一種具備教學效果流量數(shù)顯的活塞式動量實驗儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型設及技術實驗量測領域，具體設及一種具備教學效果流量數(shù)顯的活塞 式動量實驗儀。
【背景技術】
[0002] 動量定律是流體力學、水力學的基本理論之一，其動量方程是理論力學中的動量 定律在流體力學、水力學中數(shù)學表達式。它反映了流體運動的動量變化與作用力之間的關 系，其特點在于不必知道流動范圍內(nèi)部的流動過程，而只需要知道其邊界上的流動情況即 可，因而它可用來方便解決急變流中流體與邊界面之間的相互作用力問題。因此，動量定律 的實驗是教學環(huán)節(jié)中不可缺少的內(nèi)容。
[0003] 其中專利號為化89109218.8的活塞式動量定律實驗儀自發(fā)明W來已被國內(nèi)幾 百所院校采用。該實驗儀W作用于活塞上的水壓力來抗衡恒壓供水箱管嘴射流對平板沖擊 所產(chǎn)生的動量力，將動量力的測量轉換為流體內(nèi)點壓強的測量，既可驗證動量定律，又能測 定射流的動量修正系數(shù)，是傳統(tǒng)配重法動量教學實驗的換代儀器。
[0004] 在該個動量實驗儀器教學中，2個實驗參數(shù)一一管嘴射流的流量和將射流動量力 轉換為流體內(nèi)點壓強的測壓管水柱都需要用手動測量方式完成。
[0005] 傳統(tǒng)測定管嘴射流流量時，需要在恒壓水頭下，用重量法（即通過秒表計時，在管 嘴射流的下游水槽出流口用水筒接取一筒水，并用電子砰稱重換算得到水體積，再除W計 時時間即能得到出流流量）或體積法（直接用大的量筒接取出流水，并用秒表計時）去測 量管嘴的出流流量，費時費力，實驗環(huán)境也容易搞濕搞臟，學生對該類傳統(tǒng)的流量測量方法 學習1~2次W后即可達到實驗教學目的，不需要對每個流體力學實驗都重復該類手工傳 統(tǒng)的測量方法，容易浪費寶貴的實驗操作時間。同時，傳統(tǒng)流量測量方法也無法實時測量管 嘴的出流流量。
[0006] 將射流動量力的測量轉換為流體內(nèi)點壓強的測量則需要通過帶活塞套的測壓管 人眼觀測標尺，讀取其測壓管水柱壓強值。
[0007] 隨著現(xiàn)代量測技術的發(fā)展，其他各行業(yè)領域的實驗儀器在現(xiàn)代量測技術的創(chuàng)新和 應用上已遠遠領先于流體力學類實驗教學儀器。而對于動量定律實驗該類革命性的實驗儀 器很有必要實現(xiàn)全面的數(shù)字化量測，并推廣到將來的面向MOOC的網(wǎng)絡遠程實驗中，推向全 世界。但是，第一步要解決的是如何實現(xiàn)上述2大實驗參數(shù)；流量及測壓管水柱（與測壓管 標尺同參考零點）的數(shù)字化實時量測問題。同時，作為實驗教學儀器應該保留原來傳統(tǒng)的 現(xiàn)場手測功能，并應用流體力學基本原理來解決動量實驗儀中上述2個實驗參數(shù)的高精度 測量問題的話，會更具教學效果。
[0008] 遍歷市場，針對上述動量實驗儀管嘴射流的小流量高精度數(shù)字化測量和能與受到 射流沖擊的測壓管水柱同標尺數(shù)據(jù)顯示測壓計都沒有現(xiàn)成的，只能自己開發(fā)。而在開發(fā)過 程中，還發(fā)現(xiàn)一系列零點實時校準和誤差消除等問題。比如實時校驗零點，如電子砰稱重 后，去掉重物就能校驗其零點，而且該種儀器的零點相當穩(wěn)定。然而，對于管流和水箱出流 的流量計而言，由于實驗過程中受溫度和流體壓力場的影響，因而零點并不是很穩(wěn)定的。傳 統(tǒng)的流量計在需要調(diào)零或校驗零點的時候，往往需要在管道充滿水流的情況下進行關閩， 使管內(nèi)水流靜止不動，水箱初始水位為零的時候才能進行。該對于教學實驗來說會中途停 止實驗操作，重新回到實驗開始的狀態(tài)下，重新進行實驗，非常不方便。因此，能夠在實驗過 程中，不需要關機的情況下，實時地調(diào)零或校驗零點非常重要。 【實用新型內(nèi)容】
[0009] 本實用新型提供了一種具備教學效果流量數(shù)顯的活塞式動量實驗儀，可W方便的 數(shù)字化精確量測流體力學基本實驗中的動量實驗儀中管嘴的射流流量，方便的數(shù)字化精確 量測與射流動量力平衡的動量管水頭、方便的實時調(diào)零、系統(tǒng)復位等全實驗過程的電測控 制和量測，并具有很好的教學效果。
[0010] 一種具備教學效果流量數(shù)顯的活塞式動量實驗儀，其特征在于，包括：
[0011] 側壁帶出流口的恒壓供水箱，該出流口為管嘴，所述的恒壓供水箱中設有將恒壓 供水箱隔成進水工作區(qū)和溢流區(qū)的溢流隔板，所述的恒壓供水箱中設有將進水工作區(qū)隔成 進水區(qū)和穩(wěn)水工作區(qū)的穩(wěn)水孔板；
[0012] 與所述恒壓供水箱的出流口連接的集水箱；
[0013] 用于測量所述恒壓供水箱的出流口射流動量力的動量管，固定在所述集水箱中；
[0014] 設置在所述恒壓供水箱內(nèi)穩(wěn)水工作區(qū)的液氣轉換測壓筒，所述液氣轉換測壓筒的 底部與所述恒壓供水箱的內(nèi)部空間連通，所述液氣轉換測壓筒的頂部設有連通定位管，所 述的連通定位管的底面為水平面，并位于所述出流口的中軸水平面上；
[0015] 與所述液氣轉換測壓筒連接，用于檢測所述液氣轉換測壓筒內(nèi)壓縮空氣與外界空 氣壓差的壓差傳感器；
[0016] 與所述壓差傳感器連接，用于將所述壓差傳感器檢測到的壓強信號轉換成流量的 微電腦數(shù)顯表；
[0017] 自循環(huán)供水器，所述的恒壓供水箱中進水區(qū)的底部設有進水口，所述的恒壓供水 箱中溢流區(qū)設有出水口，所述的恒壓供水箱的進水口和出水口與所述自循環(huán)供水器相連。
[0018] 本實用新型針對動量實驗儀管嘴射流的小流量高精度數(shù)字化測量設計如下，因為 動量實驗儀恒壓供水水箱的管嘴射流流量，對于一臺已經(jīng)加工好的水箱管嘴射流只與作用 于該管嘴中軸平面的水頭壓強相關，其他都是固定常數(shù)值（即放大系數(shù)），而對不同的動量 實驗儀恒壓供水水箱的管嘴，由于每臺管嘴的形狀、大小、材料都一樣，只是存在加工精度 誤差，到時候根據(jù)每臺的實驗實測數(shù)據(jù)標定調(diào)整一下放大系數(shù)即可。而因為是流體力學實 驗教學儀器，特別考慮用流體力學原理來設計前端的高精度測壓裝置。
[0019] 恒壓供水箱通過水累充水時，進水區(qū)水位會有較大波動的擺動上升，此時通過穩(wěn) 水孔板穩(wěn)水后進入穩(wěn)水工作區(qū)的水位就會相對穩(wěn)定許多。為了測量作用于恒壓供水箱出 流口中軸平面的水頭壓強，在穩(wěn)水工作區(qū)設計安裝了一個液氣轉換測壓筒，恒壓供水箱進 水通過一級穩(wěn)水孔板穩(wěn)水后，再經(jīng)液氣轉換測壓筒底部一個或多個小進水口的穩(wěn)流過濾進 水，該樣二級穩(wěn)水后，使液氣轉換測壓筒內(nèi)部水位上升更平穩(wěn)，液氣轉換測壓筒內(nèi)部空氣會 向上通過連通定位管跑掉，隨著外部恒壓供水箱中水位升高并高于液氣轉換測壓筒，對應 測壓筒內(nèi)水位平穩(wěn)上升等高觸碰到頂部的連通定位管底平面時，液氣轉換測壓筒上部會封 閉一段空氣柱無法排出，此時液氣轉換測壓筒內(nèi)部水位不再升高，液氣轉換測壓筒內(nèi)水會 從其頂部的連通定位管內(nèi)流出與恒壓供水箱水體連通。不過由于空氣具有可壓縮性，但計 算可得液氣轉換測壓筒中空氣壓縮帶來的水頭高度相對誤差有限（<〇. 5% )，該樣，可W認 為液氣轉換測壓筒內(nèi)封閉的壓縮空氣壓力即為水箱中水體相對于管嘴出流口中軸水平面 的作用水頭。
[0020] 恒壓供水箱中穩(wěn)定水位時，通過電測儀測得基于管嘴的作用出流口水頭壓力后， 再用重量法，測得管嘴的出流流量，可形成一組標定數(shù)據(jù)。
[0021] 根據(jù)管嘴的物理規(guī)律和出流流量公式：
[002引Qv=MA^ 2gH0，
[0023] 其中，Qy為管嘴出流流量，A為管嘴面積，H。為作用于管嘴的中軸水平面的水頭高 度，y為與管嘴收縮斷面等相關的系數(shù)（針對相同品種實驗儀器的管嘴雖然設計的管嘴形 狀大小一致，但因實際加工誤差，每臺的y值都不一樣）。
[0024] 由上，一個箱體垂直側壁上固定的管嘴的射流出流流量只與作用于該出流口的作 用水頭相關，針對每臺已固定管嘴的實驗儀器只需要一組標定數(shù)據(jù)，即可確定y值， 將該流量公式方程的非線性換算寫入電測儀的微電腦中，即可實時通過測量作用于管嘴的 作用水頭壓力，經(jīng)過內(nèi)部換算，在微電腦自帶的L邸表頭顯示出管嘴的實時流量。
[00巧]所述的集水箱設有回水出口，所述的自循環(huán)供水器設有回水進口，所述的回水出 口和回水進口通過漏斗和回水管形成回路。
[0026] 所述的壓差傳感器中的一測量口通大氣，所述的壓差傳感器中的另一測量口通過 導管與所述液氣轉換測壓筒密封連接，該導管上連接有與大氣相通的電控調(diào)零氣閥；
[0027] 所述的導管插入所述液氣轉換測壓筒的一端位于所述連通定位管的底面與所述 液氣轉換測壓筒的頂面之間，且高于所述連通定位管的底面。
[0028] 所述的電控調(diào)零氣閥至少有并聯(lián)的兩路氣路，一路氣路的兩端分別與所述壓差傳 感器的測量口和所述液氣轉換測壓筒連通，另一路氣路的兩端分別與所述壓差傳感器的測 量口和大氣連通。電控調(diào)零氣閥具體可采用電控=通氣閥。通過電控調(diào)零氣閥控制，可將 壓差傳感器中的另一測量口也通大氣，該時，壓差傳感器2個測量口同時通大氣，此時即可 對壓差傳感器輸