流速仪的重复性和对斜流的响应特性.docx

1、而漆双,宰灯¥，明初,刊邮猝劳第1】卷总第42期1994年第1期第1】卷总第42期1994年第1期水文科技信息S3;摘要/彩W”/流速仪的重复性和对斜流的响应特性J.M.福佛德,KG.塞珀德克斯和W.R.葛尔立度这里提出了有关各种机械流速仪的精度实验研究情况。这次实验是针对用于明渠卸河道中总流速测量的水平轴向和垂直轴向疣速仪进行的“测试内容是流速仪的重复性能及其对斜流的响应。实检发现水平轴向和垂直轴向流速仪两者都记录到偏大或偏小的斜流流速，其误差大体上随流速和夹角的增加而增大。对干斜流试我，水平轴向流速仪的误差幅度为最小。测试认为所有流速仪的重复性是好的，无论是水平轴向成垂直轴向流速

2、仪，其演示都类同。介绍机械流速仪通过垂直轴或水平轴将线性运动转换为角转动来测量流速。许多研究人员(塞珀德克斯，1992)已经开展了流速仪精度的研究工作。而作为河道测量仪器，水平轴向和垂直轴向流速仪两者间究竟哪一种更好的问题仍在争论之中.绝大部分这类研究成果在1960年以前都已发表。亚勒尔(Yarnell)和纳格尔(Nagler)(1931)关于流速仪的研究可能引用最多，其中包括了流速仪对斜流的响应的测试结果.亚勒尔和纳格尔测试过的流速仪已经在随后几年里作了修正.这篇论文提出了目前在世界各地河流水文站上使用的机械流速仪的最新测试成果。测试设备和测试的流速仪的说明所有的测试都是在设在密西西比州斯顿

3、里斯(Stennis)空间中心美国地质调查局的淹没射流水槽上进行的。该射流水槽有120英尺长，断面面积为12X12平方英尺，能提供稳定的动水流速，其流速范围可从每秒0.25到10英尺变化。流速大小是通过计时测量水体容积和射流喷嘴面积来计算的。流速仅每秒旋转的角速度(转/秒,rev/sec)是通过使用电子计时计数器计算转数及时间来决定的。这里提出了针对五种垂直轴向流速仪和七种水平轴向流速仪的成果。这五种垂直轴向流速仪均是美国地质调查局的波莱氏(Price)流速仪，即旋杯AA型、光学旋杯AA型、小旋杯型、冬季旋杯AA型和带聚合物转头的冬季旋杯AA型。七种水平轴向流速仪是奥特(Ott)C-31金属旋

4、浆型、塑料旋浆型、A旋浆型和R旋浆型流速仪，威利波特(Valeport)BFM001型流速仪和中华人民共和国制造的LS253A金属旋浆型和塑料旋浆型流速仪。垂直轴向流速仪有六个绕轴转动的锥形杯。AA型流速仪的转子的高度为2英寸、直径5英寸。小旋杯型流速仪的大小为AA型流速仪的五分之二。所有旋杯流速仪除使用较小光学开关的光学旋杯流速仪外，都采用机械接触式开关。冬季同仪装上了修改过的AA型支架，以利方便地在冰下使用。AA型金属转子为开口的转杯。聚合物转头是由同AA型金属转子相同尺寸的实心杯组成水平轴向流速仪使用绕水平轴旋转的螺旋型浆。中国的流速仪和奥特流速仪有一个相类似的需用油润滑的球形轴承和装配

5、支架。两种奥特旋浆(A型和R型)设计用于精确测量斜流的余弦分量。经过测试的水平轴向流速仪的其他特征值列于表1中.洋文流速仪的重复性和对斜渣的响应特性表1水平轮向渣速仪的特征（mm,毫米;m,米）一诋霆仪r_V"奥符C一31，标度5!直&lZ5mn）,lB距0.25n）.铜臭待C3L.fi!料型直径125nan.«£0.25m,fll>4臭符C一3】，A成直径Wej螺距0.I25m.«ft|-31,R3直径100mm.HI距0.25mM或病我待BFM0O1型食径125mm,尊距O.27m,ffl料中国LS253A,金蜃直径120mm,媒距。.

6、20m.铝中国LS25-3A,ffl料51120mm,0.20m.复性试验重复性试验是关于深速仪精度的测试方法和检验演速仪测速具有重复性或一致性的程度。每啬流速仪在每秒0.25,0.8,1.5,5和8英尺五个流速级中的每一级分别作了十次试验.流速仪安放在直指喷流中心部位的水流中。五个流速级中每一级的标准差都作了计算。标准趋的百分数为标准差除以喷流流速再乘以10J图1是标准差的百分数与相应于喷流流速点绘而成的曲线图。对所有流速仪而言，标准差的百分数均随着流速的增加而减小.垂直轴向流速仪比水平轴向流速仪具有更为一致的响应。对所有测试的流速，垂直轴向流速仪在标准差百分数小于0.5%内具有重复性小旋杯

7、值速仪的标准差百分数在垂直轴向流速仪中为最大水平轴向流速仪对大多数旅速而言，在标准差百分数小于1%内具有重复性.在最低一级的测试值速中（0.25英尺/秒），臭特A型、R型和成利波待流速仪的标准差百分数从1.2%到1.3%之间变化。在水平轴向流速仪中，中国制造的流速仪和奥待瑕料旋浆流速仪的标准差百分数最小。重复性测试数据是通过一条线性回归直线来拟合的，以便确定他们的线性响应。每-部仪器作了总共50次重复性测试,其测试值与测得的喷流流速进行回归.所计算的回归系数和均方根误差RMS）按各对应的流速仪排列在表2中总之，不论水平轴向流速仪或垂直轴向流速仪，都有类似的均方根误差范围，因此具有相近的线性响应

8、在流速仪的测试中，中国制造的两部流速仪和光学旋杯AA型流速仪具有最小的均方根误裁.奥特A型旋浆流速仪的均方根误差最大。所有仪器都有较好的线性响应（较小的均方根误差和标准差百分数）.斜渣响应测试斜流响应测试是检测一部流速仪是否具有精碉测量水流的正确矢分量.这个测试也称作余弦响应测试因为一部理想的流速仪将记录有夹角水源的余弦分或。每部仪器都在每秒0.25,0.8.1.5,5和8英尺的流速下以及流速角度以10°增量从90。到一90。变化的情况下进行了测试。正角度的水流被导向正对着垂直轴向值速仪或对水平轴向流速仪从中心到右边。在每个流速和夹角的组合中，对每部仪器测试两次流速。由于只有流速仪而

9、不是实际水流速可以带夹角，在测试垂直轴向流速仪对水流垂直夹角的响应时，它被安放成轴与重力方向相互垂直.所有类型的流速仪的百分数误差可按下式计算，即100XCrevs/sec.4-（cosaXrevs/seco）-1）式中下标a代海水流的夹角。代表直流。垂直轴向流速仪对水流垂直和水平夹角的响应已经进行测试.由于篇幅所限，这里显示的只有垂直夹角测试的结果.在野外使用疯速仪时，由于垂直夹角水流的影响，水文站不能对误差进行改正.第11卷总第42期1994年第1期水文科技信息XTKlfaa一Kiff<a0-0小宓环波逮仪-多传头冬季旋怀AA型俊速怯0-0金M转头冬#堂杯A入主泡速仪0031型h爽其

10、浪遗以“r31a1*zx31.A»fl中M1325-3A/金届或利彼转BFMHVISM2<X中国LS25-3A.a料单史特c-31/金atffi1对（A）垂直轴向流速仪和）水平轴向流速仪用流速计算的标准差百分敬译文渡速仪的重复性和对斜流的响应特性«2重性资料的均方根误菱和回归系数流逑仪均方根溟差倾斜度截距仙的类戛光学舰杯AAaQ.01722.211-O.Q14蜒杯AA员0.03502.2630.019垂直冬季淀杯AAS/金属0.0204Z.294-0.no4垂直冬季旋杯AA页/聚合物转于0.05632.5920.056垂直微型柜杯型0.05361.051-0.055垂

11、直中国LS25-3A7金新0.U1860.6S40.009水平中国LS253A/型科0.01730.6530.002水平成利波待BFM0O10.(KO50.87。-0.002水平熨特C-3”金属0.05070.8400.087水平奥特C-31/塑料0.04500.8350.0U7水平真特C-3UR盹浆U.O46D0.8230.。76水平虞持C-31/AML集0.06560.4210.127水平垂直轴向和水平轴向流速仪两者对流速记录偏小或偏大取决于水流的夹角和流速大小。在图2中显示的是五个测试流速平均百分数误差和对应夹免点绘的曲线图。大多数垂直轴向流速仪对水流速正伟度产生记录偏大的现象，而对水流

12、速负角度在一40°到0°之间则记录偏小,冬季聚合物转头旋杯AA型流速仪对测试的所有夹角都记录偏小。除奥特A型和R型转子流速仪外,水平轴向流速仪对大多数夹角表现出记录偏小的趋向。当水流夹角大于70。时，所有水平轴向流速仪都不能正常操作。在夹角对±】0°之间时，测试垂直轴向流速仪的误差变化，光学旋杯AA型流速仪为一3.30%到一0.17%,小旋杯型流速仪则为一7.87%到8.92%t测试水平轴向流速仪的变化，奥特塑料旋浆流速仪为0.58%到0.91%,中国的LS253A型塑料旋浆流速仪为一2.02%到一3.77%在夹角为士30°时，垂直轴向流速仪的

13、误差变化，冬季旋杯AA型金属转子流速仪为一6.71%到1.01%,冬季旋杯AA型聚合物转子流速仪则为一31.83%到一33.97%。测试水平轴向流速仪误差变化.奥特C一31A型转子流速仪为一0.68%到2.95%。中国的塑料旋浆流速仪则为一12.87%到一13.19%。除了测试的最低流速外，因斜流产生的误差随流速增加而少量增加。在测试的最低流速点的误差大于或差不多等于澳试的最高流速处发现的误爰。图3是百分数误差和相对应于10°和30。喷流流速所点绘的曲线。由于水平轴向流速仪在斜流中低流速区不能正常操作，对每秒0.25英尺流速所测试的结果便从点绘的曲线中删去了。两蛆流速仪在较大水流夹角

14、时都有较大。60（A）.注林40匚】一I?小靛杯流速仪20一光学艘杯AA型流速仪旋杯AA3A速仪°多转头冬季艘杯AA型流速仪_2。0-0金属转头冬季旋杯AA型流速仪-40-M-6O-4O-2O020608C第11卷总第42期1994年第1期水文科技信息（B）、注#0-0一Q、Q奥特C-31型R典柴流速仅奥待C-31型A烷桨流速仪威利族待BFM001流速仪中国LS25-3AS金舄槃流速仪中国LS25-3Aaa«W«iJt»仪奥持C-31鬼金属黄某流面仪奥特C-3】型塑料旋桨流速仪图2(A蚤直轴向流速仪和(B)水平轴向流速仪对斜流的平均响应(A)、注#0-0

15、小旋杯流速仪光学旋杯AA型渲速仪旋杯AAJfi流速仪聚合物转于头冬季魔杯AA型流速仅-金属精于冬季就杯AA型底速仅B)、注释0-0一口、口奥待C-31受R地浆流速仪奥待C-3liflA旋浆渲速仪成利波BFM001型诡速仪中国LS25-3A蜃金属度浆底速仅中国LS2S-3A型0料康紫流速仪奥待C-31型金一曜紫潦建仪奥待C-31型曜料翼浆流速仪图3(A垂直轴向谦速仪和(B)水平输向流速仗对10。和30。斜流的响应误差.装配有A型和R型转子部件的奥特流速仪因斜流引起的误差为最小.而小旋杯流速仪和冬季聚合物转子流速仪的误差最大结论七种水平轴向流速仪和五种垂直轴向流速仪的线性响应、重复性和对斜流的响应已经过测试.所测试的水平轴向和垂直轴向流速仪都有较好的重复性(均方根误差小)和相