模型试验流速测量仪器的分析研究.docxVIP

1、第18卷第3期水资源与水工程学报Vol.18No.32007年6月JournalofWaterResources&WaterEngineeringJun.,2007模型试验流速测量仪器的分析研究蔡守允I杨大明之，朱其俊'(1.南京水利科学研究院，江苏南京210029,2.江苏科技大学，江苏镇江212003)摘X：分析研究了用于模型试验的流速测最传感器和相关仪器，重点介绍了旋浆流速仪、电磁流速仪和超声波流速仪.美流速测量,传感器，旋浆流速仪，电磁流速仪；超声波流速仪中图分类号:TV149.3文献标识码：A文章虬号：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我国有着18000km多的海岸线，在世界沿海国家中，是海岸线较长的国家之一，我国又是一个大陆国家，幅员辽阔，河流众多，大多数河流因种种原因尚缺乏完全彻底的治理，山区河流水情复

4、杂，平原河道河势不稳，冲淤变化剧烈，水流含沙量较大，许多实际工程与理论问题迫切需要进行物理模型试验的专题研究，而流速测量是模型试验最基本的测量要素之一，因此有必要进一步分析研究流速测量传感器和仪器。流速测量方法可分为接触式和非接触式，接触式有毕托管流速仪、旋浆流速仪、热线流速仪、电磁流速仪和超声波流速仪等，非接触式有激光流速仪和粒子图像测速系统(PIV/PTV)c*-3毕托管流速仪是一种古典的测速仪器口,适宜测量稳定流,且流速宜大于0.15m/s.使用时应在静水中检查两管的水压差为零，排除管内空气，保证管口正对水流方向，使用过程中，毕托管切勿露出水面，防止漏气，影响测量结果。旋浆流速仪按传感器

5、的结构分为电阻式、电感式和光电式三种，目前采用较多的是光电式旋浆流速仪和旋浆式流速流向仪。热线流速仪的工作原理是利用热电阻传感器的热损失来测量流速°土，测量时将传感器置于流场中，流体使其冷却，利用传感器的瞬时热损失来测出流场的瞬时速度。热线流速仪对水质有较高的要求，必须清洁无杂质，否则由于杂质沉淀在传感器表面,改变了热耗散率,将造成误差。电磁流速仪是根据法拉弟电磁感应定律，把水作为导体来测量水流速度的流速仪。幻。超声波流速仪是利用超声多普勒效应曰回测量水流速度。激光流速仪是利用激光多普勒(Doppler)效应测量水流速度序】，已在水工、河工、港工试验研究中得到应用。激光流速仪可以用于

6、气体或透明液体速度的测量，测速范围最高可超过1000m/s,最低巳达0.5mm/s量级，激光测速仪为非接触式流速仪,不影响流速场分布，动态响应快，测量精度高，近年来得到迅速发展，但由于其结构复杂，价格昂贵，大部分用于基础研究。粒子图像测速系统的关键在于提取粒子的运动信息，如从早期的傅立叶变换法、直接空间相关法和粒子像间距离概率统计法等，到现在的空间相关法。软件包括信号采集、设定灰度阈值、设定网格和边界、示踪点聚合、流线相关、错误向量修正、比尺标定和坐标变换等。粒子图像测速系统测量时不破坏流场，可以在短时间内测量大面积流速流向，具有较高的精度，因而近年来得到了广泛的应用，缺点是在大型的物理模型试

7、验中该系统测量的流场为表面流收稿日期：2007-03-01,修稿日期：2007-03-19作者简介：蔡守允(1951-),男(汉族)，江苏南京人，教授级高工，硕士，主要从事测试仪器、传感器和控制系统的研制。禁守允，等:模型试脸流速测量仪器的分析研究37场，测量过程中光度的变化以及粒子的随水性等也会影响测量效果°七1光电式旋浆流速仪旋浆叶轮是光电式传感器的关键部件,旋浆叶轮的材料、螺旋角、直径、螺距与起动流速、率定关系式、均方差等均有直接影响。南京水利科学研究院近年来研制成功了一种新型的流速旋浆传感器和LGY-I型多功能智能流速仪（如图1所示），旋浆叶轮直径分别为12mm和15mm（可

8、以适用于不同的水深和不同的流速），叶轮的螺旋角和螺距也做了改进,旋浆反光面采用了先进的电镀工艺，耐磨损信号强，新型的流速旋浆传感器的起动流速、测速范围、线性度、率定系数和均方差等指标均有较大的改进和提高光电式旋浆流速仪的工作原理是，旋浆叶片边缘上电镀了反光镜片，传感器上端安装一发光源，经光导纤维传至旋浆处，旋浆转动时，反光镜片产生反射光，经另一组导光纤维传送至光敏三极管，转换成电脉冲信号，转换后的电脉冲信号经放大整形，由计数器计数。通过计数器，记录单位时间转动次数，换算成流速值流速计算公式为：V=AKN/T+C）（1）式中：A为流速比尺3U为流速,cm/sjK为传感器率定系数；C为传感器率定系

9、数；T为设定的采样时间,s：N为采样时间内的传感器旋浆转数。图1流速旋浆传感器和LGY-I型多功能智能流速仪图2LGY-I型多功能智能流速仪工作原理LGY-H型多功能智能流速仪是采用先进的电子技术、传感技术和计算机硬、软件技术，最新研制成功的一种多功能智能流速仪，内置CPU微处理器、存储器等，功能丰富,使用简单方便，可作为单机独立工作，也可通过本机上的通讯接口与计算机连接，由计算机控制和传输数据并进行数据处理。LGY-I型多功能智能流速仪可配套8根流速旋浆传感器，流速测量范围为1300cm/s,采样时间为199s任选，工作原理图如图2所示。LGYI型多功能智能流速仪均已获2004年国家专利（专

10、利号：02286522.5）,2004年通过了水利部仪器测试中心检测（水仪检字2004107号），同年获得了由国家技术质量监督总局颁发的全国工业产品生产许可证（XK34-23230006）。2电磁流速仪电磁流速仪是根据法拉弟电磁感应定律，把水作为导体来测量水流速度的流速仪。日本KENEKCORPORATION公司制造的VM801HA型电磁流速仪和传感器如图3所示。其中带弯的传感器（VMT2-200-06PL）用于测量垂直方向流速和流向（X-Z方向流速和流向），直的传感器（VMT2-200-06P）用于测量水平方向流速和流向（X-Y方向流速和流向），两套传感器和仪器同时使用，可同步测量三个不同方

11、向的流速。电磁流速仪具有很好的频率响应特性，可用来测瞬变流速和流向，也可测往复流的流速和流向。由于电磁流速仪没有任何转动部分，可以不受水质中的纤维杂质或沙质的影响，也可在浑水中测量，对流态的影响不大，其缺点是易受附近电磁场的干扰。3超声波流速仪应用压电晶体的逆压电效应做成超声发射探头，向水中发射超声波，利用压电晶体的压电效应制作接收探头，接收水中微粒散射回来的超声波，利用超声多普勒效应测员水流速度的仪器就是超声波流速仪。挪威NorTek水文仪器公司设计制造的ADV（AcousticDopplerVelocimeter）声学多普勒流速仪现已广泛应用于水力及海洋实验室的流速测量。ADV声学多普勒流

12、速仪探头如图4所示。38水资源与水工程学报2007年图3电磁流速仪和传感器ADV声学多普勒流速仪有如下特点:-高精度测出三维流速:平均流和紊流；-不干扰流场：采样点距探头5cm或10cm；-测点可以离边界非常近(mm量级)；-可用于极慢流速测量(mm/s量级)；无需标定；-所测数据包括声学背散射强度，经标定后可用来确定水体中悬沙浓度。设计制造声学多普勒流速仪的还有美国Son-Tek公司，该类多普勒多通道流速仪是一种定型产品，已被美国陆军工程兵团水道实验室和国内几十家科研院所采用，其特点是精度高、无转动部件，可用于极慢流速的测筮等。美国WoodsHole海洋研究所将ADV与激光流速仪(LDV)进

13、行了比较，结论是ADV测量平均流速和紊流(或雷诺应力)的结果与LDV的管果吻合很好,对于有些素流参数,ADV的测量结果比LDV的还要好。在价格上ADV通常比LDV低1020倍。4结语随着现代科学技术、传感技术、电子技术和计算机工业的迅猛发展，模型试验流速测量传感器和相关仪器将会不断更新、不断完善，进一步分析研究并开发一些性能更为优良、自动化程度更高、使用更加便捷的传感器和量测仪器尤为重要，这样可以在模型试验中得到更为广泛的推广与应用，提高模型试图4ADV声学多普勒流速仪探头验测量与控制的精度和工作效率，有利于模型试验研究成果质量和科研水平的提高割】。参考文献：1 李昌华，金德春.河工模型试验M

14、.北京：人民交通出版社,1981.12.2 蔡守允，周益人，谢瑞，等.河流海岸模型测试技术M.北京：海洋出版社，2004.11.3 CaiShouyun.MeasurementTechnologyoftheSedimentationModelTestintheThreeGorgesProject(AtDamSite)C.In；CHESandIAHReds.ProceedingsoftheFirstInternationalsymposiumonHydraulicMeasurement*Beijing,1994.4 蔡守允，谢瑞，韩世进，等.多功能智能流速仪J.海洋工程，2004,22(2):83-86.5 蔡守允，戴杰，张定安，等.水利工程模型试验的压强和总力测最系统J.水资源与水工程学报，2006,17(2)：3638.6 蔡守允，戴杰，张定安，等.大型模型试验水沙循环调制设备及控制系统J.海洋工程,2006,24(2):118-1