扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x及測(cè)量方法，該扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x包括測(cè)力裝置及數(shù)據(jù)處理裝置，測(cè)力裝置包括扭絲、平面鏡、激光光源、弧度尺、均質(zhì)球、連桿和基座；扭絲安裝在基座上并且繞基座轉(zhuǎn)動(dòng)；平面鏡固定在扭絲中間；連桿與扭絲固定相連，均質(zhì)球連接到連桿的下部帶動(dòng)扭絲及平面鏡偏轉(zhuǎn)；弧度尺上設(shè)有多個(gè)光敏傳感器；平面鏡、弧度尺和激光光源位于同一平面內(nèi)，光敏傳感器用于檢測(cè)激光信號(hào)，將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；數(shù)據(jù)處理裝置包括數(shù)據(jù)傳輸線及微處理器，電信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線傳送至微處理器。本發(fā)明解決了低流速測(cè)量存在精度低的問(wèn)題，且有成本低，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低流速水體測(cè)量裝置領(lǐng)域，特別涉及一種扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水庫(kù)蓄水后，庫(kù)前及其支流回水河段水位升高、水流減緩，使得大量泥沙沉積，水體濁度變小、透明度增大、光線的穿透率升高，都有利于浮游藻類的光合作用，促進(jìn)藻類的生長(zhǎng)繁殖，更有利于水華的發(fā)生，使得這些低流速河段成為富營(yíng)養(yǎng)化研究的敏感地區(qū)。
[0003]據(jù)相關(guān)研究，水動(dòng)力學(xué)條件的改變可能是庫(kù)區(qū)發(fā)生水華的主要誘發(fā)因子。水動(dòng)力條件尤其是其臨界流速的測(cè)定作為發(fā)生水華主要誘發(fā)因子加以研究就變得日益重要。不僅如此，水流速度的測(cè)量對(duì)于研究水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和水流泥沙的相互作用機(jī)理具有十分重要的意義，因而流速測(cè)量技術(shù)也受到人們的高度重視。
[0004]近年來(lái)，隨著電子技術(shù)和傳感技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)外測(cè)量水流速度的儀器設(shè)備越來(lái)越多，如電磁流速儀、超聲多普勒流速儀(Acoustic Doppler Velocimetry, ADV)、激光多普勒流速儀(Laser Doppler Velocimetry, LDV)、粒子成像測(cè)速系統(tǒng)(Particle ImageVelocimetry，PIV)等。但該類儀器造價(jià)高昂，需要經(jīng)過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的人進(jìn)行操作，且不易應(yīng)用于野外水體。
[0005]傳統(tǒng)的旋漿式流速儀雖然成本低、操作簡(jiǎn)單，但由于啟動(dòng)流速較大，并不適用低流速水體的測(cè)量，且同時(shí)旋漿式流速儀并不能直接指示出水流方向，往往需要測(cè)量人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及測(cè)量結(jié)果進(jìn)行估算和分析，影響測(cè)量精度。而如今，由于水利工程的興建，水庫(kù)庫(kù)灣區(qū)域水體流速往往為毫米級(jí)，傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備不宜使用，因此急需一種成本低廉，操作簡(jiǎn)單并能夠用于低流速下流動(dòng)測(cè)量的儀器。
[0006]綜上所述，提供一種成本低廉，操作簡(jiǎn)單并能夠用于低流速下流動(dòng)測(cè)量的儀器，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。
[0007]公開于該發(fā)明【背景技術(shù)】部分的信息僅僅旨在加深對(duì)本發(fā)明的一般【背景技術(shù)】的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，解決了低流速測(cè)量存在精度低的問(wèn)題，且有成本低，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。
[0009]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其包括扭秤測(cè)力裝置及數(shù)據(jù)處理裝置；所述測(cè)力裝置包括扭絲、平面鏡、激光光源、弧度尺、均質(zhì)球、連桿和基座；所述扭絲安裝在基座上，并且能夠繞基座的圓周轉(zhuǎn)動(dòng)；所述平面鏡固定在扭絲中間；所述連桿與所述扭絲固定相連，并且所述均質(zhì)球能夠拆卸地連接到連桿的下部，從而通過(guò)所述均質(zhì)球的移動(dòng)帶動(dòng)扭絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)，由此使平面鏡偏轉(zhuǎn)；所述弧度尺上設(shè)有多個(gè)光敏傳感器；所述激光光源用于發(fā)射激光；所述平面鏡、弧度尺和激光光源位于同一平面內(nèi)，其中所述平面鏡將激光光源發(fā)射的激光反射到所述弧度尺的光敏傳感器上；而所述光敏傳感器用于檢測(cè)激光信號(hào)，并且將檢測(cè)到的激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；所述數(shù)據(jù)處理裝置包括數(shù)據(jù)傳輸線及微處理器，所述光敏傳感器的電信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線傳送至微處理器。
[0010]進(jìn)一步地，扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x包括流向測(cè)定裝置；所述流向測(cè)定裝置包括所述基座、對(duì)稱翼型管和流向指針；所述基座上設(shè)置有流向刻度盤；所述流向指針安裝在基座上，用于與刻度盤配合表示流向；所述對(duì)稱翼型管連接到連桿并且與流向指針固定相連。
[0011]進(jìn)一步地，所述基座外邊緣處設(shè)置一圈凹槽，凹槽內(nèi)固定有一圓形滑軌；基座底部中心固定有一轉(zhuǎn)筒，轉(zhuǎn)筒內(nèi)部具有空心部分，轉(zhuǎn)筒的側(cè)面設(shè)置有一細(xì)縫，轉(zhuǎn)筒的底端與對(duì)稱翼型管連接，轉(zhuǎn)筒的頂端與流向指針連接，對(duì)稱翼型管和流向指針同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，扭絲中間垂直向下設(shè)有一卡槽，連桿穿過(guò)對(duì)稱翼型管，再向上穿過(guò)轉(zhuǎn)筒以及該卡槽連接扭絲，而連桿向下連接均質(zhì)球。
[0012]進(jìn)一步地，所述測(cè)力裝置進(jìn)一步包括一支架，所述支架為圓形且底部設(shè)有滑動(dòng)支座，能夠使支架在圓形滑軌中自由轉(zhuǎn)動(dòng)，支架沿直徑兩端各設(shè)置有一固定端，各固定端端頭設(shè)置有卡扣，將扭絲固定在支架上，支架上與扭絲垂直的直徑兩端上各設(shè)置有一支桿，各支桿頂部連接對(duì)應(yīng)的激光光源或弧度尺。
[0013]進(jìn)一步地，所述均質(zhì)球密度與水體密度P相當(dāng),均質(zhì)球懸浮于水體之中且中心與對(duì)稱翼型管末端距離為其中D為均質(zhì)球直徑。
[0014]進(jìn)一步地，所述連桿為輕質(zhì)細(xì)桿，其密度與水體密度P相當(dāng)。
[0015]進(jìn)一步地，所述扭絲為直徑不變的金屬或非金屬均質(zhì)材料。
[0016]進(jìn)一步地，所述流向刻度盤設(shè)置于所述基座的圓形滑軌上，該流向刻度盤上刻有與轉(zhuǎn)筒同心的順時(shí)針均勻排列的角度刻度，對(duì)稱翼型管受流動(dòng)作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒以及流向指針轉(zhuǎn)動(dòng)并在流向刻度盤上指示出流動(dòng)方向。
[0017]進(jìn)一步地，所述對(duì)稱翼型管密度與水體密度P相當(dāng)，對(duì)稱翼型管的兩端中較大的一端為迎水端，較小的一頭為背水端，迎水端封閉，背水端不封閉，轉(zhuǎn)筒與對(duì)稱翼型管的連接處位于對(duì)稱翼型管的迎水端，對(duì)稱翼型管內(nèi)部設(shè)置有細(xì)縫并與轉(zhuǎn)筒的細(xì)縫底端相接，連桿以及均質(zhì)球能夠在轉(zhuǎn)筒的細(xì)縫和對(duì)稱翼型管的細(xì)縫限定的范圍內(nèi)自由擺動(dòng)。
[0018]進(jìn)一步地，所述微處理器包括接收端，輸入端以及輸出端；接收端接收數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)挠晒饷魝鞲衅鬓D(zhuǎn)換的電信號(hào)，輸入端輸入已知參數(shù)，經(jīng)過(guò)接收端的計(jì)算分析，輸出端輸出所需測(cè)量的流速結(jié)果。
[0019]進(jìn)一步地，所述輸入端輸入已知參數(shù)為扭絲直徑d、扭絲長(zhǎng)度m、均質(zhì)球的直徑D、水體密度P、水體運(yùn)動(dòng)粘度V、扭絲材料的切變模量G、均質(zhì)球中心至扭絲的直線距離1、弧度尺的半徑r以及球體繞阻系數(shù)Cd與雷諾數(shù)Re關(guān)系曲線。
[0020]進(jìn)一步地，測(cè)量前所述激光光源通過(guò)平面鏡照射到弧度尺上，產(chǎn)生位置讀數(shù)S1，測(cè)量時(shí)均質(zhì)球受到繞流阻力帶動(dòng)扭絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)，扭絲帶動(dòng)平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，激光光源照射到弧度尺上的位置發(fā)生變化，產(chǎn)生另一個(gè)位置讀數(shù)S2;扭絲轉(zhuǎn)動(dòng)角度0由以下公式計(jì)算得出:9
=(S2-S1VGr);扭絲所受的扭矩M由以下公式計(jì)算得出:M=4θGIk/m均質(zhì)球上的繞流阻


；力f由以下公式計(jì)算得出
【權(quán)利要求】
1.一種扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其包括測(cè)力裝置及數(shù)據(jù)處理裝置； 所述測(cè)力裝置包括扭絲、平面鏡、激光光源、弧度尺、均質(zhì)球、連桿和基座；所述扭絲安裝在基座上，并且能夠繞基座的圓周轉(zhuǎn)動(dòng)；所述平面鏡固定在扭絲中間；所述連桿與所述扭絲固定相連，并且所述均質(zhì)球能夠拆卸地連接到連桿的下部，從而通過(guò)所述均質(zhì)球的移動(dòng)帶動(dòng)扭絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)，由此使平面鏡偏轉(zhuǎn)； 所述弧度尺上設(shè)有多個(gè)光敏傳感器；所述激光光源用于發(fā)射激光；所述平面鏡、弧度尺和激光光源位于同一平面內(nèi)，其中所述平面鏡將激光光源發(fā)射的激光反射到所述弧度尺的光敏傳感器上；而所述光敏傳感器用于檢測(cè)激光信號(hào)，并且將檢測(cè)到的激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；所述數(shù)據(jù)處理裝置包括數(shù)據(jù)傳輸線及微處理器，所述光敏傳感器的電信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線傳送至微處理器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其特征在于，其進(jìn)一步包括流向測(cè)定裝置； 所述流向測(cè)定裝置包括所述基座、對(duì)稱翼型管和流向指針； 所述基座上設(shè)置有流向刻度盤； 所述流向指針安裝在基座上，用于與刻度盤配合表示流向； 所述對(duì)稱翼型管連接到連桿并且與流向指針固定相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述基座外邊緣處設(shè)置一圈凹槽，凹槽內(nèi)固定有一圓形滑軌；基座底部中心固定有一轉(zhuǎn)筒，轉(zhuǎn)筒內(nèi)部具有空心部分，轉(zhuǎn)筒的側(cè)面設(shè)置有一細(xì)縫，轉(zhuǎn) 筒的底端與對(duì)稱翼型管連接，轉(zhuǎn)筒的頂端與流向指針連接，對(duì)稱翼型管和流向指針同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，扭絲中間垂直向下設(shè)有一卡槽，連桿穿過(guò)對(duì)稱翼型管，再向上穿過(guò)轉(zhuǎn)筒以及該卡槽連接扭絲，而連桿向下連接均質(zhì)球。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述測(cè)力裝置進(jìn)一步包括一支架，所述支架為圓形且底部設(shè)有滑動(dòng)支座，能夠使支架在圓形滑軌中自由轉(zhuǎn)動(dòng)，支架沿直徑兩端各設(shè)置有一固定端，各固定端端頭設(shè)置有卡扣，將扭絲固定在支架上，支架上與扭絲垂直的直徑兩端上各設(shè)置有一支桿，各支桿頂部連接對(duì)應(yīng)的激光光源或弧度尺。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述均質(zhì)球密度與水體密度P相當(dāng)，均質(zhì)球懸浮于水體之中且中心與對(duì)稱翼型管末端距離為5D，其中D為均質(zhì)球直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述連桿為輕質(zhì)細(xì)桿，其密度與水體密度P相當(dāng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述扭絲為直徑不變的金屬或非金屬均質(zhì)材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述流向刻度盤設(shè)置于所述基座的圓形滑軌上，該流向刻度盤上刻有與轉(zhuǎn)筒同心的順時(shí)針均勻排列的角度刻度，對(duì)稱翼型管受流動(dòng)作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒以及流向指針轉(zhuǎn)動(dòng)并在流向刻度盤上指示出流動(dòng)方向。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述對(duì)稱翼型管密度與水體密度P相當(dāng)，對(duì)稱翼型管的兩端中較大的一端為迎水端，較小的一頭為背水端，迎水端封閉，背水端不封閉，轉(zhuǎn)筒與對(duì)稱翼型管的連接處位于對(duì)稱翼型管的迎水端，對(duì)稱翼型管內(nèi)部設(shè)置有細(xì)縫并與轉(zhuǎn)筒的細(xì)縫底端相接，連桿以及均質(zhì)球能夠在轉(zhuǎn)筒的細(xì)縫和對(duì)稱翼型管的細(xì)縫限定的范圍內(nèi)自由擺動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述微處理器包括接收端、輸入端以及輸出端；接收端接收數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)挠晒饷魝鞲衅鬓D(zhuǎn)換的電信號(hào)，輸入端輸入已知參數(shù)，經(jīng)過(guò)接收端的計(jì)算分析，輸出端輸出所需測(cè)量的流速結(jié)果。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述輸入端輸入已知參數(shù)為扭絲直徑d、扭絲長(zhǎng)度m、均質(zhì)球直徑D、水體密度P、水體運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)V、扭絲材料的切變模量G、均質(zhì)球中心至扭絲的直線距離1、弧度尺半徑r以及球體繞阻系數(shù)Cd與雷諾數(shù)Re關(guān)系曲線。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其特征在于，測(cè)量前所述激光光源通過(guò)平面鏡照射到弧度尺上，產(chǎn)生位置讀數(shù)S1，測(cè)量時(shí)均質(zhì)球受到繞流阻力帶動(dòng)扭絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)，扭絲帶動(dòng)平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，激光光源照射到弧度尺上的位置發(fā)生變化，產(chǎn)生另一個(gè)位置讀數(shù)S2; 扭絲轉(zhuǎn)動(dòng)角度e由以下公式計(jì)算得出:
θ= (S2-S1) / (4r)； 扭絲所受的扭矩M由以下公式計(jì)算得出:

13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述扭絲轉(zhuǎn)動(dòng)角度0的值在20 A 0~0.2弧度之間，其中A 0為弧度尺的測(cè)量精度，其值由公式A 0 = Al/(2r)確定，△ I為弧度尺長(zhǎng)度測(cè)量精度，r為弧度尺半徑。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x，其特征在于，均質(zhì)球所在點(diǎn)處水體流速u與均質(zhì)球上的繞流阻力f的對(duì)應(yīng)關(guān)系由球體繞阻系數(shù)Cd與雷諾數(shù)Re關(guān)系曲線以及以下公式計(jì)算得出: 雷諾數(shù)Re與均質(zhì)球所在點(diǎn)處水體流速u關(guān)系公式:Re = uD/v ；





2 均質(zhì)球上的繞流阻力f的計(jì)算公式:
15.一種測(cè)量方法，其使用權(quán)利要求2-14中任一項(xiàng)所述的扭秤式流動(dòng)測(cè)量?jī)x進(jìn)行水流的流動(dòng)測(cè)量，所述測(cè)量方法包括: 根據(jù)扭絲轉(zhuǎn)動(dòng)角度要求確定初步選用扭絲的材料及直徑； 從微處理器的輸入端輸入?yún)?shù)，并旋轉(zhuǎn)測(cè)量?jī)x使圓形滑軌的零度刻度指向預(yù)定方向； 將對(duì)稱翼型管和連桿連接好后放入水體至穩(wěn)定后手動(dòng)調(diào)節(jié)使扭絲垂直于水流流向、激光光源在水流流向上方以及弧度尺在水流流向下方； 將支架固定后讀取刻度，確定水流流向； 開啟激光光源，獲取無(wú)扭矩作用下激光光源在弧度尺上的位置，并將初始結(jié)果傳輸?shù)轿⑻幚砥鳎? 連接好均質(zhì)球、連桿及扭絲，并將球放入水體，獲取激光光源在弧度尺上位置讀數(shù)的變化并由光敏傳感器傳輸至微處理器，從而計(jì)算出均質(zhì)球所在點(diǎn)處水體流速。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的測(cè)量方法，其特征在于，從微處理器的輸入端輸入以下參數(shù):扭絲直徑d、扭絲長(zhǎng)度m、均質(zhì)球直徑D、水體密度P、水體運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)V、扭絲材料的切變模量G、均質(zhì)球中心至扭絲的直線距離1、弧度尺半徑r以及球體繞阻系數(shù)Cd與雷諾數(shù)Re關(guān)系曲線。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的測(cè)量方法，其特征在于，在測(cè)量前所述激光光源通過(guò)平面鏡照射到弧度尺上，產(chǎn)生位置讀數(shù)S1，測(cè)量時(shí)均質(zhì)球受到繞流阻力帶動(dòng)扭絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)，扭絲帶動(dòng)平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，激光光源照射到弧度尺上的位置發(fā)生變化，產(chǎn)生另一個(gè)位置讀數(shù)S2 ； 扭絲轉(zhuǎn)動(dòng)角度e由以下公式計(jì)算得出:
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述扭絲轉(zhuǎn)動(dòng)角度0的值在20 A 0~0.2弧度之間，其中A 0為弧度尺的測(cè)量精度，其值由公式A 0 = Al/(2r)確定，A I為弧度尺長(zhǎng)度測(cè)量精度，r為弧度尺半徑。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述均質(zhì)球所在點(diǎn)處水體流速u與均質(zhì)球上的繞流阻力f的對(duì)應(yīng)關(guān)系由球體繞阻系數(shù)Cd與雷諾數(shù)Re關(guān)系曲線以及以下公式計(jì)算得出: 雷諾數(shù)與流速關(guān)系公式:Re = uD/v ； 均質(zhì)球上的繞流阻力f的計(jì)算公式:/ = Cd P1-A



2上述公式中，Re為雷諾數(shù)，f為均質(zhì)球上的繞流阻力，D為均質(zhì)球直徑，Cd為球體繞阻系數(shù)，P為水體密度，A為均質(zhì)球橫截面面積，V為水體運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，u為均質(zhì)球所在點(diǎn)處水體流速； 通過(guò)計(jì)算出的均質(zhì)球上的繞流阻力f能夠得到均質(zhì)球所在點(diǎn)處水體流速U，并在微處理器輸出端輸出。
【文檔編號(hào)】G01P5/26GK103499706SQ201310438758
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】戴會(huì)超, 蔣定國(guó), 別玉靜, 唐夢(mèng)君, 張培培 申請(qǐng)人:中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司