几个步骤：

S1. 测压管排气：

S1-1. 当测压管中有气柱或者气泡时，按压弹簧式排气阀一端的按钮杆，复位弹簧在推力的作用下被压缩，滚珠也被按钮杆推动向排气阀腔体的另一端移动；

S1-2. 当滚珠移动至排气阀腔体的另一端且靠近进水口处时，从进水口过来的水被滚珠堵住，同时排气阀腔体下端的排气口打开，测压管中的水柱在重力作用下通过排气口流出；

S1-3. 当测压管中没有气柱或者气泡时，缓慢松开按钮杆，滚珠在复位弹簧的弹力作用下移动至初始位置，此时排气口关闭而进水口被打开，水体再次通过进水口流入测压管；

S2. 动水压力测量：

打开水泵，并调节水泵阀门控制水流，待水流稳定后读取下游矩形量水堰的测针对数，并绘制水位-流量特征曲线；观察水箱刻度和模型主体内的水流流态，使得水流形成稳定恒定流；

S3. 试验水回流：

试验结束，关闭阀门和水泵，模型主体、尾水渠和回水渠内多余的水回流至地下回流系统中。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、用户可以根据需求在模型主体上设置多个观测孔，包括横向、纵向或者各个不同位置的，并通过带有分化刻度的测压管直接读取各测压管的水面读数。也可以采用数据采集系统对各个观测孔处的动水压力信号进行自动采集，无需人工读取各测压管的水面读数，减少人力成本，也可以根据需求设置不同的数据采样时间。相比人工读取数据并测量的方法，具有测量精准、操作简单、测量范围广等优点。

2、测压管中的水在表面张力的作用下易形成隔断气泡或气柱，使用者通过弹簧式排气阀对测压管进行排气处理，避免因测压管中存在气柱或气泡造成测量误差。同时，各测压管底部均设有该弹簧式排气阀，使用者可以根据现场情况选择仅对带有气泡的测压管进行排气处理，而无需对所有测压管进行统一排气，具有高效率、易操作、省时省力等优点。

3、弹簧式排气阀结构简单，操作方便。当测压管中有气柱或者气泡时，按压弹簧式排气阀一端的按钮杆，复位弹簧在推力的作用下被压缩，滚珠也被按钮杆推动向排气阀腔体的另一端移动，当滚珠移动至排气阀腔体的另一端且靠近进水口处时，从进水口过来的水被滚珠堵住，同时排气阀腔体下端的排气口打开，测压管中的带有气泡的水柱在重力作用下通过排气口流出。

4、模型主体的一端连接水箱，另一端通过尾水渠、回水渠连接量水堰。水箱内的水依次通过模型主体、尾水渠、回水渠和量水堰后到达地下回流系统，避免因水流不能及时回到水库，从而影响恒定流的形成，造成的测量误差。

附图说明

图1为供水循环系统的示意图；

图2为弹簧式排气阀的结构示意图；

图3为接口螺栓的结构示意图；

图4为测压管连接弹簧式排气阀的示意图；

图5为测试系统的示意图；

图中，1、平水塔，2、水箱，3、模型主体，4、测压管列阵，5、尾水渠，6、回水渠，7、量水堰，8、地下回流系统，9、水泵，10、弹簧式排气阀，11、测压管，12、连接管，13、接口螺栓；

10-1、进水口，10-2、复位弹簧，10-3、空心螺纹管，10-4、滚珠，10-5、排气口，10-6、按钮杆，11-1刻度尺。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种水工模型动水压力精确量测的装置，所述测量装置包括供水循环系统和测量系统。

如图1所示，所述供水循环系统包括平水塔1、水箱2、模型主体3、尾水渠5、回水渠6、量水堰7、地下回流系统8和水泵9。所述平水塔1放平后通过导水管对水箱2进行供水，所述模型主体3的一端连接水箱2，另一端通过尾水渠5、回水渠6连接量水堰7，所述量水堰7为矩形量水堰。所述水箱2内的水依次通过模型主体3、尾水渠5、回水渠6和量水堰7后到达地下回流系统8，所述水泵9的下端进水口与地下回流系统8连接，上端出水口通过导水管与平水塔1的底部连接，最终达到供水循环的目的。

如图2-5所示，所述测量系统为多个测压管11组成的测压管列阵4，多个所述测压管11竖向设置，底部设有弹簧式排气阀10，并通过连接管12并列安装在所述模型主体3上。

如图2所示，所述弹簧式排气阀10的内腔为排气阀腔体，所述排气阀腔体内设有滚珠10-4、按钮杆10-6和复位弹簧10-2。所述弹簧式排气阀10的一端为进水口10-1，所述进水口10-1与排气阀腔体连通，靠近所述进水口10-1处设有复位弹簧10-2，所述复位弹簧10-2的一端设有滚珠10-4并连接按钮杆10-6。垂直于所述排气阀腔体的正下方位置设有排气口10-5，所述排气口10-5与排气阀腔体连通。垂直于所述排气阀腔体的正上方位置设有空心螺纹管10-3，所述空心螺纹管10-3与排气阀腔体连通。

所述测压管11采用有机玻璃材料制成，测压管11的底部设有与空心螺纹管10-3适配的螺纹接口，并通过螺纹连接的方式与弹簧式排气阀10固定。所述测压管11的管壁上设有刻度尺11-1，分化mm刻度，满足常规试验需求。

应理解，图5中所示的测压管11安装方式为多种实施例中的一种。所述模型主体3为压力管，试验开始后管道为满管水流，管道内壁承受试验水流的压力，为了观测模型主体3不同测点管道的动水压力，用户根据试验需求在模型主体3的不同位置开设观测孔，在观测孔处设置接口螺栓13并安装测压管列阵4。

如图3所示，所述接口螺栓13包括螺纹端和非螺纹端。所述接口螺栓13的螺纹端与压力管上的观测孔螺纹连接，用于安装测压管11，非螺纹端与连接管12连接。所述连接管12为橡胶软管，高耐磨性、高弯曲度、强度高不易变形。

该水工模型动水压力精确量测的装置，可以根据用户需求设置多个观测孔，包括横向、纵向或者各个不同位置的，并通过带有分化刻度的测压管11直接读取各测压管11的水面读数。各测压管11底部均设置弹簧式排气阀10，可以对带有气柱或者气泡的测压管11单独进行排气，而无需对所有测压管11统一进行排气，具有高效率、易操作、省时省力等优点。

作为本发明的进一步优选方案：所述测量装置还包括数据采集系统，包括压力变送器和无纸记录仪。在所述模型主体3上间隔一定距离安装若干压力变送器，具体位置为安装在观测孔的一侧，数量与观测孔相同。所述压力变送器通过数据线与无纸记录仪连接，所述无纸记录仪将采集的动水压力信号通过USB信号线输入至电脑终端。

应理解，压力变送器和无纸记录仪均为现有技术，其通过数据线连接的方式同样已被公开，这里不做赘述。

使用者可以选择根据分化刻度的测压管11快速便捷的读取各测压管11的水面读数，进而通过基准面确定测压管水头，并根据测点高程推算出各测点的时均动水压强。也可以选择采用数据采集系统对各个观测孔处的动水压力信号进行自动采集，无需人工读取各测压管的水面读数，减少人力成本，也可以根据需求设置不同的数据采样时间。相比人工读取数据并测量的方法，具有测量精准、操作简单、测量范围广等优点。

一种水工模型动水压力精确量测的方法，包括如下几个步骤：

S1. 测压管注水排气：

S1-1. 当测压管中有气柱或者气泡时，按压弹簧式排气阀一端的按钮杆，复位弹簧在推力的作用下被压缩，滚珠也被按钮杆推动向排气阀腔体的另一端移动。

S1-2. 当滚珠移动至排气阀腔体的另一端且靠近进水口处时，从进水口过来的水被滚珠堵住，同时排气阀腔体下端的排气口打开，测压管中的水柱在重力作用下通过排气口流出。

S1-3. 当测压管中没有气柱或者气泡时，缓慢松开按钮杆，滚珠在复位弹簧的弹力作用下移动至初始位置，此时排气口关闭而进水口被打开，水体再次通过进水口流入测压管。

S2. 动水压力测量：

打开水泵，并调节水泵阀门控制水流，待水流稳定后读取下游矩形量水堰的测针对数，并绘制水位-流量特征曲线。观察水箱刻度和模型主体内的水流流态，使得水流形成稳定恒定流。

S3. 试验水回流：

试验结束，关闭阀门和水泵，模型主体、尾水渠和回水渠内多余的水回流至地下回流系统中。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种水工模型动水压力精确量测的装置，其特征在于，所述测量装置包括供水循环系统、测量系统和数据采集系统；

所述供水循环系统包括平水塔、水箱、模型主体、尾水渠、回水渠、量水堰、地下回流系统和水泵；所述平水塔通过导水管对水箱进行供水，所述模型主体的一端连接水箱，另一端通过尾水渠、回水渠连接量水堰，所述水箱内的水依次通过模型主体、尾水渠、回水渠和量水堰后到达地下回流系统，所述水泵的下端进水口与地下回流系统连接，上端出水口与平水塔连接；

所述测量系统为多个测压管组成的测压管列阵，多个所述测压管竖向设置，底部设有弹簧式排气阀，并通过连接管并列安装在所述模型主体上；

所述数据采集系统包括压力变送器和无纸记录仪；在所述模型主体上间隔一定距离安装若干压力变送器，所述压力变送器通过数据线与无纸记录仪连接，所述无纸记录仪将采集的动水压力信号通过USB信号线输入至电脑终端。

2.根据权利要求1所述的一种水工模型动水压力精确量测的装置，其特征在于，所述弹簧式排气阀的内腔为排气阀腔体，所述排气阀腔体内设有滚珠、按钮杆和复位弹簧；所述弹簧式排气阀的一端为进水口，所述进水口与排气阀腔体连通，靠近所述进水口处设有复位弹簧，所述复位弹簧的一端设有滚珠并连接按钮杆；垂直于所述排气阀腔体的正下方位置设有排气口，所述排气口与排气阀腔体连通；垂直于所述排气阀腔体的正上方位置设有空心螺纹管，所述空心螺纹管与排气阀腔体连通。

3.根据权利要求1所述的一种水工模型动水压力精确量测的装置，其特征在于，所述测压管的底部设有与空心螺纹管相适配的螺纹接口，并通过螺纹连接的方式与弹簧式排气阀固定；所述测压管的管壁上设有刻度尺。

4.根据权利要求1所述的一种水工模型动水压力精确量测的装置，其特征在于，还包括有接口螺栓，所述模型主体为压力管，在所述压力管的同侧位置间隔均匀的开设多个观测孔，并通过所述接口螺栓与连接管连接。

5.根据权利要求4所述的一种水工模型动水压力精确量测的装置，其特征在于，各所述压力变送器均设置在观测孔的一侧，数量与观测孔相同。

6.根据权利要求4所述的一种水工模型动水压力精确量测的装置，其特征在于，所述接口螺栓包括螺纹端和非螺纹端；所述接口螺栓的螺纹端与压力管上的观测孔螺纹连接，非螺纹端与连接管连接。

7.根据权利要求6所述的一种水工模型动水压力精确量测的装置，其特征在于，所述连接管为橡胶软管。

8.一种水工模型动水压力精确量测的方法，基于如权利要求1-7所述的任意一种水工模型动水压力精确量测的装置，其特征在于，包括如下几个步骤：

S1. 测压管排气：

S1-1. 当测压管中有气柱或者气泡时，按压弹簧式排气阀一端的按钮杆，复位弹簧在推力的作用下被压缩，滚珠也被按钮杆推动向排气阀腔体的另一端移动；

S1-2. 当滚珠移动至排气阀腔体的另一端且靠近进水口处时，从进水口过来的水被滚珠堵住，同时排气阀腔体下端的排气口打开，测压管中的水柱在重力作用下通过排气口流出；

S1-3. 当测压管中没有气柱或者气泡时，缓慢松开按钮杆，滚珠在复位弹簧的弹力作用下移动至初始位置，此时排气口关闭而进水口被打开，水体再次通过进水口流入测压管；

S2. 动水压力测量：

打开水泵，并调节水泵阀门控制水流，待水流稳定后读取下游矩形量水堰的测针对数，并绘制水位-流量特征曲线；观察水箱刻度和模型主体内的水流流态，使得水流形成稳定恒定流；

S3. 试验水回流：

试验结束，关闭阀门和水泵，模型主体、尾水渠和回水渠内多余的水回流至地下回流系统中。

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