明渠流量测量方法及装置研究

摘要

明渠广泛运用于工业废水、城市污水、农业灌溉及公路排水系统中。目前,国内外对于明渠流量测量广泛采用流速面积法,但该方法测点多,测量时间长,严重影响了测量的效率。针对以上不足,本文研究了明渠断面的流速分布特征,提出了一种新型明渠流量测量方法,并设计了测量装置。
　　为了研究明渠断面流速分布,首先通过Solidworks建立了三维模型,采用CFD方法进行了数值模拟,设置不同的入口流速及壁面粗糙度,研究了壁面粗糙度对流速分布和水深的影响。然后根据计算结果分析了断面流速分布的特点,采用最小二乘法建立了断面流速分布模型,并通过实验验证了模型的可靠性。
　　在建立明渠断面流速分布模型的基础上,提出K修正系数的明渠断面流量测量方法,设计了明渠流量测量装置。装置采用模块化的设计思路,实现了测量系统的硬件和软件设计。在硬件方面设计了PLC控制及其外围电路、特征点定位电路、流速测量电路及液位测量电路,用于断面流速、液位信号的处理;在软件方面设计了 PLC控制软件程序,实现信号采样及数据传输;同时采用LabVIEW设计上位机软件,用于明渠断面流量的计算,并实现可视化的实时监控与数据共享。
　　对设计的装置样机进行实验研究,与堰槽经验公式法及流速面积法测量的结果进行了对比,结果表明该明渠流量测量方法的测量误差优于其他两种方法,可作为明渠流量计的校准装置。
　　最后,针对明渠流量测量不确定度评定的不足,将拟合的流速分布模型引入不确定度评定中,有效的解决了边壁流速盲区、测点和垂线数不足引入的不确定度分量,实现了测量装置的不确定度评定,结果表明该评定方法具有足够的准确性。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 明渠流量测量及流速分布概述

1.3 测量不确定度分析研究现状

1.4 课题的研究目的和内容

1.5 本文的创新点及研究意义

2 总体设计方案

2.1 明渠断面数值模拟总体方案

2.2 K修正系数流量测量方法

2.3 测量装置机械结构总体方案

2.4 系统硬件总体设计

2.5 系统软件总体设计

2.6 小结

3 明渠断面数值模拟

3.1 基本控制方程

3.2 明渠流场模型建立

3.3 网格处理与边界条件的设置

3.4 计算结果分析

3.5 实验数据验证

3.6 小结

4 系统硬件及其电路设计

4.1 传感器选型

4.2 PLC选型及其电路设计

4.3 特征点定位电路

4.4 流速测量电路

4.5 液位测量电路

4.6 小结

5 系统软件设计

5.1 下位机软件总体设计

5.2 上位机软件设计

5.3 小结

6 实验研究及数据分析

6.1 实验平台介绍

6.2 实验研究与数据分析

6.3 总结

7 不确定度分析

7.1 不确定度的分类和评定方法

7.2 流量测量的不确定度分析

7.3 流量测量的不确定度计算

7.4 小结

8 全文总结及展望

8.1 全文总结

8.2 展望

参考文献

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