流速儀的重復(fù)性和對(duì)斜流的響應(yīng)特性.docx

1、而漆雙,宰燈¥，明初,刊郵猝勞第1】卷總第42期1994年第1期第1】卷總第42期1994年第1期水文科技信息S3;摘要/彩W”/流速儀的重復(fù)性和對(duì)斜流的響應(yīng)特性J.M.福佛德,KG.塞珀德克斯和W.R.葛爾立度這里提出了有關(guān)各種機(jī)械流速儀的精度實(shí)驗(yàn)研究情況。這次實(shí)驗(yàn)是針對(duì)用于明渠卸河道中總流速測(cè)量的水平軸向和垂直軸向疣速儀進(jìn)行的“測(cè)試內(nèi)容是流速儀的重復(fù)性能及其對(duì)斜流的響應(yīng)。實(shí)檢發(fā)現(xiàn)水平軸向和垂直軸向流速儀兩者都記錄到偏大或偏小的斜流流速，其誤差大體上隨流速和夾角的增加而增大。對(duì)干斜流試我，水平軸向流速儀的誤差幅度為最小。測(cè)試認(rèn)為所有流速儀的重復(fù)性是好的，無(wú)論是水平軸向成垂直軸向流速

2、儀，其演示都類(lèi)同。介紹機(jī)械流速儀通過(guò)垂直軸或水平軸將線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為角轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)測(cè)量流速。許多研究人員(塞珀德克斯，1992)已經(jīng)開(kāi)展了流速儀精度的研究工作。而作為河道測(cè)量?jī)x器，水平軸向和垂直軸向流速儀兩者間究竟哪一種更好的問(wèn)題仍在爭(zhēng)論之中.絕大部分這類(lèi)研究成果在1960年以前都已發(fā)表。亞勒爾(Yarnell)和納格爾(Nagler)(1931)關(guān)于流速儀的研究可能引用最多，其中包括了流速儀對(duì)斜流的響應(yīng)的測(cè)試結(jié)果.亞勒爾和納格爾測(cè)試過(guò)的流速儀已經(jīng)在隨后幾年里作了修正.這篇論文提出了目前在世界各地河流水文站上使用的機(jī)械流速儀的最新測(cè)試成果。測(cè)試設(shè)備和測(cè)試的流速儀的說(shuō)明所有的測(cè)試都是在設(shè)在密西西比州斯頓

3、里斯(Stennis)空間中心美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的淹沒(méi)射流水槽上進(jìn)行的。該射流水槽有120英尺長(zhǎng)，斷面面積為12X12平方英尺，能提供穩(wěn)定的動(dòng)水流速，其流速范圍可從每秒0.25到10英尺變化。流速大小是通過(guò)計(jì)時(shí)測(cè)量水體容積和射流噴嘴面積來(lái)計(jì)算的。流速僅每秒旋轉(zhuǎn)的角速度(轉(zhuǎn)/秒,rev/sec)是通過(guò)使用電子計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)算轉(zhuǎn)數(shù)及時(shí)間來(lái)決定的。這里提出了針對(duì)五種垂直軸向流速儀和七種水平軸向流速儀的成果。這五種垂直軸向流速儀均是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的波萊氏(Price)流速儀，即旋杯AA型、光學(xué)旋杯AA型、小旋杯型、冬季旋杯AA型和帶聚合物轉(zhuǎn)頭的冬季旋杯AA型。七種水平軸向流速儀是奧特(Ott)C-31金屬旋

4、漿型、塑料旋漿型、A旋漿型和R旋漿型流速儀，威利波特(Valeport)BFM001型流速儀和中華人民共和國(guó)制造的LS253A金屬旋漿型和塑料旋漿型流速儀。垂直軸向流速儀有六個(gè)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的錐形杯。AA型流速儀的轉(zhuǎn)子的高度為2英寸、直徑5英寸。小旋杯型流速儀的大小為AA型流速儀的五分之二。所有旋杯流速儀除使用較小光學(xué)開(kāi)關(guān)的光學(xué)旋杯流速儀外，都采用機(jī)械接觸式開(kāi)關(guān)。冬季同儀裝上了修改過(guò)的AA型支架，以利方便地在冰下使用。AA型金屬轉(zhuǎn)子為開(kāi)口的轉(zhuǎn)杯。聚合物轉(zhuǎn)頭是由同AA型金屬轉(zhuǎn)子相同尺寸的實(shí)心杯組成水平軸向流速儀使用繞水平軸旋轉(zhuǎn)的螺旋型漿。中國(guó)的流速儀和奧特流速儀有一個(gè)相類(lèi)似的需用油潤(rùn)滑的球形軸承和裝配

5、支架。兩種奧特旋漿(A型和R型)設(shè)計(jì)用于精確測(cè)量斜流的余弦分量。經(jīng)過(guò)測(cè)試的水平軸向流速儀的其他特征值列于表1中.洋文流速儀的重復(fù)性和對(duì)斜渣的響應(yīng)特性表1水平輪向渣速儀的特征（mm,毫米;m,米）一詆霆儀r_V"奧符C一31，標(biāo)度5!直&lZ5mn）,lB距0.25n）.銅臭待C3L.fi!料型直徑125nan.«£0.25m,fll>4臭符C一3】，A成直徑Wej螺距0.I25m.«ft|-31,R3直徑100mm.HI距0.25mM或病我待BFM0O1型食徑125mm,尊距O.27m,ffl料中國(guó)LS253A,金蜃直徑120mm,媒距。.

6、20m.鋁中國(guó)LS25-3A,ffl料51120mm,0.20m.復(fù)性試驗(yàn)重復(fù)性試驗(yàn)是關(guān)于深速儀精度的測(cè)試方法和檢驗(yàn)演速儀測(cè)速具有重復(fù)性或一致性的程度。每嗇流速儀在每秒0.25,0.8,1.5,5和8英尺五個(gè)流速級(jí)中的每一級(jí)分別作了十次試驗(yàn).流速儀安放在直指噴流中心部位的水流中。五個(gè)流速級(jí)中每一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)差都作了計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)趨的百分?jǐn)?shù)為標(biāo)準(zhǔn)差除以噴流流速再乘以10J圖1是標(biāo)準(zhǔn)差的百分?jǐn)?shù)與相應(yīng)于噴流流速點(diǎn)繪而成的曲線(xiàn)圖。對(duì)所有流速儀而言，標(biāo)準(zhǔn)差的百分?jǐn)?shù)均隨著流速的增加而減小.垂直軸向流速儀比水平軸向流速儀具有更為一致的響應(yīng)。對(duì)所有測(cè)試的流速，垂直軸向流速儀在標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)小于0.5%內(nèi)具有重復(fù)性小旋杯

7、值速儀的標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)在垂直軸向流速儀中為最大水平軸向流速儀對(duì)大多數(shù)旅速而言，在標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)小于1%內(nèi)具有重復(fù)性.在最低一級(jí)的測(cè)試值速中（0.25英尺/秒），臭特A型、R型和成利波待流速儀的標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)從1.2%到1.3%之間變化。在水平軸向流速儀中，中國(guó)制造的流速儀和奧待瑕料旋漿流速儀的標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)最小。重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)是通過(guò)一條線(xiàn)性回歸直線(xiàn)來(lái)擬合的，以便確定他們的線(xiàn)性響應(yīng)。每-部?jī)x器作了總共50次重復(fù)性測(cè)試,其測(cè)試值與測(cè)得的噴流流速進(jìn)行回歸.所計(jì)算的回歸系數(shù)和均方根誤差RMS）按各對(duì)應(yīng)的流速儀排列在表2中總之，不論水平軸向流速儀或垂直軸向流速儀，都有類(lèi)似的均方根誤差范圍，因此具有相近的線(xiàn)性響應(yīng)

8、在流速儀的測(cè)試中，中國(guó)制造的兩部流速儀和光學(xué)旋杯AA型流速儀具有最小的均方根誤裁.奧特A型旋漿流速儀的均方根誤差最大。所有儀器都有較好的線(xiàn)性響應(yīng)（較小的均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)）.斜渣響應(yīng)測(cè)試斜流響應(yīng)測(cè)試是檢測(cè)一部流速儀是否具有精碉測(cè)量水流的正確矢分量.這個(gè)測(cè)試也稱(chēng)作余弦響應(yīng)測(cè)試因?yàn)橐徊坷硐氲牧魉賰x將記錄有夾角水源的余弦分或。每部?jī)x器都在每秒0.25,0.8.1.5,5和8英尺的流速下以及流速角度以10°增量從90。到一90。變化的情況下進(jìn)行了測(cè)試。正角度的水流被導(dǎo)向正對(duì)著垂直軸向值速儀或?qū)λ捷S向流速儀從中心到右邊。在每個(gè)流速和夾角的組合中，對(duì)每部?jī)x器測(cè)試兩次流速。由于只有流速儀而

9、不是實(shí)際水流速可以帶夾角，在測(cè)試垂直軸向流速儀對(duì)水流垂直夾角的響應(yīng)時(shí)，它被安放成軸與重力方向相互垂直.所有類(lèi)型的流速儀的百分?jǐn)?shù)誤差可按下式計(jì)算，即100XCrevs/sec.4-（cosaXrevs/seco）-1）式中下標(biāo)a代海水流的夾角。代表直流。垂直軸向流速儀對(duì)水流垂直和水平夾角的響應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行測(cè)試.由于篇幅所限，這里顯示的只有垂直夾角測(cè)試的結(jié)果.在野外使用瘋速儀時(shí)，由于垂直夾角水流的影響，水文站不能對(duì)誤差進(jìn)行改正.第11卷總第42期1994年第1期水文科技信息XTKlfaa一Kiff<a0-0小宓環(huán)波逮儀-多傳頭冬季旋懷AA型俊速怯0-0金M轉(zhuǎn)頭冬#堂杯A入主泡速儀0031型h爽其

10、浪遺以“r31a1*zx31.A»fl中M1325-3A/金屆或利彼轉(zhuǎn)BFMHVISM2<X中國(guó)LS25-3A.a料單史特c-31/金atffi1對(duì)（A）垂直軸向流速儀和）水平軸向流速儀用流速計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)差百分敬譯文渡速儀的重復(fù)性和對(duì)斜流的響應(yīng)特性«2重性資料的均方根誤菱和回歸系數(shù)流逑儀均方根溟差傾斜度截距仙的類(lèi)戛光學(xué)艦杯AAaQ.01722.211-O.Q14蜒杯AA員0.03502.2630.019垂直冬季淀杯AAS/金屬0.0204Z.294-0.no4垂直冬季旋杯AA頁(yè)/聚合物轉(zhuǎn)于0.05632.5920.056垂直微型柜杯型0.05361.051-0.055垂

11、直中國(guó)LS25-3A7金新0.U1860.6S40.009水平中國(guó)LS253A/型科0.01730.6530.002水平成利波待BFM0O10.(KO50.87。-0.002水平熨特C-3”金屬0.05070.8400.087水平奧特C-31/塑料0.04500.8350.0U7水平真特C-3UR盹漿U.O46D0.8230.。76水平虞持C-31/AML集0.06560.4210.127水平垂直軸向和水平軸向流速儀兩者對(duì)流速記錄偏小或偏大取決于水流的夾角和流速大小。在圖2中顯示的是五個(gè)測(cè)試流速平均百分?jǐn)?shù)誤差和對(duì)應(yīng)夾免點(diǎn)繪的曲線(xiàn)圖。大多數(shù)垂直軸向流速儀對(duì)水流速正偉度產(chǎn)生記錄偏大的現(xiàn)象，而對(duì)水流

12、速負(fù)角度在一40°到0°之間則記錄偏小,冬季聚合物轉(zhuǎn)頭旋杯AA型流速儀對(duì)測(cè)試的所有夾角都記錄偏小。除奧特A型和R型轉(zhuǎn)子流速儀外,水平軸向流速儀對(duì)大多數(shù)夾角表現(xiàn)出記錄偏小的趨向。當(dāng)水流夾角大于70。時(shí)，所有水平軸向流速儀都不能正常操作。在夾角對(duì)±】0°之間時(shí)，測(cè)試垂直軸向流速儀的誤差變化，光學(xué)旋杯AA型流速儀為一3.30%到一0.17%,小旋杯型流速儀則為一7.87%到8.92%t測(cè)試水平軸向流速儀的變化，奧特塑料旋漿流速儀為0.58%到0.91%,中國(guó)的LS253A型塑料旋漿流速儀為一2.02%到一3.77%在夾角為士30°時(shí)，垂直軸向流速儀的

13、誤差變化，冬季旋杯AA型金屬轉(zhuǎn)子流速儀為一6.71%到1.01%,冬季旋杯AA型聚合物轉(zhuǎn)子流速儀則為一31.83%到一33.97%。測(cè)試水平軸向流速儀誤差變化.奧特C一31A型轉(zhuǎn)子流速儀為一0.68%到2.95%。中國(guó)的塑料旋漿流速儀則為一12.87%到一13.19%。除了測(cè)試的最低流速外，因斜流產(chǎn)生的誤差隨流速增加而少量增加。在測(cè)試的最低流速點(diǎn)的誤差大于或差不多等于澳試的最高流速處發(fā)現(xiàn)的誤爰。圖3是百分?jǐn)?shù)誤差和相對(duì)應(yīng)于10°和30。噴流流速所點(diǎn)繪的曲線(xiàn)。由于水平軸向流速儀在斜流中低流速區(qū)不能正常操作，對(duì)每秒0.25英尺流速所測(cè)試的結(jié)果便從點(diǎn)繪的曲線(xiàn)中刪去了。兩蛆流速儀在較大水流夾角

14、時(shí)都有較大。60（A）.注林40匚】一I?小靛杯流速儀20一光學(xué)艘杯AA型流速儀旋杯AA3A速儀°多轉(zhuǎn)頭冬季艘杯AA型流速儀_2。0-0金屬轉(zhuǎn)頭冬季旋杯AA型流速儀-40-M-6O-4O-2O020608C第11卷總第42期1994年第1期水文科技信息（B）、注#0-0一Q、Q奧特C-31型R典柴流速僅奧待C-31型A烷槳流速儀威利族待BFM001流速儀中國(guó)LS25-3AS金舄槃流速儀中國(guó)LS25-3Aaa«W«iJt»儀奧持C-31鬼金屬黃某流面儀奧特C-3】型塑料旋槳流速儀圖2(A蚤直軸向流速儀和(B)水平軸向流速儀對(duì)斜流的平均響應(yīng)(A)、注#0-0

15、小旋杯流速儀光學(xué)旋杯AA型渲速儀旋杯AAJfi流速儀聚合物轉(zhuǎn)于頭冬季魔杯AA型流速僅-金屬精于冬季就杯AA型底速僅B)、注釋0-0一口、口奧待C-31受R地漿流速儀奧待C-3liflA旋漿渲速儀成利波BFM001型詭速儀中國(guó)LS25-3A蜃金屬度漿底速僅中國(guó)LS2S-3A型0料康紫流速儀奧待C-31型金一曜紫潦建儀奧待C-31型曜料翼漿流速儀圖3(A垂直軸向謙速儀和(B)水平輸向流速仗對(duì)10。和30。斜流的響應(yīng)誤差.裝配有A型和R型轉(zhuǎn)子部件的奧特流速儀因斜流引起的誤差為最小.而小旋杯流速儀和冬季聚合物轉(zhuǎn)子流速儀的誤差最大結(jié)論七種水平軸向流速儀和五種垂直軸向流速儀的線(xiàn)性響應(yīng)、重復(fù)性和對(duì)斜流的響應(yīng)已經(jīng)過(guò)測(cè)試.所測(cè)試的水平軸向和垂直軸向流速儀都有較好的重復(fù)性(均方根誤差小)和相