三种流速测量方法综述
唐桂兰　黄　新 张大中
(南京林业大学南京210037)
【摘要】本文综述了水土试验研究中流速测量的三种方法。

即常规测流法;遥控测流法;超声波测流法。

并分别介绍了测量原理、测试要求和施测方法。

最后列出了三种流速测量方法的优缺点。

【关键词】水工试验 流速测量
流速测量是水工试验研究中一项至关重要的测试项目。

南京林业大学近几年先后进行了二滩水电站木材过坝机械模型试验研究(以下称进口试验研究)和二滩水电站木材过坝联运机出口段及木材入河运行状态模型试验研究(以下称出口试验研究)。

由于这两项试验的流速测试要求和测试条件不同,因而所采用的流速测量方法也不同。

概括起来有三种流速测量方法,第一种是常规测流法,适合在水质较清的试验中应用;第二种是遥控测流法,适用于测点距岸边较远,难以用带线方式进行测试的试验;第三种是超声波测流法,可进行多维流速测量。

1 常规测流法
1.1测试要求
“进口试验研究”范围,自水电站坝前库区袋形排的起运点,经过库区推木、水流加速段、机械喂木、直至木材进入斜坡段滚筒机。

其中的水流加速段就是要解决木材进入喂木设施滚筒机前水流加速区的原木运行速度问题。

模型试验中水流加速区的水流速度是依靠装置模拟水力加速器来实现的。

加速器造出表面流速,试验用水水质较清。

为此,采用常规测流法即可对流速的大小进行测量。

1.2测量原理
流体力学中,当研究气流和机翼的相对运动时,机翼受到垂直向上的力,称为举力。

同理,当水流和旋桨相对运动时,旋桨也受到水流作用的垂直于旋桨径向的举力。

作用于每只桨叶的举力对桨轴产生力矩,使桨叶绕轴旋转。

流速则是旋桨转动速率或转动周期的函数。

流速测量采用计数法和周期法两种。

计数法的测量原理是测量一定时间内旋桨转速或信号脉冲数;周期法的测量原理是测量旋桨转一周的时间或信号脉冲周期。

1.3施测方法
以西南水运工程科学研究所研制的HD-
4型电脑流速仪为例。

它由光电微型传感器、CMOS施密特触发器、Z80单板机、显示器和打印机等组成。

在选定的测点上,将微型旋桨头正对着来流方向。

旋桨头旋转一圈产生2个脉冲信号。

设定测量方式为计数法,采样间隔时间为10秒,重复测量3次,同时测量8个点。

并设定各传感器标定系数。

启动测量键后,屏幕同时显示8个测点的3次测量值和一次平均值。

数据一旦有效,即打印输出。

工作原理框图见图1。

图1　常规测流法工作原理框图
2 遥控测流法
2.1测试要求
为了验证“进口试验研究”中水力加速器模拟装置的模拟效果,对前苏联中央木材水运研究所研制的ПР-49型水力加速器造出的表面
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流速进行测试。

由于是原型试验,试验水域面积较大。

若采用常规测流法进行测试,由于测点与岸边距离较远,则难以实施。

而采用遥控测流法可满足测试要求。

2.2遥测原理
采用成品无线电遥测设备改制成用于流速遥测装置。

这是4通道比例遥控设备。

在一个时钟周期内,由4个电位器分别控制产生定宽脉冲信号,经调制后由功放器发出。

接收机收到发射机信号后,在译码电路中可以输出由4个电位器分别控制的宽度脉冲信号。

只要测出这个信号的宽度,就可以知道发射机上电位器的相应位置,即电位器相应的电阻值。

把流速仪的输出端作为电位器来分别产生两种脉冲宽度信号。

即流速仪输出端常开时为较宽的脉冲信号,每旋转20圈输出短路1次,产生较窄的脉冲信号。

脉宽变化信号经计数器定时器接口输入微机,计算出两个窄脉冲产生的间隔时间值,通过标定公式即可求出此刻的瞬时流速值。

一套发射、接收装置可同时测量4个流速测点。

2.3遥测方法
以重庆水文仪器厂生产的旋桨流速仪为例。

该流速仪输出端常开(两端电阻无穷大),每旋转20圈短路一次(两端电阻为零)。

在水流加速器的加速区内,按测试要求布设流速仪。

由于试验区河道较浅,故在测点处直接打桩,将流速仪和发射装置安装在木桩上,流速仪正对来流方向。

发射装置发出信号后,通过岸边接收装置并经计数器定时器接口电路输入微机。

工作原理框图见图2。

图2　遥控测流法工作原理框图
3 超声波测流法3.1测试要求
“出口试验研究”需确定木材入河河段的河道整治方案及相应水工设施。

为此需要在木材入河点附近上下游选择若干个河床断面进行二维流速测量。

其测量结果不仅能确切地分析论证木材入河河床整治的效果和木材入河后流送状态,而且可为木材入河机械设施的基础及护岸岸坡等水工建筑物的设计提供参考数据。

由于试验用水为天然河水,水中漂浮物较多,不宜采用常规测流法。

另外由于常规测流法只能进行一维流速的测量,且费时费力,采用超声波测流法则可达到高效、精确、多维,能满足本试验测试要求。

3.2测量原理
当仪器发射的超声波在水中传播时,将产生与水流速度相关的多普勒频率信号。

传感器感应发射器发出的超声波频率信号及测试点悬浮微粒的反射与散射波信号,并把它们送至接收器混频。

然后由解调器检出多普勒频率信号,并进行放大整形。

再由单片机控制并进行数据处理。

一维流速测量时,传感器必须正对流向。

若偏离某个角度,所测流速值则是实际流速在此方向上的垂直分量。

测出两个相互垂直的流速分量,则可以合成为一个新的流速矢量。

这就是二维流速测量原理。

传感器由发射探头和接收探头两部分组成。

两探头直线交汇处为测试点,距传感器正前方13cm 处。

对某一测点安装两对相互独立的在水平方向相互垂直的传感器,即可进行二维流速测量。

图3所示为二维流速的分量、合量和流向间的关系。

图3　二维流速的分量、合量和流向间的关系
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1
设B -B 为测试断面线。

在测点O 测得X 轴方向上的流速分量为V x ,Y 轴方向上的流速分量为V y ,则O 点的流速为
V A =
V x 2
+V y
2
其流向与测试断面间的夹角为
θA =tg
-1
V y V x +π
4
由图3可知,在坐标的其他象限内,也存在
相应的点,它们在X 轴与Y 轴上流速分量值与A 点完全相同。

因此,要完全确定流速分量,必
须判断流向所在象限。

方法是将一根细线置入水中,根据流向所在象限,对θ值进行修正。

3.3施测方法
以南京水利水文自动化研究所研制的L SW -1A 型超声多普勒流速集测仪为例。

该
仪器具有传感器微型化、耐腐蚀、不破坏测点流态,具有较强的抗泥沙与抗漂浮物能力,具有极高的灵敏度与流速分辨率,流速响应适时,适应性强,便于实现二维流速测量。

试验时选择与流向基本垂直的河床断面为测试断面。

每个断面水平方向布置1至8个测点,每个测点的垂直方向上再布置1至5个测点。

设定采样间隔时间为1秒,重复采样10
次。

每次测量值和平均值显示后存储在单片机。

试验结束后,用通迅软件通过RS -232串行口将数据输入微机,存入硬盘,
以备后期处理。

工作原理框图见图4。

图4　超声波测流法工作原理框图
4结束语
通过采用不同的流速测量方法,顺利地完
成了“进口试验研究”和“出口试验研究”中流速测试任务。

在1994年7月和1996年6月的成果鉴定会上及1997年5月“出口补充试验研究”的中间检查会上,专家们对于这三种测量方法给予了充分的肯定,达到了试验所提出的要求,选择的方法是合理可行的。

各种不同的流速测量方法具有不同的优缺点,可以根据测试条件等因素加以综合考虑,选择合适的测量方法。

表1为三种流速测量方法的性能比较。

表1　三种流速测量方法性能比较
测量方法常规测流法遥控测流法超声波测流法
水质要求较高较高不高流速范围受限制受限制基本不受限制流态影响有一定影响有一定影响影响较弱测量维数一维一维二维标定次数需经常需经常无需采样间隔不能太小不能太小可适当小些
适用范围较窄较宽较宽成本费用较低较高高精确度
一般
一般
较高
3
1。