一种压差式流量计的可视化教学实验系统

1.本发明属于流量计教学实验相关技术领域，尤其涉及一种压差式流量计的可视化教学实验系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.流量计(流量表)是工业测量中最重要的仪表之一，广泛应用于石油天然气、石油化工、水处理、食品饮料、制药、能源、冶金、纸浆造纸和建筑材料等行业。根据所测量介质的成分、密度、浓度、黏度、温度、压力等参数，考虑工程测量要求，选择满足测量精度的流量计。在能源与动力工程专业的相关应用领域，压差式流量计是实际工程中测量水和蒸汽流量常用的节流装置，测量流量的基本原理是：在管道中安装节流装置(孔板)，流束在孔板前方一定距离处开始收缩，在孔板后某距离达到最小截面(缩颈)，接着逐渐扩大到整个管道截面。而对于较高流速的液体或者携带固体颗粒的流体，在孔板后造成的过度压力损失和部件磨损，研究发现圆形漏斗状的喷嘴可明显减少湍流，从而减少压力损失。因此，根据工艺条件对压力要求和测量压差进行优化，选用不同的压差式流量计(孔板流量计、文丘里流量计以及喷嘴流量计)。
4.在流体力学课程的教学过程中，通常在讲授理论知识(伯努利方程、流动损失、孔口出流)的基础上，结合实验课学生自测分析学习的方式，更好地帮助学生掌握压差式流量计(孔板流量计、文丘里流量计以及喷嘴流量计)的工作原理和测量特性。考虑到教学实验课堂时间短、学生数量大、实验室水电安全以及实验操作便利性等方面，不能采用课上更换流量计的方式，目前用于教学的流体力学相关流量检测与控制实验台，通常采用多个不同种类流量计串联或并联的方式主要检测不同流速下流量计的速度系数cv或流量系数cq。为了满足良好的教学展示效果和高精度教学功能，往往需要比工业流量计的安装距离预留更长的直管段，以确保待测流量计的流场均匀和稳定，但是，现有压差式流量计(孔板流量计、文丘里流量计以及喷嘴流量计)的串联实验台往往受限于实验室空间和试验台的构造，无法预留足够长的直管段，并不能保证待测流场的均匀和稳定。压差式流量计(孔板流量计、文丘里流量计以及喷嘴流量计)的并联实验台虽然可以满足预留长直管段的条件，但是测量过程中循环水系统增加了弯头、附加管段等组件，导致整个回路的局部阻力和沿程阻力改变，在同一实验控制条件下，待测流量计的流量有所差异，并且实测也发现流场稳定性难以保证一致。由此可见，现有实验台设计不合理，流场不稳定等因素导致测试精度达不到教学效果，并且实验操作和变流量测试过程复杂，达不到良好的教学展示效果和高精度教学功能。目前尚缺少基于压差流量计(孔板流量计、文丘里流量计以及喷嘴流量计)教学需求的高精度教学实验系统。综上所述，现有技术中尚缺乏用于流体力学实验教学需求的压差式流量计可视化教学实验系统和相关设备。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种压差式流量计的可视化教学实验系统，可以实现三种压差式流量计的切换，准确测量同一流速下，三种流量计的测量特性。
6.为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：一种压差式流量计的可视化教学实验系统，包括，标定台，设置在标定台上的导轨组件，稳压测量组件，水管箱组件，平行设置在导轨组件上的文丘里流量计组件、喷嘴流量计组件和孔板流量计组件；
7.所述稳压测量组件的进口与所述水管箱组件的出口通过管路连接；
8.通过导轨组件的移动使文丘里流量计组件、喷嘴流量计组件、孔板流量计组件分别与稳压测量组件的出口、水管箱组件的进口切换连接。
9.进一步的，所述文丘里流量计组件包括文丘里流量计，用于固定文丘里流量计的第一支撑板，与所述文丘里流量计的水路进口连接的第一文丘里流量计连接管，与所述文丘里流量计的水路出口连接的第二文丘里流量计连接管，在所述第一文丘里流量计连接管、第二文丘里流量计连接管的末端安装有法兰接口；
10.所述喷嘴流量计组件包括喷嘴流量计，用于固定喷嘴流量计的第二支撑板，与所述喷嘴流量计的水路进口连接的第一喷嘴流量计连接管，与所述喷嘴流量计的水路出口连接的第二喷嘴流量计连接管，在所述第一喷嘴流量计连接管、第二喷嘴流量计连接管的末端安装有法兰接口；
11.所述孔板流量计组件包括孔板流量计，用于固定孔板流量计的第三支撑板，与所述孔板流量计的水路进口连接的第一孔板流量计连接管，与所述孔板流量计的水路出口连接的第二孔板流量计连接管，在所述第一孔板流量计连接管、第二孔板流量计连接管的末端安装有法兰接口。
12.进一步的，所述第一文丘里流量计连接管、第一喷嘴流量计连接管、第一孔板流量计连接管的管长、管径相同；所述第二文丘里流量计连接管、第二喷嘴流量计连接管、第二孔板流量计连接管的管长、管径相同。
13.进一步的，所述水管箱组件包括上计量水箱，所述上计量水箱的进口分别与所述文丘里流量计组件、喷嘴流量计组件、孔板流量计组件的水路出口管路连接，所述上计量水箱的出口与下储水箱的进口连接，所述下储水箱的出口通过水泵与所述稳压测量组件的进口通过管路连接。
14.进一步的，所述稳压测量组件包括稳压罐和涡街流量计，所述涡街流量计设置在所述稳压罐的出口管路上，所述稳压罐的出口管路的端口处安装可分别与所述文丘里流量计组件、喷嘴流量计组件、孔板流量计组件连接的法兰接口。
15.进一步的，所述导轨组件包括固定在标定平台上的导轨支撑柱，设置在所述导轨支撑柱顶部的导轨，设置在所述导轨上导轨滑移板上，所述第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板固定在所述导轨滑移板上，且沿所述导轨移动方向等间距设置。
16.进一步的，还包括操控屏，所述文丘里流量计组件、喷嘴流量计组件、孔板流量计组件的测量信号通过测量线缆与所述操控屏电性连接。
17.进一步的，在所述导轨支撑柱的侧面安装有拖链安装板，在所述拖链安装板上安装有固定测量线缆的拖链，拖链连接板的一端与所述导轨滑移板固定连接，所述拖链连接
板的另外一端与所述拖链连接，所述导轨的移动带动所述拖链同步移动。
18.进一步的，所述导轨组件的移动方向与文丘里流量计组件、喷嘴流量计组件和孔板流量计组件的管路方向相垂直。
19.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
20.在本发明中，所提供的教学实验系统满足对比三种压差式流量计即孔板流量计、文丘里流量计以及喷嘴流量计的工作原理和特性的教学要求，优化系统设计方案，确保测量准确性满足教学需求；可以实现三种压差式流量计的切换，准确测量同一流速下，三种流量计的测量特性；采用涡街流量计和体积法分别用于校核流量，引导学生对于测量误差相关的知识点回顾和学习；通过三种压差式流量计即孔板流量计、文丘里流量计以及喷嘴流量计的流动特性对比，引导学生加深理论知识如伯努利方程、流动损失、孔口出流等在实际工程中的应用，掌握高精度选用压差式流量计的原理。
21.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
22.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
23.图1为本发明实施例一中压差式流量计的可视化教学实验系统整体结构轴测图；
24.图2为本发明实施例一中压差式流量计的可视化教学实验系统整体结构主视图；
25.图3为本发明实施例一中压差式流量计的可视化教学实验系统整体结构俯视图；
26.图4为本发明实施例一中文丘里流量计组件轴测图；
27.图5为本发明实施例一中喷嘴流量计组件轴测图；
28.图6为本发明实施例一中孔板流量计组件轴测图；
29.图7为本发明实施例一中稳压测量组件主视图；
30.图8为本发明实施例一中标定台轴测图；
31.图9为本发明实施例一中水箱管组件轴测图；
32.图10为本发明实施例一中管路支撑组件主视图；
33.图11为本发明实施例一中导轨组件轴测图。
34.图中，1、文丘里流量计组件，2、喷嘴流量计组件，3、孔板流量计组件，4、稳压测量组件，5、标定台，6、水箱管组件，7、管路支撑组件，8、导轨组件，9、第一文丘里流量连接管，10、文丘里流量计固定板，11、文丘里流量计转接板，12、第二文丘里流量连接管，13、文丘里流量计，14、法兰接口，15、第一喷嘴流量连接管，16、喷嘴流量计固定板，17、喷嘴流量计转接板，18、第二喷嘴流量计连接管，19、喷嘴流量计，20、第一孔板流量连接管，21、孔板流量计固定板，22、孔板流量计转接板，23、第二孔板流量计连接管，24、孔板流量计，25、第二导轨支撑柱，26、导轨垫板，27、第二导轨滑移板，28、卡箍件，29、导轨，30、第一导轨支撑柱，31、第一导轨滑移板，32、拖链连接板，33、拖链安装板，34、拖链，35、涡街流量计。
具体实施方式
35.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另
有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
36.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
37.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.实施例一
39.如图1-图3所示，本实施例公开了一种压差式流量计的可视化教学实验系统，包括，标定台5，设置在标定台5上的导轨组件8，稳压测量组件4，水管箱组件6，平行设置在导轨组件8上的文丘里流量计组件1、喷嘴流量计组件2和孔板流量计组件3；
40.所述稳压测量组件4的进口与所述水管箱组件6的出口通过管路连接；
41.通过导轨组件8的移动使文丘里流量计组件1、喷嘴流量计组件2、孔板流量计组件3分别与稳压测量组件4的出口、水管箱组件6的进口切换连接。
42.在本实施例中，学生可在水管箱组件6处进行流量的手动测量，其测量的结果与稳压测量组件4的测量结果进行对比，可引导学生对测量误差相关知识点的学习和回顾。另外，通过三种流量计的切换，可以测量同一流速下，三种流量计的测量特征。
43.如图4所示，在本实施例中，文丘里流量计组件1包括文丘里流量计13、与文丘里流量计13的水路进口连接的第一文丘里流量计连接管9、与文丘里流量计13的水路出口连接的第二文丘里流量计连接管12、在第一文丘里流量计连接管9、第二文丘里流量计连接管12的末端安装有榫面法兰接口14。两个榫面法兰接口14的平端端面是文丘里流量计组件1的水路进口和水路出口。
44.具体的，文丘里流量计13通过第一支撑板固定连接，第一支撑板包括两块相互平行的文丘里流量计固定板10，文丘里流量计固定板10所在平面与文丘里流量计转接板11垂直，且文丘里流量计固定板10分别通过螺钉固定在文丘里流量计转接板11的两端。
45.可以理解的是，在文丘里流量计固定板10上开设有可供第一文丘里流量计连接管9、第二文丘里流量计连接管12穿过的孔。
46.文丘里计量计13的作用是测定流体流量，其工作原理是：当流体流经文丘里流量计管道内的节流件时，流速在文丘里节流件出形成局部收缩，导致流速增加，静压差下降，文丘里流量计前后便产生了静压差，流体流量越大，静压差就越大，根据压差来衡量流量。
47.如图5所示，在本实施例中，喷嘴流量计组件2包括喷嘴流量计16、与喷嘴流量计19的进口连接的第一喷嘴流量计连接管15，与喷嘴流量计16的出口连接的第二喷嘴流量计连接管18，在第一喷嘴流量计连接管15、第二喷嘴流量计连接管18的末端安装有榫面法兰接口14。两个榫面法兰接口14的平端端面是喷嘴流量计组件2的水路进口和水路出口。
48.具体的，喷嘴流量计19通过第二支撑板固定连接，第二支撑板包括两块相互平行的喷嘴流量计固定板16，喷嘴流量计固定板16所在平面与喷嘴流量计转接板17垂直，且喷嘴流量计固定板16分别通过螺钉固定在喷嘴流量计转接板17的两端。
49.可以理解的是，在喷嘴流量计固定板16上开设有可供第一喷嘴流量计连接管15、第二喷嘴流量计连接管18穿过的孔。
50.喷嘴流量计19为分段式，其作用是测定流体流量，其工作原理是：根据流体力学的节流原理，当它们流经管道内的喷嘴时，流速将在喷嘴形成局部收缩，从而使流速加快，静
压力降低，于是在喷嘴前后便产生了压力降或叫压差，介质流动的流量愈大，在喷嘴前后产生的压差也就愈大，所以可通过测量压差来测量流体流量的大小。
51.如图6所示，在本实施例中，孔板流量计组件3包括孔板流量计21、与孔板流量计21的进口连接的第一孔板流量计连接管20，与孔板流量计21的出口连接的第二孔板流量计连接管23，在第一孔板流量计连接管20、第二孔板流量计连接管23的末端安装有榫面法兰接口14。两个榫面法兰接口14的平端端面是孔板流量计组件3的水路进口和水路出口。
52.具体的，孔板流量计21通过第三支撑板固定连接，第三支撑板包括两块相互平行的孔板流量计固定板21，孔板流量计固定板21所在平面与孔板流量计转接板22垂直，且孔板流量计固定板21分别通过螺钉固定在孔板流量计转接板22的两端。
53.可以理解的是，在孔板流量计固定板21上开设有可供第一孔板流量计连接管20、第二孔板流量计连接管23穿过的孔。
54.孔板流量计24为管道式，其作用是测定流体流量，其工作原理是：当流体流经孔板流量仪表设备的孔板时，横截面积减小，速度增加，相应的压强减小，并且减小的程度与流动状态的流体速度成正比。所以可以通过检测压差来推算流速，进而计算出流量。
55.如图11所示，在本实施例中，导轨组件8包括两个第一导轨支撑柱30，在两个第一导轨支撑柱30的顶部安装有导轨垫板26，从而形成一个安装座，用于安装和支撑三个流量计组件。导轨29安装在导轨垫板26上，在导轨29上设置有滑块，在滑块上方设置有导轨滑移板31，导轨滑移板31可沿导轨29进行直线往返移动。
56.文丘里流量计转接板11、喷嘴流量计转接板17、孔板流量计转接板22分别通过螺钉固定在导轨滑移板31上。
57.在第一导轨支撑柱30的侧壁上安装有拖链安装板33，拖链安装板33上安装有固定测量线缆的拖链34，拖链连接板32的一端安装在导轨滑移板31上，另外一端与拖链34连接。由于各流量计组件含有测量流量的传感器，需要将传感器的测量信号通过线缆传输给操控屏进行显示，利用拖链对测量线缆进行保护，在导轨的移动下带动拖链同步移动进而实现测量线缆的同步移动。
58.可以理解的是，各流量计组件的连接管长度方向与导轨的移动方向相垂直。
59.如图7所示，在本实施例中，稳压测量组件4包括稳压罐和涡街流量计35，稳压罐放置在稳压罐支架上，稳压罐支架带有脚轮，从而可进行移动调整。涡街流量计35设置在稳压罐的出口管路上，用于测量管路主干路的流量，保证主干路的流量一致，用来和其他三种待测量流量计做对比。在稳压罐的出口管路的端口处安装有榫面法兰接口14，稳压罐出口管路的端口处的榫面法兰接口14可与各流量计组件上的榫面法兰接口14进行连接。
60.其中，稳压罐的作用是保证流量标定系统压力稳定在一定值区域内，另外稳压罐居于高处，高于循环水环路最高点的30厘米以上，以保证排气和稳压作用，从而保证水流内不含气体，减小流体内部气体对流量测定的干扰。
61.如图9所示，在本实施中，水管箱组件包括上计量水箱，上计量水箱的进口分别与第二文丘里流量计连接管12、第二喷嘴流量计连接管18、第二孔板流量计连接管23的出口连接，上计量水箱的出口与下储水箱的进口连接，下储水箱的出口通过水泵与稳压罐的进口通过管路连接。
62.上计量水箱用于储存流量计出口的水，水泵将水从下储水箱将水打出向稳压罐供
水。
63.上计量水箱的进水管的末端安装有榫面法兰接口14，与第二文丘里流量计连接管12、第二喷嘴流量计连接管18、第二孔板流量计连接管23末端处的榫面法兰接口14相配合实现上计量水箱的进水管与第二文丘里流量计连接管12、第二喷嘴流量计连接管18、第二孔板流量计连接管23的可切换连接。
64.如图8所示，标定台为带有脚轮的可移动平台，控制屏用于显示喷嘴流量计的流量以及三种待测压差式流量计在不同流速下的压差，方便学生根据原理进行不同流速下流量计的速度系数cv或流量系数cq计算。
65.在本实施例中，在水路管路上设置有阀门，用于水路管路的通路控制。
66.如图10所示，在本实施例中，还包括管路支撑组件7，管路支撑组件7包括第二支撑柱25、设置在第二支撑柱25顶部的导轨垫板26，设置在导轨垫板26上的导轨29，以及安装在导轨29上的第二导轨滑移板27。
67.具体的，第二支撑柱25为两个，两个第二支撑柱25所连线的方向与两个第一导轨支撑柱30所连线的方向相平行。第二支撑柱25与第一导轨支撑柱30相同均固定在标定台上，与标定台所在平面垂直。
68.在两个第二支撑柱25的顶部安装有导轨垫板26，形成一个安装座，用于安装和固定三个流量计组件。导轨29安装在导轨垫板26上，第二导轨滑移板27与导轨29上的滑块固定连接，第二导轨滑移板27可沿导轨29往返移动。三个卡箍件28安装在第二导轨滑移板27上，第一文丘里流量计连接管9、第一喷嘴流量计连接管15、第一孔板流量计连接管20分别穿过三个卡箍件28，将第一文丘里流量计连接管9、第一喷嘴流量计连接管15、第一孔板流量计连接管20卡柱固定。
69.本实施例所提供的一种压差式流量计的可视化教学实验系统的工作原理是：通过实验台系统设计各组件选型匹配和待测教学流量计安装位置核算，准确控制流量计测试管段的流场均匀，在保证流场均匀一致的前提下，更换测试流量计，保证各待测流量计之间没有流场变化引起的测量结果差异。为了减小各流量计由于系统设置的误差，所以将此流量计标定平台的各流量计组件管长和管径都在设置成等长，每次测量一种流量计组件，只需要滑动导轨，将待测量流量计组件滑动到与稳压测量组件和管路支撑组件的法兰接口对中位置，并将法兰接口连接，形成通路，进行通水测量即可。
70.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。