旋桨式流速传感器、垂线流速分布传感器和潜水型流速传感器在工程中的应用

旋桨式流速传感器、垂线流速分布传感器和潜水型流速传感器在工程中的应用

工程实验的测量流量存在不同的情况，不同的使用应该使用不同的传感器。随着科学研究、电子科学的进步，速度仪的使用变得方便、易用。现有的通用速度传感器可以满足大多数场景的流量测量，但需要在特定场景中解决的流量测量问题并不现实。在这项工作中，我们介绍了几种特殊的速度传感器，它们可以通过普通传感器难以解决流量测量的问题。1旋桨受力的简化微型旋桨式流速传感器常见的形式是迎水面支架对旋桨轴线为近似对称结构如图1.此类传感器在检定水槽的均匀定常流条件下有足够的准确度.但将此条件下获得的检定方程式应用于河工模型或河流中测量平均流速,常常由于其水流紊动强度的差异而造成不可忽视的误差.水文测验是用延长测速历时来减少水流速率脉动造成的时均流速测量误差,但此法对流向摆动造成的误差无效.因为前者近似正态分布,后者对上述类型的传感器是偏负的误差.前苏联著名学者Γ.Β.热列兹拿柯夫综合了一些学者的论述指出:旋桨式流速仪在受脉动影响时其平均流速测量读数偏大,偏大的程度随脉动振幅增加而增加.在流向变化的作用下,旋桨式流速仪的读数偏小.而且旋桨式流速仪读数因流向摆动影响而偏小的数值远大于因流速脉动影响而偏大的数值.图1所示传感器的试验结果如图2.显而易见流向摆动是造成旋桨式流速仪由于水流紊动而产生的平均流速测量误差中起决定作用的因素.本文的研究是通过变革旋桨的受力状况来减小由于水流左右摆动造成的平均流速测量误差,因旋桨本身是不对称的结构,作者将它的轴承架也做成对于旋桨转轴上下不对称的形式如图3,利用桨叶在不同位置时转动力矩的差异使水流在左右摆动的情况下(摆幅不超过±15度)造成的平均流速测量误差相互抵偿.为便于阐述,将旋桨的受力进行简化,如图4两只桨处于一个特定的位置.由于轴承架A对水流的阻碍作用使作用于下边一只桨叶的垂直于旋桨径向的力Ld(举力)较作用于上边一只桨叶的垂直于旋桨径向的力Lu小.即Lu>Ld或Ld=η0Lu,(1>η0>0,η0为θ=0度时的举力比).根据短翼理论:Lu=Cd(ρ/4)V2Sin2βcosβLDLd=η0Lu=η0Cd(ρ/4)V2Sin2βcosβLDLu=Cd(ρ/4)V2Sin2βcosβLDLd=η0Lu=η0Cd(ρ/4)V2Sin2βcosβLD式中:Cd-系数;ρ-水的密度;β-冲角;V-前方匀流速;L-旋桨轴向长度;D-回转直径.为便于分析,假设两个力的作用点距旋桨转轴的距离均为D/4,则传感器对正流向时旋桨的转动力矩为:MO=(1+η0)LuD/4=(1+η0)Cd(ρ/16)V2Sin2βcosβLD2ΜΟ=(1+η0)LuD/4=(1+η0)Cd(ρ/16)V2Sin2βcosβLD2流向偏左θ角时旋桨的转动力矩为:ML=Cd(ρ/16)V2LD2{Sin2(β+θ)cos(β+θ)+ηθSin2(β−θ)cos(β−θ)}ΜL=Cd(ρ/16)V2LD2{Sin2(β+θ)cos(β+θ)+ηθSin2(β-θ)cos(β-θ)}流向偏右θ角时旋桨的转动力矩为:MR=Cd(ρ/16)V2LD2{Sin2(β−θ)cos(β−θ)+ηθsin2(β+θ)cos(β+θ)}ΜR=Cd(ρ/16)V2LD2{Sin2(β-θ)cos(β-θ)+ηθsin2(β+θ)cos(β+θ)}流向偏左θ角时旋桨转动力矩的增量为:△ML=ML−M0=Cd(ρ/16)V2LD2{[Sin2(β+θ)cos(β+θ)−sin2βcosβ]+[ηθsin2(β−θ)cos(β−θ)−η0sin2βcosβ]}(1)△ΜL=ΜL-Μ0=Cd(ρ/16)V2LD2{[Sin2(β+θ)cos(β+θ)-sin2βcosβ]+[ηθsin2(β-θ)cos(β-θ)-η0sin2βcosβ]}(1)流向偏右θ角时旋桨转动力矩的增量为:△MR=MR−M0=Cd(ρ/16)V2LD2{[Sin2(β−θ)cos(β−θ)−sin2βcosβ]+[ηθsin2(β+θ)cos(β+θ)−η0sin2βcosβ]}(2)△ΜR=ΜR-Μ0=Cd(ρ/16)V2LD2{[Sin2(β-θ)cos(β-θ)-sin2βcosβ]+[ηθsin2(β+θ)cos(β+θ)-η0sin2βcosβ]}(2)当θ角甚小(不超出±15度)时可以认为ηθ≈η0,则由(1)、(2)式可推算出能满足方程式△ML≈-△MR的η0和β值.上述阐明了传感器的造型试验主要应确定η0和α两项因素(α=90°-β),式中α为旋桨的螺距角.图3的传感器造型是大量试验确定的.η0可以通过改变图5中轴承架A的厚度b来调整.A的横截面采用图5的流线体形式.当它的弦长C为一定时(制成的传感器C=5毫米,它受传感器结构尺寸的制约),b值越大,c/b越小,对水流的阻力越大,η0值越小.图6和图7分别表示置流速传感器于检定水槽钟形管咀端部处改变其水平偏角模拟流向左右摆动时不同的b值和α值对平均流速测量误差的抵偿情况。显然各个试验方案均不同程度地具有抵偿作用,但以b=1.5毫米和α=38度时为最佳.为了综合考虑河工模型内水流紊动对平均流速测量读数的影响,作者搜集了用两种不同类型的传感器测算模型断面流量的对比资料(见表1).表1中HD-4B型是作者研制的传感器(如图3),可见其测算所得断面流量误差较小,对上述模拟试验得出的结果是一次验证.为了进一步验证克服水流紊动传感器在水流紊动情况下测量平均流速的准确性、可靠性和适用性.作者汇集了在变坡水槽和长江小米滩航道等四个河渠模型试验中用本传感器测算断面的全部资料,现将其与各模型量水堰对比的误差制成表2.表中相对累频为75%的误差小于3%,相对累频为95%的误差小于5%,符合河工模型试验要求.这是综合误差,其中:属偶然误差的有量水堰误差(约±1%),传感器非线性误差(约±2%)和测量操作误差等;属偏于负值的误差.有流量计算误差(-0.7～-2.4%)和模型渗漏引起的误差(-0.5%以下)等.以上误差负值稍占优势,从综合误差中除去这部分误差即是水流紊动引起的误差.本传感器在断面形状复杂的情况下也得到了成功的应用(见表3).大量试验结果表明:目前应用较广的类似图1形式的传感器在实际应用时误差较大,且多数为负值.而作者研制的克服水流紊动的流速传感器在长期应用中测量误差甚小,进一步证实了这种传感器造型在减小水流紊动误差上的成功.下述中的几种流速传感器都是在此基础上研制的.2旋桨式流速传感器目前野外使用的旋桨式流速传感器体积和质量较大维护较复杂,惯性和摩阻力大,价格高维护较难.渠道、湖泊测流用户要求研制价廉、维护、维修简便的流速传感器,为此作者研制了回转直径为10毫米和14毫米的旋桨式流速传感器,前者测量范围为0.05～3米/秒,后者测量范围为0.01～1.5米/秒,配用Φ16×1600测杆,由于采用刚玉轴承代替滚珠式轴承,使其结构大大简化,并提高了量测低流速的性能,率定公式均方差≤1%(100只传感器的统计资料),售价也仅为原来传感器的1/3,极大地方便了渠道、湖泊测流.3垂线流速分布传感器泥沙起动流速试验,需要在一条测量垂线上同时检测0.2h,06h,0.8h的流速值(h为水深),以获取其平均值,用一般的单桨流速传感器无法实现其同步测量.又如水位快速涨落的情况下要捕捉测量垂线上0.6h处的流速也使试验工作者感到棘手.为此作者研制了垂线流速分布传感器,在一根测杆上可装1-8只位置可调的微型旋桨,配合YZ-6型流速水位集散量测系统,上述难题即迎刃而解.此外,有了上述设备,在水力学教学实验中可以方便地在屏幕上演示垂线流速分布图.4模型试验结果分析八十年代以来,无线自航船模研究进入河流通航模型试验,对客观形象地反映通船模型试验的效果起到了较好的作用.为了测量船模