光电式断面流速量测系统的研制.docx

1、第28卷水利水电技术1997年第9期成电式新面浇速量测条镜痢所剧苴座餐许裕民王兴奎了卜W，清华大学>加，成【摘要】光电式断面流速量测系统的研制课题是清华大学水电工程系结合“三峡坝区泥沙模型试验"科研项目进行的.研制的光电式断面流速量删系统电路设计合理，具有很好的稳定姓和重复性，可同时测量横断面上不同垂线流速,取得了良好成果.【关篷词】些芝.维f速量测系统研制、应用坷7裸型耳乾流速场量测是河工模型试验中的重如尽早进寿方案论证试验起了重要的作用目，而各点的流速流向则是流速场量测的基本参数，传统的流速场量测多采用单点流速仪顺序测出各点的流速，经平面坐标组合后得出流速场，这样的流速场量

2、测需要大量的人力和时间，且测出的流速场不是同一时刻的流速场,特别是在模型试验中存在非恒定回流或往复流的情况下采用这一方法测出的流速场已不能反映真实的情况-再一种常用的方法是在水面撒示踪纸花，拍照后判读示踪纸花的移动距离.根据拍照间隔时间求出流速场，但这一方法耗费很大，量测精度也很低.现代化的测量手段为模型试验的流速场测量提供了新的途径，在本文介绍的光电式断面流速量测系统中,测速探头将旋桨式流速仪的光电信号送给采样电路,再经光电隔离送到计算机中的开关量板,然后经过数据采集和处理软件便可迅速得到该断面的流速与此同时，用户可在程序运行情况下，置入采样时间,采样断面，采样点数及采样循环次数，这就为试验

3、人员提供了诸多的方便本课题的研究是结合清华大学水电工程系科研项目“三峡坝区泥沙模型试验”进行的，在模型试验的验证试验中量测了完整的流速场资料,为顺利完成三峡坝区泥沙模型的验证试验58本系统可用于大型水工模型和河工模型的流速场量测1采样电路的设计11流速量测系统对采样系统的要求流速量测系统对采样的要求为）多点流速同时测量且各点流速之间无信号串扰；（2）对被采样信号具有筛选能力；（3）对输入信号具有放大作用，以满足计算机采样的要求12电路特点基于测量系统对采样电路的要求，决定采用NE555时基电路作为本采样电路的中心元件，其主要特点为:<1）输入信号域值电压可调，（2）对脉冲信号可进行放大整

4、形；（3）具有一定的抗干扰能力.单路采样电路如图1所示，图中给出了单路采样电路的原理，用8路同样的电路构成一块印刷电路板,两块印刷电路板构成全部采样电路电路中死为输入电阻当调整它时可调整输入信号的幅度，死不宜过大，选得过大会使门坎电压过高，容易出现信号漏记但若死选得过小，干扰信号易被引入，氏为限流电阻，因为本测量系统要应用于超过100m长的模型，愈知现场信号是否传入该采样系统，在NE555输出极（3角）与+5V间串一发光二极管,来显示被采样信号;码为光电隔离器输入电阻侦4为光电隔离器输出电阻&调整GC2二者比例可改变输入脉冲宽度及幅度1-3采样电路的调试调试步骤:(1)调整人1使输入灵

5、敏度处于最佳状态,经试验调整成1选为100K最合适;(2)调整G、C2,改变输入信号脉冲宽度及幅度,脉冲过宽幅度下降，脉冲过窄时基电路难于分辨所以G选300P,C2选1000P；(3)调整&，发光二极管的限流电阻,当我2小于160a时,发光二极管过亮，当码大于240。时，发光二极管几乎不亮，所以R选为180fh(4)选&3=610。,码=12KC=001成，采样时各点波形如图2所示,从波形图可知，信号满足计算机的采样要求，高电平大于3V,低电平基本等于零.Q5VC5V（计）图1单路采样电路原理图2波形示意2流速仪的校验对于本测量系统.主妻传感器采用光电旋桨式流速仪，其原理是:在

6、旋桨上设置4个反射面.当使用时将光源打开照在旋桨上，旋桨转动时每经过一次反射面就产生一个脉冲并被接收电路接收,传感器传出的信号是否正确需要精确的率定.2.1率定条件在一个宽25cm,高30cm，长800cm的明槽中率定，水槽由稳水系统提供恒定的清水水流，流速范围l25Ocm/s,其大小可由改变水槽坡度而定-使用的标准测速仪器是清华大学研制、照相机械研究所生产的PLDV-激光测速仪，测速范围11200cm/s,空间分辨率30信噪比小于10信号采样率512点/次.2.2率定方法首先将旋桨流速仪移开激光仪删点,用激光流速仪测出标准流速V,至少采样两次,每次采样512次取平均，其相对误差1%左右,然后

7、再将旋桨式流速仪探头放至激光浏速仪删点上并立即用单点式流速仪读取旋桨转数X一直到读数稳定时，连续记10个数取平均，这样依次放三级流量.即三级流速，离散性太大的重新标定，因流速和转数为线性关系，可回归求出流速公式：V=AY+B式中y一流速；A比例系数；B截距.根据上述公式及率定数据利用线性回归的方法确定比例系数A和截距B两个参数，本系统采用QPR。软件绘制出各传感器的率定曲线及回归求出各参数以备试骚采用3稳压电源的研制对于一般的专用稳压电源来设，多数情况都是一个电源带一个较固定的负载但对于本系统的专有电源流速仪测抨光源的电源，则是较复杂的情况.由于本系统测量时最多需同时使用16根测杆所以电源最多

8、需带16个负载，但根据需要有时带1个负载，有时带2.359个负载不等经试验测定每个页载的电流约250mA左右，故电源的电流就从300-4800mA变化.如采用一个电源，当测杆数多于5根时，输出电压下降，且稳压块发热，其原因是输人电压偏低使LM317工作于下限，调整范围太小JCLM317工作范围是237V）.而原方案采用输人端5V,输出25V,结果稳压调整电压范围只有2.53V,稳压效果较差，这样就引出方案一、改进方案二及改进方案三其它方案均不赘述，在此只介绍最后选用的方案、将16根测速杆分成每4根一组，每组由1个独立的电源供电，这样用到哪路电源就可随时合上开关即可给相应的测杆供电，具体电路如图

9、3所示本电路的特点：（1）输出电压可调2）各组电源地线隔离（3）解决了稳压块的发热问题、图3流速仗电源原理4流速测量系统软件的编制4.1模型试验的要求根据三峡坝区泥沙模型试验的要求，设计的采样软件应具备以下功能：（1）实时显示被测断面的各点流速、采样时间、采样点数等参量;（2）实时显示断面流速分布；（3）提供方便地修改各采样参数的功能.（4）提供方便地打印断面流速的功能，（5）提供方便地中断运行功能4.2程序设计根据三峡坝区泥沙模型试验的要求，在同一时刻要测出某个横断面的流速，由此本系统在计算机中配备了一块双8位的开关量板，特点是可以直接接收数字信号,其中每一位对应一点流速,这样一个横断面可同时采集16点的流速，由程序设定取样时间，启动程序，将取样结果存入计算机的缓存区内，采样时间到，自动启动计算程序进行各点流速的处理、利用程序中设定的2*2】，22,2将对应位上的流速仪转数取出来，再送入相对应的流速公式中求出对应点的流速.画出断面流速分布图，从而完成一个断面流速的测量，依此将河道沿程各个断面的流速分布测出程序框图如图4所示图4程序框图5实际应用结果当仪器研制成功后，在三峡坝区泥沙模型试验中进行了实际测量，在横断面上布设812根测杆，由计算机控制同步采样，一次即可测出全断面的流速分布按顺序量测各个横断面