适用于实验教学的自循环明渠堰流实验装置的制作方法

本发明涉及流量计检定技术领域，具体涉及适用于实验教学的自循环明渠堰流实验装置流量检定的相关领域。

背景技术：

随着工业化进程的加快，水环境污染日益严重。为贯彻落实我国最严格的水资源管理制度，实现水资源合理配置，首先需要做到水量计量的准确可靠。废水排放多使用堰槽法测定流量。为配合整体枢纽布置或研究某些水流问题，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，其对实际工程中堰流测定精度的保证有着重要的实用价值和实践意义。

在明渠流量计的标准装置检定实验中，换向器和标准容器以简单实用的特点，普遍作为明渠试验出水量水设备。由于明渠试验不同种类堰槽适用测定流量范围不同，标准容器需要替换，比较麻烦；容器内水流冲击较大，水位波动明显，造成测量不够准确；标准容器占地大，教学时常用量筒和秒表测量流量，但量筒容积有限，流量较大时测量时间短，产生相对误差大等问题，不能保证试验精度要求。

明渠试验装置采用水泵直接向水槽供水的方法，通过控制水泵出水阀门的开度来控制出水流量。由于水泵抽水功率本身不能保持稳定，而水箱中水位又因水泵抽水而变化，这使水泵抽水速率更加不均匀，直接导致水泵向堰槽装置供水极其不稳定，阀门开度一定时水泵提供的流量变化很大，进而影响堰上水位测量，使测量结果出现较大误差。

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大型教学用实验装置中的低流量高精度测量问题，这样的理论应用实际会让整套实验装置测量更准确。

技术实现要素：

本发明提供了适用于实验教学的自循环明渠堰流实验装置，不仅能解决标准容器内水面波浪大，测量水位不稳等问题，还能根据流量调节容器容积，适应不同堰槽的流量测量。具有节省人力物力，简单方便实用的特点，是实验室用明渠高精度流量仪器，同时也可以用于环保部门对污水的实流检定，方便计费等。

一种适用于实验教学的自循环明渠堰流实验装置，包括：

用于保证出水量恒定的恒位水箱，整流板组，测量液位高度的连通器液位计，槽体，用于测量实际流量的体积法水箱流量计，保证装置水循环的水泵抽水水箱，控制出水的循环水泵，连接恒位水箱和水泵抽水水箱的恒位水箱溢流管，水泵电源。

恒位水箱；

所述的恒位水箱底部，与水泵出水管相连，水泵中流出的水经由出水管流入恒位水箱底部的有机玻璃管，从玻璃管侧壁上的出水孔均匀洒出。

所述的恒位水箱内部，水泵出水口上游方向设置溢流板组，用于调节恒位水箱液位高度，控制恒位水箱出水量。

所述的连接恒位水箱和水泵抽水水箱的恒位水箱溢流管，设置在溢流板组外侧，将从溢流板溢出的水回流至水泵抽水水箱。

所述的恒位水箱内部，水泵出水口下游方向设置整流板组，用以整流，使恒位水箱水面平稳。

所述的恒位水箱与槽体连接处设有出水口，整流后的水流经整流板后，输送至槽体。

槽体；

所述的槽体剖面为矩形，在一定位置设有安放堰板的卡座，其相关长度应符合水力学相关规范，水槽底部与连通器液位计的橡胶管相连接，在槽体的末端设有弧形出水口，向下方箱式流量计处引流。

所述的整流板组，设在槽体靠近恒位水箱一侧，即出水口下游，用于对恒位水箱来水的整流。

所述的连通器液位计，安装在槽体侧壁，包括与槽体底部的圆孔相连的橡胶管、用于读数的玻璃管、水尺，与整流板组间隔一定距离，用以测量水槽中水流的水头高度。

体积法水箱流量计；

所述的体积法水箱流量计箱体中央设有圆柱形的消能桶，水槽出水口下方正对消能桶进水口。

所述的消能桶底部设有球阀，其关闭时可以密封消能桶底部，用于消能，开放时可使水流直接流入水泵抽水水箱。

所述的水箱流量计箱体内设有隔板组，底部开口的隔板组内的三块水平透水隔板由一张与箱体高度相同、宽度比隔板组略窄的薄板连接，薄板可以拿出。连接处各有一小孔用于伸出导线。水平透水隔板中央各有一圆形小孔用于放置浮式感应器，浮式感应器的相对位置高度可以调节。

所述的浮式感应器通过导线和自动控制器相连，位于上方的浮式感应器及其卡座可以拆卸，用以调节感应器相对高度，进而调节水箱流量计实际工作体积。

所述的体积法水箱流量计，在所计时范围内的水箱体积为已知固定数值，需要提前标定。

所述的自动控制器，从下方的浮式感应器开始上浮开始计时，到上方的浮式感应器上升到隔板处停止计时。可预先设定体积，计时停止后，直接自动计算体积除以时间，得出流量。

所述的水泵抽水水箱位于箱式流量计下方，放置在体积法水箱流量计出水口下方，侧壁具有出水孔，与水泵入水口相连，用于盛接经过箱式流量计的水，并为水泵供水。

所述的循环水泵进水口与水泵抽水水箱相连，出水口与恒位水箱相连，用于循环供水。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明适用于实验教学的自循环明渠堰流实验装置，巧妙应用流体力学原理，解决明渠堰槽实验装置低流量的高精度实时测量问题：

本实验装置所配置的体积法箱式流量计，通过消能桶解决了标准容器水位波动问题。水从水槽流出后经过消能桶，其冲击力得到减小，返上来的水流出消能桶后缓慢上升，液位平稳，从而使得感应器感应液位准确。

本实验装置所配置的体积法箱式流量计，将体积的测量转化为液位高度的测量，并将液位高度的变化传给浮式感应器，进而实现时间的测量。此方法减小了流量测量过程中可能出现的时间、体积人为测量误差，节省了实验所需人力，自动化程度高。

本实验装置所配置的箱式流量计箱体使用部分体积可根据实际情况调节大小，方便耐用。

本实验装置所配置的恒位水箱，巧妙应用溢流板，随时可使水位调整到任意高度，挡水板的出水处设置回流管，实现了供水循环。

本实验装置所配置的整流板组，保证出水稳定，缩短了槽体长度，节约空间。

本实验装置所配置的自动控制器，可将时间通过计算转化为实时流量值，数显显示，直观方便。

本实验装置恒位水箱溢流管，水泵出水水箱等的设计，保证装置水循环，避免实验过程中添加水。

本实验装置占用空间较少，空间利用率较高。

附图说明

图1为本发明适用于实验教学的自循环明渠堰流实验装置的结构示意图；

图2为本发明中恒位水箱结构示意图；

图3为本发明中体积法箱式流量计示意图；

图4为本发明中槽体(不含恒位水箱)结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1，适用于实验教学的自循环明渠堰流实验装置，包括：用于保证出水量恒定的恒位水箱1、用于保证出水液位稳定的整流板组2、测量液位高度的连通器液位计3、用于测量实际流量的体积法水箱流量计4、保证装置水循环的水泵抽水水箱5、控制出水的循环水泵6、连接恒位水箱和水泵抽水水箱的恒位水箱溢流管7、水泵电源8，槽体9。

参照图2，恒位水箱，包含有：恒位水箱进水管11、溢流管安装口12、溢流板组1314、整流板组1516、出水口17。

实验过程中水泵从水箱抽水，抽出的水从恒位水箱进水管11进入恒位水箱，恒位水箱中水位不断上升，直到水位超过溢流板组高度时发生溢流，溢流出的水通过溢流管回流到水泵出水水箱中。由于溢流板高度不变，因此恒位水箱中水位恒定不变，通过调节溢流板高度可以控制恒位水箱出水的流量，可调节的溢流板组在此起调节流量作用。恒位水箱水位稳定后，水通过出水口17流出恒位水箱，进入堰槽装置，为了控制出水稳定均匀，水槽前端设置整流板组，整流板组孔口由疏到密，保证水位平稳，水流能够均匀通过堰板。在堰板之前合适位置的水槽底部开孔，通过橡胶连接管与玻璃管相连，玻璃管上有刻度，并固定在水槽外部，当水流通过水槽时，水在水槽和玻璃管之间形成连通器，可直接读取水槽中水位的高度。

参照图3，作为优选，体积法水箱流量计参考采用申请号为201620273764.2的一种基于体积法的流量测量装置的结构设计，包含有：一定体积水箱25、用于消减水流冲击压力来保证测量过程平稳的消能桶26、水箱内部用于放置浮式感应器的透水方柱、用于计时和自动计算流量的自动控制器32、控制计时开始和结束的浮式感应器30、连接浮式感应器和自动计时器的导线、安装在消能桶底部的球阀28、安装在水箱底部用于排空箱体的球阀29。

水箱流量计上下两浮式感应器之间箱体体积固定，透水方柱内有两个浮式感应器。实验间歇时消能桶球阀开启保证整套装置水循环。实验开始时，关闭消能桶球阀，水累积装满中间的圆柱形部分溢出到水箱中，箱体中水位平稳上升，下方浮式感应器感应液位后将信号传递给自动控制器，自动控制器开始记时。水位继续上升，直到上方浮式感应器感应到液位并将信号传递给自动控制器，自动控制器计时停止。自动控制器自动按照设定好的程序将输入的体积与时间相除得到这一段时间内流入箱体的流量。每次实验之后打开箱底球阀放水。

参照图4，槽体，包含有：整流板组181920、与槽体底部的圆孔相连的橡胶管21、用于读数的玻璃管22、水尺23、安放堰板的卡座24。

水从恒位水箱的出水口流出后，经由整流板组，顺流流向水槽出水口。在安放堰槽的卡座上插入堰板，即可开始实验。由连通器原理，从玻璃管中及水尺可以读出液位高度。

本发明的工作过程如下：水泵6从水泵抽水水箱5抽水，水流进入恒位水箱1，恒位水箱中水位上升，直到水位超过溢流板时发生溢流，溢流出的水经管道7回流到水泵抽水水箱中5，使恒位水箱中水位保持不变，可通过调节溢流板高度控制出水流量。水流经出水孔进入堰槽装置经整流板组2后，水流平稳，水流经过堰板后流到体积法箱式流量计4。箱式流量计消能桶底阀关闭时水流进入流量计箱体，箱内水位上升触发感应器，计量时间。堰槽壁上的连通器液位计3可直接读取水头高度。箱式流量计完成流量计量后，打开箱体底阀，水从底阀处流进水泵抽水水箱，实现水循环。

本发明的有益效果；

本发明装置内含的一套体积法箱式流量计，代替实验室测流量采用的秒表和量筒的方法，降低人为卡表、人为接水、人为读数的误差。基于体积法的原理，测量过程除人为开启关闭阀门外完全由仪器自动进行，能够消除人为因素影响，增强流量测量准确性，且不占用过多多余的空间，节约装置整体空间。

本发明装置在堰槽装置水泵向水槽供水处加设恒位水箱，恒位水箱中的水位一定时，恒位水箱底部的孔口流向水槽的流量就是定值，可以保证在水槽中水位不再波动，降低由水泵直接向水槽供水的不稳定性。

本发明装置设置可调节的溢流板组，可通过控制溢流板的高度来控制调节恒位水箱中的水位高度，而通过控制恒位水箱中水位的高度又可以控制水箱的出水流量，在溢流板的高度为一定值时，恒位水箱供给到水槽的水的流量就是固定值。

本发明装置在恒位水箱孔口出水位置后增设整流板组，起到整流的作用，经试验验证发现，多次整流后，在水槽上距离孔口一定距离处的位置水面基本平稳流动。

本发明装置在水槽中堰板前合适的位置加设连通器液位计，方便水位高度的读取。