超声多普勒流速仪的研制(下).docx

1、超声多普勒流速仪的研制（下）青京水利水文自动化所邓昌闾Sing三、仪器误差分析根据流速与多普勒讯号的关系式为:扁T催COS%+COS0J0。其中为多普勒频移量.上为工作频率，V为流速，C.为声波在水中传播速度，e：为发射声轴与水的流向我角，如为接收声轴与流向夹角.由（D得c七Vtexf/COSfi,+cos%）dV一de+r+g必f°研Q由（2）式则可得到：dVdAfDdCdfoV十Cf°Sin们dzCosOl+Cqs62Sin0jd»|Cosj+Cos%上式袁明：所漏流速值的相对误差是由多普勒频率的相对误差、声速的相对误差、工作频率的相对误差以及由于S、的偏差所

2、引起的两项相对谡差的总和.dfft（一）工作额率的相对误差7:前面已经提到，由于采用电容三点式晶振电路，'的相对df°y1<0,5%.由于。角所引起的相对误差：其中%=15°,设6务=de?2°,smqdS误差（二）S=o°则*&瓦出有庭6%8.=,二二4%3Cos。】+Cos03（三）由于声速所引起的相时误耋普.，该攻误差主要由两种因素产生，其一是渥度的彩响；其二是由于金沙置的彩响.1,含沙量的影响：根据RJUrick提出的计算悬浊液声速的公式，R,Urick认为：当悬浮颗粒粒径比波长小，并随液体一起运动时，则可根据液体一般公式来

3、计算聂浊液的声速即c=J芦xtn其中Bf为悬浊液混合棒性模置、Pe为混台密度，对于5MHZ频率，波长为03mm,满足上述条件-Urick,Ament.Bradfield等入用50KHZ、200KHZ,15MHZ等频率，在石松子（粒径30”），高岭土（粒径0.25乂）的悬浊液中，进行威验,沸定不同浓度时吸收系数与声速变化情况，不管是理论计算曲线或不同的试验曲线，在低浓度时，声速都将偎低，在体积波度不超过3%时，声速变化不超过1%（如图3所示,对亍15Kg/m3的含沙胃，其体积浓度约为0.7%.所以可以不考虑由于舍沙:所引起的声速相对010203040%）图3高龄土的悬浊液浓度与吸收系数及声速关系

4、（Bradfield）2. 温度的影响：根据Greenspan-Tschiegg的试验公式：C=14O2.736+5.O3358t-O.O5795O6t2+3.31636x10*当t=20t!时，C=1482.66m/s其声速的相玷温度梯度约为0.002/度.即温度每变化尸时，声速相对变化孚«1%<过微机处理进行温度补偿，其相对误差不超过1%,1?<51%4c（四）多普勒讯号的相对误差产生多普勒讯号误差的原因有三种：一是计时误差引起的计数误差；二是计数误差；三是由于讯号谱展而引起的计数误差.L计时误差，单片机时标讯号是晶振原率，其相对时间误差为2,计数误差：计数误差产生原

5、因，一是在取样时段内对多普勒讯号的计数可能相崟一个讯号，相当于1.6又1。7中的流程;二是仪器该数分辨率所引起的读数误差，读数分辨率为0.01m/s,由多普勒讯号转换成流速值时采用四舍五入，因此旻示的流速值与实际流速值可能相差的量大值为0.005m/s.由于仪蓦采取连续取样工作方式，为了减少上述原因在低速端所产生的相对误差，一是采用较长采样时间如A10S,二是连续多次来样，取其均值，如流速为0.1m/s时，果样时间为10S,连续取样10次（即按键一次）的流速均值其相对误差a.V5%0.一3由于讯号谱展而产生的相对误差取决于传感器的质量与所采取的技术路线，根据前面所提到的一系列技术措施以及比测数

6、据，检定试验及读数重复性试验情况分析，估计由于谱展所产生的相对误差57V8X1S七由此可得：仪器的最大均方差为<5-+<5+?5+（5+<5=0.013485.3%（4）在流速仪检定水槽试莪堵果，全线均方差为1.12%,为了保证仪表使用精度，则应该注意正确的使用方法，主要是传感器探头要对准流向；浏点应选择流态平稳的地方；仪蓦应固定可靠不要有抖动或接动现象；如果水面有波浪，则仪蓦应有一定的入水深度，以免传感蓦暴露水面，避免在强电稀场情况下使用，在低速情况下，采样时间要求>10S,并取其连续10次呆样的均值等.四、比删与试验为了全面地考核仪器性能，提高仪蓦质量，曾经进行了下

7、列试验：流速仪检定水槽的检定试验；在可变坡水槽中与激光流速仪对比试验；在动水褶中与旋桨流逑仪的对比试验；在不同情况下仪蓦读数的稳定性与分布规律试跄；多水草、高流速、大含沙量情况下应用试验；污水中长期运行试验；潮汐河模型试验；动船试验；浅水中试骚等在这些比洌与应用试验中，实测流速范围为0.01-8m/S以上，含沙量为030Kg/n?以上，景浅水深为3.5cm,讯号传输距离为V60m,流速比测检定范围为0、0177-4.387m/s°下面分别简介几次主要试验情况：（一）流速仪检定水槽中与车速对比情况试验方法是将传感器固紧在测杆上，探头与测杆垂宜并指向检定车前进方向，当车子启动；车速均匀后

8、，车速由记录纸带记录下来，同时人工记录仪蓦所显示的多普勒讯号数或直读流速值，由车速讯号计算出车速并与仪器洲量做一一对应比装，计算其绝对差值，相对差值与全线均方差.计算结果，在22组读数中，其棉对误差铲W1%的共12个，1%号W2%的共8个，其余两个分别为2.1%与一2.2%,全线均方差为1.12%,仪野由于不存在转动部件，所以不存在转子式仪蓦所固有的C值与K值.检定误差计算表如下表所示超声洲速仪嗦数值m/s车速lm/s)v011b绝对差值vim/s)平均绝对差值m/s相对差值左v/v0%）I1:均方差M%1044.3244.316+0.008-0.028+0.19;0.03614.387-0.

9、063一1.442.07363.9023.900+0.002、+0.002+0.050.00253.4563,502-0.046-0.046i-1.301.693.3273.364-0.037-0.037!-1.001.0012.9802.972一一.+0.0080.0115+0,270.0732.9650.015+0.510.262.9002.031-0.031-00055-0.100.012.780+0,020+0,070.00492.0802.085-0.005-'+0.01-一0240,0581Z12.055+0.025+1.21.44，、<|>211,6771.6

10、41+0.036+0.036+2.14.410.3340.329+0.005KJ.0051.52.250,09540,0939+0.0015+0.0015+1.62.56R0.09170.0920-0.0003-0.0003-0.330.10.01790.0177+0.002+6,0002+1J1.210.06310.0650-0.0013-0.0013-2.24.040.1130.11241+0.0006+0.0006+0.50.250.59980.5931+0.0067+0.0067+1.31.691.1091.10900001.6341.604+0.03+0.03+1.873.4971.

11、9832.004-0.021一0.021-1.001.00,LSW-1型超声流速检定误差计算表（二）在变波水槽中，与激光流速仪对比试验及读数分布规律试验,试验是在河诲大学水力学实野室内进行，可交波水槽是由英国ArmHed公司提供的，室主任张志军副教授亲自主持试验全过程，在与激光流速仪比测时，起声波芦束与激光束都调整在同一测点上，并同步读数，因而避免了由于两种仪器取样时间不一致或测点的差异形响比测的真实性.在三组时比数据中,相对差值分别为1%，0.9%与。.5%在仪馨读数分布朗律的试验中，共测试了四组数据。第一组采样时间为10秒，连续记录200个数据，其中读数为CL39m/s的107个'

12、，古总数53.3%,数探葛散度在0370.41m/s之间，呈正态分布.标准差为。07266,偏态系数为629x1。-，第三组读数取样时间为1。秒,连续取样50次,其中0.19m/s的4。小,占总数的80%,其余读数为0.18m/s.第二组与第四组渎数取样时间均为100秒，读数基本上无离散现象.（三）在动水槽中,读数重复性能试验及与旋桨流速仪的对比试验清况.1. 为了正确测定仪器所测读数的重复性能，必须保持流态的稳定，为此涮点选择在水糟中部（约40m处）；测定时间安排在中午12时以后,以避免由于市电的不稳而引起流速的波动.试验以前，水泵电机启动半小时，此时水流循环基本上这到平稳状态,试验结果如下

13、:所测时段平均流速为：4k=2.28l3m/s.（其中N/e(V读数均方差:f-0.0026480.265%.读数重复率为M=0.9973599.735%.2与流速仪比浏情况比测流速范围：0.6m/s2.4m/s.共6种流速，240个读数.24渊次.W1%的共6次;其中相对误差|今W2%的共5次;1%v3%的共8次;|AV|>3%的共5次.在试验过程中.两种仪器都安装在水槽中心的同一水层高度.但前后相差5m.由于测点不同.同时在试验中发现由一种流速调节到另一种流速时.水槽中将出现两种水面的过程，要达到新的平稳状态需要很长的时间，考虑到停电等因素，试验又必须抓紧进行.因此有几组读数水流未达

14、到完全稳定情况.这可能造成一些读数相差较大的原因.（四）高流速,多水草情况下的应用试验：1988年8月，由山西省水土保持科学研究所主持了国内首次大规漠的土坝过水防护措施试雄，其目的是试验不同草、漠木植物在高流速的冲击下的护坡性能.试跄是在一土坝上进行，坝高6米.坡比1:2,5.在下游坝坡上布有1x3m的试验桀，渠内种有茂密的草或灌木植物.深木枝高为1.52米，革的密度为30。400棵.高为0.30.8米.我们应邀参加并负贵流速测Jt任务.在试验过程中.取得五组读数，流速范围为5.11m/s8,848m/s.舍沙it变化很快.且分布不均.约为135KG/m七由于流速很大.流场急剧变化.传感器在第

15、三个试验渠遇Jf时被永冲走.（五）在污水长期运行试验，试跄是在一钢铁厂排污莱中进行的.污水源主要是炼焦车间的废水及地表水，水中含疏、制等多种元素及大:悬浮物质，试验迄今巳近三个月.仪器仍在正常工作.由于仪器传感器是应用电，声敏感器件.因此在试骏与应用中.要求回避强电、碰的干扰.情别要避开像马达与电焊等强电磁波辐射.以保证浜it的植度.五、应用与展望超声多普勒流逑仪，由亍传感券小巧灵活酎用，具有极高的灵敏度与流速分辨率.有良好的抗腐蚀性能与抗簌浮能力，能连续长期运行，不用上油清洗，不存在机械磨损.不存在K.C值.因而不需要定期再检定，对流速响应实时.应用先进的横机技术进行数据处理，能显示、存储与

16、打印测:站果.是一种新型的、功能齐全的、智能化的流速流:测置设备.仪器刚一问世.引起了国内外有关行家的关注.包括美国、荷兰.丹麦和台湾一些专家都表示了祓大的兴趣，甚至要求立即付费买下样机；国内巳有专家学者应用研制样机，进行新的测流或域的科学研究与应用.有的用户，巳经要求通过微机的控制.用于流速流量的自动集测.由于应用超声多普勒测速原理与仪券所共有的特殊功能，一些复杂而困难的流速流景课题将得到解决.在此.就目前巳经提出而又急待解决的一些主要课题作粗浅的讨论：1. 冰下流速测:.在严寒季节或地区.转子式流速仪由于容易结冰，冰下流速测量长明碓以解决，但对于超声多替勒流速仪来说.由字不存在转动部分，流

17、速讯号是通迁声波的传播来传递的.而冰作为一种介质同样可以传播超声波；冰和水的声阻抗相差不大.大部分讯号能:都可通过冰水介面，因此即使在传感表面靖层薄冰，也不会号响仪器性能；其次由于传感器在电声转换过程中,一部分能量转换成热能面使传感器温度上升.经我们粗略测定温度可达20V,因而，即使在气温很低情况下，传感器也，不会堵冰.2. 浅水.狭窄流场，底流等流速的测:,这主晏是由于传感器很小和非接触测:方式，即测点并不是传感器所在位置，而是在传感器的前方.3. 瞬时流速、流速过程线与动态测量，这主要是由于仪器具有极高的流速分辩率及对流速响应实时,而对于动态测置（如动船法，积宽积深法测流等），则要求采取妥

18、善的屏枝措施.4. 其他如微流速与高流速的测置；多恩浮物质与腐蚀性流质的测谨；流速的自记与长期观浏；流速的集测等.展而望之，仪器捋可在冶炼、石油、环保、海洋等部门得到应用,.X-又侦器刖刚何世，初次试制，不尽完善，加上遇题涉及学科较多，有关资料与测试设备等很少.在整个研制过程中，深感水平有限，知识面太窄，不足之处在所难免.切望大家提出宝贵意见.在研制过程中，得到孙勇、唐跃平、张止戈等同志的合作与协助，在此深表感谢。>主鬟考资料： 邓备间：.对超声波多普勒法测速问卷约研究”（散牯子汶群的散射困形设想及误差厚一节）水利水文自动化（总第三期， 敷民强：,再论超声多普勒海流计海洋技术.第六卷第三效 PSGrwn,SpectralBroadeningofAcousticReverberationinDopplsr-shiftFluidFlowmeterJASAVol.36NO.7PI3831390 厩音波技术便览（日）（居洼液中的超音波的吸收一节）PJ007-1010 水文仪藩使用与维修手册第一分册、（上接第19页）影响因于彩响的大小及显著情况暴祠场次神禳方法由于融雪使雷达值号增强融雪的赃响在所有层云雨中都是显著影响因于当在达波束中存在着,亮带时.要比仅有降雨反射率提高l5dB2尽量双测到融雪层以下在雾或层云中雨这神情况发生在有寡或低层云存在时，雨率11有寡