应用于水利工程物理模型试验的旋浆流速仪

　　　我国有着一万八千多公里的海岸线,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水利工程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。

　　1　新型光电式流速旋浆传感器

　　流速测量方法可分为接触式和非接触式两类,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 )等[1] [2] [3]。

　　旋浆流速仪按传感器的结构分为电阻式、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。

　　旋浆叶轮是光电式旋浆传感器的关键部件,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。近年来,一种新型光电式流速旋浆传感器被研制成功(如图1所示),旋浆叶轮直径分别为12mm和15mm (可以适用于不同的水深和不同的流速),叶轮的螺旋角和螺距进行了多次设计与改进,旋浆反光面采用了先进的电镀工艺,耐磨损信号强,新型光电式流速旋浆传感器的起动流速、测速范围、线性度、同心度、率定系数和均方差等指标均有较大的改进和提高[4] [5] [6]。

　　2　智能流速仪

　　配套新型光电式流速旋浆传感器,采用先进的电子技术、传感技术和计算机硬、软件技术,两种新型智能流速仪随之诞生,分别为LGY-Ⅱ型智能流速仪(如图2所示)和LGY-Ⅲ型多功能智能流速仪(如图3所示)。

　　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:

式中:A———流速比尺;

　　V———流速(cm/s);

　　K———传感器率定系数;

　　C———传感器率定系数;

　　T———设定的采样时间(s);

　　N———采样时间内的传感器旋浆转数

　　LGY-Ⅱ型智能流速仪是一种单路测量的便携式小型流速仪(配套一根新型光电式流速旋浆传感器),内置CUP微处理器、存储器等,功能丰富,使用简单方便,该仪器可根据需要选用整流电源或电池组供电。如选用电池组供电,则不用交流电源,用配套的充电器充一次电可连续工作几十个小时,充电时间约需8~10个小时即可完成。LGY-Ⅱ型智能流速仪配置了4键式触摸键盘,背光液晶显示器,具有自动存储记忆功能,设置的K、C、A、T、N值会自动保存,测量好的流速等数据若未记录,可通过用触摸键盘上的“↑”或“↓”键,依次读出来。