一种压力信号流量测量装置以及流量测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及实验量测领域，具体涉及一种压力信号流量测量装置以及提高精度的 流量测量方法。
【背景技术】
[0002] 水力学及流体力学是工科院校许多专业的一门主要专业基础课。现代水力学是建 立在实验、理论、计算三大支柱上的，因此，实验是教学环节中不可或缺的内容。其中，孔口 与管嘴出流是该教学领域重要的学习内容之一。在容器垂直壁上开孔，流体经过孔口流出 的流动现象叫孔口出流，其出流条件可以是定水头下的出流或者变水头下出流，可以是流 入空气中，也可以是流入同一介质的流体中。在孔口的周界上安装一个长度约为孔口直径 3~4倍的短管，这样的短管称圆柱形外管嘴。管嘴按其形状可分为：流线型管嘴，柱形外 管嘴，圆锥形管嘴。流体流经该短管，并在出口断面形成满管流，这种流动现象称为管嘴出 流。
[0003] 作为工程上常见的水力设施一一孔口管嘴，与孔口管嘴相关的重要流体力学教学 实验就有孔口管嘴实验和动量定律实验。这2种实验教学仪器国内的活塞式动量定律实 验仪和带移动触头的孔口管嘴实验仪为代表已被国内几百所院校采用，在实际实验教学中 都需要测量多组不同水头下的孔口管嘴出流流量，以验证相关的流体力学基本定律。传统 测定孔口管嘴流量时需要在稳定水头下，用重量法（即通过秒表计时，在孔口管嘴出流的 下游水槽出流口用水筒接取一筒水，并用电子秤称重换算得到水体积，再除以计时时间即 能得到出流流量）或体积法（直接用大的量筒接取出流水，并用秒表计时）去测量孔口管 嘴的出流流量，费时费力，实验环境也容易搞湿搞脏，学生对这类传统的流量测量方法学习 1~2次以后即可达到实验教学目的，不需要对每个流体力学实验都重复这类手工传统的 测量方法，容易浪费宝贵的实验操作时间。同时，传统流量测量方法也无法实时测量孔口管 嘴的出流流量。
[0004] 随着现代量测技术的发展，其他各行业领域的实验仪器在现代量测技术的创新和 应用上已远远领先于流体力学类实验教学仪器。而对于孔口管嘴实验和动量定律实验这类 实验仪器想要实现全面的数字化量测甚至将来实现面向MOOC的网络远程实验，第一步要 解决的就是如何实现孔口管嘴出流流量的数字化实时量测。
[0005] 而这类电测仪表，常常需要实时校验零点，如电子秤称重后，去掉重物就能校验其 零点，而且这种仪器的零点相当稳定。然而，对于管流和水箱出流的流量计而言，由于实验 过程中受温度和流体压力场的影响，因而零点并不是很稳定的。传统的流量计在需要调零 或校验零点的时候，往往需要在管道充满水流的情况下进行关闸，使管内水流静止不动，水 箱初始水位为零的时候才能进行。这对于教学实验来说会中途停止实验操作，重新回到实 验开始的状态下，重新进行实验，非常不方便。因此，能够在实验过程中，不需要关机的情况 下，实时地调零或校验零点非常重要。
[0006] 市面上和公开技术资料显示有很多种有关管道、明渠液体流量测量的现代量测装 置及发明专利，但针对桌面型实验仪器低压水头下的孔口管嘴出流流量还没有什么较好的 高精度数字化实时测量装置。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了一种压力信号流量测量装置，可以方便的数字化精确量测流体力学 基本实验中的动量实验仪和孔口与管嘴实验仪中孔口与管嘴的射流流量，并具有很好的教 学效果。
[0008] 一种压力信号流量测量装置，包括：
[0009] 侧壁带出流口的实验水箱，所述的实验水箱中设有将实验水箱隔成进水工作区和 溢流区的溢流隔板，所述的实验水箱中设有将进水工作区隔成进水区和稳水工作区的稳水 孔板；
[0010] 设置在所述实验水箱内稳水工作区的液气转换测压筒，所述液气转换测压筒的底 部与所述实验水箱的内部空间连通，所述液气转换测压筒的顶部设有连通定位管，该连通 定位管的底面位于所述出流口的中轴水平面上；
[0011] 与所述液气转换测压筒连接，用于检测所述液气转换测压筒内压缩空气与外界空 气压差的流体压差传感器；
[0012] 与所述流体压差传感器连接，用于将流体压差传感器检测到的压差信号转换成出 流口流量的微电脑。
[0013] 本发明中，实验水箱通过水泵充水时，液位会有较大波动的摆动上升，此时测压筒 通过底部进水口会同样进水，但通过底部一个或多个小进水口的稳流过滤进水，能使测压 筒内部水位上升很平稳，测压筒内部空气则会向上通过连通定位管跑掉，随着外部实验水 箱中水位升高并高于测压筒，对应测压筒内水位平稳上升等高触碰到顶部的连通定位管底 平面时，测压筒上部会封闭一段空气柱无法排出，此时测压筒内部水位不再升高，测压筒内 水会从其顶部的连通定位管内流出与实验水箱水体连通。不过由于空气具有可压缩性，但 计算可得测压筒中空气压缩带来的水头高度相对误差有限（〈〇. 12% )，这样，可以认为测 压筒内封闭的压缩空气压力即为水箱中水体相对于孔口与管嘴中轴水平面的作用水头。
[0014] 但是实验水箱液位较高时，筒内液位会产生较高的绝对误差，如测压筒初始密封 空气柱高度3cm，测量2米水头时，就会有0. 5cm的绝对误差。此时即可通过加气复位装置 对液气转换测压筒加气复位，即通过气泵向液气转换测压筒压入空气，使液气转换测压筒 内液面下降脱离连通定位管后，再断开气泵，关闭连通气泵的管路，筒内多余压缩空气会通 过连通定位管向上排掉，精确的保持筒内液气交界面与连通定位管底面同水平面，与孔口 管嘴中轴线同水平面。如此加气复位后即可消除前述空气压缩带来的筒内液位升高误差， 大大提高整个测量装置的精度。
[0015] 实验水箱中稳定水位时，通过电测仪测得基于管嘴与孔口的作用水头压力后，再 用重量法，测得孔口与管嘴的出流流量，可形成一组标定数据。
[0016] 根据孔口与管嘴的物理规律和出流流量公式：
【主权项】
1. 一种压力信号流量测量装置，其特征在于，包括： 侧壁带出流口的实验水箱，所述的实验水箱中设有将实验水箱隔成进水工作区和溢 流区的溢流隔板，所述的实验水箱中设有将进水工作区隔成进水区和稳水工作区的稳水孔 板； 设置在所述实验水箱内稳水工作区的液气转换测压筒，所述液气转换测压筒的底部与 所述实验水箱的内部空间连通，所述液气转换测压筒的顶部设有连通定位管，该连通定位 管的底面位于所述出流口的中轴水平面上； 与所述液气转换测压筒连接，用于检测所述液气转换测压筒内压缩空气与外界空气压 差的流体压差传感器； 与所述流体压差传感器连接，用于将流体压差传感器检测到的压差信号转换成出流口 流量的微电脑。
2. 根据权利要求1所述的压力信号流量测量装置，其特征在于，所述的流体压差传感 器中的一测量口通大气，所述的流体压差传感器中的另一测量口通过导管与所述液气转换 测压筒密封连接，该导管上连接有与大气相通的电控调零气阀。
3. 根据权利要求1所述的压力信号流量测量装置，其特征在于，所述的液气转换测压 筒连接有加气复位装置，所述的加气复位装置包括：气泵，所述气泵的排气嘴与所述液气转 换测压筒内压缩空气连接。
4. 根据权利要求3所述的压力信号流量测量装置，其特征在于，所述的气泵与所述液 气转换测压筒之间的通路上设有电控加气气阀。
5. 根据权利要求1所述的压力信号流量测量装置，其特征在于，所述的连通定位管的 底面为水平面。
6. 根据权利要求1所述的压力信号流量测量装置，其特征在于，所述的稳水孔板高于 所述溢流隔板，所述的稳水孔板低于溢流隔板高度的部分开有多排稳水孔。
7. 根据权利要求1所述的压力信号流量测量装置，其特征在于，所述的实验水箱中进 水区的底部设有进水口，所述的实验水箱中溢流区设有出水口。
8. 根据权利要求1所述的压力信号流量测量装置，其特征在于，所述的溢流隔板上设 有溢流孔，该溢流孔内塞有塞子。
9. 根据权利要求1所述的压力信号流量测量装置，其特征在于，所述的导管插入所述 液气转换测压筒的一端位于所述连通定位管的底面与所述液气转换测压筒的顶面之间，且 高于所述连通定位管的底面。
10. -种提高精度的流量测量方法，其特征在于，采用权利要求4所述的压力信号流量 测量装置，该方法包括： 1) 实验初始，实验水箱尚未进水，对流体压差传感器输出的压差信号进行初始调零； 2) 实验水箱进水，进入实验工作状态需要测量实验流量数据前，先启动气泵和打开电 控加气气阀，将液气转换测压筒内水位压下低于连通定位管的底面后，即可关闭气泵和关 闭电控加气气阀，完成复位操作； 3) 在复位操作后再读取微电脑将流体压差传感器检测到的压差信号转换成出流口流 量的数据，即可得到提高精度后的实验流量数据。
【专利摘要】本发明公开了一种压力信号流量测量装置以及提高精度的流量测量方法，该装置包括：带出流口的实验水箱，实验水箱中设有将进水工作区隔成进水区和稳水工作区的稳水孔板；设置在实验水箱内稳水工作区的液气转换测压筒，测压筒的顶部设有连通定位管，该连通定位管的底面位于出流口的中轴水平面上；用于检测所述液气转换测压筒内压缩空气与外界空气压差的流体压差传感器；用于将流体压差传感器检测到的压差信号转换成出流口流量的微电脑。本发明装置和方法能自动复位和实时调零，提高检测精度，可以方便的数字化精确量测流体力学基本实验中的动量实验仪和孔口与管嘴实验仪中孔口与管嘴的射流流量，并具有很好的教学效果。
【IPC分类】G01F1-36, G09B23-12
【公开号】CN104766513
【申请号】CN201510152116
【发明人】毛欣炜, 毛根海
【申请人】浙江大学, 杭州源流科技有限公司
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月1日