流速流向仪器综述_精品文档.doc

1、流速、流向仪器综述在水文测验中，流速及流向的测量是一个十分重要的项目。由于水体环境因素的复杂性，仪器测量原理与测量方法的差异，导致不同测量原理的流速仪器相竟发展。流速仪器就分类而言，一般分为转子式流速仪与非转子式流速仪两大类。1.1 转子式流速仪1.1.1 概述我国始于1943年仿制美国Price旋杯式流速仪，首批生产100台，从而结束了进口流速仪的历史。经过多年生产实践和改进设计，1955年定名为55型旋杯式流速仪。改进重点是仪器旋转支撑结构参数及其制造工艺。提高了测速上限至3.5米每秒，解决了当时汛期抢测洪峰的迫切任务。1961年，按国家以其产品命名标准更名为LS68型。为扩大低速下限，对

2、其进行了局部改进，派生了LS68-2型低速流速仪。为了枯水季节浅水河道低速测量，1978年研制了一种小型高灵敏度浅水低流速仪LS43型，后按部标规定分别改为LS78型和LS45型。上述仪器为我国水文测验中旋杯流速仪系列，主要用于平原地区河流、湖泊、水库和枯水期间河道，中、低速测量。在我国，使用最广泛的当属旋浆式流速仪，其发展历史始于1956年，仿制前苏联ZK-3型旋浆流速仪，并加以改进，主要解决旋轴动态密封性能问题。1958年正式投产，定名为LS25-1型，是我国水文测验中主要测流仪器。该仪器主要关键零件-旋浆由于加工工艺复杂，工序多，流程长，直接制约着整机产量的提高，为此，经多年研究，于19

3、76年开始采用PC工程塑料注射成型的先进工艺，大大地解放了劳动力并提高了产量，曾月产2000多台，为水文仪器的鼎盛期。为阐明PC塑料旋浆的抗大气老化性能，随着进行了长达20多年的跟踪观察试验。1980年，总结了LS25-1型多年实际经验，结合我国河流特色，改进设计了LS25-3型。1983年，水电部组织高流速、高含沙量水文测验设备科技攻关，研制了大量程LS20B型高速流速仪。为满足水利调查和渠道测流的需要，1970年和1982年分别研制了一种小型旋浆流速仪，称为LS10型和LS1206B型，后者更多地用于泵站和渠道流量测量。为适应自动测流计数的需要，1980年研制了LS25-1A型，改变了LS

4、25-1型的信号发送。旋浆流速仪主要用在高速、高含沙量、多水草漂浮物河流中。此外，流速仪性能很大程度依赖于鉴定水槽的特性和精度，而大量仪器检修，更需要鉴定槽，因此，到1989年我国流速仪鉴定槽多达15座。九十年代拆去两座，目前尚有13座。在流速仪发展的同时，与其配套的计数设备也有了长足的进步。1955年，流速测量采用灯光计数，秒表及历时，算盘计算流速。1956年，仿前苏联ZK-3型流速仪，改用蜂鸣器。1957年改用电铃-灯光计数器。1958年，采用半导体音响器，1969年，仿制瑞士电磁计数器，并研制了自动计时计数器，1976年，应用集成块研制直读式流速显示器。八十年代，电子器件发展迅速，各种直

5、读、多功能流速计数器遍地开花，近期，已有将流速信号变换后，直接送入计算机的测流装备，由于流速仪检定系数范围较大，使用环境水深流急和缆道无线测流信号质量差，导致技术器电路相对复杂，并很难统一，全国推广。1.1.2 现状我国迄今流速仪累计生产总量估计，旋浆流速仪系列：LS25-1型约80000台，LS25-3型10000台，LS20B型80台，LS10型500台，LS1206B型1000台，LS25-1A型约2000台，共约十万台；旋杯式流速仪系列LS68型53000台，LS78 型6000台，LS45型1000台，共约六万台。旋浆和旋杯流速仪系列比例约6：4，总数为十六万台左右。根据流速仪厂规定

6、，仪器寿命为十年，按此计算，全国需用流速仪数量约1万多台，很大一部分是备用和压库。由于水文站经费限制，目前主要的仍然是检修旧仪器，购置新仪器能力较差，新仪器很难全面推广。流速仪计数器的品种较繁杂，有正规工厂生产的，也有自制的，水平参差不齐，有相当数量的测站仍使用着蜂鸣器、电令等较原始的设备。由于目前尚无一个能适应大部分流速仪，各种信号传输方法（缆道有线、无线、船测、桥侧等）的计数器，所以与流速仪相比，计数器处于各地自行研制，分散落后状态，加上经费上的限制，更新换代较慢。1.1.3 我国主要流速仪与世界名牌仪器比较现将国产LS20B型、LS25-3型、LS25-1型与世界名牌仪器德国C-31型，

7、在高地苏性能，密封性能，发讯机构性能，比较如下：A、低速性能 与旋浆正投影面积、面积比、螺旋角等水动力学参数和球轴承摩阻力矩有关。LS20B型与 C-31型在流速仪鉴定槽同时检定，在相同条件下比测，起转速度均为0.023m/s。LS20B型低速性能与C-31型相近。B、高速性能 LS20B型与C-31型高速上限分别为15、10m/s。仪器在高流速条件下工作，起旋转支撑部分和仪器安装固定不分的结构强度至为重要。LS20B型一起结构优于C-31型，并经过15M/S高速的鉴定证明，仪器的结构强度足够，工作稳定可靠。C、轴承油室密封性能 与迷宫结构参数迷宫缝隙长度L、弯道数Z成正比，与迷宫缝隙成正比，

8、用三者乘积判断流速仪油室密封性能，c-31型、LS20B型、LS25-3型和LS25-1型分别为：1929、13496、5250、4179。显然，LS20B型油室密封性能优于C-31型，并经黄河龙门水文站汛期100kg/m3高含沙量考验。D 、发讯机构性能 LS20B型与C-31型均采用磁钢和干簧管结构。国产干簧管可靠性较差。1993年，美国地质调查局对世界上有代表性流速仪曾进行试验室和野外比测。其中有中国LS20B型金属浆、塑料浆、德国C-31型金属浆、塑料浆，专用于测量斜流的A、R浆，比测结果如下：A、 重复性：在0.076、0.24、0.48、1.52和2.44m/s五种速度级下，每种流

9、速仪重复测量10次，计算其标准差：C-31型金属、A、B浆为1.22.0%，C-31型塑料浆和LS20B金属、塑料浆均低于0.5%。B、 线性：在上述速度级下，每台仪器重复测50次，用线性回归法拟合测量数据，确定流速仪线性响应。其均方差（cm/s）:C-31型金属浆0.735，塑料浆1.375 ，A浆1.999，R浆1.402;LS20B型金属浆0.567，塑料浆1.545。C、 斜流(余弦)响应：为流速仪流量流速矢量的技术指标。在大斜流角度时，所有仪器相对误差均偏大，c-31型A、R浆误差最小。D、 野外测试：在美国地质调查局洪水试验场等5个试验断面。水深0.3-0.7M，流量0.76-2.

10、1立方米每秒，测试结果，各仪器功能正常。两台LS20B型测流值较适中。此外，LS20B型在以下几项不及C-31型A、 外观质量，如金属表面加工光洁度、电镀层、板材、塑料、紧固件、附件、工具、说明书等外表性能。B、 仪表油低温性能。C、 仪器包装及包装箱中的清洁。D、 仪器构造复杂性及零、部件数量。综上所述，我国旋浆式流速仪系列除在个别方面稍逊于国外名牌外，大部分性能指标均列各国仪器前列，目前处于国际先进水平。并有开拓国际市场的可能。1.1.4 发展方向我国转子式流速仪虽然处在世界先进水平，但也不是尽善尽美的，除某些结构尚可改进外，根据中国特殊国情和水流条件，借鉴国外先进经验，还有以下几个问题需

11、要解决：A、 流速仪检定公式标准化，对生产、使用、维修、管理等将带来极大方便，且可节省大量的人力、物力、财力和时间，是减人增效改革方向，同时，对计数器数据处理上也将大大简化，做到全国统一标准。B、 研制检定系数长期稳定的流速仪C、 轴承油室密封性能进一步完善，以满足我国特殊水流条件，密封结构应简化，以便于维护。D、 改进流速仪发信机构，要求简单、可靠，且便于信号传输。目前发信器件的质量与国外先进仪器有明显差距。E、 冰下测流应研究专用仪器。F、 国际上测流发展方向是测表面流速，转子式流速仪也应进行这方面的研究，如缆道积宽式测流等。在流速仪计数器方面，今后发展趋势如下：a、 需要研制高可靠性的适

12、用范围较广的流速仪计数器，特别对无线测流，研制工作应于缆道控制仪、水下发讯装置结合起来，并与计算机留有接口。从而改变无线测流时，设备自行研制的分散、落后状态。b、 机壳的设计还必须考虑密封、防雨、屏蔽及易操作性，并有合理的性能价格比，只有这样，才能逐步取代目前大量使用的落后的电铃、蜂鸣器等。c、 流速仪计数器标准化、系列化。电路设计应简单、可靠，操作简单，并能达到测算一体化。1.2 非转子式流速仪1.2.1 概述除转子式流速仪以外，其他类型的流速仪都可称为非转子式流速仪。在水文上能使用的非转子式流速仪主要有：时差法超声波流速仪、超声波多普勒流速仪、电波流速仪。国外产品声学多普勒剖面流速测量系统

13、(ADPC)和电磁流速仪也有引进。国内也接触性研制过光学流速仪，没有成功。浮标测速是不可缺少的方法，现将浮标归于本节作一说明。比托管也属于非转子式流速仪，但都用于实验室，不列入本节讨论。1.2.2 现状和主要仪器介绍投入使用的非转子式流速仪有时差法超声波流速（流量）计、电波流速仪和超声多普勒流速仪。使用台数都不多，原理也不一样。3.2.2.1 时差法超声波流速（流量）计时差法超声测速早已在国外推行，水文上用的国产设备也早就开始研制。其核心部分是利用时差法超声测速原理测得断面上某一处水深处水层或不同水深的几个水层的水层平均流速。在按水层平均流速和断面平均流速的关系推算断面平均流速。从而求得断面流

14、量。七十年代以来，湖南、上海、浙江先后研制成功。其中浙江水文局的产品有少量商品推出，在一些输水渠道和水文站使用。使用效果差别较大，不够成熟。测速范围3米左右，对断面形状、流态有一定的要求。3.2.2.2 电波流速仪从日本引进产品得到启发，九十年代研制成功LD15-1型电波流速仪。利用微波多普勒原理测量水面流速，是唯一一种非接触式流速仪。测速范围0.515m/s。作为桥侧、巡测仪器推广应用，以生产近80台产品，现场使用中，多数性能良好。解决了桥侧洪水问题，技术先进，使用方便，很受欢迎。由于用户对使用方法、测流原理尚有熟悉过程，以及价格较贵和少量性能问题，使推广受到一些影响。另外。在使用过程中，要

15、在电波流速仪测得的表面流速和转子式流速仪测得的水面流速之间建立较稳定的关系，也还需要水文站做一些比测工作。3.2.2.3 超声波多普勒流速仪这种仪器完全是我国自行研制的。1990年研制成的LSW-1型超声波多普勒流速仪，利用多普勒效应测量点流速，探头微型化，可测量2cm水深的流速，测速范围0.01-8m/s测量速度快，能定时自动测量，自动显示记录。测速探头没有运动部件，因而经久耐用，不受水中漂浮物影响，可以长期自动测流。解决了流速长期自记问题，使用效果很好。但是，由于信号需要有线传输，目前又仅限于固定安装测流，因此在水文站上使用面还不广。3.2.2.4 浮标浮标是不少水文站必需的备用测速工具。浮标都是各地水文站自行制作的，制作方法很多，这里不做叙述。没有正规生产的浮标，似乎也没必要。要生产出简易、实用、价廉又能被普遍接受的一般浮标和特种浮标（如夜间照明浮标）也是不容易的。但发达国家的浮标是很正规的，设计考虑周到，有专门厂生产。3.2.3 与国外同类仪器的比较时差法超声流速仪与国外产品有很大的差