基于恒定均匀流的流速仪校准方法及其装置

技术领域

本发明涉及流速测量技术领域，尤其涉及一种基于恒定均匀流的流速仪校准方法及其装置。

背景技术

在液体流量测量中，流速是最重要的参数，即使条件的一些细小改变，也会引起介质流态的变化，进而引起流量的变化。现下，得益于各种液体流量标准装置的建立，以及生产厂家不断进行新技术的应用，对于封闭管道中液体流量的测量，技术已经很成熟，对应的管道流量计精度也很高，最高可以达到0.1％；而在开放渠槽、河道、行管中，流量的测量主要仪器是各种明渠、堰、测流槽，流速的测量主要是流速仪，是一种测量河流、湖泊和渠道等水体的水流流量的仪器。目前，我国在流速测量中用得最多的是转子式流速仪。

目前流速仪的校准装置主要为直线明槽方式，其原理是采用可调速度的检定车拖带流速仪在明槽上匀速运行，获得流速仪流速校准结果。目前，所有的流速仪校准装置，其直线明槽的长度在100m左右，宽度在4m左右，加上封闭空间等需留距离，导致占地面积大，对检测机构的场地要求极高；并且其检定车造价昂贵，维修维护难度大，校准成本高；流速仪校准装置中流速仪溯源是通过已由国家检定计量过的通用计数器和二级钢卷尺，采用间接计量检定方法完成流速仪在相同测量条件下，重复测量同一个数据，根据计量标准提供相近示值，校准效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于恒定均匀流的流速仪校准方法及其装置，摒弃现有流速仪通过长度-时间体系进行溯源的方法，采用流量体系对流速仪进行量值溯源，提高工作效率。

本发明的技术问题解决方案：

一种基于恒定均匀流的流速仪校准装置，其特征在于，包括溢流水箱和流水槽，所述溢流水箱的进水端连接有进水管，溢流水箱的出水端与流水槽的进水端连接。

进一步限定，所述基于恒定均匀流的流速仪校准装置还包括升降台，所述升降台位于流水槽的出水端，所述溢流水箱的出水端通过连接件与流水槽的进水端活动连接，升降台用于调节流水槽与水平方向的角度。

进一步限定，所述连接件为补偿器或者膨胀节。

进一步限定，所述溢流水箱进水端位于溢流水箱出水端的下方，溢流水箱侧壁上开设有溢流口，所述溢流口位于溢流水箱进水端的上方，根据开设的溢流口开口大小调节流水槽的水深高低。

进一步限定，所述基于恒定均匀流的流速仪校准装置还包括溢流阀，所述溢流阀设置在溢流口用于调节水流通过溢流口的大小。

进一步限定，所述基于恒定均匀流的流速仪校准装置还包括液位计，所述液位计设置在流水槽上并与流水槽连通。

进一步限定，所述基于恒定均匀流的流速仪校准装置还包括总进水流量计和溢流水流量计，所述总进水流量计设置在进水管上，所述溢流口上连接有溢流管，所述溢流水流量计设置在溢流管上。

进一步限定，所述基于恒定均匀流的流速仪校准装置还包括回水槽，所述溢流水箱设置在回水槽中，所述进水管穿过回水槽与溢流水箱连接，所述溢流管的出水端和所述流水槽的出水端均位于回水槽的正上方，所述升降台位于回水槽的外侧。

一种基于恒定均匀流的流速仪校准方法，其特征在于，基于上述基于恒定均匀流的流速仪校准装置，包括以下步骤：

S1、将待检流速仪安装在流水槽上，通过进水管给溢流水箱匀速注水；

S2、通过溢流阀调节流水槽的水深；

S3、设定流水槽中水流速度，根据流水槽中设定的水流速度通过升降台调节流水槽水平方向的夹角；

S4、根据进水管流量与溢流管流量差值确定流水槽的流量，并根据流水槽的流量确定流水槽的实时流速；

S5、通过对比流水槽的实时流速与待检流速仪的测量流速完成待检流速仪的校准。

进一步限定，所述步骤S3具体为：

S31、根据流水槽的宽度与流水槽的水深分别计算得到流水槽的过流截面积和流水槽的湿周；

S32、根据流水槽的过流截面积和流水槽的湿周计算得到流水槽的水力半径；

S33、根据流水槽的水力半径计算得到流水槽的相对粗糙度；

S34、根据流水槽的相对粗糙度计算得到流水槽的阻力系数；

S35、设定流水槽的水流速度，根据流水槽的阻力系数、流水槽的长度和设定的流水槽水流速度计算得到流水槽中的水力损失；

S36、根据设定流水槽的水力损失和流水槽的长度计算得到流水槽与水平方向的夹角；

S37、根据流水槽的长度确定升降台的升降高度调节流水槽的偏转角度。

本发明的有益效果在于：

1、本发明利用明渠中恒定均匀流的特性，摒弃现有通过检定车带动流速仪在静止水流中匀速行驶间接得到恒定流速的方法，使得进水管的水流通过溢流水箱进入流水槽后流水槽中的流速恒定，从而直接实现流速仪对恒定流速的测量要求，再将另一处溢流出水使用标准流量计测量，并通过与总进水流量计的比较得到差值的方法，得到流水槽中的瞬时流量，进而得到流速值，节省时间，提高流速仪的校准效率，其结构简单规模小，能够极大地节约场地；同时流水槽中的恒定均匀流更加稳定，提高了流速仪校准结果的稳定性，同时也提高了流速仪的校准精度。

2、本发明通过升降台可以调节流水槽的倾斜角度，从而控制流水槽中的水流速度，实现不同水流状态下对流速仪的校准，结构简单操作方便，并且减小整体的体积降低了占用面积使得成本低，检测功能齐全，适合推广使用。

3、通过设置溢流阀能够通过调节溢流阀的高度确定流水槽水位的高度，从而能够实现流速仪在不同水位状态下的校准工作，操作简单调节方便，同时从溢流水箱溢流出的水通过溢流管流出，通过溢流水流量计采集的溢流流量和总进水流量计采集的进水流量即可准确获得流水槽中的流量，使得流水槽的流量计算更加准确。

附图说明

图1为本发明基于恒定均匀流的流速仪校准装置的主视结构示意图；

图2为本发明基于恒定均匀流的流速仪校准装置的俯视结构示意图；

图3为本发明基于恒定均匀流的流速仪校准装置的整体结构示意图；

图4为本发明连通槽与流水槽截面结构示意图；

1-溢流水箱；2-流水槽；3-升降台；4-进水管；5-溢流管；6-溢流阀；7-液位计；8-总进水流量计；9-溢流水流量计；10-回水槽；11-连通槽。

具体实施方式

实施例1

明渠中恒定均匀流，其特点是流速沿程不变，流线为一系列互相平行的直线，明渠的水深和断面的流速分布等均沿流不变。其断面平均流速、动能校正系数以致断面平均动能

参考图1～3，本实施例提供一种基于恒定均匀流的流速仪校准装置，包括溢流水箱1、流水槽2和升降台3；初始状态下，流水槽2水平设置，流水槽2的首端通过连接件与溢流水箱1的出水口活动连接，流水槽2的末端与升降台3连接，升降台3安装在流水槽2的底部，升降台3可选择与流水槽2的底部接触连接，此时在流水槽2的相对两侧设置挡板，升降台3设置在两个挡板之间，避免流水槽2在升降台3上晃动；优选的升降台3顶部与流水槽2底部铰接，升降台3的升高与降低直接带动流水槽2的末端以连接件的中心为圆心在竖直面内上下转动；需要说明的是，当升降台3与流水槽2的底部铰接，由于流水槽2的末端在上下转动时沿升降台3的轴线方向上下移动，导致流水槽2的首端在流水槽2转动时靠近或者远离溢流水箱1，此时连接件采用能够提供旋转和移动的部件，此时连接件可选为补偿器或者膨胀节，流水槽2末端转动的同时，流水槽2的首端也能够通过连接件相对溢流水箱1转动和移动，实现升降台3带动流水槽2上下偏转，从而通过升降台3调节流水槽2与水平方向的偏转角度，进而调节流水槽2与水平方向的夹角，同时使流水槽2在通过升降台3上下转动时能够保持与溢流水箱1之间的连接，保证溢流水箱1中的水在流水槽末端高度调节后依旧能够流入流水槽2中，避免水流外渗。

进一步说明，连接件还可选为橡胶管，此时为了避免流水槽2因自重导致其首端向下倾斜，从而造成流水槽2与水平方向之间的夹角与升降台3的调节高度存在偏差，因此需要在流水槽2首端设置升降支撑杆，升降支撑杆设置在流水槽2的底部，升降支撑杆顶部与流水槽2的底面接触，升降支撑杆的顶部可选为球面结构或者圆柱结构，保证流水槽2的稳定转动，通过调节流水槽2首端和/或尾端的高度从而实现流水槽2与水平方向的夹角调节。

通常流水槽2末端向下调节，通过控制流水槽2的偏转角度从而调节流水槽2中水流的速度，实现待检流速仪在不同水流速度状态下的测量以及校准；为了方便后期校准计算，优选流水槽2内部为长方体结构。

为了实现在不同液位高度状态下对待检流速仪进行校准，优选在溢流水箱1上开设溢流口，溢流口开设在溢流水箱1的周侧，并且溢流口的上边沿与溢流水箱1的上边沿平齐，溢流水箱1的出水口位于溢流口的相对一侧，溢流水箱1的进水流量固定，通过调节溢流口底部的高度调节溢流水箱1的液位高度，从而调节从溢流水箱1中进入流水槽2的液位高度，由于进入溢流水箱1的进水流速相同，管径相同，即进水流量相同，通过获得溢流口溢流流量即可获得流水槽2中的流量，在流水槽2宽度和液位高度已知时即可求得流水槽2中水流的速度，为了实现不同流速的测量，避免每一个溢流水箱1上开设不同高度溢流口，进一步优选，基于恒定均匀流的流速仪校准装置还包括溢流阀6，在溢流口上设置溢流阀6，溢流阀6与溢流口活动连接，溢流阀6上端与溢流水箱1上边沿平齐时，溢流水箱1的最高水位与溢流阀6的上端平齐，当溢流阀6向下滑动时，溢流水箱1中的水位同样与溢流阀6的上端平齐，从而通过溢流阀6的升降控制溢流水箱1中的液位高度，进而控制从出水口进入流水槽2的水流液位高度，优选在溢流口连接有溢流管5，方便对溢流出的水进行收集后统一排放。

进一步的，参考图4，为了方便获取流水槽2中液位的高度，优选基于恒定均匀流的流速仪校准装置还包括液位计7，在流水槽2上设置液位计7获取流水槽2中的实时液位，为了避免液位计7设置在流水槽2中对流水槽2中的恒定均匀流造成干扰，优选的在流水槽2的侧壁上设置连通槽11，使连通槽11与流水槽2底部连通，利用连通器原理保证流通槽内液位与流水槽2内的液位高度相同，此时在连通槽11中设置液位计7确定流水槽2中的实时液位高度，保证流水槽2中恒定均匀流的稳定可靠，实现对流速仪的高精度校准。

进一步的，为了计算流水槽2中的水流流量，选择利用进水流量减去溢出流量得到的差值作为流水槽2中的水流流量，优选基于恒定均匀流的流速仪校准装置还包括总进水流量计8和溢流水流量计9，在进水管4上设置总进水流量计8，在溢流管5上设置溢流水流量计9，进而得到对应的流量，数据采集方便，计算方便，同时也可对数据进行记录方便回溯；也可以选择在流水槽2中设置比托管传感器，实现对流水槽2中的水流的流速进行实时监测，进一步提高校准精度。

进一步的，为了避免水资源的浪费，优选基于恒定均匀流的流速仪校准装置还包括回水槽10，回水槽10放置在溢流水箱1的下方，使得溢流水箱1溢流出的水通过溢流管5排入回水槽10中，此时溢流管5的出水端位于回水槽10的上方，同样的，流水槽2末端为出水端，流水槽2的出水端排出的水流入回水槽10中，即流水槽2的出水端位于回水槽10的上方，同时升降台3位于回水槽10的外侧，提高升降台3的使用寿命；此时进水管4的一端伸入总水箱中，进水管4的另一端穿过回水槽10的侧壁与溢流水箱1的进水口连接，通过水泵将总水箱中的水泵入溢流水箱1中，回水槽10的出水端与总水箱连接，避免水的浪费，实现水的循环使用，节约资源节约成本。

在使用时，根据需要计算调节流水槽2中的流量，随后调节流水槽2与水平方向的夹角，流水槽2中即可得到恒定均匀流，将待检流量计安装在流水槽2中即可实现对待检流量计的校准，随装随用，校准效率高，检定结果更加稳定，提高校准精度；与现有方法静态流水槽测量的方法对比不需要通过现有距离-长度体系的方法利用检定车带动流量计移动来获取待检流量计测量结果，再通过计算选取接近匀速时间段的数值进行计算，导致为了保证结果准确需要带动待检流量计移动的时间长，极大降低了待检流量计的校准效率；同时利用检定车带动待检流速仪移动使得待检流速仪与水流之间形成相对的流速，此时需要检定车能够保持匀速行驶，难度高，并且匀速行驶的稳定性低，使得通过现有距离-时间体系得到的检定结果精度较低。

实施例2

基于实施例1，本实施例提供了一种基于恒定均匀流的流速仪校准装置使用方法，包括以下步骤：

S1、通过进水管4给溢流水箱1匀速注水，将待检流速仪安装在流水槽2上；

步骤S1中，通过水泵将总水箱中的水通入溢流水箱1中，流水槽2水平放置，通过观察总进水流量计8数值变化和溢流水流量计9数值变化确定待溢流管5中的流量稳定和进水管4中的流量稳定，此时流水槽2中的流量稳定，随后将待测流速仪按照检测要求连接在流水槽2上准备进行检测。

S2、通过调节溢流阀6的高度调节流水槽2内水深；

步骤S2中，首先确定待检流速仪需要进行测试的水深，随后逐渐调节溢流阀6的高度，即调节溢流水箱1上溢流口底端的位置，进而实现溢流水箱1液面高度的调节，控制流水槽2中的液位，同时借助液位计7，通常选择将待检流速仪连接在液位计7的相对一侧，保证液位计7的液位值即为待检流速仪所处液位，将液位计7安装在流水槽2侧壁上的连通槽11中，进而准确获取对应位置的液位高度，即流水槽2中的水深。

S3、设定流水槽2水流速度，并根据流水槽2水流速度调节流水槽2的倾斜角度；

步骤S3中，确定待检流速仪的测试流速，即可确定流水槽2的流速，经过计算得到流水槽2的偏转角度，当连接件为补偿器或者膨胀节时，通过调整升降台3的高度，带动流水槽2在竖直平面内向下偏转对应的角度即可；当连接件为橡胶管时，此时可以选择保持升降支撑杆的高度并降低升降台3的高度从而将流水槽2向下偏转，也可以选择升高升降支撑杆的高度保持升降台3的高度使得流水槽2向下偏转，也可以选择升高升降支撑杆的高度同时降低升降台3的高度使得流水槽2向下偏转，其中，当升降支撑杆升高时，需要保证流水槽2的首端不高于橡胶管与溢流水箱1连接端口的位置，保证溢流水箱1中的水流能够稳定可靠地流向流水槽2；通过对流水槽2偏转的调整，使流水槽2中的流速进行对应的调整，从而完成对应流速状态下的待检流速仪测试。

S4、根据进水管流量与溢流管流量差值确定流水槽2的流量，并根据确定流水槽2的流量确定流水槽2的实时流速；

步骤S4中，通过总进水流量计8的显示结果与溢流水流量计9显示结果作差得到流水槽2中的流量，再结合流水槽2中的长宽尺寸和水位深度即可计算得到流水槽2的实时流速。

S5、通过对比实时流速与待检流速仪的测量流速完成待检流速仪的校准。

最后步骤S5中将计算得到的实时流速与流速仪测量得到流速进行对比计算，完成流速仪的校准。

具体的，步骤S3包括以下步骤：

S31、根据流水槽2的宽度与流水槽2内水深分别计算得到流水槽2的过流截面积A和流水槽2的湿周χ；

A＝x*h

χ＝x*h*2

其中，x为流水槽2的宽度，h为流水槽2内水深，流水槽2内水深通过液位计7进行测量得到。

S32、根据流水槽2的过流截面积和流水槽2的湿周计算得到流水槽2的水力半径R；

S33、根据流水槽2的水力半径和流水槽2内壁糙率计算得到流水槽2的相对粗糙度K

其中，g为重力加速度，n为流水槽2内壁糙率，内壁糙率根据流水槽2的材质可以得到。

S34、根据流水槽2的相对粗糙度计算得到流水槽2的阻力系数λ；

λ＝0.185(K

其中，d＝4R。

S35、设定流水槽2中流水槽水里速度，根据流水槽2的阻力系数、流水槽2的长度和设定的流水槽水流速度计算得到流水槽2中的水力损失h

其中，L为流水槽2的长度，V为设定的流水槽水流速度。

S36、根据设定流水槽2的水力损失和流水槽2的长度计算得到流水槽2与水平方向的夹角θ；

S37、根据流水槽2的长度确定升降台3的升降高度，通过调节流水槽2的偏转角度实现流水槽2转动至对应的倾斜角度。

为了进一步解释说明，通过具体实验进行举例：

选取流水槽2的长L为10m，流水槽2的宽x为0.5m，即流水槽2内壁之间的宽度为0.5m，通过调节溢流阀6使得根据液位计7测量得到流水槽2中的水深h为0.25m，流水槽2使用不锈钢作为内壁，其内壁糙率n＝0.012。

此时计算得到：

流水槽2的过流截面积A＝x*h＝0.5×0.25＝0.125m

流水槽2的湿周χ＝x*h*2＝0.5+0.25×2＝1m；

流水槽2的水力半径

流水槽2的相对粗糙度

其中g取9.8m/s

当设定流水槽2中的水流流速V＝1m/s时，得到流水槽2中的水力损失

流水槽2的倾斜角度

根据进水管4上总进水流量计8测量得到的总流量q

根据待测流速仪测量得到的V