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专利名称：动量式流量计及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种农田灌溉中使用的量水设备和方法，具体地说是一种动量式流量计及其测量方法。
背景技术：
量水伴随着水力学发展已有100多年的历史，经典的量水设备如文丘里管、巴歇尔量水槽至今仍是实验室的主要量水手段。随着灌溉用水的需要，不仅这些实验室量水设施被用到渠道量水，而且发展了很多量水的新方法。概括来说，灌区量水设施可以分为三类水工建筑物量水、特设的量水设备量水和非接触式量水。
利用水工建筑物量水，就是根据水工建筑物的过流规律，通过观察建筑物上、下游水位和闸门开度推算建筑物的流量和水方。随着液位传感技术和电子技术的发展，80年代初开始采用计算机进行水闸上下游和闸门开度的自动检测并累计水量。从原理上来讲，这种测流方法要求建筑物出流具有较强的规律性，一般大中型建筑物能满足这个要求。但是这种测流装置投资较大，不太适合中小型渠道应用。
采用特设量水设备量水是一种经典的方法，此类量水设备有三角形堰、梯形堰、孔板、量水喷嘴、文丘里管、巴歇尔量水槽、无喉段量水槽。其特点是量水精度高。与水工建筑物一样，需要观察并记录上下游水位才能推算流量。这种方法量水需要设置特设的量水设备，制作费用较高，渠道越大费用越高，限制了其在大型渠道上的使用。
非接触式量水依其原理的不同也有多种形式，比较成熟和常用的主要有电磁式流量计和超声波流量计。电磁式流量计主要适合测量管道水量，已经发展成为与微机一体化的产品，测量精度较高。一米直径的电磁流量计市场售价在10万元左右，对于面广量大的农田渠道而言在经济上是承受不起的。超声波流量计诞生于七十年代，随着计算机技术的日新月异，带动了超声波流量计的迅速发展，特别是多普勒超声波流量计的研究成功，大大扩展了超声波流量计的测量范围。超声波流量计适合大型渠道的流量测量。由于受温度漂移的影响，超声波流量计的精度不稳定，需要进行温度漂移纠正。目前使用的超声波流量计，以进口为主，价格较高。国产的超声波流量计核心部件也是以进口为主，但可靠性较差。
综上所述，现有量水设备的缺点是设备为高档仪器仪表，价格较高，一般的中小型农灌渠道是承受不起。

发明内容
本发明的目的是提供一种动量式流量计及其测量方法，该动量式流量计结构简单，造价低廉，适应性广，使用该动量式流量计测量方便而且测量精度高。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种动量式流量计，其特征在于它包括作为特设量水设备(测流设备)的拦水栅、压力传感器和二次仪表，在可置于渠道内的拦水栅上设有一组拦水栅条；压力传感器分别设置在拦水栅的上部和下部，所述压力传感器均与可进行数据接受、处理、贮存和输出的二次仪表连接。本发明中的拦水栅外形可以是矩形或梯形。在栏栅上均匀布置栅条n根，每根栅条宽为B1，在水流作用下拦水栅可对压力传感器产生压力，栅条的数量和每根栅条的宽度可根据水流的具体情况来确定。本发明利用流动的水流撞击拦水栅条对拦水栅产生冲击力，通过压力传感器测定冲击力，根据动量原理和力平衡原理推算渠道中水深、流速和流量。
本发明中，栏栅材质可以为金属、混凝土、木材、塑料或玻璃钢等。
本发明中，所述压力传感器可以分别设置在拦水栅的顶部和底部；压力传感器带有远传接口，它可以接受并传送拦水栅条在水流作用下产生的压力，其安放位置也可以在拦水栅条的上部和下部，根据其安置位置的不同，原理部分的推导公式应作相应调整。
一种本发明所述动量式流量计的测量方法，其特征在于它包括以下步骤A)将动量式流量计竖直放入渠道中并固定，水流从拦水栅条间流过；B)确定动量式流量计中的压力传感器均与二次仪表连接牢固；C)从二次仪表中读取渠道水深、流量及水量。
二次仪表为数据接受、处理、贮存和输出装置，它接受压力传感器的信息，根据该信息推算渠道中水流速度和深度，并根据流量公式计算渠中流量，根据流量和时间计算各个时段的用水量，根据水量和水价计算水费，并将上述信息和计算处理结果贮存起来，根据需要输出或远传上述信息和处理结果。二次仪表可与打印输出设备连接，将所需数据打印出来，同时它还可通过无线或有线与其它通信设备连接。
本发明的工作原理如下根据动量守恒原理及力平衡原理，通过测定栏水栅上下两端支撑力反推出渠道中水的流量及水深，从而实现对渠道流量的计量。
Fd=ρQA0A(α1V1-α2V2)]]>式中，Fd为动水压力，ρ为水的密度，Q为渠道流量，V1为渠道内水流速度，V2为撞击到栏水栅后的水流速度，A1为渠道过水断面面积，A0为淹没水中的栏栅木条面积，A为淹没水中的栏栅总面积。
其中，V1=QA1=QB·h;]]>V2=0;]]>A0=nB1h.]]>A=B·h]]>因此有Fd=ρα1nB1·Q2B2h]]>已测定栏水栅条上端两侧支撑力均为F1，下端两端支撑力均为F2，根据水深h，可得水静压力Fj=12nB1·γ·h2]]>根据力的平衡原理，有2F1·H-h2·Fd-h3·Fj=0(1)2F1+2F2-Fd-Fj=0(2)]]>式中，H为拦水栅高。
将Fd、Fj代入上面方程组得到2F1·H-α1·ρ·n·B1·Q22B2-n·γ·B1·h36=0(3)2F1+2F2-ρα1nB1·Q2B2h-12nB1·γ·h2=0(4)]]>上述两式中，H、ρ、γ、n、B1、B、α1为已知量，F1、F2可通过压力传感器测得，未知量为Q和h，求解上述联立的方程组即可以得到渠槽内流量以及水深值。
目前中小型灌溉渠道是主体，面广量大，本发明提出的量水设备以挡水拦栅作为测流装置，通过压力传感器测定挡水栏栅的固定支撑力，根据水力学中动量守恒定律和外力平衡原理，反推出渠道中水流量及水深。与现有技术相比，本发明的优点是设备结构简单、造价低廉、适应性广；使用该动量式流量计，测量方便而且测量精度高，完全可以满足中小型渠道量水的需要。
三

图1是本发明的结构示意图；图2是本发明中栏水栅的结构示意图。
五具体实施例方式
一种本发明所述的动量式流量计，包括拦水栅1、压力传感2和二次仪表3。拦水栅1的外形是长方形，高度为H，宽度为B，在拦水栅1上设有一组共4个拦水栅条4，每根栅条宽为B1；栏水栅1的材质为金属，拦水栅1固定在渠道内。两只压力传感器2分别设置在拦水栅条4的顶端和底端，压力传感器2也可以为四只，分别设置在拦水栅1的四个角上；压力传感器2为通用压力传感器，带远传接口，均与二次仪表3连接。二次仪表3是一种接受、处理、贮存和输出装置，它接受压力传感器2的信息，根据该信息推算渠道中水流速度和深度，并根据流量公式计算渠中流量，根据流量和时间计算各个时段的用水量，根据水量和水价计算水费，并将上述信息和计算处理结果贮存起来，根据需要输出或远传上述信息和处理结果。
一种本发明所述动量式流量计的测量方法，包括以下步骤A)首先将动量式流量计竖直放入渠道中并固定，水流从拦水栅条间流过；B)确定动量式流量计中的压力传感器均与二次仪表连接牢固；C)二次仪表接受压力传感器的信息，根据该信息推算渠道中水流速度和深度，并根据流量公式计算渠中流量，根据流量和时间计算各个时段的用水量，从二次仪表中读取渠道水深、流速及水量。
本发明中，通过压力传感器测得的栏水栅上端两侧支撑力均为F1，下端两端支撑力均为F2，F1和F2分别为90牛顿和240牛顿，已知，拦水栅宽B＝0.8m，共有4个拦水栅条，每个栅条宽B1＝0.05m，拦水栅高H＝1m，水的密度ρ为1×103kg/m3，α1＝1，由计算公式推算渠道水深及水量。
将已知条件代入下式2F1·H-α1·ρ·n·B1·Q22B2-n·γ·B1·h36=0(3)2F1+2F2-ρα1nB1·Q2B2h-12nB1·γ·h2=0(4)]]>
得到水深h为0.8m、流量Q为0.32m2/s。
根据以上得到的流量和时间，可以计算各个时段的用水量，根据水量和水价计算水费，并将上述信息和计算处理结果贮存起来，根据需要输出或远传上述信息和处理结果。二次仪表可与打印输出设备连接，将所需数据打印出来。
权利要求
1.一种动量式流量计，其特征在于它包括作为特设量水设备的拦水栅(1)、压力传感器(2)和二次仪表(3)，在可置于渠道内的拦水栅(1)上设有一组拦水栅条(4)；压力传感器(2)分别设置在拦水栅(1)的上部和下部，所述压力传感器(2)均与可进行数据接受、处理、贮存和输出的二次仪表(3)连接。
2.根据权利要求1所述的动量式流量计，其特征在于所述拦水栅(1)上设有一组在流动的水流撞击时使拦水栅(1)产生冲击力并可对压力传感器(2)产生压力的拦水栅条(4)。
3.根据权利要求1所述的动量式流量计，其特征在于所述压力传感器(2)分别设置在拦水栅(1)的顶部和底部。
4.根据权利要求1所述的动量式流量计，其特征在于所述拦水栅(1)的外形是矩形或梯形。
5.根据权利要求1所述的动量式流量计，其特征在于所述拦水栅(1)可以由金属、混凝土、木材、塑料或玻璃钢制成。
6.一种权利要求1所述动量式流量计的测量方法，其特征在于它包括以下步骤A)将动量式流量计竖直放入渠道中并固定，水流从拦水栅条(4)间流过；B)确定动量式流量计中的压力传感器(2)均与二次仪表(3)连接牢固；C)从二次仪表(3)中读取渠道水深、流量和水量。
7.根据权利要求6所述的动量式流量计的测量方法，其特征在于所述二次仪表(3)与打印输出设备连接。
全文摘要
本发明公开了一种动量式流量计及其测量方法，动量式流量计包括拦水栅、压力传感器和二次仪表，在可置于渠道内的拦水栅上设有一组拦水栅条；压力传感器分别设置在拦水栅的上部和下部，压力传感器均与可进行数据接受、处理、贮存和输出的二次仪表连接；测量时，首先将动量式流量计竖直放入渠道中并固定，然后将压力传感器与二次仪表连接牢固，最后从二次仪表上获取信息。本发明中动量式流量计结构简单，造价低廉，适应性广，使用该动量式流量计测量方便而且测量精度高。本发明在中小型农田渠道量水中有着广阔的应用前景，具有极大的经济价值和实用价值。
文档编号G01F1/34GK1664513SQ20041006583
公开日2005年9月7日 申请日期2004年12月21日 优先权日2004年12月21日
发明者吴玉柏, 祁朝标, 张华 , 陈凤 申请人:江苏省水利科学研究所