LCL—1型强潮流流速测录仪.docx

1、LCL1型强潮流流速测录仪南京水利水文自动化研究所杨汉塘LCL1型强潮流流速测录仪.是专为海浮能源开发利用，收集近海强潮流而设计的一种新仅耳这种仪春的传感部分是机械式神子流速仪；记录部分为并志R4Af半导体存储容.鬟于仅露的尾柱孔中.仪M整机外形很，卜，并设计成流线体，具有很好的流体动力性能.适用于浮标测流系统中，时强潮流流速进行长期测录.同时它也可在潜标测流系魅中，成串地悬挂.以供分屡监测海流.采集的数据可在水上用单片机打印旺示.LCL1型仪春有）.H两种型号.A型支承部分采用仪表At输承，B型为已四鼠乙坊壑料轴承.仪S澜量范图：0.04-6m/st检定公式全线均才Xm<±1

2、.0%.仪S可连绩工作乃天（根据妙妄可指加）.本丈着重介绍流速仪传感部分.按仪葬工作原理，本机可分为感应部分，支承系比、轴承密封*JL,发仲机枚，悬挂及尾蛇等部分，现分述如下.一、感应部分在海洋水文浏验中，除了使用传统的美桨和魂叶式流速仪外."30年美国斯克里普斯海浑研究所的八MSnodgrass应用炉沃如斯（S/S3。油AT）特于作波速仪的传感进行了试验，从此引起了海泮界极大的关it.明后又时讯特子进行了大量的试庭研充工作，并进行了许多改进.目前这种转子似乎已成为诲浮水丈测酸中流速测量的主妥传感容.但它是否适合于强潮流测量,在设计逸型时是南卖认真研完的.从现有的试睑成果来看，S型特

3、于用于深海低速的长期自记是比统理想的.其最低速度通常为0.05节，景.低可达0.01节（0.3151/%美国斯犀里普斯海浑研完所研制）.然而，在枝高速度（如3节以上）测量时，波体，且力增加，转子的韩帖产生俯料，将机起枝大的测量误差；同时支承转子的轴尖也将遭受强欢的唐握,更重妥的是在素动流场+»S形林子的流体动力特性不太理想，如其对流的全向灶及动力响应等.1. 仪器倾斜对转于输出的影响当仪春做料其轴向与水流成某一角度0时，韩于感受的为流速的法线分量，故特速变慢，也即仪暮原检定公式系数K。但发生了变化，再沿用原公式将产生不允许的误JL,菖进行修正.、其关系式为：KKe为为月手。时的K值人

4、在理论上可用以下简单关系式表示：K°/K,=COS8（1）图10篇（以兹度哀示）与?及*%的关系理论f余弦关系/曲线与实验结果如图1所示.图/是苏联rJS,)Kejie3HJiKoe和美因Roy-D-Goul分别用LAGU型W某流速仪和CS-6型萨沃知斯捋子海流计在检定水槽中进行的拖曳试验资料.VAGU型仪君安装角上仰知和下俯A.各每焦5°,艮大为55°车速为0.024-1.938m/$；CS-6型仪器以8跃%各为10。、15。、20°角安装，车速为0.37m/$试睑衰明，在仪器但斜角(5")很小时，试殴曲级才基本上符合命技定理(1),心B角的

5、增加，俗差AK增大，其位可由下式求得：AK%=伊COS$一1)x100%(2)LAGU型仅耳在8广45°时.AK达35.2%,而CS-tf型仪耳在Ah=20°时，AK已达31.4%.显然，在高速测量时，不督那种仪X都必需有特珠的安装设备，而且仪M本身应具有色动调正角度的功能，否则将产生不允许M刎量误差.从图1中的两种不同转于试验曲级可得出诂论！魅水平轴差转的子杖统,整轴就转的S型转子对斜流具有枝好曲适应性能.此外，在同一速度下，废某式波速仪不仅转于流体阻力小，而且其整机所具有的体型，流裁性能好阻力小，更适应于强潮流的测量.本仪耳的悬挂诂构设计成能使仅M自动对向，因此，在测量

6、很潮流中，只要有可靠的悬挂安装，便可保证仪器顺对水流方向.2. 转子的全向性S型捋子和过去在江河中常用的改杯式转于一样,对流均具有全向桂，即仅M的输出与水平面上流速的方向无关.江河水流通常为紊流，流速向量大小与方向均不稳定，并随时间而变化.因此.具有全向性曲林杯流速仪测将的流速比差菜流速仅一般佑大23%,在枝大流速，流志枝乳的情况下.体屋可达5%以上.饕比，茨杯式流速仪的彼用数量逐年减少，并不断地被淘汰.对强潮流来讲,其流场更为茨杂，故本课题通过论证，确定采用*菜牯子作为感应元件.在海洋深处，流速小而稳定.对S型转于工作是非*有利的.同时转子具有全向姓，它无子仪耳那样设有灵官很高的尾蛇等样向装

7、亶，这是S型仪器辰大的优点.3. 转子的动态特性当要求制量仪聂正磷地响应被测量V(/)随时间变化的历程时，就必源研完仪灰曲动态轴姓.高速水流是紊流，它是时间的函数，因此，当施删击速水流或潮流时,就应了解特子的动态特性.苏联学者对转子式流速仪的动态特姓进仔了许多的研究，主张用转子的转动惯量表示仅8的动态特性,并在苏联国家标准中做了明磷规定：*某四转直径为1次e,转动慢量I应不大于l.OgcmZ当时1969年)苏联生产的此英通用型仪冬其旋某是用娼合金制it的.根据我因仿制的样机计算和测试，其转动帽量。=0.“gmiS2.同桦捋于玫用钢合金(y=8.5g/cm9)计算，Ie=123gcmS2.作为国

8、家标准其指标枝实际为霓符合常规的.显而易见，苏联国标规定的目的是不准再生产以往常用的婀笈成桨.英、美,法等国的标准蚤然没有明境规定，但实际中均租板推广使用枉质的箜料巍菜.这里研究*某的转动情量在紊流中的动态性能，计算得知，室料某1.=0.30度cmS2,枝IS染Izl04】g,cmS2为小.其动态性能如何？下面是理论分析和呼外实地比测情况.我某蟋国定轴城祚其运动方程为：i(do/dt)=M(3)式中I为茨某样动慢量，功为成菜角速度，t为时间.M为加到裁架上的水流动力矩.天然水流通常为紊流，其流速的大小和方向均随时间而变.即输入信号M是时间t的函4t.流速仪转子输出的信号与转动惯量I有关.也即测

9、读的流速教据取决于旋浆的转动侦量以及当地河流紊动特性.为了阐明这一问题，我们组织了一次大规模的野外比测工作-比测仪宾采用目前江河测验中的常规流速仅LS251型，共24架，其中塑汗浆仪翼19架；铝某仪舞5架.检定系数为多次（327架次）检定的均值，因此耕度较方.比测河流为五眉十条大、中、小河流及渠道.流速为O.lO4.lm/s,水温为6.853P.这些河流的特性具有技广泛的代表性，而水流条件也相当苛刻.通过4918测次的比洌，经资料整理分析可持如下结论：I）塑料桨与铝菜仪赛之间比测共4081现次，相对离差（绝对值）为0.171.22%,总平均为0.71%；2）堑料浆校铝桨惯量小，响应水流速度变化

10、较灵敏.在4081测次的比测中，塑料桨仪器该数偏大的共2353测次，占57.6%,即较铝桨仪露删速偏大的测次多7.6%,流速平均偏大0.32%；3）塑料桨和铝桨仪器自身的比测分别进行了315和522测次.平均相对离差分别为0.74%和0.73%.两者在量值上基本是相同，比测过程中也不存在系统性偏差，即流速读数偏正和偏负的机率基本相同.上面的结论证明了接近中性的塑料转子在天然紊流中工作是稳定的，其动态响应性能校铝桨为好，且更接近于天然流速.在过去的30多年江河水文测验中，用铝桨仪器测待的流速资料，今后应用于工程设计中时均应加以修正.本试验成果证明，流速仪的静水检定法是正确的，读数是可靠的，其测量

11、误差取决于河流的素动度，一般不大于1%4. 支承结构绕毒直轴转动的转子支承结构,一般是采用轴尖支永结构，根据仪表活动支承理论分析和实验表明，这种结构一般适用于低转速,轻负荷场合.在高速的清况下，负荷火，振动强烈是不适宜的.实验表明，我杯式流速仪的轴尖支承在流速为2m/s时，只轮送转100小时，超过时限必须更换新的.因此，高速测量应用水平轴支承的轴承结构二，支承系统1.支承系统结构特点仪器支承系统包括转子的支承部分（通称荻转部件）和整个旋转部件固定在仪器壳体上的支承结构.支承系统的结构强度及其工作的稳定性不仅关系到强潮流流速的测量精度，甚至于整个测量工作能否顺利进行.本仪#的转子支承部分由一对仪

12、表微轴承（D100086MX.020000086MX）和内外隔套等组成.其结构与国内、外同类仪赛（LS25T型和西德C-31型）比校，特点如下：1）支承轴直径采用6mm（传统仪器为/5mm）,强度大；2）两抽承跨距为34mm（LS25-1型为25/nm,C一31型为31mm）,转子运材稳定；5）前部轴承安装采用悬浮结构，装配简单，使用可靠，井使于维修（一般为固定式）；4）轴承摩擦力距A/=0.35-0.55g-cmLS25-1型为M<lgcm,C-3152为M=Q.450.70"cm）,低速性能好（下面分析）；5）轴承工作负荷能力强（额定动负荷为50kg、极限转速为43000转

13、/分）.由此可见，本仪器转子支承部分的结构强度，工作稳定性及仪器高、低速性能等均是技好的.图2支承结构强度旋转部件的支承轴以悬有棵结构固定在仪器壳体上.根据材料力学分析，支承结构的强度和秘定性决定于支承轴本身的强度、支承而大小，悬臂氏等。图2为去掉菽转部件后支承轴的固定结构及尺寸图2B为本仪若的支承结构，它与LS25T型（C-31型也基本相同）仪器（图2A）比较，具有更承面大,悬臂短而女.城转体重心稳定（在两轴承之间）竽一系列优点，非常明业这种支承结枸是十分稳定的.2.轴承油室密封装置本仪器采用的仪表微轴承具有大负荷和依力矩的特性，因而测速量程特宽，性能优异.然而应指出，为确保轴承的正常工作，

14、轴承的润滑油必须充分而清洁。为此,仪器设有完卷的轴承油室及其相应的密特装置.为满足仅器低速枚能，装置只能采用无摩殂力的非接触式密封结枸，它较之接触式密封翁构技术难度大，零部件制造精度要求高.本仪器的轴承轴室密封原理系采用多级迷宫结枸，即设置多层弯弯曲曲的迷宫途径和膨我室，对进入迷宫的介质产生节流效应，从而起到密封的作用.与国内外同类型仪3相比，本仪器迷宫缝隙知'路径长，弯道多，并且旋转套圈的径向跳动量小,通过输水管模拟试验，在流it1.95-4.65m/s条件下'连续运转】06天，轴承油室无水（5少）.当住用时，轴承油室应装满仪表油（GB487-87）这是此结构使用的关键,务必

15、加以注意.三、发信机构发信机枸其功能是将仪吾转于的将数样换为电脉冲信号,输入到记录单元.实际上它是一个电开关,作为这种转换机构的型式多样，有机城接点式、电则式、电阻式、电感式、光电式及磁接触式等.后者在国内外各种流速仪中使用比较广泛.特别是用磁钢磁场的变化激励干簧管这种结构，它具有牡能稳定，工作可靠,体权小，频率高，寿命长，密封牡好，站构简单，堆修方便，价格低康等一系列优点.尽管其接点的波形（前后沿抖动约】I0ES）,还不是很理想，不如同类:型霍尔元件好，但在电路上是很容易处理的.国外流速仪（包括海流计）配用这种结构的型号有：西德C-2、C-31,SMP,美国F582、F583,英国BFM00

16、1、BFM002、BFM007、BFM008MK、SE-RIES1000.法国Neyrpic、Neyflux、日本Takuwa,意大利ME系列等。有关专家认为.干簧触点这种结构只要合理的使用，不存在寿命的问题.故本仪若采用这种比较成熟的结构.四、仪器悬挂及尾鸵仪器悬挂及尾蛇部分的功能，是保证仪器在潮流变化过程中，能灵敏地顺流而赛.本仪器设计成：在水平方向可自由旋转3勿°,在垂直方向为为仪器用流线型悬杆悬币，在其顶梆设有旋转轴承，它用四鼠乙烯制成，灵敏度较高，可保证仪器自由转动.仪器秃体设有长方柚，它套在悬杆中，在潮流冲击下，当悬索倾斜时,仪器能自动调整至水平位置.仪8炎体是一个直径为

17、冬48mm的细长空心管，内装固态存储器部件，管的前端安装感应部分，后端与尾蛇相联，同时也兼有尾杆的定向功能.仪击整机星一较优良的流线体，总长为560mm.前后端对悬挂中心的距离分别为160mm和400mm,比值为J：2.5.可保证仪器在测速范围内对准流向.为证明这一性能，下面引用英国维尔波特公司最近生产的1000系列海洋测量系统以责比较.该仪君总长1380mm,前、后端对中心距高为650mm和730mm,比值为J:1.12.地尾花尺寸为：长3&）x高140-260）ee各一块.仪若充体直径为如27mm,仪g总玄46Kg,这样庞然大物，尾舵并不大，特别是横尾蛇，面积仅274cm2.仪器的

18、定向性能似乎不修理想.然而，其洗浏沆速.范囹却很宽（0.035m/s）相比之下，本仪苫的悬挂及尾蛇的定向能力是较好的.五、仪器检定曲线（下转笫8页）损坏系统主设备，以及防止各类干扰从输入回统引入微机，宜采用电位隔离方法，常用的就是光电耦合器.4.输出控制信号线的抗干扰措施由于水闸自动控制系统是通过输出控制信号来直接驱动闸门启闭机（该输出信号直接控制闸门强电控制线路）的，因此输出控制信号的准确可靠显得特别重要，一旦出了错误信号，那后果严重.不是损坏闸门设备，就是使人、船伤毁，输出信号失控应绝对避免.再则输出是直接与强电接口相接的，这样交流外电及电磁装置的干扰就将直接通过输出控制口引入到控制系统中

19、心-微机内，因此抗输出控制信号端的干扰更为重要，其措施如下.（1）电源隔离输出控制电路所用的直流电源与系统核心微机所用的电源要隔离，即各用各的电源，且不能公用地线.（2）多层次的枪出控制隔离由于水闸自动监控系统是直接驱动强电设备（启、停闸门启闭机）的，负载很柬，干扰也大。为此对输出控制信号电路应采用多层次的隔离，其措施应根据具体情况而定,一般常采用光电隔离和机电隔离重复应用的方式.（3）屏蔽导线每组控制信号的输出线都有其各自的功能，且不同步，为此将各组控制线分别引入，并采用屏蔽电缆，使其扉蔽外壳接地，以防相互申扰，同时应尽量加粗每根控制线的导线截面和选用尽可能短的低电阻导线。四，结语本文仅就水闸自动监控系统设备外部（主要是工业电网及电磁设备瞬变）所引起的干扰及其防护进行了分析。事实上就外部干扰来说，除了上述的以外,还存在雷电、宇宙辐射、无线电发射（