常規(guī)型流速儀的測量原理
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測量河流、湖泊和渠道等水體的水流速度的儀器。有機(jī)械、電測和超聲三種類型。機(jī)械型以轉(zhuǎn)子式為主,有旋槳式和旋杯式流速儀。電測型有電磁式流速儀。超聲型有時差法和多普勒法流速儀。
流速儀一般適用于定點測時段平均流速。由磁式流速儀或一轉(zhuǎn)多訊號的轉(zhuǎn)子式流速儀能測瞬時流速,也可用作動船法測速。 儀器的測速范圍一般為 0.03~5.00米/秒,適用水深一般為0.2~20米。1790年德國R.沃爾特曼制成轉(zhuǎn)子式流速儀,用于流速測量。中國20世紀(jì)50~60年代制造使用的旋杯式和旋槳式流速儀,具有防水防沙性能良好的特點。流速儀的發(fā)展方向是非轉(zhuǎn)子的電測技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超聲波技術(shù)和遙測技術(shù)。 旋槳式流速儀主要由旋槳、身架和尾翼三部分組成。旋槳內(nèi)裝有訊號觸點和軸承轉(zhuǎn)軸等,中國"25-1型”旋槳流速儀的轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)中有曲折的迷宮結(jié)構(gòu),內(nèi)部充滿輕機(jī)油,有較好的防水防沙性能,能在高流速和多沙河流中使用。旋槳式流速儀、旋杯式流速儀和旋葉式流速儀均屬轉(zhuǎn)子式流速儀,工作原理基本相同,是利用水流動力推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),根據(jù)轉(zhuǎn)動速度推求流速。公式為:
流速儀
式中υ為流速;N為時段內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù);t為時段歷時;c為常數(shù),反映轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的摩阻力;K值取決于槳葉螺距或杯型。K、c值均在專用水槽中檢定得出。在低速情況下由于c值的影響較大,流速公式呈曲線函數(shù)關(guān)系,不再使用上式。
轉(zhuǎn)數(shù)用計數(shù)器顯示,zui簡單的計數(shù)器是小電燈、電鈴和晶體管音響器。旋槳每轉(zhuǎn)動20圈,開關(guān)接通一次,電燈閃光或音響,由人工記數(shù),停表計時,較完善的有電動計數(shù)表、電子計數(shù)器、計時計數(shù)器和直讀流速顯示器等,這些計數(shù)器可用于旋槳每轉(zhuǎn)動 1圈有許多訊號的流速儀,能提高測速精度。
電磁式流速儀原理是把水流作為導(dǎo)體,在一定的磁場中切割磁力線,即產(chǎn)生電動勢,其電壓與流速成正比。儀器沒有轉(zhuǎn)子,外形光滑,體積小,功耗低,體腔中有勵磁線圈,在表面與磁力線垂直的方向上鑲有一對電極與水體相通。當(dāng)水流在其表面流動時,電極上產(chǎn)生微量電壓信號,用導(dǎo)線傳送到計數(shù)器上,經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換等電路處理,即可直接顯示流速。
超聲波測速儀原理見圖。把換能器布設(shè)在河岸兩邊某水深處,呈斜線方向,A點發(fā)出一個聲脈沖到達(dá)B點所經(jīng)歷的時段為t1,反之由B點發(fā)A點收的歷時為t2,由于流速的存在,逆水方向聲速減低,順?biāo)畡t增高,時間差Δt=t1-t2,流速 υ與Δt有線性函數(shù)關(guān)系。用微秒級的測時電路,經(jīng)過處理計算,即可直接顯示AB線段上的平均流速。
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