一种旋转式流体流速标定装置与方法与流程

本发明涉及流体流速标定领域，具体是涉及一种旋转式流体流速标定装置与方法。

背景技术：

1、对于流速传感器而言，流速标定装置的准确性直接影响其测量精确度，因此精确地标定流体的流速是至关重要的。由于流体的运动状态很难通过仪器设备进行检测和人眼直接观察，所以关于流体流速的标定一直是一个难题。目前常规的流体流速标定装置如下所示：

2、基于流量计的标定方法。该方法的测量原理是在一定的流体域中，测量单位时间内，流体流入流量计中的体积除以流体区域的横截面积从而得到流速值。此方法具有操作简单的优点，但存在装置体积较大、入水口的流速不稳定和流体域边界存在反射振荡的问题。因此，需要花费较长的时间使流体流速稳定。

3、基于示踪剂的标定方法。该方法是在流体域内加入已知浓度的示踪剂，测量单位时间内示踪剂的扩散距离，并通过扩散距离除以单位时间得到流速值。此方法得到的是一段区域内流体流速的均值，无法定量得到某点的实际流速值。同时易受环境影响，需要在流体流速平稳的环境中标定流速。其次标定微弱流速时，所需时间较长，再者示踪剂可能会影响流体环境的物理特性，使标定流速产生误差(j.o.g.pecly,ands.r.fernandes.ancillary device for flow rate measurement using dye tracertechnique[j].flow measurement and instrumentation,2017,(54)；274-282；l.furman,j.p.leclerc,and z.stegowski.tracer investigation of a packed column undervariable flow[j].chemical engineering science,2005,60(11)；3043-3048；t.sale,g.r.taylor,g.iltis,and a.lyverse.measurement of lnapl flow using single-welltracer dilution techniques[j].ground water,2007,45(5)；569-578.)。

4、基于激光多普勒原理的标定方法。该方法通过测量运动粒子散射光的多普勒频移来标定流速，标定流速范围为几毫米每秒到几十米每秒。该方法具有非接触测量、不干扰流场、测量精度高、适用于多种流体环境流速标定等优点。但也存在设备昂贵、对测量环境要求严格、数据处理较为复杂等缺点。

5、在标定超低流速的场景下，目前常规的流体流速标定方法普遍存在受环境影响大、无法精确标定流速、成本高以及操作复杂等问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出了一种基于高精度陀螺仪的超低流速标定装置与方法。

2、本发明解决上述问题的技术方案是：提供一种旋转式流体流速标定装置，包括：旋转组件、流速传感器固定支架以及角速度传感器；

3、旋转组件包含旋转外壳、转轴和驱动部件，驱动部件与转轴连接以带动转轴转动；转轴穿过旋转外壳，在沿转轴中轴线的方向上与旋转外壳保持固定，转轴转动时旋转外壳保持不动；转轴的一端与流速传感器固定支架固定连接，转轴的另一端固定安装有角速度传感器。

4、优选的，驱动部件与转轴通过齿轮连接。

5、优选的，所述流速传感器固定支架为一长杆，杆体长度方向上的中点与流速传感器固定支架相连接。

6、优选的，所述流速传感器固定支架采用刚性材料制作。

7、优选的，所述角速度传感器采用高精度陀螺仪。

8、本发明还提供一种旋转式流体流速标定方法，基于上述任一项所述的旋转式流体流速标定装置，包括以下步骤：

9、根据要标定的流速v确定需要的转轴角速度ω和流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置；

10、布置旋转式流体流速标定装置，使流速传感器没入静态流体中；

11、驱动部件通过转轴带动流速传感器固定支架转动，从而带动流速传感器在静态流体中运动，模拟出需要的流体流速，实现流体流速标定，表示为v＝ωr。

12、优选的，所述根据要标定的流速v确定需要的转轴角速度ω和流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置，包括两种情况：

13、要标定的流速数量为一个，则先确定需要的转轴角速度ω再根据要标定的速度v和需要的转轴角速度ω确定流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置；或者先确定流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置再根据要标定的速度v和流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置确定需要的转轴角速度ω；

14、要标定的流速数量为多个，则先确定需要的转轴角速度ω再根据要标定的速度v和需要的转轴角速度ω分别确定对应流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置。

15、优选的，所述先确定需要的转轴角速度ω再根据要标定的速度v和需要的转轴角速度ω确定流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置，包括以下步骤：

16、启动驱动部件，以角度传感器测得的转轴角速度作为需要的转轴角速度ω；

17、根据要标定的速度v和需要的转轴角速度ω计算流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置，表示为：

18、v＝ωr；

19、其中，r表示流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置到转轴轴线的距离。

20、优选的，所述先确定流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置再根据要标定的速度v和流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置确定需要的转轴角速度ω，包括以下步骤：

21、将流速传感器安装在流速传感器固定支架上，此时流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置到转轴轴线的距离为r；

22、根据要标定的速度v和计算需要的角速度ω，表示为：

23、

24、以ω为转速启动驱动部件，然后根据角速度传感器测得的转轴角速度调整驱动部件的转速，直到角速度传感器测得的转轴角速度与需要的角速度ω一致。

25、优选的，所述先确定需要的转轴角速度ω再根据要标定的速度v和需要的转轴角速度ω分别确定对应流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置，包括以下步骤：

26、启动驱动部件，以角度传感器测得的转轴角速度作为需要的转轴角速度ω；

27、根据要标定的速度vn和需要的转轴角速度ω计算每个流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置，表示为：

28、

29、其中，n∈[1,n]，n表示要标定的流速的总数量；rn表示用于标定vn的流速传感器在流速传感器固定支架上的安装位置到转轴轴线的距离。

30、本发明具有以下有益效果：本发明用于流速标定时，电机或机械驱动部件促使转轴运动时，流速传感器固定支架会带动流速传感器运动，此时流速传感器相对于流体做匀速圆周运动，运动方向为半径的切线方向，而高精度角速度传感器用于精确测量转动的角速度，从而获得线速度(流速)的精确值，这对于超低流速的准确标定非常重要；通过改变旋转半径或者角速度，就能够实现流体流速的标定；并且可以实现一次标定多个流速。