旋槳式流速傳感器、垂線流速分布傳感器和潛水型流速傳感器在工程中的應(yīng)用

旋槳式流速傳感器、垂線流速分布傳感器和潛水型流速傳感器在工程中的應(yīng)用

工程實(shí)驗(yàn)的測(cè)量流量存在不同的情況，不同的使用應(yīng)該使用不同的傳感器。隨著科學(xué)研究、電子科學(xué)的進(jìn)步，速度儀的使用變得方便、易用?，F(xiàn)有的通用速度傳感器可以滿足大多數(shù)場(chǎng)景的流量測(cè)量，但需要在特定場(chǎng)景中解決的流量測(cè)量問(wèn)題并不現(xiàn)實(shí)。在這項(xiàng)工作中，我們介紹了幾種特殊的速度傳感器，它們可以通過(guò)普通傳感器難以解決流量測(cè)量的問(wèn)題。1旋槳受力的簡(jiǎn)化微型旋槳式流速傳感器常見(jiàn)的形式是迎水面支架對(duì)旋槳軸線為近似對(duì)稱結(jié)構(gòu)如圖1.此類(lèi)傳感器在檢定水槽的均勻定常流條件下有足夠的準(zhǔn)確度.但將此條件下獲得的檢定方程式應(yīng)用于河工模型或河流中測(cè)量平均流速,常常由于其水流紊動(dòng)強(qiáng)度的差異而造成不可忽視的誤差.水文測(cè)驗(yàn)是用延長(zhǎng)測(cè)速歷時(shí)來(lái)減少水流速率脈動(dòng)造成的時(shí)均流速測(cè)量誤差,但此法對(duì)流向擺動(dòng)造成的誤差無(wú)效.因?yàn)榍罢呓普龖B(tài)分布,后者對(duì)上述類(lèi)型的傳感器是偏負(fù)的誤差.前蘇聯(lián)著名學(xué)者Γ.Β.熱列茲拿柯夫綜合了一些學(xué)者的論述指出:旋槳式流速儀在受脈動(dòng)影響時(shí)其平均流速測(cè)量讀數(shù)偏大,偏大的程度隨脈動(dòng)振幅增加而增加.在流向變化的作用下,旋槳式流速儀的讀數(shù)偏小.而且旋槳式流速儀讀數(shù)因流向擺動(dòng)影響而偏小的數(shù)值遠(yuǎn)大于因流速脈動(dòng)影響而偏大的數(shù)值.圖1所示傳感器的試驗(yàn)結(jié)果如圖2.顯而易見(jiàn)流向擺動(dòng)是造成旋槳式流速儀由于水流紊動(dòng)而產(chǎn)生的平均流速測(cè)量誤差中起決定作用的因素.本文的研究是通過(guò)變革旋槳的受力狀況來(lái)減小由于水流左右擺動(dòng)造成的平均流速測(cè)量誤差,因旋槳本身是不對(duì)稱的結(jié)構(gòu),作者將它的軸承架也做成對(duì)于旋槳轉(zhuǎn)軸上下不對(duì)稱的形式如圖3,利用槳葉在不同位置時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的差異使水流在左右擺動(dòng)的情況下(擺幅不超過(guò)±15度)造成的平均流速測(cè)量誤差相互抵償.為便于闡述,將旋槳的受力進(jìn)行簡(jiǎn)化,如圖4兩只槳處于一個(gè)特定的位置.由于軸承架A對(duì)水流的阻礙作用使作用于下邊一只槳葉的垂直于旋槳徑向的力Ld(舉力)較作用于上邊一只槳葉的垂直于旋槳徑向的力Lu小.即Lu>Ld或Ld=η0Lu,(1>η0>0,η0為θ=0度時(shí)的舉力比).根據(jù)短翼理論:Lu=Cd(ρ/4)V2Sin2βcosβLDLd=η0Lu=η0Cd(ρ/4)V2Sin2βcosβLDLu=Cd(ρ/4)V2Sin2βcosβLDLd=η0Lu=η0Cd(ρ/4)V2Sin2βcosβLD式中:Cd-系數(shù);ρ-水的密度;β-沖角;V-前方勻流速;L-旋槳軸向長(zhǎng)度;D-回轉(zhuǎn)直徑.為便于分析,假設(shè)兩個(gè)力的作用點(diǎn)距旋槳轉(zhuǎn)軸的距離均為D/4,則傳感器對(duì)正流向時(shí)旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為:MO=(1+η0)LuD/4=(1+η0)Cd(ρ/16)V2Sin2βcosβLD2ΜΟ=(1+η0)LuD/4=(1+η0)Cd(ρ/16)V2Sin2βcosβLD2流向偏左θ角時(shí)旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為:ML=Cd(ρ/16)V2LD2{Sin2(β+θ)cos(β+θ)+ηθSin2(β?θ)cos(β?θ)}ΜL=Cd(ρ/16)V2LD2{Sin2(β+θ)cos(β+θ)+ηθSin2(β-θ)cos(β-θ)}流向偏右θ角時(shí)旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為:MR=Cd(ρ/16)V2LD2{Sin2(β?θ)cos(β?θ)+ηθsin2(β+θ)cos(β+θ)}ΜR=Cd(ρ/16)V2LD2{Sin2(β-θ)cos(β-θ)+ηθsin2(β+θ)cos(β+θ)}流向偏左θ角時(shí)旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的增量為:△ML=ML?M0=Cd(ρ/16)V2LD2{[Sin2(β+θ)cos(β+θ)?sin2βcosβ]+[ηθsin2(β?θ)cos(β?θ)?η0sin2βcosβ]}(1)△ΜL=ΜL-Μ0=Cd(ρ/16)V2LD2{[Sin2(β+θ)cos(β+θ)-sin2βcosβ]+[ηθsin2(β-θ)cos(β-θ)-η0sin2βcosβ]}(1)流向偏右θ角時(shí)旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的增量為:△MR=MR?M0=Cd(ρ/16)V2LD2{[Sin2(β?θ)cos(β?θ)?sin2βcosβ]+[ηθsin2(β+θ)cos(β+θ)?η0sin2βcosβ]}(2)△ΜR=ΜR-Μ0=Cd(ρ/16)V2LD2{[Sin2(β-θ)cos(β-θ)-sin2βcosβ]+[ηθsin2(β+θ)cos(β+θ)-η0sin2βcosβ]}(2)當(dāng)θ角甚小(不超出±15度)時(shí)可以認(rèn)為ηθ≈η0,則由(1)、(2)式可推算出能滿足方程式△ML≈-△MR的η0和β值.上述闡明了傳感器的造型試驗(yàn)主要應(yīng)確定η0和α兩項(xiàng)因素(α=90°-β),式中α為旋槳的螺距角.圖3的傳感器造型是大量試驗(yàn)確定的.η0可以通過(guò)改變圖5中軸承架A的厚度b來(lái)調(diào)整.A的橫截面采用圖5的流線體形式.當(dāng)它的弦長(zhǎng)C為一定時(shí)(制成的傳感器C=5毫米,它受傳感器結(jié)構(gòu)尺寸的制約),b值越大,c/b越小,對(duì)水流的阻力越大,η0值越小.圖6和圖7分別表示置流速傳感器于檢定水槽鐘形管咀端部處改變其水平偏角模擬流向左右擺動(dòng)時(shí)不同的b值和α值對(duì)平均流速測(cè)量誤差的抵償情況。顯然各個(gè)試驗(yàn)方案均不同程度地具有抵償作用,但以b=1.5毫米和α=38度時(shí)為最佳.為了綜合考慮河工模型內(nèi)水流紊動(dòng)對(duì)平均流速測(cè)量讀數(shù)的影響,作者搜集了用兩種不同類(lèi)型的傳感器測(cè)算模型斷面流量的對(duì)比資料(見(jiàn)表1).表1中HD-4B型是作者研制的傳感器(如圖3),可見(jiàn)其測(cè)算所得斷面流量誤差較小,對(duì)上述模擬試驗(yàn)得出的結(jié)果是一次驗(yàn)證.為了進(jìn)一步驗(yàn)證克服水流紊動(dòng)傳感器在水流紊動(dòng)情況下測(cè)量平均流速的準(zhǔn)確性、可靠性和適用性.作者匯集了在變坡水槽和長(zhǎng)江小米灘航道等四個(gè)河渠模型試驗(yàn)中用本傳感器測(cè)算斷面的全部資料,現(xiàn)將其與各模型量水堰對(duì)比的誤差制成表2.表中相對(duì)累頻為75%的誤差小于3%,相對(duì)累頻為95%的誤差小于5%,符合河工模型試驗(yàn)要求.這是綜合誤差,其中:屬偶然誤差的有量水堰誤差(約±1%),傳感器非線性誤差(約±2%)和測(cè)量操作誤差等;屬偏于負(fù)值的誤差.有流量計(jì)算誤差(-0.7～-2.4%)和模型滲漏引起的誤差(-0.5%以下)等.以上誤差負(fù)值稍占優(yōu)勢(shì),從綜合誤差中除去這部分誤差即是水流紊動(dòng)引起的誤差.本傳感器在斷面形狀復(fù)雜的情況下也得到了成功的應(yīng)用(見(jiàn)表3).大量試驗(yàn)結(jié)果表明:目前應(yīng)用較廣的類(lèi)似圖1形式的傳感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)誤差較大,且多數(shù)為負(fù)值.而作者研制的克服水流紊動(dòng)的流速傳感器在長(zhǎng)期應(yīng)用中測(cè)量誤差甚小,進(jìn)一步證實(shí)了這種傳感器造型在減小水流紊動(dòng)誤差上的成功.下述中的幾種流速傳感器都是在此基礎(chǔ)上研制的.2旋槳式流速傳感器目前野外使用的旋槳式流速傳感器體積和質(zhì)量較大維護(hù)較復(fù)雜,慣性和摩阻力大,價(jià)格高維護(hù)較難.渠道、湖泊測(cè)流用戶要求研制價(jià)廉、維護(hù)、維修簡(jiǎn)便的流速傳感器,為此作者研制了回轉(zhuǎn)直徑為10毫米和14毫米的旋槳式流速傳感器,前者測(cè)量范圍為0.05～3米/秒,后者測(cè)量范圍為0.01～1.5米/秒,配用Φ16×1600測(cè)桿,由于采用剛玉軸承代替滾珠式軸承,使其結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,并提高了量測(cè)低流速的性能,率定公式均方差≤1%(100只傳感器的統(tǒng)計(jì)資料),售價(jià)也僅為原來(lái)傳感器的1/3,極大地方便了渠道、湖泊測(cè)流.3垂線流速分布傳感器泥沙起動(dòng)流速試驗(yàn),需要在一條測(cè)量垂線上同時(shí)檢測(cè)0.2h,06h,0.8h的流速值(h為水深),以獲取其平均值,用一般的單槳流速傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)其同步測(cè)量.又如水位快速漲落的情況下要捕捉測(cè)量垂線上0.6h處的流速也使試驗(yàn)工作者感到棘手.為此作者研制了垂線流速分布傳感器,在一根測(cè)桿上可裝1-8只位置可調(diào)的微型旋槳,配合YZ-6型流速水位集散量測(cè)系統(tǒng),上述難題即迎刃而解.此外,有了上述設(shè)備,在水力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中可以方便地在屏幕上演示垂線流速分布圖.4模型試驗(yàn)結(jié)果分析八十年代以來(lái),無(wú)線自航船模研究進(jìn)入河流通航模型試驗(yàn),對(duì)客觀形象地反映通船模型試驗(yàn)的效果起到了較好的作用.為了測(cè)量船模