基於恆定均勻流的流速儀校準方法及其裝置與流程
2024-04-13 15:23:05
1.本發明涉及流速測量技術領域，尤其涉及一種基於恆定均勻流的流速儀校準方法及其裝置。
背景技術：
2.在液體流量測量中，流速是最重要的參數，即使條件的一些細小改變，也會引起介質流態的變化，進而引起流量的變化。現下，得益於各種液體流量標準裝置的建立，以及生產廠家不斷進行新技術的應用，對於封閉管道中液體流量的測量，技術已經很成熟，對應的管道流量計精度也很高，最高可以達到0.1％；而在開放渠槽、河道、行管中，流量的測量主要儀器是各種明渠、堰、測流槽，流速的測量主要是流速儀，是一種測量河流、湖泊和渠道等水體的水流流量的儀器。目前，我國在流速測量中用得最多的是轉子式流速儀。
3.目前流速儀的校準裝置主要為直線明槽方式，其原理是採用可調速度的檢定車拖帶流速儀在明槽上勻速運行，獲得流速儀流速校準結果。目前，所有的流速儀校準裝置，其直線明槽的長度在100m左右，寬度在4m左右，加上封閉空間等需留距離，導致佔地面積大，對檢測機構的場地要求極高；並且其檢定車造價昂貴，維修維護難度大，校準成本高；流速儀校準裝置中流速儀溯源是通過已由國家檢定計量過的通用計數器和二級鋼捲尺，採用間接計量檢定方法完成流速儀在相同測量條件下，重複測量同一個數據，根據計量標準提供相近示值，校準效率低。
技術實現要素：
4.本發明的目的在於提供一種基於恆定均勻流的流速儀校準方法及其裝置，摒棄現有流速儀通過長度-時間體系進行溯源的方法，採用流量體系對流速儀進行量值溯源，提高工作效率。
5.本發明的技術問題解決方案：
6.一種基於恆定均勻流的流速儀校準裝置，其特徵在於，包括溢流水箱和流水槽，所述溢流水箱的進水端連接有進水管，溢流水箱的出水端與流水槽的進水端連接。
7.進一步限定，所述基於恆定均勻流的流速儀校準裝置還包括升降臺，所述升降臺位於流水槽的出水端，所述溢流水箱的出水端與流水槽的進水端活動連接，升降臺用於調節流水槽與水平方向的角度。
8.進一步限定，所述溢流水箱進水端位於溢流水箱出水端的下方，溢流水箱側壁上開設有溢流口，所述溢流口位於溢流水箱進水端的上方，根據開設的溢流口開口大小調節流水槽的水深高低。
9.進一步限定，所述基於恆定均勻流的流速儀校準裝置還包括溢流閥，所述溢流閥設置在溢流口用於調節水流通過溢流口的大小。
10.進一步限定，所述基於恆定均勻流的流速儀校準裝置還包括液位計，所述液位計設置在流水槽上並與流水槽連通。
11.進一步限定，所述基於恆定均勻流的流速儀校準裝置還包括總進水流量計和溢流水流量計，所述總進水流量計設置在進水管上，所述溢流口上連接有溢流管，所述溢流水流量計設置在溢流管上。
12.進一步限定，所述基於恆定均勻流的流速儀校準裝置還包括回水槽，所述溢流水箱設置在回水槽中，所述進水管穿過回水槽與溢流水箱連接，所述溢流管的出水端和所述流水槽的出水端均位於回水槽的正上方，所述升降臺位於回水槽的外側。
13.一種基於恆定均勻流的流速儀校準方法，其特徵在於，基於上述基於恆定均勻流的流速儀校準裝置，包括以下步驟：
14.s1、將待檢流速儀安裝在流水槽上，通過進水管給溢流水箱勻速注水；
15.s2、通過溢流閥調節流水槽的水深；
16.s3、設定流水槽中水流速度，根據流水槽中設定的水流速度通過升降臺調節流水槽水平方向的夾角；
17.s4、根據進水管流量與溢流管流量差值確定流水槽的流量，並根據流水槽的流量確定流水槽的實時流速；
18.s5、通過對比流水槽的實時流速與待檢流速儀的測量流速完成待檢流速儀的校準。
19.進一步限定，所述步驟s3具體為：
20.s31、根據流水槽的寬度與流水槽的水深分別計算得到流水槽的過流截面積和流水槽的溼周；
21.s32、根據流水槽的過流截面積和流水槽的溼周計算得到流水槽的水力半徑；
22.s33、根據流水槽的水力半徑計算得到流水槽的相對粗糙度；
23.s34、根據流水槽的相對粗糙度計算得到流水槽的阻力係數；
24.s35、設定流水槽的水流速度，根據流水槽的阻力係數、流水槽的長度和設定的流水槽水流速度計算得到流水槽中的水力損失；
25.s36、根據設定流水槽的水力損失和流水槽的長度計算得到流水槽與水平方向的夾角；
26.s37、根據流水槽的長度確定升降臺的升降高度調節流水槽的偏轉角度。
27.進一步限定，所述流水槽的寬度計算方式為：
28.x＝2(h-0.5)
29.其中，x為流水槽的內壁寬度，h為流速儀最小水深值。
30.本發明的有益效果在於：
31.1、本發明利用明渠中恆定均勻流的特性，摒棄現有通過檢定車帶動流速儀在靜止水流中勻速行駛間接得到恆定流速的方法，使得進水管的水流通過溢流水箱進入流水槽後流水槽中的流速恆定，從而直接實現流速儀對恆定流速的測量要求，再將另一處溢流出水使用標準流量計測量，並通過與總進水流量計的比較得到差值的方法，得到流水槽中的瞬時流量，進而得到流速值，節省時間，提高流速儀的校準效率，其結構簡單規模小，能夠極大地節約場地；同時流水槽中的恆定均勻流更加穩定，提高了流速儀校準結果的穩定性，同時也提高了流速儀的校準精度。
32.2、本發明通過升降臺可以調節流水槽的傾斜角度，從而控制流水槽中的水流速
度，實現不同水流狀態下對流速儀的校準，結構簡單操作方便，並且減小整體的體積降低了佔用面積使得成本低，檢測功能齊全，適合推廣使用。
33.3、通過設置溢流閥能夠通過調節溢流閥的高度確定流水槽水位的高度，從而能夠實現流速儀在不同水位狀態下的校準工作，操作簡單調節方便，同時從溢流水箱溢流出的水通過溢流管流出，通過溢流水流量計採集的溢流流量和總進水流量計採集的進水流量即可準確獲得流水槽中的流量，使得流水槽的流量計算更加準確。
附圖說明
34.圖1為本發明基於恆定均勻流的流速儀校準裝置的主視結構示意圖；
35.圖2為本發明基於恆定均勻流的流速儀校準裝置的俯視結構示意圖；
36.圖3為本發明基於恆定均勻流的流速儀校準裝置的整體結構示意圖；
37.1-溢流水箱；2-流水槽；3-升降臺；4-進水管；5-溢流管；6-溢流閥；7-液位計；8-總進水流量計；9-溢流水流量計；10-回水槽。
具體實施方式
38.實施例1
39.明渠中恆定均勻流，其特點是流速沿程不變，流線為一系列互相平行的直線，明渠的水深和斷面的流速分布等均沿流不變。其斷面平均流速、動能校正係數以致斷面平均動能也沿流不變。
40.參考圖1～3，本實施例提供一種基於恆定均勻流的流速儀校準裝置，包括溢流水箱1、流水槽2和升降臺3；初始狀態下，流水槽2水平設置，流水槽2的首端與溢流水箱1的出水口活動連接，流水槽2的末端與升降臺3連接，升降臺3安裝在流水槽2的底部，升降臺3能夠帶動流水槽2上下偏轉調節流水槽2的偏轉角度，從而調節流水槽2與水平方向的夾角，使得流水槽2在通過升降臺3上下轉動時能夠保持與溢流水箱1之間的連接，保證溢流水箱1中的水在流水槽末端高度調節後依舊能夠流入流水槽2中，通常流水槽2末端向下調節，通過控制流水槽2的偏轉角度從而調節流水槽2中水流的速度，實現待檢流速儀在不同水流速度狀態下的測量以及校準；為了方便後期校準計算，優選流水槽2內部為長方體結構。
41.為了實現在不同液位高度狀態下對待檢流速儀進行校準，優選在溢流水箱1上開設溢流口，溢流口開設在溢流水箱1的周側，並且溢流口與溢流水箱1的上邊沿平齊，溢流水箱的出水口位於溢流口的相對一側，溢流水箱1的進水流量固定，通過溢流口的高度調節溢流水箱1的液位高度，從而調節從溢流水箱1中進入流水槽2的液位高度，由於進入溢流水箱1的進水流速相同，管徑相同，即進水流量相同，通過獲得溢流口溢流流量即可獲得流水槽2中的流量，在流水槽2寬度和液位高度已知時即可求得流水槽2中水流的速度，為了實現不同流速的測量，避免每一個溢流水箱1上開設不同高度溢流口，進一步優選，基於恆定均勻流的流速儀校準裝置還包括溢流閥6，在溢流口上設置溢流閥6，溢流閥6與溢流口活動連接，溢流閥6上端與溢流水箱1上邊沿平齊時，溢流水箱1的最高水位與溢流閥6的上端平齊，當溢流閥6向下滑動時，溢流水箱1中的水位同樣與溢流閥6的上端平齊，從而通過溢流閥6的升降控制溢流水箱1中的液位高度，進而控制從出水口進入流水槽2的水流液位高度，優
選在溢流口連接有溢流管5，方便對溢流出的水進行收集後統一排放。
42.進一步的，為了方便獲取流水槽2中液位的高度，優選基於恆定均勻流的流速儀校準裝置還包括液位計7，在流水槽2上設置液位計7，例如利用連通管原理確定流水槽2的液位高度；進一步的，為了計算流水槽2中的水流流量，選擇利用進水流量減去溢出流量得到的差值作為流水槽2中的水流流量，優選基於恆定均勻流的流速儀校準裝置還包括總進水流量計8和溢流水流量計9，在進水管4上設置總進水流量計8，在溢流管5上設置溢流水流量計9，進而得到對應的流量，數據採集方便，計算方便，同時也可對數據進行記錄方便回溯；也可以選擇在流水槽2中設置比託管傳感器，實現對流水槽2中的水流的流速進行實時監測，進一步提高檢測精度。
43.進一步的，為了避免水資源的浪費，優選基於恆定均勻流的流速儀校準裝置還包括回水槽10，回水槽10放置在溢流水箱1的下方，使得溢流水箱1溢流出的水通過溢流管5排入回水槽10中，此時溢流管5的出水端位於回水槽10的上方，同樣的，流水槽2末端為出水端，流水槽2的出水端排出的水流入回水槽10中，即流水槽2的出水端位於回水槽10的上方，同時升降臺3位於回水槽10的外側，提高升降臺3的使用壽命；此時進水管4的一端伸入總水箱中，進水管4的另一端穿過回水槽10的側壁與溢流水箱1的進水口連接，通過水泵將總水箱中的水泵入溢流水箱1中，回水槽10的出水端與總水箱連接，避免水的浪費，實現水的循環使用，節約資源節約成本。
44.在使用時，根據需要計算調節流水槽2中的流量，流水槽2中即可得到恆定均勻流，將待檢流量計安裝在流水槽2中即可實現對待檢流量計的校準，隨裝隨用，校準效率高，校準結果更加穩定，提高校準精度；與現有方法靜態流水槽測量的方法對比不需要通過現有距離-長度體系的方法利用檢定車帶動流量計移動來獲取待檢流量計測量結果，再通過計算選取接近勻速時間段的數值進行計算，導致為了保證結果準確需要帶動待檢流量計移動的時間長，極大降低了待檢流量計的校準效率；同時利用檢定車帶動待檢流速儀移動使得待檢流速儀與水流之間形成相對的流速，此時需要檢定車能夠保持勻速行駛，難度高，並且勻速行駛的穩定性低，使得通過現有距離-時間體系得到的校準結果精度較低。
45.實施例2
46.基於實施例1，本實施例提供了一種基於恆定均勻流的流速儀校準方法，包括以下步驟：
47.s1、通過進水管4給溢流水箱1勻速注水，將待檢流速儀安裝在流水槽2上；
48.步驟s1中，通過水泵將總水箱中的水通入溢流水箱1中，流水槽2水平放置，待溢流管5中的流量穩定和進水管4中的流量穩定，此時流水槽2中的流量穩定，將待測流速儀按照要求連接在流水槽2上進行檢測。
49.s2、通過調節溢流閥6的高度調節流水槽2內水深；
50.步驟s2中，首先確定待檢流速儀需要進行測試的水深，隨後調節溢流閥6的高度，調節溢流水箱1上溢流口底端的位置，進而實現溢流水箱1液面高度的調節，控制流水槽2中的液位，同時輔助液位計7，將液位計7安裝在待檢流速儀位置的流水槽2上，進而準確獲取對應位置的液位高度，即流水槽2中的水深。
51.s3、設定流水槽2水流速度，並根據流水槽2水流速度調節流水槽2的傾斜角度；
52.步驟s3中，確定流水槽2的流速後，經過計算得到流水槽2的偏轉角度，使得流水槽
2中的流速進行調整，從而實現對應流速狀態下的待檢流速儀的測試。
53.s4、根據進水管流量與溢流管流量差值確定流水槽2的流量，並根據確定流水槽2的流量確定流水槽2的實時流速；
54.步驟s4中，通過總進水流量計8的結果與溢流水流量計9計算的結果作差得到流水槽2中的流量，再結合流水槽2中的長寬尺寸和水位深度即可計算得到流水槽2的實時流速。
55.s5、通過對比實時流速與待檢流速儀的測量流速完成待檢流速儀的校準。
56.最後步驟s5中將計算得到的實時流速與流速儀測量得到流速進行對比計算，完成流速儀的校準。
57.具體的，步驟s3包括以下步驟：
58.s31、根據流水槽2的寬度與流水槽2內水深分別計算得到流水槽2的過流截面積a和流水槽2的溼周χ；
59.a＝x*h
60.χ＝x*h*2
61.x＝2(h-0.5)
62.其中，x為流水槽2的寬度，h為流水槽2內水深，可以通過液位計7進行測量得到，h為流速儀最小水深值，h的取值根據現有方式，即根據垂線的流速測點分布位置進行計算得到。
63.s32、根據流水槽2的過流截面積和流水槽2的溼周計算得到流水槽2的水力半徑r；
[0064][0065]
s33、根據流水槽2的水力半徑和流水槽2內壁糙率計算得到流水槽2的相對粗糙度ks；
[0066][0067]
其中，g為重力加速度，n為流水槽2內壁糙率，內壁糙率根據流水槽2的材質可以得到。
[0068]
s34、根據流水槽2的相對粗糙度計算得到流水槽2的阻力係數λ；
[0069]
λ＝0.185(ks/d)
1/3
[0070]
其中，d＝4r。
[0071]
s35、設定流水槽2中流水槽水裡速度，根據流水槽2的阻力係數、流水槽2的長度和設定的流水槽水流速度計算得到流水槽2中的水力損失hf；
[0072][0073]
其中，l為流水槽2的長度，v為設定的流水槽水流速度。
[0074]
s36、根據設定流水槽2的水力損失和流水槽2的長度計算得到流水槽2與水平方向的夾角θ；
[0075][0076][0077]
s37、根據流水槽2的長度確定升降臺3的升降高度，通過調節流水槽2的偏轉角度實現流水槽2轉動至對應的傾斜角度。
[0078]
為了進一步解釋說明，通過具體實驗進行舉例：
[0079]
流水槽2的長l為10m，流速儀最小水深值h取值h＝0.75，計算得到流水槽2的寬x為0.5m，即流水槽2內壁之間的寬度，通過調節溢流閥6使得通過液位計7測量得到流水槽2中的水深h為0.25m，流水槽2使用不鏽鋼作為內壁，其內壁糙率n＝0.012。
[0080]
此時計算得到：
[0081]
流水槽2的過流截面積a＝x*h＝0.5
×
0.25＝0.125m2；
[0082]
流水槽2的溼周χ＝x*h*2＝0.5+0.25
×
2＝1m；
[0083]
流水槽2的水力半徑
[0084]
流水槽2的相對粗糙度
[0085]
其中g取9.8m/s2，根據管道實驗的莫迪圖，在滿足λ＝0.185(ks/d)
1/3
時，ks/d≈0.001～0.05，所以計算ks/d，其中d取值為4r＝0.5m，即滿足上述要求，從而計算流水槽2的阻力係數λ＝0.185(ks/d)
1/3
＝0.185
×
0.0015
1/3
＝0.021；
[0086]
當設定流水槽2中的水流流速v＝1m/s時，得到流水槽2中的水力損失當設定流水槽2中的水流流速v＝1m/s時，得到流水槽2中的水力損失
[0087]
流水槽2的傾斜角度
[0088]
根據進水管4上總進水流量計8測量得到的總流量q
總
等於溢流管5上溢流水流量計9測量得到溢流流量q
溢
與流水槽2中的流量q
槽
之和可以計算得到q
槽
＝q
總-q
分
，再根據q
槽
＝a
×v實
×
3600s可以計算得到
[0089]
根據待測流速儀測量得到的v
測
與v
實
進行計算，完成待檢流速儀在0.25m水位和v
實
流速狀態下的校準，如此，通過改變溢流閥6的位置和改變流水槽2的角度實現不同水位和不同流速狀態下的待檢流速儀的測量，最終完成待檢流速儀的校準。