一种具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及技术实验量测领域，具体设及一种具备教学效果流量数显的活塞 式动量实验仪。
【背景技术】
[0002] 动量定律是流体力学、水力学的基本理论之一，其动量方程是理论力学中的动量 定律在流体力学、水力学中数学表达式。它反映了流体运动的动量变化与作用力之间的关 系，其特点在于不必知道流动范围内部的流动过程，而只需要知道其边界上的流动情况即 可，因而它可用来方便解决急变流中流体与边界面之间的相互作用力问题。因此，动量定律 的实验是教学环节中不可缺少的内容。
[0003] 其中专利号为化89109218.8的活塞式动量定律实验仪自发明W来已被国内几 百所院校采用。该实验仪W作用于活塞上的水压力来抗衡恒压供水箱管嘴射流对平板冲击 所产生的动量力，将动量力的测量转换为流体内点压强的测量，既可验证动量定律，又能测 定射流的动量修正系数，是传统配重法动量教学实验的换代仪器。
[0004] 在该个动量实验仪器教学中，2个实验参数一一管嘴射流的流量和将射流动量力 转换为流体内点压强的测压管水柱都需要用手动测量方式完成。
[0005] 传统测定管嘴射流流量时，需要在恒压水头下，用重量法（即通过秒表计时，在管 嘴射流的下游水槽出流口用水筒接取一筒水，并用电子砰称重换算得到水体积，再除W计 时时间即能得到出流流量）或体积法（直接用大的量筒接取出流水，并用秒表计时）去测 量管嘴的出流流量，费时费力，实验环境也容易搞湿搞脏，学生对该类传统的流量测量方法 学习1~2次W后即可达到实验教学目的，不需要对每个流体力学实验都重复该类手工传 统的测量方法，容易浪费宝贵的实验操作时间。同时，传统流量测量方法也无法实时测量管 嘴的出流流量。
[0006] 将射流动量力的测量转换为流体内点压强的测量则需要通过带活塞套的测压管 人眼观测标尺，读取其测压管水柱压强值。
[0007] 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。而对于动量定律实验该类革命性的实验仪 器很有必要实现全面的数字化量测，并推广到将来的面向MOOC的网络远程实验中，推向全 世界。但是，第一步要解决的是如何实现上述2大实验参数；流量及测压管水柱（与测压管 标尺同参考零点）的数字化实时量测问题。同时，作为实验教学仪器应该保留原来传统的 现场手测功能，并应用流体力学基本原理来解决动量实验仪中上述2个实验参数的高精度 测量问题的话，会更具教学效果。
[0008] 遍历市场，针对上述动量实验仪管嘴射流的小流量高精度数字化测量和能与受到 射流冲击的测压管水柱同标尺数据显示测压计都没有现成的，只能自己开发。而在开发过 程中，还发现一系列零点实时校准和误差消除等问题。比如实时校验零点，如电子砰称重 后，去掉重物就能校验其零点，而且该种仪器的零点相当稳定。然而，对于管流和水箱出流 的流量计而言，由于实验过程中受温度和流体压力场的影响，因而零点并不是很稳定的。传 统的流量计在需要调零或校验零点的时候，往往需要在管道充满水流的情况下进行关闽， 使管内水流静止不动，水箱初始水位为零的时候才能进行。该对于教学实验来说会中途停 止实验操作，重新回到实验开始的状态下，重新进行实验，非常不方便。因此，能够在实验过 程中，不需要关机的情况下，实时地调零或校验零点非常重要。 【实用新型内容】
[0009] 本实用新型提供了一种具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，可W方便的 数字化精确量测流体力学基本实验中的动量实验仪中管嘴的射流流量，方便的数字化精确 量测与射流动量力平衡的动量管水头、方便的实时调零、系统复位等全实验过程的电测控 制和量测，并具有很好的教学效果。
[0010] 一种具备教学效果流量数显的活塞式动量实验仪，其特征在于，包括：
[0011] 侧壁带出流口的恒压供水箱，该出流口为管嘴，所述的恒压供水箱中设有将恒压 供水箱隔成进水工作区和溢流区的溢流隔板，所述的恒压供水箱中设有将进水工作区隔成 进水区和稳水工作区的稳水孔板；
[0012] 与所述恒压供水箱的出流口连接的集水箱；
[0013] 用于测量所述恒压供水箱的出流口射流动量力的动量管，固定在所述集水箱中；
[0014] 设置在所述恒压供水箱内稳水工作区的液气转换测压筒，所述液气转换测压筒的 底部与所述恒压供水箱的内部空间连通，所述液气转换测压筒的顶部设有连通定位管，所 述的连通定位管的底面为水平面，并位于所述出流口的中轴水平面上；
[0015] 与所述液气转换测压筒连接，用于检测所述液气转换测压筒内压缩空气与外界空 气压差的压差传感器；
[0016] 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强信号转换成流量的 微电脑数显表；
[0017] 自循环供水器，所述的恒压供水箱中进水区的底部设有进水口，所述的恒压供水 箱中溢流区设有出水口，所述的恒压供水箱的进水口和出水口与所述自循环供水器相连。
[0018] 本实用新型针对动量实验仪管嘴射流的小流量高精度数字化测量设计如下，因为 动量实验仪恒压供水水箱的管嘴射流流量，对于一台已经加工好的水箱管嘴射流只与作用 于该管嘴中轴平面的水头压强相关，其他都是固定常数值（即放大系数），而对不同的动量 实验仪恒压供水水箱的管嘴，由于每台管嘴的形状、大小、材料都一样，只是存在加工精度 误差，到时候根据每台的实验实测数据标定调整一下放大系数即可。而因为是流体力学实 验教学仪器，特别考虑用流体力学原理来设计前端的高精度测压装置。
[0019] 恒压供水箱通过水累充水时，进水区水位会有较大波动的摆动上升，此时通过稳 水孔板稳水后进入稳水工作区的水位就会相对稳定许多。为了测量作用于恒压供水箱出 流口中轴平面的水头压强，在稳水工作区设计安装了一个液气转换测压筒，恒压供水箱进 水通过一级稳水孔板稳水后，再经液气转换测压筒底部一个或多个小进水口的稳流过滤进 水，该样二级稳水后，使液气转换测压筒内部水位上升更平稳，液气转换测压筒内部空气会 向上通过连通定位管跑掉，随着外部恒压供水箱中水位升高并高于液气转换测压筒，对应 测压筒内水位平稳上升等高触碰到顶部的连通定位管底平面时，液气转换测压筒上部会封 闭一段空气柱无法排出，此时液气转换测压筒内部水位不再升高，液气转换测压筒内水会 从其顶部的连通定位管内流出与恒压供水箱水体连通。不过由于空气具有可压缩性，但计 算可得液气转换测压筒中空气压缩带来的水头高度相对误差有限（<〇. 5% )，该样，可W认 为液气转换测压筒内封闭的压缩空气压力即为水箱中水体相对于管嘴出流口中轴水平面 的作用水头。
[0020] 恒压供水箱中稳定水位时，通过电测仪测得基于管嘴的作用出流口水头压力后， 再用重量法，测得管嘴的出流流量，可形成一组标定数据。
[0021] 根据管嘴的物理规律和出流流量公式：
[002引Qv=MA^ 2gH0，
[0023] 其中，Qy为管嘴出流流量，A为管嘴面积，H。为作用于管嘴的中轴水平面的水头高 度，y为与管嘴收缩断面等相关的系数（针对相同品种实验仪器的管嘴虽然设计的管嘴形 状大小一致，但因实际加工误差，每台的y值都不一样）。
[0024] 由上，一个箱体垂直侧壁上固定的管嘴的射流出流流量只与作用于该出流口的作 用水头相关，针对每台已固定管嘴的实验仪器只需要一组标定数据，即可确定y值， 将该流量公式方程的非线性换算写入电测仪的微电脑中，即可实时通过测量作用于管嘴的 作用水头压力，经过内部换算，在微电脑自带的L邸表头显示出管嘴的实时流量。
[00巧]所述的集水箱设有回水出口，所述的自循环供水器设有回水进口，所述的回水出 口和回水进口通过漏斗和回水管形成回路。
[0026] 所述的压差传感器中的一测量口通大气，所述的压差传感器中的另一测量口通过 导管与所述液气转换测压筒密封连接，该导管上连接有与大气相通的电控调零气阀；
[0027] 所述的导管插入所述液气转换测压筒的一端位于所述连通定位管的底面与所述 液气转换测压筒的顶面之间，且高于所述连通定位管的底面。
[0028] 所述的电控调零气阀至少有并联的两路气路，一路气路的两端分别与所述压差传 感器的测量口和所述液气转换测压筒连通，另一路气路的两端分别与所述压差传感器的测 量口和大气连通。电控调零气阀具体可采用电控=通气阀。通过电控调零气阀控制，可将 压差传感器中的另一测量口也通大气，该时，压差传感器2个测量口同时通大气，此时即可 对压差传感器输