[实用新型]一种基于作用水头的流量测量装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及实验量测领域，具体涉及一种基于作用水头的孔口和管嘴类流量测量装置。

背景技术

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。

作为工程上常见的水力设施——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。

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。

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。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于作用水头的流量测量装置，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。

一种基于作用水头的流量测量装置，包括：

侧壁带出流口的实验水箱；

设置在所述实验水箱内的液气转换测压筒，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。

本实用新型中，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联通定位管跑掉，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联通定位管底平面时，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联通定位管内流出与实验水箱水体联通。在这类桌面型小水箱中，由于水头不高，不会超过100cm水柱，测压筒中空气压缩带来的水头高度误差非常有限(<0.12％，可以忽略)，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。

实验水箱中稳定水位时，通过压差测量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。

根据孔口与管嘴的物理规律和出流流量公式：