技术领域
[0001] 本
发明涉及一种测量方法及装置，特别是关于一种测量浑水流量浓度方法及引水装置。
背景技术
[0002] 流量浓度CQ是指浑水中泥沙等固体颗粒（以下统称泥沙）的流量QS和浑水总流量Q之比，其和体积浓度CV（泥沙体积VS'和浑水总体积V'之比）以及
质量浓度CM（泥沙质量MS和浑水总质量M之比）类似，但概念不同。
[0003] 在有压流动中，长度为L的直管面积为A，如假定泥沙占过流面积为AS，则体积浓度CV＝VS'/V'＝AS·L/(A·L)＝AS/A，即体积浓度CV实际上反映的是泥沙过流面积AS和总面积A之比，但流量浓度CQ则不仅和面积比有关，还和泥沙的运动速度vS及浑水平均流速v有关，流量浓度CQ和体积浓度CV之间的关系为CQ＝QS/Q＝AS·vS/(A·v)＝Cv·vS/v，只有在vS＝v的条件下，CQ＝CV。在流动的浑水中，由于泥沙和水等液体的
密度不同，且固体无法自主流动，受水流速度大小和方向变化等影响，固体颗粒和
水体各以不同的速度运动，形成固相和液相两个不同的流速场。也就是说，在大多数断面、大多数压
力及速度条件下，固体颗粒的速度vS不等于清水流速vW，即vS≠v,CQ≠CV。
[0004] 众所周知，在有压流动中，如没有分支流动和空气腔存在，在有压管道内总流量不变的条件下，任何过流断面的流量Q都应当相等。扩大到浑水流动，在满足上述条件并没有沉积的情况下，任何断面的泥沙流量QS也应相等，则泥沙流量浓度CQ也应相等。但是，体积浓度CV则不同，CV＝CQ·(v/vS)，在不同的测量点，体积浓度CV会因泥沙速度和浑水总流速之间的比b(b＝v/vS)不同而不同。而目前常用的
超声波衰减法、光电法（红外线法）和γ射线法等多种浓度测量方式，测量的均为某一管道长度上泥沙体积与浑水总体积（或泥沙质量与浑水总质量）之比，均为体积浓度CV（如测量的是质量浓度CM，可在测量确定泥沙密度ρS和清水密度ρW后换算为体积浓度，CV＝CM·ρS/(ρS-CM·ρS+CM·ρW)）。
[0005] 就泥沙浓度的测量来说，目前还存在两个问题亟待解决：一是体积浓度CV因测量断面不同而不同，任何一个断面的体积浓度CV都无法代表整个有压管道内的浓度；二是尽管流量浓度CQ能保持各断面相等，也能代表有压管道内浓度，但目前还没有测量方法及仪器设备。因此，有必要提供一种测量流量浓度CQ的方法。
发明内容
[0006] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种静水状态下测量体积浓度即可知流量浓度的浑水流量浓度方法及引水装置。
[0007] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种测量浑水流量浓度方法，其包括以下步骤：1）准备阶段：①安装引水装置：将引水装置安装至浑水管道上；②获取泥沙密度ρS：首先，称量作为沙样的泥沙质量MS，并放入一容器中，测量清水体积VW，倒入所述容器中，搅拌成浑水；其次，测量获取的浑水体积V，计算浑水中泥沙体积VS＝V-VW；最后，计算泥沙密度ρS＝MS/VS；2）测试阶段：测量计算各种矿物质种类及矿物质比例与步骤1）的步骤②所述沙样基本一致的浑水中的泥沙体积浓度，并计算流量浓度：①调整引水管深度及
角度，打开引水装置进行排水，并接入一容器中；②称量待测浑水质量M，测量待测浑水的体积V；③计算浑水密度ρ＝M/V和清水密度ρW＝MW/VW；④计算获得泥沙体积浓度⑤计算流量浓度
[0008] 所述步骤2）中的泥沙体积浓度 的推导过程如下：
[0009] 泥沙在浑水中所占体积VS为：
[0010] VS＝V-VW （1）
[0011] 而浑水中泥沙密度ρS可用下式计算：
[0012] ρs＝Ms/Vs （2）
[0013] 在浑水中，泥沙质量和清水质量之间存在如下关系：
[0014] ρ·V=ρS·VS+ρW·VW （3）
[0015] 而泥沙体积可以表示为：
[0016] VS＝NV·V （4）
[0017] 清水体积可以表示为：
[0018] VW＝V-VS （5）
[0019] 将式（4）和式（5）分别代入式（3）：
[0020] ρ·V＝ρ·NV·V+ρW(V-NV·V) （6）
[0021] 对式（6）进行简化处理后可得泥沙体积浓度NV：
[0022]
[0023] 获取泥沙质量和待测浑水质量时，采用标准称重设备称重获得；获取清水体积和浑水体积时，采用计量容积的标准容积桶计量获得。
[0024] 一种引水装置，其特征在于：它包括一引水管，一套设在所述引水管上的
法兰，三个沿周向均匀固定在所述法兰下表面的螺杆，一套设在所述法兰下方的所述引水管和三个所述螺杆上的刻度圆盘，一固定在所述引水管上并套设在三个所述螺杆上的
定位圆盘，以及一设置在所述引水管末端上的
阀门。
[0025] 所述引水管由引水弯管和引水直管组成，所述引水弯管与所述引水直管相互垂直，且拐角处采用圆弧过渡；所述引水弯管长度与所述引水管的直径之比至少为5：1；所述引水弯管的水管口为尖锐的刀刃状；所述引水管为不锈
钢管。
[0026] 所述刻度圆盘下表面设有角度刻线，所述角度刻线的角度范围在-15°～15°。
[0027] 所述定位圆盘上设有三个径向宽度稍大于所述螺杆外径的弧形槽；所述定位圆盘外侧边缘对应所述刻度圆盘的角度刻线
位置设有
指针。
[0028] 所述法兰套设在所述引水直管上，并在所述法兰和引水直管之间设置一O型
密封圈进行密封；所述定位圆盘紧邻所述刻度圆盘下表面所述刻度圆盘和所述定位圆盘通过两侧的三对
螺母固定在所述螺杆上。
[0029] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用引水管进水管口设计成尖锐的刀刃状并直接对准来流方向，保证了通过引水管进水管口面积的浑水流量能够全部流入引水装置内，并流入接水容器内。2、由于在静态条件下测量浑水的体积浓度NV
精度较高，并且在一定时段内接到的浑水体积浓度NV即为有压管道内接水点的流量浓度CQ，因此能够实现高精度测量流量浓度CQ。3、由于引水弯管长度大于引水管直径5倍以上，因此有效避免引水直管对管口处来流产生影响。4、由于引水管既可沿X轴前后移动，又可沿X轴旋转，因此使得引水管既能置于流速分布均匀处测量断面平均流量浓度，又能置于异型断面测量局部流量浓度，探讨流道拐弯、扩散、收缩等变化时流量浓度的变化规律。5、可通过本发明测量的流量浓度CQ及测量的体积浓度CV、流量Q和断面面积A来计算泥沙流速vS及清水流速vW。
附图说明
[0030] 图1是本发明的引水装置应用状态剖面示意图
[0031] 图2是图1的A向示意图
[0032] 图3是图1的B向示意图
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和
实施例对本发明进行详细的描述。
[0034] 如图1所示，本发明的引水装置包括引水管1、法兰2、螺杆3、刻度圆盘4、定位圆盘5和阀门6。
[0035] 其中，引水管1由引水弯管7和引水直管8两部分组成，引水弯管7与引水直管8相互垂直，拐角处采用圆弧过渡。法兰2套设在引水直管8上，并在法兰2和引水直管8之间设置一O型密封圈9进行密封，防止浑水渗出。三个螺杆3沿周向均匀
焊接在位于引水直管8外围的法兰2下表面。
[0036] 如图1、图2所示，刻度圆盘4的中心开设有稍大于引水直管8外径的中心孔，中心孔的外围开设有三个稍大于螺杆3外径的光孔，且三个光孔与三个螺杆3相对应，刻度圆盘4下表面刻有角度刻线10。刻度圆盘4对应套设在法兰2下方的引水直管8和螺杆3上，且刻度圆盘4能够沿引水直管8轴向滑动。
[0037] 如图1、图3所示，定位圆盘5的中心开设有稍大于引水直管8外径的中心孔，中心孔的外围开设有三个径向宽度稍大于螺杆3外径的弧形槽11，且三个弧形槽11与三个螺杆3相对应。定位圆盘5紧邻刻度圆盘4下表面套设在引水直管8和螺杆3上，且定位圆盘5的中心孔与引水直管8焊接固定，刻度圆盘4和定位圆盘5通过两侧的三对
锁定螺母13固定在螺杆3上。同时，在定位圆盘5外侧边缘对应刻度圆盘4的角度刻线10位置处设有指针12。阀门6设置在接近引水直管8的末端处。
[0038] 定位圆盘5相邻套设在刻度圆盘4下表面，并将定位圆盘5的中心孔套设并焊接在引水直管8上，定位圆盘5上设有三个径向宽度稍大于螺杆3外径的弧形槽11，弧形槽11相应套设在螺杆3上，定位圆盘5外侧边缘对应刻度圆盘4的角度刻线10位置设有指针12。如图1、图2所示，将刻度圆盘4和定位圆盘5分别通过三个锁定螺母13固定在三个螺杆3上。在引水直管8接近末端处设有阀门6。
[0039] 在一个优选的实施例中，引水管1为
不锈钢管。
[0040] 在一个优选的实施例中，引水弯管7长度与引水管1的直径之比至少为5：1。
[0041] 在一个优选的实施例中，引水弯管7的水管口为尖锐的刀刃状。
[0042] 在一个优选的实施例中，角度刻线10的角度范围在-15°～15°。
[0043] 本发明方法的原理如下：假定引水管1管口面积为A，过面积A的浑水总流量为Q其中泥沙流量为QS，流量浓度CQ＝QS/Q。通过引水装置的接水时间无论长短，接入泥沙和清水的时间都是t。因此，在t时段内接到的浑水中泥沙之体积浓度NV＝(QS·t)/(Q·t)＝QS/Q＝CQ，显然，采用迎流接水方法引到容器内并在静水状态下测量浑水的体积浓度NV不是管道内浑水的体积浓度CV，而是管道内浑水的流量浓度CQ。也就是说，在静水状态下测量的浑水体积浓度NV为浑水的流量浓度CQ。
[0044] 先通过测量干沙质量MS、清水体积VW及二者混合后浑水体积V的方法，然后计算确定泥沙密度ρS。得到泥沙密度ρS之后，再通过实际测量或标定，测量各点浑水密度ρ、清水密度ρW，计算获得相应的泥沙体积浓度NV，即可知浑水的流量浓度CQ。
[0045] 泥沙在浑水中所占体积VS为：
[0046] VS＝V-VW （1）
[0047] 而浑水中泥沙密度ρS可用下式计算：
[0048] ρs＝Ms/Vs （2）
[0049] 在浑水中，泥沙质量和清水质量之间存在如下关系：
[0050] ρ·V=ρS·VS+ρW·VW （3）
[0051] 而泥沙体积可以表示为：
[0052] VS＝NV·V （4）
[0053] 清水体积可以表示为：
[0054] VW＝V-VS （5）
[0055] 将式（4）和式（5）分别代入式（3）：
[0056] ρ·V＝ρ·NV·V+ρW(V-NV·V) （6）
[0057] 对式（6）进行简化处理后可得泥沙体积浓度NV：
[0058]
[0059] 因静水状态下测量的浑水体积浓度NV为浑水的流量浓度CQ，即NV等于浑水的流量浓度CQ。因此，计算获得相应的泥沙体积浓度NV，即可知浑水的流量浓度CQ。
[0060] 根据上述实施例中提供的引水装置，本发明方法包括以下步骤：
[0061] 1）准备阶段：
[0062] ①安装调试引水装置
[0063] 在管道边壁14上设计加工与引水装置相配的管道法兰15。将引水装置的法兰2对应管道法兰15，中间加入密封垫16，通过若干
螺栓17固定安装在管道边壁14上。
[0064] ②测量计算样本泥沙密度ρS
[0065] 将泥沙颗粒拌匀，按需要取一定质量的泥沙颗粒烘干，用天平或其它高精度秤重设备秤取所需烘干后泥沙质量MS。将秤过质量的泥沙全部加入可以计量容积的标准容积桶内，将已测量容积VW的清水倒入标准桶内，搅拌均匀，使泥沙和清水充分融合，直至泥沙颗粒周围无气泡。测量浑水体积V，按式VS＝V-VW计算泥沙或相同矿物质的固体颗粒在浑水中所占体积VS，按式ρs＝Ms/Vs计算泥沙密度ρS。
[0066] 为提高测试精度，应该尽量使浑水体积V接近容积桶满量程，并选择尽可能高的浓度测量ρS，但是务必保证固体颗粒充分融合于水，没有气泡，浑水能流动，自动保持自由、水平水面。
[0067] 2）测试阶段：测量浑水密度ρ及清水密度ρW，计算确定浑水流量浓度CQ[0068] ①根据测量位置需要调整引水管1插入管道的深度（即沿X轴方向），因引水管1焊接在定位圆盘5上，因此只要转动定位圆盘5即可调整引水管1与Y轴的角度，使得引水弯管7入口对准来流方向，并可以通过定位圆盘5上设置的指针12在刻度圆盘4下表面设置的角度刻线10观察旋转角度。待引水管1入口对准来流方向后，通过拧紧刻度圆盘4和定位圆盘5两侧锁定螺母13将引水管1锁定定位。打开引水装置出口侧的阀门6，排水一段时间后用接水容器或标准容积桶接水，至需要容积后快速关闭阀门6。
[0069] ②测量浑水体积V和质量M，计算浑水密度ρ；
[0070] ③测量与浑水
温度相同的清水密度ρW；
[0071] ④通过式 计算泥沙体积浓度NV；
[0072] ⑤通过式 计算流量浓度CQ。
[0073] 对于不同的泥沙流量浓度CQ的测量，只需重复上述的五个步骤。
[0074] 通过所得的流量浓度CQ、测量浑水的体积浓度CV、流量Q、断面面积A，也可以计算泥沙流速vS及清水流速vW，其计算公式为：浑水流速vS＝Q/A，泥沙速度vS＝v·CQ/CV，清水流速vW＝(v-vS·CV)/(1-CV)。
[0075] 上述各实施例仅用于说明本发明的方法及实施方式及引水装置，各阶段测量的具体实施步骤及
细则都是可以有所变化的，在本发明技术方案的
基础上，凡根据本发明原理对个别实施方法和设备进行的改进和变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
