專利名稱：渠道流量測定儀及其測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種渠道流量的測量裝置，特別涉及一種適合用于末級渠系水量計量的渠 道流量測定儀及其測量方法。
背景技術：
選取適宜的量水設施，對灌區(qū)用水量進行精確計量是促進灌區(qū)節(jié)水，提高灌區(qū)科學管 理水平的重要手段和基礎措施。對實現(xiàn)水資源的高效可持續(xù)利用具有重要意義。
目前，我國現(xiàn)有灌區(qū)中主要實行"斗口計量"的方法，而對斗渠以下的各級渠系(如 農(nóng)渠及毛渠)的水量計量很少，所以在大尺度上水量計量較為準確，而分散到農(nóng)戶的水量 卻難以準確把握。隨著節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展和水價制度的改革，迫切需要研究并推廣可對灌區(qū) 末級渠系計量的量水設備。
當前用于干、支以及斗渠流量常規(guī)觀測的固定量水設施、如三角堰、梯形堰或巴歇爾 量水槽等，以及一些電子量測設備、如超聲波流量計，往往由于耗資巨大，運行管理需要 一定的技術水平以及水頭損失大等諸多因素的限制，致使其并不適用于末級渠系農(nóng)渠及毛 渠的水量計量。
因此，針對末級渠系的特點，開發(fā)一種造價低、應用簡單且計量準確的量水裝置顯得 尤為必要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術的缺陷，提供了一種適合用于末級渠系水量計量的 渠道流量測定儀及其測量方法，具有造價低、應用簡單且計量準確的優(yōu)點。
為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采取的技術方案是 一種渠道流量測定儀，設置在渠道的田 間配水口上，包括殼體、水平尺、量角器、細線、吊球以及供査閱的"夾角-流速"關 系曲線圖，殼體頂部設有水平尺、側部設有量角器，細線的一端固設在量角器的中心、 另一端與吊球相連；其中水平尺用于調節(jié)量角器的位置，使量角器的180。線與水平面 平行；吊球深入水面以下，當水流在渠道通過時，吊球在水流的沖力，細線的拉力，以 及重力和浮力的共同作用下達到一個新平衡點并保持恒定，得到細線與垂直方向夾角，通 過夾角反査"夾角-流速"關系曲線圖，得出渠道水流的流速，然后求此流速與渠道過水 斷面面積的乘積，從而得到渠道的流量。
所述渠道流量測定儀的測量方法，按照以下步驟進行步驟A:放置所述渠道流量測定儀于所述田間配水口的橫梁上，并使吊球沒入水中， 調節(jié)所述水平尺，使所述量角器的180°線與水平面平行；
步驟B:在所述細線的拉力，水流的沖力以及重力和浮力的共同作用下達到一個新 平衡點并保持恒定時，讀取細線與垂直方向夾角；
步驟C:根據(jù)上述夾角反査"夾角-流速"關系曲線，得出渠道水流的流速，然后求 此流速與渠道過水斷面面積的乘積，從而得到渠道的流量。
本發(fā)明的有益效果可概括為以下四點
1. 相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明通過水流對吊球的沖力，將流速轉化成細線的夾角從而得 到流量數(shù)據(jù)，本發(fā)明所述渠道流量測定儀具有靈敏度高，計量準確的優(yōu)點；
2. 相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明測量過程所產(chǎn)生的水頭損失小，不影響渠道過水；
3. 相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明由于通過流速及水深轉化且吊球為軸對稱結構，不論通過 配水口流態(tài)如何，均能適應，故適用范圍廣；
4. 相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明所述渠道流量測定儀具有結構簡單，攜帶方便，操作簡便 靈活，成本低廉，適用于田間渠系的現(xiàn)場測試，便于在灌區(qū)內(nèi)推廣使用的優(yōu)點。
圖1是現(xiàn)有技術中所述的末渠的田間配水口結構簡圖2是本發(fā)明所述的渠道流量測定儀安裝在田間配水口上的俯視示意圖3是圖2的A-A剖視圖4是本發(fā)明所述吊球的受力結構圖5是本發(fā)明所述的夾角一流速關系曲線圖。
圖中1田間配水口、 2橫梁、3閘槽、4渠道流量測定儀、4. l水平尺、4.2量角器、 4.3吊球、Fc —水流的沖力、Fh—重力與浮力的合力、F —細線的拉力。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不作為對本發(fā)明的限定。 如圖2-3所示的一種渠道流量測定儀，設置在渠道的田間配水口 1上，包括殼體、 水平尺4. 1、量角器4.2、細線、吊球4.3以及供査閱的"夾角-流速"關系曲線圖(參 見圖5)。如圖1所示，所述田間配水口 l上設有橫梁2及間槽3。如圖3所示，所述渠 道流量測定儀的殼體頂部設有水平尺4.1，殼體側部設有量角器4.2。細線的一端固設 在量角器4. 2的中心，另一端與吊球4. 3相連。其中水平尺4. 1用于調節(jié)量角器4. 2的 位置，使量角器4.2的180°線與水平面平行。吊球4.3深入水面以下，當水流在渠道通過時，吊球4.3在水流的沖力，細線的拉力，以及重力和浮力的共同作用下達到一個新 平衡點并保持恒定，得到細線與垂直方向夾角。通過夾角反査"夾角-流速"關系曲線圖， 得出渠道水流的流速，然后求此流速與渠道過水斷面面積的乘積，從而得到渠道的流量。 所述渠道流量測定儀4的測量方法，按照以下步驟進行
步驟A:放置所述渠道流量測定儀4于所述田間配水口 1的橫梁2上，將所述的吊 球4. 3通過細線置于渠道中一定深度處，調節(jié)所述水平尺4. 1，使所述量角器4. 2的180° 線與水平面平行；
步驟B:渠道中有水流通過時，吊球細線的拉力、水流的沖力以及重力和浮力的共同 作用下達到一個新平衡點并保持恒定，細線將與垂直方向偏離，并產(chǎn)生一個夾角，讀取細
線與垂直方向夾角e;
步驟C:根據(jù)上述夾角e反查"夾角-流速"關系曲線(參見圖5)，得出渠道水流的 流速，然后求此流速與渠道過水斷面面積的乘積，從而得到渠道的流量。 本發(fā)明的實現(xiàn)原理
如圖4所示，在流速為v的水中，吊球在垂直方向的力Fh (重力與浮力的合力)，細 線的拉力F，以及水流的沖力F。的共同作用下達到平衡，此時，細線與水平方向產(chǎn)生一個 夾角0 。
如圖4所示，當?shù)跚蜻_到平衡位置處時，其速度為v^0，此時的夾角e的正切值與吊 球所受的力之間的關系可用式(ll)表示，據(jù)此可求得夾角9與水流速度v.的關系如式(13) 所示。具體推導過程如下所示
根據(jù)流體力學理論，在平衡位置處，吊球由于水流沖力沿水平方向所產(chǎn)生的加速度可 由公式(1)表示。此時，在吊球在水流沖力，重力以及細線的拉力達到平衡狀態(tài)，吊球 的速度為^=0，將該值帶入公式(1)以后，得到小球的加速度a，如式(2)所示。
_ d x — 3 />w
" 3 2 W
根據(jù)牛頓第二定律，可得吊球所受的水流沖力《如式(3)所示。其中吊球的質量^ 可由式(4)確定，吊球的體積可由球體的體積公式(5)確定，將公式(4)和(5)代入 式(3)即可求得吊球此時所受的水流沖力《(式6)。吊球所受的浮力可由式(7)求得，重力由式(8)計算，重力與浮力的合力可由式(9) 表示。將式(4)代入式(8)，將式(5)帶入式(7)，然后在將式(7)和(8)代入式(9) 即可得到重力和浮力的合力《的表達式，如式(10)所示。
<formula>formula see original document page 6</formula>
根據(jù)受力分析圖4，細線與垂直方向的夾角9的正切值可由式(11)表示:
(11)<formula>formula see original document page 6</formula>
將式(6)和式(10)帶入式(11)，可得式(12)。
妙=6CdA 《
(12)<formula>formula see original document page 6</formula>
由式(12)求夾角0的反正切值，轉換可得式(13)c
(13)<formula>formula see original document page 6</formula>
在式(1)-(13)中，所涉及到的各參數(shù)表述如下
&--經(jīng)驗系數(shù);z)--吊球的直徑;^--水的密度;a--吊球的密度； vfc - -吊球的速度;vw--水流速度；VA --吊球的體積；《--水流沖力； ^ --吊球所收的浮力；ga --吊球的重力;《--浮力與重力的合力 ^一一與垂直方向的夾角；g--重力加速度在實施過程中，重力加速度g^9.8N/Kg，通常經(jīng)驗系數(shù)c。二0.01，假設所選取的吊球 為塑料空心球，其密度為/^=0.1^/附3，球的直徑D二O. lm，則根據(jù)式(13)，可得到夾 角9與水流速度v.的關系曲線，如圖5所示。
在具體實施過程中，亦可選取其它材質的吊球，只要獲得其密度及直徑參數(shù)，即可根 據(jù)式(13)獲得類似圖5所示的"夾角一流速關系曲線"，根據(jù)此曲線即可由量角器測得 的夾角，求得對應的水流速度。根據(jù)將在曲線上査得的流速數(shù)據(jù)與渠道的過水斷面面積相 乘，即可得到所測渠道的流量數(shù)據(jù)。
對比例
為對本發(fā)明測量結果的可靠性進行考核，任意選取了渠道的某一過水斷面，將本發(fā)明 的測量結果與超聲波流量計的測量結果進行了對照，如表1所示
表l本發(fā)明的測量結果與超聲波流量計的測量結果對照表(單位mVs)
序號第一組第二組第三組第四組第五組
渠道流量 觀!l定儀2545516267
流量0.160. 290. 330. 440. 43
超聲波流 量計流量0. 170.310.350.410.43
注表中選取的渠道過水斷面面積為0. 25m:
本發(fā)明通過水流沖力，將流速轉化成細線的夾角從而得到流量數(shù)據(jù)，具有靈敏度高， 計量準確的優(yōu)點；測量過程所產(chǎn)生的水頭損失小，不影響渠道過水；本發(fā)明無論水流形態(tài) 如何，均能適應，故適應性廣；本發(fā)明所述渠道流量測定儀具有結構簡單，攜帶方便，操 作簡便靈活，成本低廉，適用于田間渠系的現(xiàn)場測試，便于在灌區(qū)內(nèi)推廣使用的優(yōu)點。
以上所述的實施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實施方式
的一種，本領域的技術人員在 本發(fā)明技術方案范圍內(nèi)進行的通常變化和替換都應包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種渠道流量測定儀，設置在渠道的田間配水口上，其特征在于包括殼體、水平尺、量角器、細線、吊球以及供查閱的“夾角-流速”關系曲線圖，殼體頂部設有水平尺、側部設有量角器，細線的一端固設在量角器的中心、另一端與吊球相連；其中水平尺用于調節(jié)量角器的位置，使量角器的180°線與水平面平行；吊球深入水面以下，當水流在渠道通過時，吊球在水流的沖力，細線的拉力，以及重力和浮力的共同作用下達到一個新平衡點并保持恒定，得到細線與垂直方向夾角，通過夾角反查“夾角-流速”關系曲線圖，得出渠道水流的流速，然后求此流速與渠道過水斷面面積的乘積，從而得到渠道的流量。
2.根據(jù)權利要求1所述渠道流量測定儀的測量方法，其特征在于按照以下步驟進行步驟A:放置所述渠道流量測定儀于所述田間配水口的橫梁上，并使吊球沒入水中， 調節(jié)所述水平尺，使所述量角器的180°線與水平面平行；步驟B:在所述細線的拉力，水流的沖力以及重力和浮力的共同作用下達到一個新 平衡點并保持恒定時，讀取細線與垂直方向夾角；步驟C:根據(jù)上述夾角反査"夾角-流速"關系曲線，得出渠道水流的流速，然后求 此流速與渠道過水斷面面積的乘積，從而得到渠道的流量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種渠道流量測定儀及其測量方法，所述測定儀包括殼體、水平尺、量角器、細線、吊球以及一張“夾角-流速”關系曲線圖。所述測量方法，包括放置所述測定儀于橫梁上，使吊球沒入水中，調節(jié)所述水平尺使所述量角器的180°線與水平面平行；在渠道水流的沖力作用下，吊球達到一個新平衡點并保持恒定時，讀取細線與垂直方向夾角；根據(jù)上述夾角反查“夾角-流速”關系曲線，得出渠道水流的流速，從而計算得到渠道的流量。本發(fā)明所述測定儀及其測量方法，結構簡單，操作簡便，計量準確；測量過程所產(chǎn)生的水頭損失小，適用于田間渠系的現(xiàn)場測試，便于在灌區(qū)內(nèi)推廣使用。
文檔編號G01F1/05GK101294829SQ20081012709
公開日2008年10月29日 申請日期2008年6月25日 優(yōu)先權日2008年6月25日
發(fā)明者于穎多, 王建東, 龔時宏 申請人:中國水利水電科學研究院