CN203519638U - 扭秤式流动测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种扭秤式流动测量仪，该扭秤式流动测量仪包括测力装置及数据处理装置，测力装置包括扭丝、平面镜、激光光源、弧度尺、均质球、连杆和基座；扭丝安装在基座上并且绕基座转动；平面镜固定在扭丝中间；连杆与扭丝固定相连，均质球连接到连杆的下部带动扭丝及平面镜偏转；弧度尺上设有多个光敏传感器；平面镜、弧度尺和激光光源位于同一平面内，光敏传感器用于检测激光信号，将激光信号转换为电信号；数据处理装置包括数据传输线及微处理器，电信号通过数据传输线传送至微处理器。本实用新型解决了低流速测量存在精度低的问题，且有成本低，操作方便等优点。

Description

扭秤式流动测量仪

技术领域

本实用新型涉及低流速水体测量装置领域，特别涉及一种扭秤式流动测量仪。

背景技术

水库蓄水后，库前及其支流回水河段水位升高、水流减缓，使得大量泥沙沉积，水体浊度变小、透明度增大、光线的穿透率升高，都有利于浮游藻类的光合作用，促进藻类的生长繁殖，更有利于水华的发生，使得这些低流速河段成为富营养化研究的敏感地区。

据相关研究，水动力学条件的改变可能是库区发生水华的主要诱发因子。水动力条件尤其是其临界流速的测定作为发生水华主要诱发因子加以研究就变得日益重要。不仅如此，水流速度的测量对于研究水流的运动规律和水流泥沙的相互作用机理具有十分重要的意义，因而流速测量技术也受到人们的高度重视。

近年来，随着电子技术和传感技术的迅猛发展，国内外测量水流速度的仪器设备越来越多，如电磁流速仪、超声多普勒流速仪(AcousticDoppler Velocimetry,ADV)、激光多普勒流速仪(Laser DopplerVelocimetry,LDV)、粒子成像测速系统(Particle Image Velocimetry,PIV)等。但该类仪器造价高昂，需要经过专业训练的人进行操作，且不易应用于野外水体。

传统的旋浆式流速仪虽然成本低、操作简单，但由于启动流速较大，并不适用低流速水体的测量，且同时旋浆式流速仪并不能直接指示出水流方向，往往需要测量人员根据经验及测量结果进行估算和分析，影响测量精度。而如今，由于水利工程的兴建，水库库湾区域水体流速往往为毫米级，传统的测量设备不宜使用，因此急需一种成本低廉，操作简单并能够用于低流速下流动测量的仪器。

综上所述，提供一种成本低廉，操作简单并能够用于低流速下流动测量的仪器，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

公开于该实用新型背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本实用新型的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是克服现有技术的缺点，提供一种扭秤式流动测量仪，解决了低流速测量存在精度低的问题，且有成本低，操作方便等优点。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种扭秤式流动测量仪，其包括扭秤测力装置及数据处理装置；所述测力装置包括扭丝、平面镜、激光光源、弧度尺、均质球、连杆和基座；所述扭丝安装在基座上，并且能够绕基座的圆周转动；所述平面镜固定在扭丝中间；所述连杆与所述扭丝固定相连，并且所述均质球能够拆卸地连接到连杆的下部，从而通过所述均质球的移动带动扭丝发生扭转，由此使平面镜偏转；所述弧度尺上设有多个光敏传感器；所述激光光源能够发射激光；所述平面镜、弧度尺和激光光源位于同一平面内，其中所述平面镜将激光光源发射的激光反射到所述弧度尺的光敏传感器上；而所述光敏传感器能够检测激光信号，并且将检测到的激光信号转换为电信号；所述数据处理装置包括数据传输线及微处理器，所述光敏传感器的电信号通过数据传输线传送至微处理器。

进一步地，扭秤式流动测量仪包括流向测定装置；所述流向测定装置包括所述基座、对称翼型管和流向指针；所述基座上设置有流向刻度盘；所述流向指针安装在基座上，能够与刻度盘配合表示流向；所述对称翼型管连接到连杆并且与流向指针固定相连。

进一步地，所述基座外边缘处设置一圈凹槽，凹槽内固定有一圆形滑轨；基座底部中心固定有一转筒，转筒内部具有空心部分，转筒的侧面设置有一细缝，转筒的底端与对称翼型管连接，转筒的顶端与流向指针连接，对称翼型管和流向指针同轴转动，扭丝中间垂直向下设有一卡槽，连杆穿过对称翼型管，再向上穿过转筒以及该卡槽连接扭丝，而连杆向下连接均质球。

进一步地，所述测力装置进一步包括一支架，所述支架为圆形且底部设有滑动支座，能够使支架在圆形滑轨中自由转动，支架沿直径两端各设置有一固定端，各固定端端头设置有卡扣，将扭丝固定在支架上，支架上与扭丝垂直的直径两端上各设置有一支杆，各支杆顶部连接对应的激光光源或弧度尺。

进一步地，所述均质球密度与水体密度ρ相当，均质球悬浮于水体之中且中心与对称翼型管末端距离为5D，其中D为均质球直径。

进一步地，所述连杆为轻质细杆，其密度与水体密度ρ相当。

进一步地，所述扭丝为直径不变的金属或非金属均质材料。

进一步地，所述流向刻度盘设置于所述基座的圆形滑轨上，该流向刻度盘上刻有与转筒同心的顺时针均匀排列的角度刻度，对称翼型管受流动作用而转动，从而带动转筒以及流向指针转动并在流向刻度盘上指示出流动方向。

进一步地，所述对称翼型管密度与水体密度ρ相当，对称翼型管的两端中较大的一端为迎水端，较小的一头为背水端，迎水端封闭，背水端不封闭，转筒与对称翼型管的连接处位于对称翼型管的迎水端，对称翼型管内部设置有细缝并与转筒的细缝底端相接，连杆以及均质球能够在转筒的细缝和对称翼型管的细缝限定的范围内自由摆动。

进一步地，所述微处理器包括接收端、输入端以及输出端；接收端接收数据传输线传输的由光敏传感器转换的电信号，输入端输入已知参数，经过接收端的计算分析，输出端输出所需测量的流速结果。

进一步地，所述输入端输入已知参数为扭丝直径d、扭丝长度m、均质球的直径D、水体密度ρ、水体运动粘度v、扭丝材料的切变模量G、均质球中心至扭丝的直线距离l、弧度尺的半径r以及球体绕阻系数Cd与雷诺数Re关系曲线。

进一步地，测量前所述激光光源通过平面镜照射到弧度尺上，产生位置读数S₁，测量时均质球受到绕流阻力带动扭丝发生扭转，扭丝带动平面镜转动，激光光源照射到弧度尺上的位置发生变化，产生另一个位置读数S₂；扭丝转动角度θ由以下公式计算得出：θ＝(S₂-S₁)/(4r)；扭丝所受的扭矩M由以下公式计算得出：

均质球上的绕流阻力f由以下公式计算得出：

上述公式中，θ为扭丝的扭转角度，采用弧度制，M为扭丝所受的扭矩，f为均质球上的绕流阻力，S₁和S₂为位置读数，r为弧度尺半径，m为扭丝长度，G为扭丝材料的切变模量，l为均质球中心至扭丝的直线距离，I_k为截面抗扭几何特性参数，该参数由公式I_k＝πd⁴/64计算得出，d为扭丝直径。

进一步地，所述扭丝转动角度θ的值在20Δθ～0.2弧度之间，其中Δθ为弧度尺的测量精度，其值由公式Δθ＝Δl/(2r)确定，Δl为弧度尺长度测量精度，r为弧度尺半径。

进一步地，均质球所在点处水体流速u与均质球上的绕流阻力f的对应关系由球体绕阻系数Cd与雷诺数Re关系曲线以及以下公式计算得出：雷诺数Re与均质球所在点处流速u关系公式：Re＝uD/v；均质球上的绕流阻力f的计算公式：

上述公式中，Re为雷诺数，f为均质球上的绕流阻力，D为均质球直径，Cd为球体绕阻系数，ρ为水体密度，A为均质球横截面面积，ν为水体运动粘滞系数，u为均质球所在点处水体流速；通过计算出的均质球上的绕流阻力f能够得到水体流速u，并在微处理器输出端输出。

本实用新型适用于低流速情况下流速流向的测量，其中低流速情况即为水体流速为0～1m/s的范围。

本实用新型的有益效果是：解决了低流速测量存在精度低的问题，且有成本低，操作方便等优点。仪器根据不同流速作用在圆球上的绕流阻力不同，根据卡文迪许的扭秤试验，利用平面镜反射，对小阻力下扭丝的扭转角度进行放大，通过扭丝扭转角度与扭矩的关系及流体力学中绕流阻力与流速的对应关系，计算得出测点处水体流速。

附图说明

图1为本实用新型的扭秤式流动测量仪连接示意图。

图2为本实用新型的扭秤式流动测量仪俯视图。

图3为本实用新型的扭秤式流动测量仪侧视图。

图4为球体绕阻系数与雷诺数的对应关系曲线图。

图5为均质球直径为20cm时均质球上的绕流阻力与均质球所在点处水体流速的对应关系曲线图。

图6为对称翼型管及转筒俯视图。

主要部件符号说明：

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

下面，结合附图对本实用新型的具体实施例进行描述。请参阅图1至图3所示，本实用新型提供一种扭秤式流动测量仪，其主要包括扭秤测力装置及数据处理装置。

其中测力装置包括扭丝1、平面镜2、激光光源3、弧度尺8、均质球6、连杆5和基座16，而数据处理装置主要包括数据传输线17及微处理器12。

扭丝1安装在基座16上，并且能够绕基座16的圆周转动，平面镜2固定在扭丝1中间，连杆5与扭丝1固定相连，并且均质球6连接到连杆5的下部，也可以从连杆5下部拆卸下来，当均质球6连接到连杆5下部时，通过均质球6的移动带动扭丝1发生扭转，由此使平面镜2偏转。

该扭秤式流动测量仪还进一步包括流向测定装置，其可以测定水流的流向。该流向测定装置包括上述基座16、对称翼型管4和流向指针14。基座16上设置有流向刻度盘15，流向指针14安装在基座16上，用于与刻度盘配合表示流向，对称翼型管4则连接到连杆5并且与流向指针14固定相连。

具体地，基座16的外边缘处设置一圈凹槽，凹槽内固定有一圆形滑轨11，支架7为圆形且底部设滑动支座9，可使支架7在圆形滑轨11中自由转动。支架7沿直径两端各设置一个固定端，每一个固定端端头都设置有一个卡扣10，卡扣10将扭丝1固定在支架7上，平面镜2固定在扭丝1中间。支架7上与扭丝1垂直的直径两端上各设置一个支杆13，一个支杆顶部连接激光光源3，另一个支杆顶部则连接弧度尺8，弧度尺8上设有光敏传感器，光敏传感器实际是由多个光敏传感器形成的阵列，并通过数据传输线17连接至微处理器12。

基座16上刻有与转筒同心顺时针均匀排列的角度刻度，具体为流向刻度盘15位于基座16上的圆形滑轨11的内轨道上，该流向刻度盘15上刻有表盘形顺时针均匀角度的刻度。

对称翼型管4连接在转筒18的底端上，转筒18顶端固定在基座16的底部中心位置，对称翼型管4、转筒18以及流向指针14同轴转动，转筒18内部是空心的，且转筒18的一个侧面上设置有一条细缝，扭丝1中间垂直向下设置一个卡槽，连杆5穿过对称翼型管4，并向上穿过转筒18的空心部分再穿过该卡槽从而与扭丝1连接，连杆5向下连接均质球6。

弧度尺8上设有多个光敏传感器，激光光源3用于发射激光，其中，平面镜2、弧度尺8和激光光源3位于同一平面内，参见图1和图3所示，也即弧度尺8通过支杆13连接到支架7上的连接点和激光光源3通过支杆13连接到支架7上的连接点分别位于支架7的同一条直径的两个端点上，且这条直径穿过平面镜2中心，这样，平面镜2就能够将激光光源3发射的激光准确地反射到弧度尺8的光敏传感器上，光敏传感器用于检测激光信号，能够将检测到的激光信号转换为电信号，该电信号通过数据传输线17传送至微处理器12。

均质球密度与水体密度ρ相当，悬浮于水体之中，均质球中心与对称翼型管末端距离为5D，其中D为均质球直径。

连杆5可选取轻质细杆，其密度与水体密度ρ相当，长度视测量水深而定，其上端与扭丝1形成固定，也即连杆5能够带动扭丝1发生扭转，由此使平面镜2偏转，连杆5的下端与均质球6的连接为可拆卸连接，优选地，当均质球6需要安装到连杆5下端时，可以通过攻丝旋入固定。

对称翼型管4的密度与水体密度ρ相当，如图6所示，对称翼型管4的两端中较大一端为迎水端，两端中较小的一端为背水端，转筒18与对称翼型管4的连接处位于则对称翼型管的迎水端，对称翼型管4的迎水端是封闭的，背水端不封闭，有一个小的开口，对称翼型管4的内部有一条细缝，从图6的俯视图上可以看到，转筒18的侧面的细缝底端位于转筒18与对称翼型管4的连接处，并在连接处与对称翼型管4的内部的细缝相接。这种设计方便连接扭丝1及均质球6的连杆5能够在这两个细缝共同限定的范围内受水流作用自由摆动，具体地，连杆5虽然在静止时穿入设置于转筒18内部空心的部分，但是在摆动时并不会被转筒18所限制，因为能够通过转筒18上的细缝摆动出转筒18内部，又由于对称翼型管4的内部也是存在缝隙的，进而能够在对称翼型管4的缝隙中自由摆动。

对称翼型管4的长度视水体测量深度而定，置于水体中时受水流流动作用转动至顺水流方向，并与流向指针14同轴转动，流向指针14在对称翼型管4以及转筒18的带动下转动并在圆形滑轨11的流向刻度盘15上指示出水流方向，实际使用时需要旋转支架7使扭丝与水流方向垂直，且扭丝7转动方向指向水流流向。

数据处理装置中微处理器包括，接收端，输入端，输出端。所述微处理器运行原理如下：接收端接收数据传输线传输的由光敏传感器转换的电信号，输入端输入已知参数，经过接收端的计算分析，输出端输出所需测量的流速结果。

其中，输入端输入已知参数为扭丝直径d，扭丝长度m，均质球的直径D，水体密度ρ，水体运动粘度v，扭丝材料的切变模量G，均质球中心至扭丝的直线距离l，弧度尺的半径r，以及球体绕阻系数Cd与雷诺数Re关系曲线。

接收端的工作原理如下所述：测量前所述激光光源通过平面镜照射到弧度尺上，产生位置读数S₁，测量时均质球受到绕流阻力带动扭丝发生扭转，产生扭转角度θ，扭丝带动平面镜转动。

如图3所示，从激光光源3通过平面镜2反射到弧度尺8的实线部分为平面镜2转动前光线的光路。

再参见图3中所有虚线所示的部分，其表示均质球转动一定角度后，扭丝也发生扭转，带动平面镜2转动，即平面镜2在其与弧度尺8和激光光源3所在的同一平面内转动。

这样使得激光光源发出的激光在平面镜上的入射角发生改变，从激光光源3通过平面镜2反射到弧度尺8的虚线部分为平面镜2转动后光线的光路，从而使激光光源发出的激光照射到弧度尺上的位置发生变化，产生另一个位置读数S₂。

扭丝转动角度θ由以下公式计算得出：θ＝(S₂-S₁)/(4r)；扭丝所受的扭矩M由以下公式计算得出：

均质球上的绕流阻力f由以下公式计算得出：

上述公式中，θ为扭丝的扭转角度，采用弧度制，M为扭丝所受的扭矩，f为均质球上的绕流阻力，S₁和S₂为位置读数，r为弧度尺半径，m为扭丝长度，G为扭丝材料的切变模量，l为均质球中心至扭丝的直线距离，I_k为截面抗扭几何特性参数，该参数由公式I_k＝πd⁴/64计算得出，d为扭丝直径。

然后，微处理器根据球体绕阻系数与雷诺数关系曲线以及以下公式计算分析可得出绕流阻力f与水体流速u的对应关系：雷诺数与流速关系公式：Re＝uD/ν；水体绕流阻力的计算公式：

上述公式中，Re为雷诺数，f为均质球上的绕流阻力，D为均质球直径，Cd为球体绕阻系数，ρ为水体密度，A为均质球横截面面积，ν为水体运动粘滞系数，u为均质球所在点处水体流速。通过计算出的绕流阻力f能够得到均质球所在点处水体流速大小u，并在微处理器输出端输出。

扭丝为金属或非金属均质材料，且直径一旦选定后是不变的，扭丝的切变模量G可由《机械设计手册》（第五版）第1卷常用设计资料中的表1.1-13：常用材料弹性模量及泊松比中查得，并输入微处理器。扭丝转动角度θ的值在20Δθ～0.2弧度之间，其中Δθ为弧度尺的测量精度，其值由公式Δθ＝Δl/(2r)确定，Δl为弧度尺长度测量精度，r为弧度尺半径。如果在测量中发现光源在弧度尺上转动的角度超过上述范围，应更换为其他直径或者其他材料的扭丝，例如之前选定的是一种金属的材料，遇到超过范围的情况可以选择另一种非金属的材料或者改变直径的数值。

下面对利用本实用新型的扭秤式流动测量仪进行流动测量的测量方法的实施例进行具体说明。

本实用新型在实际应用中，适用于水体流速为0～1m/s的范围。当水库建库后，上游支流库湾部分区段流速缓慢，用一般的流速仪难以测量，则这种情况适用于本实用新型提供的扭秤式流动测量仪。用本实用新型提供的测量仪对水库某支流水体进行流动测量的步骤如下：

首先，将连接好的测量仪器固定好，并将圆形滑轨11内轨上的转动流向刻度盘15使刻度的零度角指向预定方向，此时预定方向为正北方向，将对称翼型管4放入水体之中并使支架7大致垂直于主河道方向，即使对称翼型管4大致沿主水流方向，在水流的作用下，对称翼型管4转动并带动流向指针14转动，指向水流方向。此时，旋动支架7，使扭丝1垂直于流向，且支杆13上的激光光源3在水流流向上方，弧度尺8在水流流向下方。读取流向指针14所指流向刻度盘15的刻度，约为8°，即确定水流的流向为主流方向为8°（以北方为零度角，顺时针计算）。

测量区域水体流速在10^-3m/s量级，确定弧度尺8的测量精度为0.5mm，弧度尺8半径为20cm，则通过微处理器12计算可得角度的测量精度为0.000625弧度，则扭丝1转动的最小角度应为0.0125弧度，最大角度为0.2弧度，因此选用直径为2mm，切变模量为48GPa的冷拔纯铜丝作为扭丝1进行测量可满足要求。

从微处理器12的输入端输入参数，即扭丝1直径d为2mm，扭丝1长度m为20cm，均质球6的直径D为2cm，待测水体的温度是20℃，水体密度ρ为998.2kg/m³，水体运动粘度v为0.01007cm²/s，选择扭丝1材料为冷拔纯铜丝，其切变模量G为48GPa，均质球6中心至扭丝1的直线距离l为2m，弧度尺8的半径r为20cm，另外根据如图4所示的球体绕阻系数也即绕流阻力系数与雷诺数之间的对应关系曲线图以及均质球6直径，经处理器12计算可得均质球6直径为20cm时水体绕流阻力与水体流速间的对应关系曲线图5。

开启激光光源3，并调整其入射角度，使未悬挂均质球6的状态下激光反射到弧度尺8上的位置落在光敏传感器感光范围内的起点附近，并启动处理器12，读出此时反射点在弧度尺上3所处的位置为1.2cm，再将均质球6旋入连杆5，放入水中进行测量，均质球6在水体作用下带动扭丝1旋转，待大体稳定后，读出反射点在弧度尺8上所处的位置为8.6cm，处理器根据公式θ＝(S₂-S₁)/(4r)求得θ为0.0925弧度，根据实用新型中所述方法，可求得均质球6上所受水体绕流阻力f为3.5×10^-6KN，根据图5可查得，此时均质球6所处位置的水体流速应为4.468×10^-3m/s，与采用数值方法得到的库湾水体流速量级相当，说明所述测量仪器工作可靠，测量精度很高，可用于低流速水体的流动测量工作。

由以上实施例说明，本实用新型适用于低流动的测量，造价低廉，使用方便，操作简单。

上述实施例是用于例示性说明本实用新型的原理及其功效，但是本实用新型并不限于上述实施方式。本领域的技术人员均可在不违背本实用新型的精神及范畴下，在权利要求保护范围内，对上述实施例进行修改。因此本实用新型的保护范围，应如本实用新型的权利要求书覆盖。

Claims (9)

1.一种扭秤式流动测量仪，其特征在于，其包括测力装置及数据处理装置； 

所述测力装置包括扭丝、平面镜、激光光源、弧度尺、均质球、连杆和基座；所述扭丝安装在基座上，并且能够绕基座的圆周转动；所述平面镜固定在扭丝中间；所述连杆与所述扭丝固定相连，并且所述均质球能够拆卸地连接到连杆的下部，从而通过所述均质球的移动带动扭丝发生扭转，由此使平面镜偏转； 

所述弧度尺上设有多个光敏传感器；所述激光光源能够发射激光；所述平面镜、弧度尺和激光光源位于同一平面内，其中所述平面镜将激光光源发射的激光反射到所述弧度尺的光敏传感器上；而所述光敏传感器能够检测激光信号，并且将检测到的激光信号转换为电信号；所述数据处理装置包括数据传输线及微处理器，所述光敏传感器的电信号通过数据传输线传送至微处理器。 

2.根据权利要求1所述的扭秤式流动测量仪，其特征在于，其进一步包括流向测定装置； 

所述流向测定装置包括所述基座、对称翼型管和流向指针； 

所述基座上设置有流向刻度盘； 

所述流向指针安装在基座上，能够与刻度盘配合表示流向； 

所述对称翼型管连接到连杆并且与流向指针固定相连。 

3.根据权利要求2所述的扭秤式流动测量仪，其特征在于，所述基座外边缘处设置一圈凹槽，凹槽内固定有一圆形滑轨；基座底部中心固定有一转筒，转筒内部具有空心部分，转筒的侧面设置有一细缝，转筒的底端与对称翼型管连接，转筒的顶端与流向指针连接，对称翼型管和流向指针同轴转动，扭丝中间垂直向下设有一卡槽，连杆穿过对称翼型管，再向上穿过转筒以及该卡槽连接扭丝，而连杆向下连接均质球。 

4.根据权利要求3所述的扭秤式流动测量仪，其特征在于，所述测力装置进一步包括一支架，所述支架为圆形且底部设有滑动支座，能够使支架在圆形滑轨中自由转动，支架沿直径两端各设置有一固定端，各固定端端头设置有卡扣，将扭丝固定在支架上，支架上与扭丝垂直的直径两端上各设置有一支杆，各支杆顶部连接对应的激光光源或弧度尺。 

5.根据权利要求3所述的扭秤式流动测量仪，其特征在于，所述均质球密度与水体密度ρ相当，均质球悬浮于水体之中且中心与对称翼型管末端距离为5D，其中D为均质球直径。 

6.根据权利要求3所述的扭秤式流动测量仪，其特征在于，所述连杆为轻质细杆，其密度与水体密度ρ相当。 

7.根据权利要求3所述的扭秤式流动测量仪，其特征在于，所述扭丝为直径不变的金属或非金属均质材料。 

8.根据权利要求3所述的扭秤式流动测量仪，其特征在于，所述流向刻度盘设置于所述基座的圆形滑轨上，该流向刻度盘上刻有与转筒同心的顺时针均匀排列的角度刻度。 

9.根据权利要求3所述的扭秤式流动测量仪，其特征在于，所述对称翼型管密度与水体密度ρ相当，对称翼型管的两端中较大的一端为迎水端，较小的一头为背水端，迎水端封闭，背水端不封闭，转筒与对称翼型管的连接处位于对称翼型管的迎水端，对称翼型管内部设置有细缝并与转筒的细缝底端相接，连杆以及均质球能够在转筒的细缝和对称翼型管的细缝限定的范围内自由摆动。 

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