专利名称：感压式高浓度水流流速仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种感压式高浓度水流流速仪，特别是指一种利用毕托管工作原理、感压芯片细微变形测量高浓度水流流速的一种感压式流速仪，属于测量装置领域。
背景技术：
在水利科学研究和工程应用中往往需要了解某一水域的水流流速情况，这就需要使用一些相应的水流测速的仪器。目前，通常使用的水流流速仪有很多，这其中包括毕托管式、激光式、旋浆式、电磁式、同位素示踪式等等流速仪。例如，中国发明专利ZL 02155453.6中就提供了一种测量极低流体流速的装置。该发明利用毕托管作为水流探测装置，利用刻度测压双管对水流总压强及静压强进行测量，并通过读数显微镜对测压管内水头进行读取，进而通过计算得到水流的流速。这样的水流测速装置能够很好的满足对清水等低浓度水流的测速要求，但是对于高浓度水流测速却存在着诸多问题。
高浓度水流，特别是像我国黄河流域中大量存在的高含沙水流，是一种挟带一定粘性细颗粒，在某种特定的水力与边界条件下形成的复杂的高浓度固液两相流动的特殊水流。这种水流具有固体颗粒浓度高、颗粒级配宽和可视性差等不利于水流测速的特点。因此利用上述一般的水流流速仪器很难准确的测量这种高浓度水流的流速。目前，这种能够测量高浓度水流流速的流速仪尚属空白，这给高浓度水流的运动机理的科学研究，以及我国合理的治理黄河水患带来了极大的阻力。因此，我们迫切的需要一种能够准确测量这种高浓度水流流速的流速仪器。相信这样的高浓度水流流速仪将能够在一定程度上解决高浓度水流测速的现有问题，推动对高浓度水流运动机理的科学研究，并有利于我国科学有效的制定治黄措施。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种利用毕托管工作原理、感压式方法准确测量高浓度水流流速，特别是高含沙水流流速的感压式高浓度水流流速仪。
本发明的发明目的是通过如下技术方案予以实现的一种感压式高浓度水流流速仪，其特征在于包括水流探测器、转换器；所述水流探测器包括引压管和感压腔；所述引压管为一个中空长管；所述感压腔为一个腔体，并由弹性梁将该腔体分为充水感压腔和空气感压腔；所述充水感压腔通过壁面所设的充水管与引压管连通；所述弹性梁的空气感压腔一侧连接有感压芯片；所述感压芯片根据弹性梁受到的压力产生电信号；所述转换器与计算机连接，将所述电信号传送给计算机。
所述弹性梁为一层隔膜；所述弹性梁会根据所受到的压力而产生形变。
所述弹性梁为由磷铜制成的隔膜。
所述感压芯片所产生的电信号与弹性梁受到的压力成线性关系。
所述引压管为一个中空的曲形长管；引压管的管口直径范围在2-3mm之间；管长长度在8-12cm之间。
所述充水感压腔通过充水管还连接有导水管；所述导水管为一个中空软管；所述空气感压腔连接有导气管与大气连通。
在所述感压芯片和转换器之间还串联有放大系统，用于补偿、放大所述感压芯片产生的电信号。
一种测量高浓度水流流速的方法，该方法通过权利要求1所述的感压式高浓度水流流速仪实现，其具体步骤为(1)测量待测高浓度水流密度；(2)通过充水管向充水感压腔内充入清水，待充满后将充水管封闭，使充水管、充水感压腔、引压管内形成一个充满清水的封闭系统；(3)将水流探测器竖直定位于待测水中，并测出水流探测器所测位置的测点水深；(4)将所测高浓度水流密度和测点水深参数输入计算机所存的流速计算程序中；(5)开启转换器，使计算机接收由感压芯片测得的感压电信号，并由计算机通过流速计算程序计算出所测水流的流速。
所述步骤(4)中的流速计算程序是通过下述步骤确定的(1)通过现有流速仪测量某处清水的水流流速；
(2)将感压式高浓度水流流速仪的导压管固定于上述测点处，测量感压芯片所产生的电信号；(3)通过现有流速仪测量的水流速度，以及水流动压的计算公式，拟合感压芯片产生的电信号与水流动压的函数关系；(4)通过步骤(3)得到的感压芯片产生的电信号与水流动压的函数关系以及水流流速计算公式，确定流速计算程序。
本发明的有益效果是通过本发明的巧妙结构设计，克服了高浓度水流中固体颗粒浓度高、颗粒级配宽和可视性差等不利于水流测速的特点，提供了一种可以方便准确测量高浓度水流流速的感压式高浓度水流流速仪。
图1为毕托管工作原理示意图；图2为高浓度水流流速仪的结构示意图；图3为感压腔剖面结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明所涉及的感压式高浓度水流流速仪，是一种采用毕托管工作原理针对高浓度水流特点特别设计的水流流速仪器。
毕托管是一种目前在流体测速中比较常用的测量装置。图1为毕托管工作原理示意图。流体在流动过程中所产生的压力可分为两种动压和静压。动压是指由于流体的宏观运动所产生的能量。静压是指由于流体本身的分子热运动所形成的内在能量，静压的存在只决定于分子的热运动，而与宏观运动与否没有关系。而流体的宏观运动和本身分子热运动的综合反映，即动压与静压之和称为全压。如图1所示，毕托管在测量流体流速时，同时测量流体迎流向的压力和垂直于流向的压力。迎流向的压力即为上述流体全压，垂直于流向的压力即为上述流体静压。通过二者之差可以得到流体的动压。而流体的动压是一个与流体流速紧密联系的参数，通过计算便可得到流体的流速。
如图2所示，本发明的高浓度水流流速仪包括水流探测器1、转换器2。水流探测器1用于深入水下采样水流数据。水流探测器1连接转换器2，将采样得到的水流数据模拟信号传送给转换器2。转换器2将得到的水流数据模拟信号转换为数字信号发送给计算机3。计算机3根据水流数据通过预定的计算程序计算水流流速。
该水流探测器1整体为一个中空的长管，其内部装有测试所需的各种装置，探测时将水流探测器1竖直深入水下。探测器内部各装置可分为引压系统、感压系统、测杆、放大系统四个部分。引压系统位于水流探测器1底端，为一个中空的曲形引压管4。引压管4前端探头伸出探测器外，在探测时该探头迎着水流方向。引压管4后端接于感压系统的感压腔5。感压腔5用于测量水流的压力，将这种压力转换成电信号，并通过测杆将测得的电信号传送至放大系统。传送到放大系统的电信号经电路补偿、放大后传送到转换器2。另外，在水流探测器1外侧还设置有归零装置14，用于在测量前调节仪器的零漂。
由于测量的对象为高浓度的水流，引压管4的长度及内径大小成为了决定测量数据准确性的关键。根据流体力学中流场边界层理论及数值模拟结果，在流体均匀流的条件下，要使水中引压管4对水流不形成附加紊流和扰动流场，引压管4的前端直径一般不能超过2-3mm，管壁厚度不超过0.5mm，这一数值的确定是确保流速仪采样不失真的前提。另外，引压管4的长度也是左右测量准确性的一个因素。本发明基于流场分析和反复多次的实验，最终确定引压管4的长度应该保持在8-12cm之间，测得的数据比较理想。
如图3所示，为感压腔5的剖面结构示意图。感压腔5外形成子弹形，其中间为一个空腔。如图，感压腔5尖头一边为迎水面，在探测时该面竖直向下。感压腔5的空腔由弹性梁6分隔为两个空腔，迎水面方向的空腔为充水感压腔7，另外一端的空腔为空气感压腔8。迎水面上开设有充水管9，连通充水感压腔7。充水管9另一端连通引压管4和测杆中的导水管10。导水管10为一个软管，在测量时将导水管10内充入清水并夹紧，使导水管10内成为一个充满清水的封闭系统，即该封闭系统中保持水的静压状态。在感压腔的空气感压腔8一侧开设有通气管11，用来连通空气感压腔8与测杆中的导气管13。所述导水管10和导气管13均经测杆连通至水上。
弹性梁6为一层易于形变的隔膜，它会根据两侧空腔的压力不同而相应产生形变。在弹性梁6的空气感压腔8一侧的侧壁上粘有感压芯片12。感压芯片12能够根据弹性梁6的形变变化产生电信号。该电信号与弹性梁6所受到的压力成线性关系。该电信号经通气管11、导气管13被传送到水流探测器1顶端的放大系统。弹性梁6和感压芯片12为本发明流速仪的核心感压部件，其灵敏度直接影响到最终测得数据的精确性。为了保证测得数据的准确，本实施例中的弹性梁6是采用厚度不超过0.5mm的磷铜材料制成的，而感压芯片12也是采用厚度不超过0.5mm的单晶硅制成的芯片。由于磷铜材料本身优秀的弹性特点，以及弹性梁6和感压芯片12超薄的设计，这大大加强流速仪测量的精确性。
本实施例中，计算机3水流流速计算程序的流速计算公式是通过清水率定试验得出的。所谓清水率定试验是使流速仪通过测量清水流速得到感压芯片12所产生的电信号与实际水流流速的拟合关系函数。由于这样的函数关系是由弹性梁6与感压芯片12的材料、结构确定的，并不因所测水流为清水或高浓度水而改变，所得到的关系函数即可代入高浓度水流流速的计算公式中。
测量水流时，流速仪引压管4受到的总外压力为P=Aγm{y+u22g}---(1)]]>式中y、u分别为测点水深和流速；引压管4受压面积A=14πr2,]]>r为引压管4的内径；γm为高浓度水流的容重。
根据流速仪的感压芯片12工作原理，引压管4总外压力P应与输出电压V成线性关系，即P=Aγm{y+u22g}=a1V+b1---(2)]]>于是，在高浓度水流中引压管4受到的总作用水头还可表示为Y=y+u22g=1ρm(aV+b)---(3)]]>由此可得出引压管4探头测点处的水流流速为u=2g[1ρm(aV+b)-y]---(4)]]>式中ρm为高浓度水流的密度。
其中，系数a=a1Ag,]]>b=b1Ag]]>均通过清水试验由率定仪器实测加以确定。
本实施例中，采用已经成熟的流速仪测量清水流体中固定测点的流速，并通过计算得到清水中本发明流速仪测点处所受到的总作用水头，并建立其与感压芯片12输出电压的线性关系。通过拟合的方法，得到拟合方程Y=y+u22g=mV+n---(5)]]>将式(5)与式(3)比较，得到系数1ρa=m,]]>1ρb=n,]]>再代入式(4)，即可得出高浓度水流流速仪率定的流速公式u=2g[ρρm(mV+n)-y]---(6)]]>式中V为流速仪输出电压；ρ、ρm分别为清水和高浓度水流的密度。从式(6)中可以看出只要给定测量处的高浓度水流密度ρm和测点水深y这两个可以通过现有方法准确测量的参数，即可得到根据感压芯片12输出电压计算测点处的水流速度。
由于，弹性梁6和感压芯片12的材料、结构不尽相同，通过率定试验所得到的具体关系函数也不尽相同。所以，本发明的保护范围应不仅局限于式(6)的计算公式。而凡通过采用上述清水率定试验确定流速公式的方法，均应视为在本发明的保护范围之内。
使用本发明的感压式流速仪测量高浓度水流流速的具体步骤为1.测量待测高浓度水流密度ρm；2.通过导水管10向充水感压腔7种充入清水，待充满后将导水管10夹紧，使导水管10、充水感压腔7、充水管9以及引压管4内形成一个充满清水的封闭系统；3.通过归零装置14调节流速仪的零漂；4.将水流探测器1竖直定位于待测水中，并测出水流探测器1所测位置的测点水深y；5.将所测高浓度水流密度ρm和测点水深y参数输入计算机3所存的流速计算程序中；6.开启转换器2，使计算机3接收由感压芯片12测得的感压电信号，并由计算机3通过流速计算程序计算出所测水流的流速。
权利要求
1.一种感压式高浓度水流流速仪，其特征在于包括水流探测器、转换器；所述水流探测器包括引压管和感压腔；所述引压管为一个中空长管；所述感压腔为一个腔体，并由弹性梁将该腔体分为充水感压腔和空气感压腔；所述充水感压腔通过壁面所设的充水管与引压管连通；所述弹性梁的空气感压腔一侧连接有感压芯片；所述感压芯片根据弹性梁受到的压力产生电信号；所述转换器与计算机连接，将所述电信号传送给计算机。
2.如权利要求1所述感压式高浓度水流流速仪，其特征在于所述弹性梁为一层隔膜；所述弹性梁会根据所受到的压力而产生形变。
3.如权利要求2所述感压式高浓度水流流速仪，其特征在于所述弹性梁为由磷铜制成的隔膜。
4.如权利要求1或2所述感压式高浓度水流流速仪，其特征在于所述感压芯片所产生的电信号与弹性梁受到的压力成线性关系。
5.如权利要求1所述感压式高浓度水流流速仪，其特征在于所述引压管为一个中空的曲形长管；引压管的管口直径范围在2-3mm之间；管长长度在8-12cm之间。
6.如权利要求1所述感压式高浓度水流流速仪，其特征在于所述充水感压腔通过充水管还连接有导水管；所述导水管为一个中空软管；所述空气感压腔连接有导气管与大气连通。
7.如权利要求1所述感压式高浓度水流流速仪，其特征在于在所述感压芯片和转换器之间还串联有放大系统，用于补偿、放大所述感压芯片产生的电信号。
8.一种测量高浓度水流流速的方法，该方法通过权利要求1所述的感压式高浓度水流流速仪实现，其具体步骤为(1)测量待测高浓度水流密度；(2)通过充水管向充水感压腔内充入清水，待充满后将充水管封闭，使充水管、充水感压腔、引压管内形成一个充满清水的封闭系统；(3)将水流探测器竖直定位于待测水中，并测出水流探测器所测位置的测点水深；(4)将所测高浓度水流密度和测点水深参数输入计算机所存的流速计算程序中；(5)开启转换器，使计算机接收由感压芯片测得的感压电信号，并由计算机通过流速计算程序计算出所测水流的流速。
9.如权利要求8所述的测量高浓度水流流速的方法，其特征在于所述步骤(4)中的流速计算程序是通过下述步骤确定的(1)通过现有流速仪测量某处清水的水流流速；(2)将感压式高浓度水流流速仪的导压管固定于上述测点处，测量感压芯片所产生的电信号；(3)通过现有流速仪测量的水流速度，以及水流动压的计算公式，拟合感压芯片产生的电信号与水流动压的函数关系；(4)通过步骤(3)得到的感压芯片产生的电信号与水流动压的函数关系以及水流流速计算公式，确定流速计算程序。
全文摘要
本发明提供了一种利用毕托管工作原理测量高浓度水流流速的感压式高浓度水流流速仪。该流速仪包括水流探测器、转换器和计算机；所述水流探测器包括引压管和感压腔；所述引压管为一个中空长管；所述感压腔为一个腔体，并由弹性梁将该腔体分为充水感压腔和空气感压腔；所述充水感压腔连通引压管；所述弹性梁的空气感压腔一侧连接有感压芯片；所述感压芯片根据弹性梁受到的压力产生电信号；所述电信号经所述转换器传送至所述计算机；所述计算机根据所述电信号计算水流流速。该流速仪克服了高浓度水流测速的困难，可以方便准确测量高浓度水流流速。
文档编号G01P5/165GK1975438SQ20061016528
公开日2007年6月6日 申请日期2006年12月15日 优先权日2006年12月15日
发明者舒安平, 任裕民 申请人:北京师范大学