卫生洁具水包内流速的应变式测试

　　0　引　言

　　全球性的水资源匮乏,使节水型卫生洁具的开发备受关注,衡量卫生洁具的性能包括水流对壁面的冲刷作用、清水对污水的置换作用以及水流对固体污物的运载作用等3个方面。不同结构类型的卫生洁具其水流场的特性不同。文献[1]用动态体积法测定了卫生洁具排水流量曲线,文献[2], [3]分别对排水横管的水流的流量特性进行了研究。卫生洁具水包内速度流场的分析关系到水流对壁面的冲刷作用,对设计节水型卫生洁具具有重要的指导意义。卫生洁具的排水过程具有“带自由面”、“非恒定”、“过程时间短”,且洁具水包内的水流为一薄层水流。工程上用于测量流速的方法很多,如,有激光多普勒法、CCD法、超声波法、热线/膜法等,然而,以上诸多测试方法要么响应时间相对较长,要么不满足测试非稳态流场、带自由面的要求,要么测试设备价格昂贵。本研究设计了一种特殊的应变式速度传感器,实现了卫生洁具水包内流速的测试。该速度传感器响应灵敏、经济可靠,可用于测量非稳态流场速度。

　　1　测试原理

　　基于应变式速度传感技术是在靶杆的另一端贴上一组应变计,如图1所示,当介质流动时,因其自身的动能和因阻流元件(靶片)而产生的压差,产生一对受力元件(靶片)的作用力,其作用的大小与介质流速的平方成正比,其数学表达式为^[4]

　　式中　F为靶片所受阻力的作用力;C_^D为物体阻力系数;A为靶片对流动方向的投影面积;ρ为工况下介质密度; v为介质的平均流速;

　　受力元件(靶片)所接受的作用力F,经与力敏元件刚性连接的传递件(靶杆),使力敏元件产生微量弹性弯曲变形,其应变量ε和介质流速v可以建立一定关系

　　式中　K为与流体密度和流速计结构形状与尺寸有关的常数,可通过实验标定而得到。

　　2　应变式速度传感器及测试系统设计

　　2.1　速度传感器设计

　　由于卫生洁具水包内的水流为带自由面的薄层水流,因此,根据测量点处流经流体的深度、速度,靶片可能产生的挠度,应变计可能输出的应变值以及防水性要求等进行计算和设计,最终,得到如图2所示的应变式速度传感器结构。靶固定在靶杆固定座上,靶外面套有套筒,套筒与靶杆固定座过盈配合。靶上有矩形靶面A,以增加受力面积。

　　靶杆B宽度远窄于靶面,以增加变形和输出信号强度,其根部贴有2只应变计,应变计表面涂覆有防水胶,靶杆固定座的输出电缆线孔用防水胶密封。靶根部的应变计通过输出电缆线和电桥盒组成平衡的电桥,由于靶外面套有套筒,运动流体作用于矩形靶面,使靶产生弹性变形,使原来平衡的电桥变得不平衡,从而输出电压信号。该速度传感器响应灵敏,可用于测量非稳态速度。