液气转换测压装置和实验用带同步电测数显的测压装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及实验量测领域，具体涉及一种液气转换测压装置和实验用带同步电测数显的测压装置。
【背景技术】
[0002]水力学及流体力学是工科院校许多专业的一门主要专业基础课。现代水力学是建立在实验、理论、计算三大支柱上的，因此，实验是教学环节中不可或缺的内容。其中，测压管是水力学及流体力学实验过程中最为常用的压强量测仪器之一，它是最简单的一种液柱式压力计，用一直径8-lOmm的透明直玻璃管，管的下端与量测点通过软管密封连接，管的上端开口与大气相通，据测压管中液柱上升的高度，就可得到该点的压强。在教学实验中液体通常为水，即测压管水头，它是以测压管水面到基准面的高度表示的单位重量水的总势能。因此，测压管通常安装在测压架上，测压管水头高度会用在测压管上标刻度线，测压架上铺设坐标纸或在测压架上固定刻度尺形式，通过人眼手工测量水柱高度。并且，这类实验教学用测压管高度一般都在10cm以内测量低压水头为主。
[0003]随着现代量测技术的发展，流体力学类实验教学仪器也引入应用了不少。比如对需要用到测压管测压的地方，国内外这类实验教学仪器都直接用压力传感器取代配合压力变送器和表头来测量。但作为学生教学实验仪器，我们始终认为，像测压管这类传统最为常用压强量测仪器的使用，是学生实验教学中应该学习掌握的基本知识，不可或缺，但同时也应该学习现代量测技术，并可用更精准的现代量测仪器去校准人眼手测的误差，从而在对比中提高传统的基本实验动手能力。
[0004]因此配备现代量测技术的测压管应该是这样的，它既能对实验某测压点用传统的测压管人眼手工测量水头高度，又能同步通过相连的压力传感器配合压力变送表头实时数显测压管水头值。这种带同步数显的测压管市场上却找不到，也未有什么设计方案，其中涉及的几个问题可能比较难很好解决:
[0005](I)测压管是通过架子固定竖直立在实验台上，测压管的刻度标尺也同样如此，其标尺零点悬空在靠近实验台面的某个位置高度，并且每台还会随安装位置高低，相对实验台面有上下偏差，如何让测压管标尺悬空的高程零点(测压管水头基准零位高程)与压差传感器测量的压差零点准确的保持等零位是个难点。
[0006](2)若传感器测压端与水体测压点直接相连通，因为传感器的压力是通过水体传送的，传感器端接口端是密封的，内有密封空腔，很难彻底排空空气，残留微小气泡，连通管中的有压水柱不能直接作用在传感器的压力芯片上，又由于传感器内的压力传递通道很细小，因而在液气交界面上会产生很大的表面张力，其值可达到1-5厘米水柱，甚至更大，对通常10cm内的实验用测压管低压水头，压力测量误差可达10%以上。
【发明内容】
[0007]本发明提供了一种液气转换测压装置和实验用带同步电测数显的测压装置，可广泛替代流体力学水力学基本实验中量测水头压强的传统测压管，巧妙的应用了流体力学基本原理，很好的统一了传统量测手段与现代量测技术，兼具极佳的教学效果。
[0008]一种液气转换测压装置，包括:
[0009]带有连通定位管的测压筒，所述连通定位管从所述测压筒的顶部插入，所述连通定位管的一端位于所述测压筒内且该端切面为水平面，另一端位于所述测压筒外；
[0010]与所述测压筒连接，用于检测所述测压筒内压缩空气与外界空气压差的压差传感器;
[0011]所述的压差传感器中的一测量接口通大气，所述的压差传感器中的另一测量接口通过导管与所述测压筒密封连接；
[0012]所述的导管插入所述测压筒的一端位于所述连通定位管的底面与所述测压筒的顶面之间，且高于所述连通定位管的底面。
[0013]本发明液气转换测压装置，在需要测量基于水箱某设定的零高程作用水头时，测压筒可垂直安装、粘接固定于待测的水箱内部或外部水箱壁上。
[0014]在配合测压管测量测点水头压强时，测压筒与测压管一起水平放置在调平好的桌面上。测压筒顶面高度高于零高程水平面约Icm左右。联通定位管插入测压筒顶面深度约lcm，其底面切口水平，并在固定位置后，保持与设定的零高程水平面同平面，作为零高程定位使用。
[0015]所述的测压筒的底部设有进水口。测压筒侧壁下部接近底面开有进水口，可密封外接通水软管连接到待测的实验管道、水箱等测压点上。测压点都是通水的，连接测压筒后，水从底部侧壁进水口进入测压筒内部，当水位到达顶部联通定位管底面水平面后，水位不再上升，水会进入联通定位管。
[0016]一种实验用带同步电测数显的测压装置，包括:
[0017]带有连通定位管的测压筒，所述连通定位管从所述测压筒的顶部插入，所述连通定位管的一端位于所述测压筒内，另一端位于所述测压筒外；
[0018]与所述连通定位管在所述测压筒外的一端连接的测压管；
[0019]设置在所述测压管周围用于标定所述测压管内液位的直尺；
[0020]与所述测压筒连接，用于检测所述测压筒内压缩空气与外界空气压差的压差传感器。
[0021 ] 本发明中，测压筒侧壁下部接近底面开有一个测压进水管口，可密封外接通水软管连接到待测的实验管道、水箱等测压点上。测压点都是通水的，连接测压筒后，水从底部侧壁进水口进入测压筒内部，当水位到达顶部联通定位管底面水平面后，水位不再上升，水会进入联通定位管，接着进入测压管，形成测压管水柱，待水柱高度稳定后标尺读取的数值即为测压点相对零参考水平面的水头压强。而在测压筒的联通定位管底面水平面到其顶部则会密封一段空气柱，由于联通定位管底面水平面与测压架标尺零点的水平面同平面，所以，该段密封压缩空气柱压强即为测压管水头压强加大气压强之和。
[0022]为了测量该段密封压缩空气柱压强，可在测压筒上部空气柱高度部分密封插入一根通气管(可以从顶部插入，也可从上部侧壁插入)，通气管底面别碰到筒内最高水面即可，通气管留在测压筒外部约Icm左右可密封外接空心通气测压软管，测压软管另一端密封套在测压管电测数显仪的压差传感器一个测量接口上(当然不通过通气测压软管连接，直接将压差传感器的测量接口管密封插入测压筒上部空气柱中，测量测压筒上部压缩的气柱压强也可)，压差传感器另一个测量接口直接通大气，压差信号最后送入压力变送器数显表头显示出测点相对大气压的压强值，实际即为测压管水头压强，即测压管水柱标尺读值。
[0023]当然，上述这样的测压筒结构会随着密封空气柱的压缩，实际测压筒内部水位会略高于联通定位管底面参考零高程，假设其差值为△ h，在此我们可以计算分析一下其误差对这个测量装置有多大影响。对于桌面型流体力学水力学实验的测压管水头高度都是Im以下的低压水头，若达Im测压管水头时，会产生最大绝对误差，假设密封空气柱未压缩前体积为V1，压缩后体积为V2，计算如下:
[0024]根据气体方程可知，PV/T = nR，气体P压力(空气就是大气压)，V为空气体积，T为空气的开氏温度(273.15+摄氏度)，η为空气物质的量(摩尔数)，R为气体常数。
[0025]对于测压筒内密封空气柱，T，n，R均为固定值不变；
[0026]已知，初始未压缩前？:= I个大气压=100cm水柱，密封空气柱高度h = Icm ；
[0027]压缩后P2= 100cm 水柱 +10cm 水柱=IlOOcm 水柱；
[0028]P1XV1= P2XV2;
[0029]P1Xh = P2XQ1-Ah);
[0030]计算绝对误差:Ah= I1-P1XhZP2= 0.091cm ；
[0031]相对误差=Ah/测压管水柱高度=0.091/100 = 0.091% ；
[0032]当测压管水柱为Icm时，P2= 10lcm水柱，
[0033]绝对误差:Δh = 0.000999cm,相对误差为:0.0999%
[0034]由上计算可知，这种空气压缩带来的误差远远小于系统的设计误差I级精度，在O?10cm水柱低压测量范围内，绝对误差最大也小于0.91mm，完全可以忽略。根据上述计算，也可得到测压筒设计时，顶部插入的联通定位管底面与测压筒顶面距离高度越小，误差越小，留有Icm距离误差已小于千分之一，足够。
[0035]若再考虑连接的通气测压管中压缩空气误差，计算如下:一般通气测压管长度〈100cm，内径约2mm，考虑长度100cm，测压管最大水头10cm水柱时的最大误差，设通气测压管中压缩减小的体积为△ V，则根据前面的气体方程可知，
[0036]AV = V1-V2 =V1-(Ρ/Ρ2XV1)；
[0037]= 3.14X0.12X 100-1000/1100X3.14X0.12XlOO ；
[0038]= 0.29cm3；
[0039]对于4cm直径的圆柱体测压筒，会让前述Δh误差增大0.02cm，总体误差也才0.111%。
[0040]综上，在上述设计测压筒结构中，空气压缩体积变化带来的测压管水头压强值测量误差最大才千分之一级别，相对本教学实验仪器I级精度标称而言，完全可以忽略。
[0041]作为优选，所述的连通定位管的底面与所述直尺的零刻度同水平面。通过使联通定位管底面与测压管标尺零点同水平面，可自动确定压差传感器测量的相对大气压的压差零点与测压管标尺悬空的高程零点(测压管水头基准零位高程)保持等零位。
[0042]作为优选，所述的测压管的顶部设有用于通大气的开口，所述的测压管的底部通过软管与所述连通定位管连通。
[0043]作为优选，所述的测压筒的底部设有进水口。
[0044]作为优选，所述的实验用带同步电测数显的测压装置，还包括:固定支架，所述的测压管和直尺均安装在所述固定支架上。
[0045]进一步优选，所述的直尺上设有长形孔，该直尺通过螺丝与该长形孔配合固定在所述固定支架上，该螺丝处于拧松状态时，可在长形孔内滑动，从而调整直尺在固定支架上的位置，从而方便调整直尺的零刻度与连通定位管的底面同水平面。
[0046]作为优选，所述的压差传感器中的一测量接口通大气，所述的压差传感器中的另一测量接口通过导管与所述测压筒密封连接。
[0047]进一步优选，所述的导管插入所述测压筒的一端位于所述连通定位管的底面与所述测压筒的顶面之间，且高于所述连通定位管的底面。
[0048]作为优选，所述的实验用带同步电测数显的测压装置，还包括:与所述压差传感器连接的压力变送器数显表头。
[0049]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0050]相对传统测压管，本发明巧妙的通过带有联通定位管