模型試驗(yàn)流速測(cè)量?jī)x器的分析研究.docx

1、第18卷第3期水資源與水工程學(xué)報(bào)Vol.18No.32007年6月JournalofWaterResources&WaterEngineeringJun.,2007模型試驗(yàn)流速測(cè)量?jī)x器的分析研究蔡守允I楊大明之，朱其俊'(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029,2.江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212003)摘X：分析研究了用于模型試驗(yàn)的流速測(cè)最傳感器和相關(guān)儀器，重點(diǎn)介紹了旋漿流速儀、電磁流速儀和超聲波流速儀.美流速測(cè)量,傳感器，旋漿流速儀，電磁流速儀；超聲波流速儀中圖分類號(hào):TV149.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章虬號(hào)：1672-643X(2007)03-0036-03Studyofv

2、elocityinstrumentsbythemodeltestCAIShou-yun11YANGDa-mingz,ZHUQi-jun1(1.NanjingHydraulicResearchInstitute«Nanjing»Jiangsu210029,China»2.JiangsuScientificandTechnicalUniversityZhenjiangtJiangsu212003*China)Abstract:Thispaperintroducesthestudyoftestingvelocityinstrumentsbythemodeltest,ma

3、jorpresentsthepropellercurrentmeter,electricmagneticvelocitymeterandtheultrasonicvelocitymeter.Keywords:measuringvelocity；sensor；thepropellercurrentmeter；theelectricmagneticflowmeter；ultrasonicdopplervelocitymeter我國(guó)有著18000km多的海岸線，在世界沿海國(guó)家中，是海岸線較長(zhǎng)的國(guó)家之一，我國(guó)又是一個(gè)大陸國(guó)家，幅員遼闊，河流眾多，大多數(shù)河流因種種原因尚缺乏完全徹底的治理，山區(qū)河流水情復(fù)

4、雜，平原河道河勢(shì)不穩(wěn)，沖淤變化劇烈，水流含沙量較大，許多實(shí)際工程與理論問題迫切需要進(jìn)行物理模型試驗(yàn)的專題研究，而流速測(cè)量是模型試驗(yàn)最基本的測(cè)量要素之一，因此有必要進(jìn)一步分析研究流速測(cè)量傳感器和儀器。流速測(cè)量方法可分為接觸式和非接觸式，接觸式有畢托管流速儀、旋漿流速儀、熱線流速儀、電磁流速儀和超聲波流速儀等，非接觸式有激光流速儀和粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)(PIV/PTV)c*-3畢托管流速儀是一種古典的測(cè)速儀器口,適宜測(cè)量穩(wěn)定流,且流速宜大于0.15m/s.使用時(shí)應(yīng)在靜水中檢查兩管的水壓差為零，排除管內(nèi)空氣，保證管口正對(duì)水流方向，使用過程中，畢托管切勿露出水面，防止漏氣，影響測(cè)量結(jié)果。旋漿流速儀按傳感器

5、的結(jié)構(gòu)分為電阻式、電感式和光電式三種，目前采用較多的是光電式旋漿流速儀和旋漿式流速流向儀。熱線流速儀的工作原理是利用熱電阻傳感器的熱損失來測(cè)量流速°土，測(cè)量時(shí)將傳感器置于流場(chǎng)中，流體使其冷卻，利用傳感器的瞬時(shí)熱損失來測(cè)出流場(chǎng)的瞬時(shí)速度。熱線流速儀對(duì)水質(zhì)有較高的要求，必須清潔無雜質(zhì)，否則由于雜質(zhì)沉淀在傳感器表面,改變了熱耗散率,將造成誤差。電磁流速儀是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律，把水作為導(dǎo)體來測(cè)量水流速度的流速儀?；?。超聲波流速儀是利用超聲多普勒效應(yīng)曰回測(cè)量水流速度。激光流速儀是利用激光多普勒(Doppler)效應(yīng)測(cè)量水流速度序】，已在水工、河工、港工試驗(yàn)研究中得到應(yīng)用。激光流速儀可以用于

6、氣體或透明液體速度的測(cè)量，測(cè)速范圍最高可超過1000m/s,最低巳達(dá)0.5mm/s量級(jí)，激光測(cè)速儀為非接觸式流速儀,不影響流速場(chǎng)分布，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，測(cè)量精度高，近年來得到迅速發(fā)展，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，大部分用于基礎(chǔ)研究。粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)的關(guān)鍵在于提取粒子的運(yùn)動(dòng)信息，如從早期的傅立葉變換法、直接空間相關(guān)法和粒子像間距離概率統(tǒng)計(jì)法等，到現(xiàn)在的空間相關(guān)法。軟件包括信號(hào)采集、設(shè)定灰度閾值、設(shè)定網(wǎng)格和邊界、示蹤點(diǎn)聚合、流線相關(guān)、錯(cuò)誤向量修正、比尺標(biāo)定和坐標(biāo)變換等。粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量時(shí)不破壞流場(chǎng)，可以在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量大面積流速流向，具有較高的精度，因而近年來得到了廣泛的應(yīng)用，缺點(diǎn)是在大型的物理模型試

7、驗(yàn)中該系統(tǒng)測(cè)量的流場(chǎng)為表面流收稿日期：2007-03-01,修稿日期：2007-03-19作者簡(jiǎn)介：蔡守允(1951-),男(漢族)，江蘇南京人，教授級(jí)高工，碩士，主要從事測(cè)試儀器、傳感器和控制系統(tǒng)的研制。禁守允，等:模型試臉流速測(cè)量?jī)x器的分析研究37場(chǎng)，測(cè)量過程中光度的變化以及粒子的隨水性等也會(huì)影響測(cè)量效果°七1光電式旋漿流速儀旋漿葉輪是光電式傳感器的關(guān)鍵部件,旋漿葉輪的材料、螺旋角、直徑、螺距與起動(dòng)流速、率定關(guān)系式、均方差等均有直接影響。南京水利科學(xué)研究院近年來研制成功了一種新型的流速旋漿傳感器和LGY-I型多功能智能流速儀（如圖1所示），旋漿葉輪直徑分別為12mm和15mm（可

8、以適用于不同的水深和不同的流速），葉輪的螺旋角和螺距也做了改進(jìn),旋漿反光面采用了先進(jìn)的電鍍工藝，耐磨損信號(hào)強(qiáng)，新型的流速旋漿傳感器的起動(dòng)流速、測(cè)速范圍、線性度、率定系數(shù)和均方差等指標(biāo)均有較大的改進(jìn)和提高光電式旋漿流速儀的工作原理是，旋漿葉片邊緣上電鍍了反光鏡片，傳感器上端安裝一發(fā)光源，經(jīng)光導(dǎo)纖維傳至旋漿處，旋漿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光鏡片產(chǎn)生反射光，經(jīng)另一組導(dǎo)光纖維傳送至光敏三極管，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電脈沖信號(hào)經(jīng)放大整形，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。通過計(jì)數(shù)器，記錄單位時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，換算成流速值流速計(jì)算公式為：V=AKN/T+C）（1）式中：A為流速比尺3U為流速,cm/sjK為傳感器率定系數(shù)；C為傳感器率定系

9、數(shù)；T為設(shè)定的采樣時(shí)間,s：N為采樣時(shí)間內(nèi)的傳感器旋漿轉(zhuǎn)數(shù)。圖1流速旋漿傳感器和LGY-I型多功能智能流速儀圖2LGY-I型多功能智能流速儀工作原理LGY-H型多功能智能流速儀是采用先進(jìn)的電子技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬、軟件技術(shù)，最新研制成功的一種多功能智能流速儀，內(nèi)置CPU微處理器、存儲(chǔ)器等，功能豐富,使用簡(jiǎn)單方便，可作為單機(jī)獨(dú)立工作，也可通過本機(jī)上的通訊接口與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)控制和傳輸數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。LGY-I型多功能智能流速儀可配套8根流速旋漿傳感器，流速測(cè)量范圍為1300cm/s,采樣時(shí)間為199s任選，工作原理圖如圖2所示。LGYI型多功能智能流速儀均已獲2004年國(guó)家專利（專

10、利號(hào)：02286522.5）,2004年通過了水利部?jī)x器測(cè)試中心檢測(cè)（水儀檢字2004107號(hào)），同年獲得了由國(guó)家技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督總局頒發(fā)的全國(guó)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)許可證（XK34-23230006）。2電磁流速儀電磁流速儀是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律，把水作為導(dǎo)體來測(cè)量水流速度的流速儀。日本KENEKCORPORATION公司制造的VM801HA型電磁流速儀和傳感器如圖3所示。其中帶彎的傳感器（VMT2-200-06PL）用于測(cè)量垂直方向流速和流向（X-Z方向流速和流向），直的傳感器（VMT2-200-06P）用于測(cè)量水平方向流速和流向（X-Y方向流速和流向），兩套傳感器和儀器同時(shí)使用，可同步測(cè)量三個(gè)不同方

11、向的流速。電磁流速儀具有很好的頻率響應(yīng)特性，可用來測(cè)瞬變流速和流向，也可測(cè)往復(fù)流的流速和流向。由于電磁流速儀沒有任何轉(zhuǎn)動(dòng)部分，可以不受水質(zhì)中的纖維雜質(zhì)或沙質(zhì)的影響，也可在渾水中測(cè)量，對(duì)流態(tài)的影響不大，其缺點(diǎn)是易受附近電磁場(chǎng)的干擾。3超聲波流速儀應(yīng)用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)做成超聲發(fā)射探頭，向水中發(fā)射超聲波，利用壓電晶體的壓電效應(yīng)制作接收探頭，接收水中微粒散射回來的超聲波，利用超聲多普勒效應(yīng)測(cè)員水流速度的儀器就是超聲波流速儀。挪威NorTek水文儀器公司設(shè)計(jì)制造的ADV（AcousticDopplerVelocimeter）聲學(xué)多普勒流速儀現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水力及海洋實(shí)驗(yàn)室的流速測(cè)量。ADV聲學(xué)多普勒流

12、速儀探頭如圖4所示。38水資源與水工程學(xué)報(bào)2007年圖3電磁流速儀和傳感器ADV聲學(xué)多普勒流速儀有如下特點(diǎn):-高精度測(cè)出三維流速:平均流和紊流；-不干擾流場(chǎng)：采樣點(diǎn)距探頭5cm或10cm；-測(cè)點(diǎn)可以離邊界非常近(mm量級(jí))；-可用于極慢流速測(cè)量(mm/s量級(jí))；無需標(biāo)定；-所測(cè)數(shù)據(jù)包括聲學(xué)背散射強(qiáng)度，經(jīng)標(biāo)定后可用來確定水體中懸沙濃度。設(shè)計(jì)制造聲學(xué)多普勒流速儀的還有美國(guó)Son-Tek公司，該類多普勒多通道流速儀是一種定型產(chǎn)品，已被美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水道實(shí)驗(yàn)室和國(guó)內(nèi)幾十家科研院所采用，其特點(diǎn)是精度高、無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，可用于極慢流速的測(cè)筮等。美國(guó)WoodsHole海洋研究所將ADV與激光流速儀(LDV)進(jìn)

13、行了比較，結(jié)論是ADV測(cè)量平均流速和紊流(或雷諾應(yīng)力)的結(jié)果與LDV的管果吻合很好,對(duì)于有些素流參數(shù),ADV的測(cè)量結(jié)果比LDV的還要好。在價(jià)格上ADV通常比LDV低1020倍。4結(jié)語隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、傳感技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)工業(yè)的迅猛發(fā)展，模型試驗(yàn)流速測(cè)量傳感器和相關(guān)儀器將會(huì)不斷更新、不斷完善，進(jìn)一步分析研究并開發(fā)一些性能更為優(yōu)良、自動(dòng)化程度更高、使用更加便捷的傳感器和量測(cè)儀器尤為重要，這樣可以在模型試驗(yàn)中得到更為廣泛的推廣與應(yīng)用，提高模型試圖4ADV聲學(xué)多普勒流速儀探頭驗(yàn)測(cè)量與控制的精度和工作效率，有利于模型試驗(yàn)研究成果質(zhì)量和科研水平的提高割】。參考文獻(xiàn)：1 李昌華，金德春.河工模型試驗(yàn)M

14、.北京：人民交通出版社,1981.12.2 蔡守允，周益人，謝瑞，等.河流海岸模型測(cè)試技術(shù)M.北京：海洋出版社，2004.11.3 CaiShouyun.MeasurementTechnologyoftheSedimentationModelTestintheThreeGorgesProject(AtDamSite)C.In；CHESandIAHReds.ProceedingsoftheFirstInternationalsymposiumonHydraulicMeasurement*Beijing,1994.4 蔡守允，謝瑞，韓世進(jìn)，等.多功能智能流速儀J.海洋工程，2004,22(2):83-86.5 蔡守允，戴杰，張定安，等.水利工程模型試驗(yàn)的壓強(qiáng)和總力測(cè)最系統(tǒng)J.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2006,17(2)：3638.6 蔡守允，戴杰，張定安，等.大型模型試驗(yàn)水沙循環(huán)調(diào)制設(shè)備及控制系統(tǒng)J.海洋工程,2006,24(2):118-1