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        新型聲學(xué)多普勒流速儀及其應(yīng)用

        2017-08-16 11:44:52姜新
        河南水利與南水北調(diào) 2017年7期
        關(guān)鍵詞:測(cè)流聲學(xué)測(cè)驗(yàn)

        □姜新

        (中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所,河南,新鄉(xiāng),453002)

        新型聲學(xué)多普勒流速儀及其應(yīng)用

        □姜新

        (中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所,河南,新鄉(xiāng),453002)

        灌區(qū)渠道水流流速的監(jiān)測(cè)需要先進(jìn)的測(cè)流儀器。聲學(xué)多普勒測(cè)速儀測(cè)流裝置,它不破壞流場(chǎng)、響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高,由于其方便、快速和精確的流速測(cè)量特點(diǎn),應(yīng)用范圍起來(lái)越廣泛。文章對(duì)比了傳統(tǒng)流速儀和聲學(xué)多普勒水流儀的適用條件,介紹了聲學(xué)多普勒水流儀的基本原理,為灌區(qū)水利用系數(shù)和灌區(qū)的量水工作提供了一種新的測(cè)流裝置和方法。

        聲學(xué)多普勒測(cè)流;流速測(cè)量;方法;灌區(qū)

        0 概述

        隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,水流測(cè)速裝置也呈現(xiàn)出多樣化、先進(jìn)化和自動(dòng)化的態(tài)勢(shì)。除了常見的旋槳流速儀外,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的、新型的測(cè)量裝置也越來(lái)越多,如近年來(lái)出現(xiàn)的超聲波流速儀、激光流速儀和粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)等。裝置雖先進(jìn),但體積笨重而且價(jià)格不菲,需要熟練的操作人員等等,這些都使先進(jìn)儀器的推廣應(yīng)用受到了限制。文中采用的超聲波多普勒流速儀LSH10-1A、HXH03-1型,由廈門博意達(dá)科技有限公司生產(chǎn),采用目前較先進(jìn)的電子科學(xué)技術(shù),流速測(cè)量是利用了聲學(xué)“多普勒效應(yīng)”原理,具有以下特點(diǎn):該裝置在測(cè)流工作時(shí),由于沒有轉(zhuǎn)動(dòng)或傳動(dòng)機(jī)構(gòu),做到了不破壞、不干擾河流或渠道中水流的流場(chǎng),新一代的超聲波多普勒流速儀有較高的靈敏度及較好的抗干擾能力,對(duì)河流或渠道中的水流形態(tài),無(wú)論水流強(qiáng)弱都能精確地反映出水流的流速。同時(shí),新一代的多普勒流速儀也較好地解決了前人應(yīng)用中遇到的當(dāng)水體中泥沙、漂浮物多時(shí),測(cè)流的流速易出現(xiàn)超出誤差允許范圍值的問題,總之,新型超聲波多普勒流速儀能準(zhǔn)確和快速地測(cè)量河道水文和和現(xiàn)代化灌區(qū)渠道水流等重要參數(shù),為灌區(qū)水利用系數(shù)和灌區(qū)的量水工作提供了一種新的測(cè)流裝置和方法。

        1 LSH10-1A基本原理

        對(duì)于流速測(cè)量,根據(jù)所用儀器設(shè)備不同,可以分為流速儀法、浮標(biāo)法、超聲波法、電磁法、比降法等幾種方法。其中聲學(xué)多普勒測(cè)量流速的方法法是目前較為先進(jìn)的方法,并且能較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)河流或渠道中水流流速的實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制測(cè)量、自動(dòng)采集測(cè)量數(shù)據(jù)。聲學(xué)多普勒裝置是一個(gè)包括由ADCP換能器、操作軟件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)及連接設(shè)備等組成的系統(tǒng),是一種利用聲學(xué)換能器所發(fā)射的聲脈沖在隨水流運(yùn)動(dòng)的懸浮物質(zhì)中所產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行應(yīng)答,其特點(diǎn)是能夠測(cè)量不同水層的三維流速和流向,即測(cè)出河流的流速剖面,具有測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、精度高、資料完整豐富的特點(diǎn),特別適合于流態(tài)復(fù)雜條件下的測(cè)驗(yàn),具有極高的測(cè)驗(yàn)效率,大大提高了水文測(cè)驗(yàn)工作的技術(shù)含量和現(xiàn)代化水平。

        聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理較好地應(yīng)用在LSH10-1型流速測(cè)量裝置中,河流或渠道水體中的不均勻體,當(dāng)隨著水體流動(dòng)時(shí),會(huì)對(duì)流速測(cè)量裝置中發(fā)射到水中的超聲波產(chǎn)生不規(guī)則的散射現(xiàn)象,裝置的接收換能器會(huì)收到部分的散射聲波,當(dāng)水體流動(dòng)時(shí),相對(duì)的運(yùn)動(dòng)就存在于發(fā)射器、散射體和接收器之間,依據(jù)多普勒理論,即會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。根據(jù)多普勒頻移方程,頻移的大?。?/p>

        式中:△Fd-多普勒頻移;F0-發(fā)射超聲波頻率;C-水中聲速;θ-發(fā)射波、接收波的夾角。

        通常情況下,由于V·cosθ值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C值,可忽略不計(jì),簡(jiǎn)化(1)式為:

        對(duì)于式(3)K值為常數(shù),因?yàn)檠b置的超聲波發(fā)射頻率是不變的,為定值,而裝置安裝后,其換能器夾角同樣不變,為定值。因此從式(3)可得出:水體的流動(dòng)速度僅和△Fd和C相關(guān)聯(lián),且它們之間的關(guān)系成正比。

        2 傳統(tǒng)流速儀與超聲波多普勒流速儀對(duì)比

        傳統(tǒng)的旋槳式流速儀存在啟動(dòng)流速高且不穩(wěn)定,體積大、笨重、不便使用和攜帶,測(cè)流時(shí)會(huì)破壞水流的自然流態(tài),當(dāng)渠道中存在水草漂浮物時(shí),會(huì)纏繞住轉(zhuǎn)動(dòng)軸,對(duì)所測(cè)流速產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。由于水流驅(qū)動(dòng)的慣性影響,測(cè)定瞬時(shí)流速比較困難,一般只能用于常用平均流速測(cè)量;二者相比較,聲學(xué)多普勒原理測(cè)量流速等水文參數(shù)精度高,與傳統(tǒng)的測(cè)流方法相比,多普勒測(cè)流具有測(cè)量精確度好、分辨率高等優(yōu)點(diǎn),適用于渠道、河流流速的精確測(cè)量,當(dāng)測(cè)量河道或渠道的水流流速時(shí),它僅僅關(guān)系到水體的運(yùn)動(dòng)速度,水中漂浮物基本對(duì)裝置的測(cè)流效果不會(huì)產(chǎn)生影響。超聲波多普勒流速儀具有如下特點(diǎn):新一代的超聲波多普勒流速儀有較高的靈敏度及較好的抗干擾能力,對(duì)河流或渠道中的水流形態(tài),無(wú)論水流強(qiáng)弱都能精確地反映出水流的流速;感應(yīng)靈敏,分辨率高,不受啟動(dòng)流速限制;裝置測(cè)量水流相應(yīng)參數(shù)時(shí)反應(yīng)迅速,不但可以精確地測(cè)量平均流速,也可以對(duì)水流瞬時(shí)流速進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定;測(cè)量線性,流速檢定曲線不易變化;由于多普勒測(cè)速裝置不存在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)問題,所以,也較好地解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀由于水體中泥沙堵塞,水草、雜物纏繞等問題。

        3 應(yīng)用前景分析

        多普勒流速儀由于它的特點(diǎn)正逐步廣泛應(yīng)用于水文測(cè)流中,例如,走航式多普勒流速儀測(cè)驗(yàn)一個(gè)測(cè)回的時(shí)間大約需要15~20 min,3個(gè)測(cè)驗(yàn)人員即可完成;而傳統(tǒng)流速儀測(cè)流時(shí)需花費(fèi)幾小時(shí),且需要操作人員多。

        多普勒流速儀可采用無(wú)線遙控方式施測(cè),控制和記錄實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的技術(shù)人員可以在室內(nèi)完成,不必受天氣等其它因素的影響,同時(shí)可以獲得整個(gè)測(cè)驗(yàn)過程的所有數(shù)據(jù)。

        可按需要安裝在被測(cè)河流或渠道側(cè)面,底部或頂部,準(zhǔn)確測(cè)量單點(diǎn)或多點(diǎn)水流流速,安裝方便,各種農(nóng)業(yè)灌溉渠道,不規(guī)則河道,可以長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行,多普勒流速儀可內(nèi)置各種傳感器,準(zhǔn)確測(cè)量流速、流向、水位和水溫,滿足各種測(cè)量需要,新型多普勒流速儀功耗低,內(nèi)置可充電鋰電池,是目前最輕便、用途廣的多普勒流速儀。

        聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)流歷時(shí)短、效率和精度高。目前在國(guó)內(nèi)外已得到了廣泛應(yīng)用,在我國(guó)已有不少成功應(yīng)用的實(shí)例,比如功果橋電站水庫(kù)下閘蓄水、長(zhǎng)江三峽大江截流等,其測(cè)驗(yàn)的高效性和先進(jìn)性受到人們的青睞。

        4 聲學(xué)多普勒流速儀檢查與保養(yǎng)

        儀器設(shè)備檢修應(yīng)包括探頭檢査、防腐蝕部件檢査、電纜(信號(hào))線檢査,當(dāng)探頭表面有附著物時(shí),用光滑的軟布蘸清水小心拭去;有明顯的裂痕或較深的劃痕時(shí),應(yīng)檢驗(yàn)是否影響測(cè)驗(yàn)精度;電纜(信號(hào))線破損、漏電時(shí),應(yīng)維修或更換。

        每次測(cè)速結(jié)束后,要馬上用清水沖洗多普勒測(cè)流裝置的水下探頭,沖洗后及時(shí)擦干,避免腐蝕性的物質(zhì)接觸到探頭表面。

        在降水天氣使用時(shí),應(yīng)對(duì)裝置的主機(jī)部分加強(qiáng)防水保護(hù),避免因雨水進(jìn)入主機(jī)造成主機(jī)內(nèi)部電路短路或損壞。

        5 結(jié)語(yǔ)

        多普勒測(cè)流速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、精度高,適應(yīng)于在自然環(huán)境復(fù)雜、流量大、寬斷面的河流進(jìn)行測(cè)流作業(yè),多普勒流速儀可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),測(cè)量精度也滿足要求。

        多普勒剖面流速儀測(cè)驗(yàn)效率較高,還可以通過計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程顯示與監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出河流、水庫(kù)、湖泊等水體的水文特征值,在水資源的合理開發(fā)利用和水環(huán)境的保護(hù)等方面起到了重要作用。

        [1]超聲波多普勒流速儀,http://www.mwr.gov.cn/ztpd/2015ztbd/ swjctjh/cptj/201512/t20151204_727178.html[DB/OL]2015.

        [2]莫明輝,張沈陽(yáng).聲學(xué)多普勒測(cè)流儀在奉化江潮流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].浙江水利科技.2011,(6):55-56.

        [3]莫明輝,張沈陽(yáng).聲學(xué)多普勒測(cè)流儀在奉化江潮流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].浙江水利科技.2011,(6):55-56.

        [4]閆建良,謝源源.ADCP與流速儀測(cè)流在他什店水文站的比測(cè)精度分析[J].黑龍江水利科技,2008,36(5):35-36.

        [5]滿春香,劉陽(yáng)明,柳恒.走航式聲學(xué)多普勒流速儀在黑龍江干流流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].東北水利水電.2012,(2): 63-65.

        P335

        A

        1673-8853(2017)07-0095-02

        2017-05-15

        編輯:左英勇

        中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“農(nóng)田排水技術(shù)與產(chǎn)品”

        姜新(1969-),女,漢族,主要從事農(nóng)田排水技術(shù)研究工作。

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