模型試驗流速測量儀器的分析研究.docx

1、第18卷第3期水資源與水工程學(xué)報Vol.18No.32007年6月JournalofWaterResources&WaterEngineeringJun.,2007模型試驗流速測量儀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的流速測最傳感器和相關(guān)儀器，重點介紹了旋漿流速儀、電磁流速儀和超聲波流速儀.美流速測量,傳感器，旋漿流速儀，電磁流速儀；超聲波流速儀中圖分類號:TV149.3文獻標識碼：A文章虬號：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我國有著18000km多的海岸線，在世界沿海國家中，是海岸線較長的國家之一，我國又是一個大陸國家，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，平原河道河勢不穩(wěn)，沖淤變化劇烈，水流含沙量較大，許多實際工程與理論問題迫切需要進行物理模型試驗的專題研究，而流速測量是模型試驗最基本的測量要素之一，因此有必要進一步分析研究流速測量傳感器和儀器。流速測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速系統(tǒng)(PIV/PTV)c*-3畢托管流速儀是一種古典的測速儀器口,適宜測量穩(wěn)定流,且流速宜大于0.15m/s.使用時應(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量流速°土，測量時將傳感器置于流場中，流體使其冷卻，利用傳感器的瞬時熱損失來測出流場的瞬時速度。熱線流速儀對水質(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)體來測量水流速度的流速儀。幻。超聲波流速儀是利用超聲多普勒效應(yīng)曰回測量水流速度。激光流速儀是利用激光多普勒(Doppler)效應(yīng)測量水流速度序】，已在水工、河工、港工試驗研究中得到應(yīng)用。激光流速儀可以用于

6、氣體或透明液體速度的測量，測速范圍最高可超過1000m/s,最低巳達0.5mm/s量級，激光測速儀為非接觸式流速儀,不影響流速場分布，動態(tài)響應(yīng)快，測量精度高，近年來得到迅速發(fā)展，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，大部分用于基礎(chǔ)研究。粒子圖像測速系統(tǒng)的關(guān)鍵在于提取粒子的運動信息，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)計法等，到現(xiàn)在的空間相關(guān)法。軟件包括信號采集、設(shè)定灰度閾值、設(shè)定網(wǎng)格和邊界、示蹤點聚合、流線相關(guān)、錯誤向量修正、比尺標定和坐標變換等。粒子圖像測速系統(tǒng)測量時不破壞流場，可以在短時間內(nèi)測量大面積流速流向，具有較高的精度，因而近年來得到了廣泛的應(yīng)用，缺點是在大型的物理模型試

7、驗中該系統(tǒng)測量的流場為表面流收稿日期：2007-03-01,修稿日期：2007-03-19作者簡介：蔡守允(1951-),男(漢族)，江蘇南京人，教授級高工，碩士，主要從事測試儀器、傳感器和控制系統(tǒng)的研制。禁守允，等:模型試臉流速測量儀器的分析研究37場，測量過程中光度的變化以及粒子的隨水性等也會影響測量效果°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,旋漿反光面采用了先進的電鍍工藝，耐磨損信號強，新型的流速旋漿傳感器的起動流速、測速范圍、線性度、率定系數(shù)和均方差等指標均有較大的改進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)動時，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，轉(zhuǎn)換后的電脈沖信號經(jīng)放大整形，由計數(shù)器計數(shù)。通過計數(shù)器，記錄單位時間轉(zhuǎn)動次數(shù)，換算成流速值流速計算公式為：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)定的采樣時間,s：N為采樣時間內(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的電子技術(shù)、傳感技術(shù)和計算機硬、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、存儲器等，功能豐富,使用簡單方便，可作為單機獨立工作，也可通過本機上的通訊接口與計算機連接，由計算機控制和傳輸數(shù)據(jù)并進行數(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，流速測量范圍為1300cm/s,采樣時間為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年國家專利（專

10、利號：02286522.5）,2004年通過了水利部儀器測試中心檢測（水儀檢字2004107號），同年獲得了由國家技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督總局頒發(fā)的全國工業(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使用，可同步測量三個不同方

11、向的流速。電磁流速儀具有很好的頻率響應(yīng)特性，可用來測瞬變流速和流向，也可測往復(fù)流的流速和流向。由于電磁流速儀沒有任何轉(zhuǎn)動部分，可以不受水質(zhì)中的纖維雜質(zhì)或沙質(zhì)的影響，也可在渾水中測量，對流態(tài)的影響不大，其缺點是易受附近電磁場的干擾。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)用于水力及海洋實驗室的流速測量。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:-高精度測出三維流速:平均流和紊流；-不干擾流場：采樣點距探頭5cm或10cm；-測點可以離邊界非常近(mm量級)；-可用于極慢流速測量(mm/s量級)；無需標定；-所測數(shù)據(jù)包括聲學(xué)背散射強度，經(jīng)標定后可用來確定水體中懸沙濃度。設(shè)計制造聲學(xué)多普勒流速儀的還有美國Son-Tek公司，該類多普勒多通道流速儀是一種定型產(chǎn)品，已被美國陸軍工程兵團水道實驗室和國內(nèi)幾十家科研院所采用，其特點是精度高、無轉(zhuǎn)動部件，可用于極慢流速的測筮等。美國WoodsHole海洋研究所將ADV與激光流速儀(LDV)進

13、行了比較，結(jié)論是ADV測量平均流速和紊流(或雷諾應(yīng)力)的結(jié)果與LDV的管果吻合很好,對于有些素流參數(shù),ADV的測量結(jié)果比LDV的還要好。在價格上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)和計算機工業(yè)的迅猛發(fā)展，模型試驗流速測量傳感器和相關(guān)儀器將會不斷更新、不斷完善，進一步分析研究并開發(fā)一些性能更為優(yōu)良、自動化程度更高、使用更加便捷的傳感器和量測儀器尤為重要，這樣可以在模型試驗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測量與控制的精度和工作效率，有利于模型試驗研究成果質(zhì)量和科研水平的提高割】。參考文獻：1 李昌華，金德春.河工模型試驗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，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.水利工程模型試驗的壓強和總力測最系統(tǒng)J.水資源與水工程學(xué)報，2006,17(2)：3638.6 蔡守允，戴杰，張定安，等.大型模型試驗水沙循環(huán)調(diào)制設(shè)備及控制系統(tǒng)J.海洋工程,2006,24(2):118-1