具备教学效果流量数显的自循环明渠实验装置

摘要

本发明公开了一种具备教学效果流量数显的自循环明渠实验装置，包括：自循环明渠实验仪，包含有：输水管道，输水管道中的一段为用于产生压差信号的压差式流量信号发生器；与压差式流量信号发生器连接的压差高端液气转换筒和压差低端液气转换筒；与压差高端液气转换筒和压差低端液气转换筒密封连接，用于检测压差高端液气转换筒内压缩空气与压差低端液气转换筒内压缩空气的压差的压差传感器；与压差传感器连接，用于将压差传感器检测到的压差信号转换成流量的微电脑数显表。本发明具备教学效果的流量数显，在优选技术方案中，还能在正常的流量测量实验过程中实时调零，是实验用小流量高精度流量仪器。

说明书

技术领域

本发明涉及实验量测领域，具体涉及一种具备教学效果流量数显的自循 环明渠实验装置。

背景技术

水流运动是一种非常复杂的自然现象，对于各种作用力存在的情况和它 们发展的规律，至今还没能很好掌握，水工模型试验就是仿照原体实物，按 照相似的准则，缩制成模型，根据其所受的主要作用力，进行试验研究。水 工模型试验中，为配合整体枢纽布置或研究某些二元水流问题，需建置明渠 实验槽，借助于明渠实验槽观测水流流态，描绘或摄录实验过程中各种水流 现象。

因此，明渠实验槽作为一实验平台，在工程流体力学和明渠水力学课程 实验教学及其相关的科学研究领域，被广泛运用。其中，专利号为ZL 200410053412.8的中国发明专利公开了一种叠梁式自循环明渠实验槽，自发 明以来替代了传统的大型明渠实验槽，可以通过模型更换完成明渠有关的各 项实验，被广泛用于高校有关水力学实验教学中，效果比较直观。

该明渠实验槽设计有尾水回流的三角堰量水槽，通过传统三角堰测量流 量，但是这需要明渠实验槽保持一定流量较长时间稳定后才能测量，有一定 滞后性。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。实验仪器仅仅 只有传统的测量方法已跟不上时代技术的发展，也不容易激发学生的学习兴 趣，因此，传统的实验仪器需要不断创新，比如是否能将流体力学原理与现 代量测技术相结合，解决明渠实验槽这类小型教学用实验装置中的小流量实 验管低流量的高精度测量问题，这样的理论应用实际会让整套实验装置更具 有教学效果。

发明内容

本发明的目的是提供了一种具备教学效果流量数显的自循环明渠实验 装置，在优选技术方案中，还能在正常的流量测量实验过程中实时调零，是 低压差高精度流量仪器。

一种具备教学效果流量数显的自循环明渠实验装置，包括：

自循环明渠实验仪，包含有：输水管道，所述的输水管道中的一段为用 于产生压差信号的压差式流量信号发生器；

与所述压差式流量信号发生器连接的压差高端液气转换筒和压差低端 液气转换筒，所述的压差高端液气转换筒和压差低端液气转换筒上各设有一 个放气嘴，该两个放气嘴外连接有活动密封塞；

与所述压差高端液气转换筒和压差低端液气转换筒密封连接，用于检测 所述压差高端液气转换筒内压缩空气与压差低端液气转换筒内压缩空气的 压差的压差传感器；

与所述压差传感器连接，用于将所述压差传感器检测到的压差信号转换 成流量的微电脑数显表。

本发明具有压差式流量信号发生器，分别连接压差高端与压差低端的独 立双筒式液气转换筒、压差传感器及微电脑数显表。微电脑数显表，能实现 将输入的信号电压可通过数组拟合的方法，使输出变为相应的流量物理量值 数显输出。采用液气转换筒提高了测量精度，是一种低压差高精密的流量测 量仪器。

所述的压差式流量信号发生器为能产生压差信号的流量测量管段。压差 式流量信号发生器可以采用文丘里、管嘴、孔板式等百年来写入教科书的几 种流体力学测量流量的基本压差式前端测量结构，本发明中的自循环明渠实 验仪因为本身实验管道中设计有孔板，因此优选该孔板压差式流量信号发生 器。

作为优选，所述的自循环明渠实验仪还包含有：

自循环供水箱；

通过所述输水管道与所述自循环供水箱连通的稳压水箱；

设置在所述自循环供水箱内并用于向所述稳压水箱供水的电控水泵(优 选可用潜水泵)；

实验水槽，所述的实验水槽的头部侧面与所述稳压水箱连通，所述的实 验水槽的尾部内设置有通过旋转轴与所述实验水槽旋转连接的多孔尾门，所 述的旋转轴沿所述实验水槽的宽度方向架设在所述实验水槽内，所述的实验 水槽的尾部底面设有下水口；

用于承接所述实验水槽的下水口出水的三角堰量水槽，所述的三角堰 量水槽内从靠近所述实验水槽的下水口一侧到另一侧依次设有稳水板、三角 堰和回水口，所述的回水口与所述自循环供水箱连通。

所述的自循环明渠实验仪的结构可采用现有技术，如采用申请号为 200410053412.8的中国发明专利申请公开的叠梁式自循环明渠实验槽。

作为优选，所述的压差式流量信号发生器上设有压差高端压力传导管和 压差低端压力传导管；

所述的压差高端液气转换筒上设有与所述压差高端压力传导管连通的 进水口；

所述的压差低端液气转换筒上设有与所述压差低端压力传导管连通的 进水口。

进一步优选，所述的压差高端液气转换筒的进水口位于所述压差高端液 气转换筒的侧壁底部；

所述的压差低端液气转换筒的进水口位于所述压差低端液气转换筒的 侧壁底部。

进一步优选，所述的压差高端液气转换筒的放气嘴设置在所述压差高 端液气转换筒的侧壁并高于所述的压差高端液气转换筒的进水口；

所述的压差低端液气转换筒的放气嘴设置在所述压差低端液气转换筒 的侧壁并高于所述的压差低端液气转换筒的进水口。

进一步优选，所述的压差式流量信号发生器所在的输水管道的管段内 设有孔板，所述的压差高端压力传导管和压差低端压力传导管位于所述孔板 两侧的输水管道上。

作为优选，所述的压差高端液气转换筒和压差低端液气转换筒上各设 有一个气嘴，所述的压差高端液气转换筒的气嘴为所述的压差高端液气转换 筒与压差传感器的连接接口，所述的压差低端液气转换筒的气嘴为所述的压 差低端液气转换筒与压差传感器的连接接口；

所述的压差高端液气转换筒的气嘴高于所述的压差高端液气转换筒的 放气嘴；

所述的压差低端液气转换筒的气嘴高于所述的压差低端液气转换筒的 放气嘴。

进一步优选，所述的压差高端液气转换筒的放气嘴和所述的压差低端 液气转换筒的放气嘴等高。

进一步优选，所述的具备教学效果流量数显的自循环明渠实验装置，还 包括：压差高端电控气阀、压差低端电控气阀以及控制所述压差高端电控气 阀和压差低端电控气阀的控制电路；

所述的压差高端电控气阀串联在所述的压差高端液气转换筒与压差传 感器连接之间气路上；所述的压差低端电控气阀串联在所述的压差低端液气 转换筒与压差传感器连接之间气路上；

所述的压差高端电控气阀至少包括三路，所述的压差高端电控气阀的一 路与所述压差高端液气转换筒的气嘴连通，所述的压差高端电控气阀的另一 路与所述压差传感器第一测量口连接，还有一路与大气导通；

所述的压差低端电控气阀至少包括三路，所述的压差低端电控气阀的一 路与所述压差低端液气转换筒的气嘴连通，所述的压差低端电控气阀的另一 路与所述压差传感器第二测量口连接，还有一路与大气导通。

当压差高端电控气阀和压差低端电控气阀通电时，使得压差传感器的测 压端均与大气导通，可实时调零。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明具备教学效果流量数显的自循环明渠实验装置巧妙应用流体 力学原理解决明渠实验装置小口径实验管低流量的高精度实时测量问题：设 计了双筒式液气转换装置，将流量信号发生器与传感器之间由连通管内的液 体直接传递压力的方式，通过液气转换的双筒，转变为气体的介质，将压力 传送给传感器，彻底消除了传感器连接通路上的表面张力作用，使小流量的 精度可由10％提高到1％，并填补了像明渠实验装置此类小型教学用流体力 学实验仪器的高精度数显流量仪空白；

2、本实验装置因高精密传感器的压力传递介质为空气，因而使传感器 压力芯片远离水或腐蚀性工作液体，使得传感器使用寿命大大提高；

3、本实验装置所配置的孔板压差式流量信号发生器，是近百年来长期 写入教课书的传统流体力学原理应用的流量计。引入实验教学，对学生有很 好的理论结合应用的学习效果；

4、本实验装置在使用液气转换测压筒后，巧妙的应用电控微型气阀设 计了气路通断切换系统，随时可使压差传感器的2个测压接口都通大气，可 使明渠实验装置在实验过程中实时可调零，避免了量测过程中需要检测零点 时传统仪器必须全关流量阀门才能进行校验的麻烦，这种实时检测功能尤其 在教学实验中是很有必要的。

5、配置了带微电脑芯片的数显流量电测仪(即微电脑数显表)，可将流 量模拟电压通过微电脑芯片模数非线性转换变为实时流量值，数显显示，直 观方便。

附图说明

图1为本发明具备教学效果流量数显的自循环明渠实验装置的结构示意 图；

图2为本发明中双筒式高精度流量数显仪的结构示意图；

图3为本发明压差高端电控气阀、压差低端电控气阀以及控制电路的电 路示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种具备教学效果流量数显的自循环明渠实验装置，包括： 自循环明渠实验仪和双筒式高精度流量数显仪38。

其中自循环明渠实验仪参考采用ZL 200410053412.8叠梁式自循环明渠 实验槽的结构设计，如图1所述，自循环明渠实验仪，包含有：输水管道17， 输水管道17中的一段为用于产生压差信号的压差式流量信号发生器41；自 循环供水箱1；通过输水管道17与自循环供水箱1连通的稳压水箱3；设置 在自循环供水箱1内并用于向稳压水箱3供水的电控水泵18；实验水槽4， 实验水槽4的头部侧面与稳压水箱3连通，实验水槽4的尾部内设置有通过 旋转轴与实验水槽4旋转连接的多孔尾门9，旋转轴沿实验水槽4的宽度方 向架设在实验水槽4内，实验水槽4的尾部底面设有下水口10；用于承接实 验水槽4的下水口出水的三角堰量水槽2，三角堰量水槽2内从靠近实验水 槽4的下水口一侧到另一侧依次设有稳水板12、三角堰13和回水口19，回 水口19与自循环供水箱1连通。该自循环明渠实验仪具有自循环供水箱1、 在自循环供水箱1内设有电控水泵18(优选潜水泵)，三角堰量水槽2布置 于自循环供水箱1上，稳压水箱3与自循环供水箱1内设电控水泵18用输 水管道17连接，输水管道17上设置有流量调节阀15、流量旁通阀16，三 角堰量水槽2上布置有实验水槽4，实验水槽4头部与稳压水箱3连接，实 验水槽4尾部设置多孔尾门9和下水口10，下水口10下口进入三角堰量水 槽2，三角堰量水槽2中从靠近下水口10一侧到另一侧依次设有稳水板12、 三角堰13和回水口19，回水口19与自循环供水箱1连通，三角堰量水槽2 内在稳水板12与三角堰13之间稳水区水槽侧壁还设有测量筒11，稳水板 12上开有稳水孔，可以稳流过水，测量筒11上部设有量水堰测针14，实验 水槽4底板上设有多个模型安装孔8，实验水槽4槽身侧壁设置有闸门槽5， 实验水槽4上部布置测量轨道7，实验水槽测针6安放于测量轨道7上。

该实验仪的工作过程是：在实验水槽4装载与实验项目相关的实验模型， 自循环供水箱1内试验用水经箱内电控水泵18提水，通过稳压水箱3稳压 后，平稳进入实验水槽4，绕过实验水槽内实验模型，由实验水槽4尾部下 水口10跌落进入三角堰量水槽2，由三角堰测出实验水槽4内水位，从而自 己根据三角堰流量换算公式计算出过流流量，水体再经三角堰量水槽2内三 角堰13缺口出流，并经回水口19回流到自循环供水箱1内。然后运用多种 测量手段，观测实验水槽内水流经过实验模型的流态，描绘或摄录实验过程 中各种水流现象，并测量流量等各相关实验参数，以验证与计算不同明渠水 工模型实验的现象和设计参数。

在上述的自循环明渠实验仪中为了将流体力学原理与现代量测技术测 量结合来解决实验低流量的高精度实时测量问题，特别在输水管道17上的 一段管道中设置了用于产生压差信号的压差式流量信号发生器41；可以采用 文丘里管、孔板、管嘴等压差式流量信号发生器实验管段，本装置优选的采 用孔板压差式流量信号发生器，即在输水管道17的管段内设有孔板40，在 孔板40两侧的输水管道侧壁上设置有压差高端压力传导管和压差低端压力 传导管，具体放大结构参考图2双筒式高精度流量数显仪。

如图2所示，双筒式高精度流量数显仪38包含有用于产生压差信号的 压差式流量信号发生器41；与压差式流量信号发生器41连接的压差高端液 气转换筒44和压差低端液气转换筒48，压差高端液气转换筒44和压差低端 液气转换筒48上各设有一个放气嘴43；与压差高端液气转换筒44和压差低 端液气转换筒48连接，用于检测压差高端液气转换筒44内压缩空气与压差 低端液气转换筒48内压缩空气的压差的压差传感器46；与压差传感器46 连接，用于将压差传感器46检测到的压差信号转换成流量的微电脑数显表 50。

双筒式高精度流量数显仪38，还包括：压差高端电控气阀51、压差低 端电控气阀52以及控制压差高端电控气阀51和压差低端电控气阀52的控 制电路。压差高端电控气阀51至少包括三路，压差高端电控气阀51的一路 与压差高端液气转换筒44内压缩空气连通，压差高端电控气阀51的另一路 与压差传感器46连接，还有一路与大气导通。压差低端电控气阀52至少包 括三路，压差低端电控气阀52的一路与压差低端液气转换筒48内压缩空气 连通，压差低端电控气阀48的另一路与压差传感器46连接，还有一路与大 气导通。

如图3所示，控制电路包括电源和按通开关53，按通开关53一端与电 源的正极连接，另一端与压差高端电控气阀51的正极和压差低端电控气阀 52的正极连接，压差高端电控气阀51的负极和压差低端电控气阀52的负极 与电源的负极连接。

压差式流量信号发生器41为能产生压差信号的流量测量管段，具体采 用本自循环明渠实验装置中输水管道17一段内设孔板40的实验管段，并在 孔板40两侧的输水管道17侧壁上设置有压差高端压力传导管和压差低端压 力传导管。

压差高端液气转换筒44和压差低端液气转换筒48各设有一个进水口45， 压差高端液气转换筒44上的进水口与压差高端压力传导管连通；压差低端 液气转换筒48上的进水口与压差低端压力传导管连通。压差高端液气转换 筒44的进水口位于压差高端液气转换筒44的侧壁底部；压差低端液气转换 筒48的进水口位于压差低端液气转换筒48的侧壁底部。

压差高端液气转换筒44的放气嘴设置在压差高端液气转换筒44的侧壁 并高于压差高端液气转换筒44的进水口；压差低端液气转换筒48的放气嘴 设置在压差低端液气转换筒48的侧壁并高于压差低端液气转换筒48的进水 口。

压差高端液气转换筒44和压差低端液气转换筒48上各设有一个气嘴42， 压差高端液气转换筒44的气嘴与压差高端电控气阀51连接，压差低端液气 转换筒48的气嘴与压差低端电控气阀52连接。

压差高端液气转换筒44的气嘴高于压差高端液气转换筒44的放气嘴； 压差低端液气转换筒48的气嘴高于压差低端液气转换筒48的放气嘴；压差 高端液气转换筒44的放气嘴和压差低端液气转换筒48的放气嘴等高。

本发明中的双筒式高精度液体流量仪，具有压差式流量信号发生器41、 实时调零电控气阀单元及其控制电路(即压差高端电控气阀51、压差低端电 控气阀52以及控制压差高端电控气阀51和压差低端电控气阀52的控制电 路)，分别连接压差高端与压差低端的独立双筒式液气转换筒44与48、压差 传感器46和智能型(带微电脑芯片)的微电脑数显表50。

具体实施方式进一步说明如下：

1、双筒的下部各设有进水口45，并分别与压差式流量仪信号发生器41 的高低压端的测压点(分别设有压差高端压力传导管和压差低端压力传导管) 相连通，顶部各设有气嘴42，分别与压差传感器46的测压嘴相连通，中部 等高程处分别设有放气嘴43，放气嘴43可放气使筒内液位最高升到放气嘴 43位置。当放气嘴43关闭，水管连通管47充满连续的无气泡的有压水体时，

高低端测压点的压力水通过双筒转换成气体压力，并分别作用于压差传感器 46的高低压端，使压差传感器46及其气路连接管49中的压力传递介质均为 气体。由于压差传感器46和气路连接管49中无水体存在，因而也彻底消除 了传感器传统方法所连接的通路上的表面张力作用，使小流量的精度可由10％ 提高到1％。在测量开始时，需将放气嘴43(具体可采用放气螺丝嘴，放气 螺丝嘴连接有活动密封塞)开启排气，直至放气嘴43嘴口有水体流出，使 筒内液面不再上升，对双筒都应分别进行这一操作，由于每个筒的放气嘴43 位于同一个高程上，因此筒内经过排气进液后，液面高度会保持同一水平面 (与放气嘴43上沿同水平面)，此时，如果实验管道中满管流流量为零时， 两个测压筒内的气压相等，采用传统的传感器调零，补偿电路对压差传感器 进行初始调零。

2、实时调零电控气阀单元及其控制电路(即压差高端电控气阀51、压 差低端电控气阀52以及控制压差高端电控气阀51和压差低端电控气阀52 的控制电路)是在压差传感器46测压嘴的气路连接管49的管路上，接有一 个或多个电控三通气阀，一个电控三通气阀可采用两个电控二通气阀和三通 结合代替，并附有控制电路，实现压差传感器46实时调零的电控功能。以 压差高端电控气阀51、压差低端电控气阀52均采用电控三通气阀为例，如 图2、图3所示。压差高端电控气阀51(电控三通气阀)的公共端与压差传 感器46的高压端相连通、常开端与压差高端液气转换筒44的气嘴相连通； 压差低端电控气阀52(电控三通气阀)的公共端与压差传感器46的低压端 相连通、常开端与压差低端液气转换筒48的气嘴相连通；图3是实时调零 电控气阀单元电控电路示意图，当按通开关53按下时，压差高端电控气阀 51(电控三通气阀)与压差低端电控气阀52(电控三通气阀)通电，与压差 高端液气转换筒44和压差低端液气转换筒48的气嘴相连的常开端被关闭， 通大气端与公共端相连通，于是压差传感器46两端均通大气，此时流量显 示值应为零，若不为零，则可调节为零。这一功能为双筒式高精度液体流量 仪提供一个实时调零的作用，避免了量测过程中需要检测零点时传统仪器必 须全关流量阀门才能进行校验的麻烦，这种实时检测功能尤其在教学实验中 是很有必要的。

3、压差传感器46接有传统的传感器调零补偿电路，可采用现有技术， 能实现压差传感器46输入压差信号为零，而输出电压不为零时，补偿修正 为零电压输出的功能。传统的传感器调零补偿电路主要原理是利用电位器改 变传感器输出给智能数显表的电压值，使微电脑数显表50接收到的信号负 端电压可以调节，从而使微电脑数显表50的显示值，可调节为零。

4、智能型(带微电脑芯片)的数显电压表(即微电脑数显表50)，其所 具有的功能，能实现将输入的信号电压可通过数组拟合的方法，使输出变为 相应的流量物理量值。这种微电脑数显表50是常规商用仪表，容易采购， 可采用现有技术。