液气转换测压装置和实验用带同步电测数显的测压装置

摘要

本发明公开了一种液气转换测压装置和实验用带同步电测数显的测压装置，液气转换测压装置包括：带有连通定位管的测压筒，所述连通定位管从所述测压筒的顶部插入，所述连通定位管的一端位于所述测压筒内且该端切面为水平面，另一端位于所述测压筒外；与所述测压筒连接，用于检测所述测压筒内压缩空气与外界空气压差的压差传感器。实验用带同步电测数显的测压装置包括：液气转换测压装置；测压管；设置在所述测压管周围用于标定所述测压管内液位的直尺。本发明可广泛替代流体力学水力学基本实验中量测水头压强的传统测压管，巧妙的应用了流体力学基本原理，很好的统一了传统量测手段与现代量测技术，兼具极佳的教学效果。

说明书

技术领域

本发明涉及实验量测领域，具体涉及一种液气转换测压装置和实验用带 同步电测数显的测压装置。

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，测压管是水力学及流体力学实验过程中最为常用的压 强量测仪器之一，它是最简单的一种液柱式压力计，用一直径8-10mm的透 明直玻璃管，管的下端与量测点通过软管密封连接，管的上端开口与大气相 通，据测压管中液柱上升的高度，就可得到该点的压强。在教学实验中液体 通常为水，即测压管水头，它是以测压管水面到基准面的高度表示的单位重 量水的总势能。因此，测压管通常安装在测压架上，测压管水头高度会用在 测压管上标刻度线，测压架上铺设坐标纸或在测压架上固定刻度尺形式，通 过人眼手工测量水柱高度。并且，这类实验教学用测压管高度一般都在100cm 以内测量低压水头为主。

随着现代量测技术的发展，流体力学类实验教学仪器也引入应用了不少。 比如对需要用到测压管测压的地方，国内外这类实验教学仪器都直接用压力 传感器取代配合压力变送器和表头来测量。但作为学生教学实验仪器，我们 始终认为，像测压管这类传统最为常用压强量测仪器的使用，是学生实验教 学中应该学习掌握的基本知识，不可或缺，但同时也应该学习现代量测技术， 并可用更精准的现代量测仪器去校准人眼手测的误差，从而在对比中提高传 统的基本实验动手能力。

因此配备现代量测技术的测压管应该是这样的，它既能对实验某测压点 用传统的测压管人眼手工测量水头高度，又能同步通过相连的压力传感器配 合压力变送表头实时数显测压管水头值。这种带同步数显的测压管市场上却 找不到，也未有什么设计方案，其中涉及的几个问题可能比较难很好解决：

(1)测压管是通过架子固定竖直立在实验台上，测压管的刻度标尺也 同样如此，其标尺零点悬空在靠近实验台面的某个位置高度，并且每台还会 随安装位置高低，相对实验台面有上下偏差，如何让测压管标尺悬空的高程 零点(测压管水头基准零位高程)与压差传感器测量的压差零点准确的保持 等零位是个难点。

(2)若传感器测压端与水体测压点直接相连通，因为传感器的压力是 通过水体传送的，传感器端接口端是密封的，内有密封空腔，很难彻底排空 空气，残留微小气泡，连通管中的有压水柱不能直接作用在传感器的压力芯 片上，又由于传感器内的压力传递通道很细小，因而在液气交界面上会产生 很大的表面张力，其值可达到1-5厘米水柱，甚至更大，对通常100cm内的实 验用测压管低压水头，压力测量误差可达10％以上。

发明内容

本发明提供了一种液气转换测压装置和实验用带同步电测数显的测压 装置，可广泛替代流体力学水力学基本实验中量测水头压强的传统测压管， 巧妙的应用了流体力学基本原理，很好的统一了传统量测手段与现代量测技 术，兼具极佳的教学效果。

一种液气转换测压装置，包括：

带有连通定位管的测压筒，所述连通定位管从所述测压筒的顶部插入， 所述连通定位管的一端位于所述测压筒内且该端切面为水平面，另一端位于 所述测压筒外；

与所述测压筒连接，用于检测所述测压筒内压缩空气与外界空气压差的 压差传感器；

所述的压差传感器中的一测量接口通大气，所述的压差传感器中的另一 测量接口通过导管与所述测压筒密封连接；

所述的导管插入所述测压筒的一端位于所述连通定位管的底面与所述 测压筒的顶面之间，且高于所述连通定位管的底面。

本发明液气转换测压装置，在需要测量基于水箱某设定的零高程作用水 头时，测压筒可垂直安装、粘接固定于待测的水箱内部或外部水箱壁上。

在配合测压管测量测点水头压强时，测压筒与测压管一起水平放置在调 平好的桌面上。测压筒顶面高度高于零高程水平面约1cm左右。联通定位管 插入测压筒顶面深度约1cm，其底面切口水平，并在固定位置后，保持与设 定的零高程水平面同平面，作为零高程定位使用。

所述的测压筒的底部设有进水口。测压筒侧壁下部接近底面开有进水口， 可密封外接通水软管连接到待测的实验管道、水箱等测压点上。测压点都是 通水的，连接测压筒后，水从底部侧壁进水口进入测压筒内部，当水位到达 顶部联通定位管底面水平面后，水位不再上升，水会进入联通定位管。

一种实验用带同步电测数显的测压装置，包括：

带有连通定位管的测压筒，所述连通定位管从所述测压筒的顶部插入， 所述连通定位管的一端位于所述测压筒内，另一端位于所述测压筒外；

与所述连通定位管在所述测压筒外的一端连接的测压管；

设置在所述测压管周围用于标定所述测压管内液位的直尺；

与所述测压筒连接，用于检测所述测压筒内压缩空气与外界空气压差的 压差传感器。

本发明中，测压筒侧壁下部接近底面开有一个测压进水管口，可密 封外接通水软管连接到待测的实验管道、水箱等测压点上。测压点都是 通水的，连接测压筒后，水从底部侧壁进水口进入测压筒内部，当水位 到达顶部联通定位管底面水平面后，水位不再上升，水会进入联通定位 管，接着进入测压管，形成测压管水柱，待水柱高度稳定后标尺读取的 数值即为测压点相对零参考水平面的水头压强。而在测压筒的联通定位 管底面水平面到其顶部则会密封一段空气柱，由于联通定位管底面水平 面与测压架标尺零点的水平面同平面，所以，该段密封压缩空气柱压强 即为测压管水头压强加大气压强之和。

为了测量该段密封压缩空气柱压强，可在测压筒上部空气柱高度部分密 封插入一根通气管(可以从顶部插入，也可从上部侧壁插入)，通气管底面 别碰到筒内最高水面即可，通气管留在测压筒外部约1cm左右可密封外接空 心通气测压软管，测压软管另一端密封套在测压管电测数显仪的压差传感器 一个测量接口上(当然不通过通气测压软管连接，直接将压差传感器的测量 接口管密封插入测压筒上部空气柱中，测量测压筒上部压缩的气柱压强也 可)，压差传感器另一个测量接口直接通大气，压差信号最后送入压力变送 器数显表头显示出测点相对大气压的压强值，实际即为测压管水头压强，即 测压管水柱标尺读值。

当然，上述这样的测压筒结构会随着密封空气柱的压缩，实际测压筒内 部水位会略高于联通定位管底面参考零高程，假设其差值为Δh，在此我们 可以计算分析一下其误差对这个测量装置有多大影响。对于桌面型流体力学 水力学实验的测压管水头高度都是1m以下的低压水头，若达1m测压管水 头时，会产生最大绝对误差，假设密封空气柱未压缩前体积为V₁，压缩后体 积为V₂，计算如下：

根据气体方程可知，PV/T＝nR，气体P压力(空气就是大气压)，V为 空气体积，T为空气的开氏温度(273.15+摄氏度)，n为空气物质的量(摩尔 数)，R为气体常数。

对于测压筒内密封空气柱，T，n，R均为固定值不变；

已知，初始未压缩前P₁＝1个大气压＝1000cm水柱，密封空气柱高度 h＝1cm；

压缩后P₂＝1000cm水柱+100cm水柱＝1100cm水柱；

P₁×V₁＝P₂×V₂；

P₁×h＝P₂×(h-Δh)；

计算绝对误差：Δh＝h-P₁×h/P₂＝0.091cm；

相对误差＝Δh/测压管水柱高度＝0.091/100＝0.091％；

当测压管水柱为1cm时，P₂＝1001cm水柱，

绝对误差：Δh＝0.000999cm，相对误差为：0.0999％

由上计算可知，这种空气压缩带来的误差远远小于系统的设计误差1级 精度，在0～100cm水柱低压测量范围内，绝对误差最大也小于0.91mm，完 全可以忽略。根据上述计算，也可得到测压筒设计时，顶部插入的联通定位 管底面与测压筒顶面距离高度越小，误差越小，留有1cm距离误差已小于千 分之一，足够。

若再考虑连接的通气测压管中压缩空气误差，计算如下：一般通气测压 管长度<100cm，内径约2mm，考虑长度100cm，测压管最大水头100cm水 柱时的最大误差，设通气测压管中压缩减小的体积为ΔV，则根据前面的气 体方程可知，

ΔV＝V₁-V₂＝V₁-(P₁/P₂×V₁)；

＝3.14×0.1²×100-1000/1100×3.14×0.1²×100；

＝0.29cm³；

对于4cm直径的圆柱体测压筒，会让前述Δh误差增大0.02cm，总体误 差也才0.111％。

综上，在上述设计测压筒结构中，空气压缩体积变化带来的测压管水头 压强值测量误差最大才千分之一级别，相对本教学实验仪器1级精度标称而 言，完全可以忽略。

作为优选，所述的连通定位管的底面与所述直尺的零刻度同水平面。通 过使联通定位管底面与测压管标尺零点同水平面，可自动确定压差传感 器测量的相对大气压的压差零点与测压管标尺悬空的高程零点(测压管水头 基准零位高程)保持等零位。

作为优选，所述的测压管的顶部设有用于通大气的开口，所述的测压管 的底部通过软管与所述连通定位管连通。

作为优选，所述的测压筒的底部设有进水口。

作为优选，所述的实验用带同步电测数显的测压装置，还包括：固定支 架，所述的测压管和直尺均安装在所述固定支架上。

进一步优选，所述的直尺上设有长形孔，该直尺通过螺丝与该长形孔配 合固定在所述固定支架上，该螺丝处于拧松状态时，可在长形孔内滑动，从 而调整直尺在固定支架上的位置，从而方便调整直尺的零刻度与连通定位管 的底面同水平面。

作为优选，所述的压差传感器中的一测量接口通大气，所述的压差传感 器中的另一测量接口通过导管与所述测压筒密封连接。

进一步优选，所述的导管插入所述测压筒的一端位于所述连通定位管的 底面与所述测压筒的顶面之间，且高于所述连通定位管的底面。

作为优选，所述的实验用带同步电测数显的测压装置，还包括：与所述 压差传感器连接的压力变送器数显表头。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

相对传统测压管，本发明巧妙的通过带有联通定位管结构的测压筒 配合压差传感器等现代量测仪表，为传统的测压管水头测压配置了高精 度同步实时数显测量系统。它能集成到各种流体力学水力学实验教学仪器中， 既能让学生对比学习传统测压方法与现代量测技术，还让学生进一步学习流 体力学理论知识配合现代量测技术在实验装置中的创新应用，是能够真正对 学生实验教学有帮助的测量装置。

通过测压筒的液气稳压转换技术，对于实验台上常规1m以内低压 水头的量测，避免了液体直接与压力传感器密闭连接管接触时由于存在 很难排空的小气泡引起的液体粘滞力带来的几乎10％级别的压力误差。 大大提高了1m水头下的常规流体压力传感器在低压水头压力下的液体 压力检测精度。同时还避免了液体与传感器长时间接触易带来的对传感 器的腐蚀，提高了传感器使用寿命和长时间使用的精度。

创新应用流体力学原理，设计了测压筒中的联通定位管，既可将测 压点压强通过密封水路传压到传统测压管中，形成测压管水柱，又能通 过密封气路传压给压差传感器，方便直接的电测得到相对零高程的相对 大气压压强。并且，通过使测压筒顶部的联通定位管底面与测压管标尺 零点同水平面，可自动确定压差传感器测量的相对大气压的压差零点与测 压管标尺悬空的高程零点(测压管水头基准零位高程)保等零位，解决了传 统测压管配置数显测压表时难以统一基准零点的难题。

为保障测压筒顶部的联通定位管底面与测压管标尺零点同水平面， 避免固定加工易带来的偏差，特别设计了可在垂直方向上下微调距离的 测压架标尺，通过实测调整，可以很方便的消除这一误差。

附图说明

图1为本发明实验用带同步电测数显的测压装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明实验用带同步电测数显的测压装置，包括：带有 连通定位管8的测压筒9，测压筒9的底部设有进水口10，连通定位管8从 测压筒9的顶部插入，竖直方向，连通定位管8的一端位于测压筒9内，另 一端位于测压筒9外；与连通定位管8在测压筒9外的一端连接的测压管2； 设置在测压管2周围用于标定测压管2内液位的直尺3(具体采用透明直尺， 方便准确读取数据)；与测压筒9连接，用于检测测压筒9内压缩空气与外 界空气压差的压差传感器15。

连通定位管8的底面与直尺3的零刻度同水平面。通过使联通定位管 8底面与测压管标尺(即直尺3)零点同水平面，可自动确定压差传感器 15测量的相对大气压的压差零点与测压管标尺(即直尺3)悬空的高程零点 (测压管水头基准零位高程)保持等零位。

实验用带同步电测数显的测压装置，还包括：固定支架1，测压管2和 直尺3均安装在固定支架1上。直尺3上设有长形孔5，该直尺3通过螺丝 6与该长形孔5配合固定在固定支架1上，该螺丝6处于拧松状态时，可在 长形孔5内滑动，从而调整直尺3在固定支架1上的位置，从而方便调整直 尺3的零刻度与连通定位管8的底面同水平面。

压差传感器15中的一测量接口14通大气，压差传感器15中的另一测 量接口13通过导管(通气管11和测压软管12)与测压筒9密封连接。导管 插入测压筒9的一端位于连通定位管8的底面与测压筒9的顶面之间，且高 于连通定位管8的底面。

实验用带同步电测数显的测压装置，还包括：与压差传感器15连接的 压力变送器数显表头17。

本发明实验用带同步电测数显的测压装置，具有一根竖直安装在固定支 架1上的测压管2(即传统测压管)，测压管2顶部开口通大气、底部有进水 口4，测压管2在固定支架1支撑下可垂直放置在调好水平的桌面18上，在 固定支架1上部凸出的横杆上，测压管2前面垂直中轴线右侧固定垂直悬挂 一根透明的直尺3，用于测量测压管2中水柱高度，直尺3顶端开有竖直方 向移动固定槽(即长形孔5)，通过螺丝6固定在支架上部，并能通过竖直向 移动槽微调直尺3的上下固定位置，调整直尺3的零点高程水平面20保持 与测压筒9顶部插入的联通定位管8底面同水平面，螺丝6紧固调整好后可 用胶水粘接固定死，防止直尺3滑移。

固定支架1放置在一张调好水平的实验桌面18上，台面边上设有一个 透明有机玻璃材料的带零位高程定位的液气转换测压筒9(即测压筒9)，内 部蓄水清楚可见，方便实验观察。测压筒9高度高于测压架直尺3零点的水 平面约1cm左右。测压筒9底面与顶面平行并与筒壁密封垂直粘接，顶面开 有1个小孔，密封粘接垂直插入有一根与测压管2底部进水口4同外径的联 通定位管8。联通定位管8高出顶面约1cm，便于密封外接PVC通水软管7， 并与测压管2底部进水口4密封连通，构成测压管2水柱的密封通水管道。 联通定位管8插入测压筒深度约1cm，底面水平，并保持与测压架直尺3零 点的水平面20同平面。测压筒9侧壁下部接近底面开有一个测压进水管口 10(进水口10)，可密封外接通水软管连接到待测的实验管道、水箱等测压 点上。测压点都是通水的，连接测压筒后，水会从底部侧壁进水口10进入 测压筒9内部，当水位到达顶部联通定位管8底面水平面20后，水位不再 上升，水会进入联通定位管8，接着进入测压管2，形成测压管水柱19，待 水柱高度稳定后标尺读取的数值即为测压点相对零参考水平面20的水头压 强。而在测压筒9的联通定位管8底面水平面20到其顶部则会密封一段空 气柱，由于联通定位管8底面水平面20与测压架标尺零点的水平面20同平 面，所以，该段密封压缩空气柱压强即为测压管水头压强加大气压强之和。

为了测量该段密封压缩空气柱压强，可在测压筒9顶部开一个小孔密封 粘接插入一根内径2mm的不锈钢通气管11(可以从顶部插入，也可从上部 侧壁插入)，通气管11底面别碰到桶内最高水面即可，通气管11留在测压 筒9外部约1cm左右可密封外接空心通气测压软管12，测压软管12另一端 密封套在测压管电测数显仪16的流体压差传感器15一个测量接口13上(当 然不通过通气测压软管12连接，直接将压差传感器15的测量接口管13密 封插入测压筒9上部空气柱中，测量测压筒9上部压缩的气柱压强也可)， 压差传感器15另一个测量接口14直接通大气，压差信号最后送入压力变送 器数显表头17显示出测点相对大气压的压强值，实际即为测压管水头压强， 即测压管水柱标尺读值，图1中数显为44.8cm水柱的压强。

具体实验时，先要调水平好桌面18，将测压筒9的进水口10通过通水 软管，与待测的实验管道或水箱测压点引出细管密封连接好，实验管道或水 箱在实验初始未进水时，测压筒9与压差传感器15的测量接口13相接的管 路直通大气，与测量接口14等压，此时需对与压差传感器15连接的压力变 送器数显表头17初始调零。然后启动实验仪器水泵供水，进入实验，根据 各实验步骤，待测压管2水柱稳定后，即可一边通过测压架上直尺3，以手 工人眼传统方式测量测压管水柱高度，又可对比使用电测数显仪表16高精 度测量。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所 作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说， 在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无 法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍 处于本发明的保护范围之中。