超聲多普勒流速儀的研制(下).docx

1、超聲多普勒流速儀的研制（下）青京水利水文自動(dòng)化所鄧昌閭Sing三、儀器誤差分析根據(jù)流速與多普勒訊號(hào)的關(guān)系式為:扁T催COS%+COS0J0。其中為多普勒頻移量.上為工作頻率，V為流速，C.為聲波在水中傳播速度，e：為發(fā)射聲軸與水的流向我角，如為接收聲軸與流向夾角.由（D得c七Vtexf/COSfi,+cos%）dV一de+r+g必f°研Q由（2）式則可得到：dVdAfDdCdfoV十Cf°Sin們dzCosOl+Cqs62Sin0jd»|Cosj+Cos%上式袁明：所漏流速值的相對(duì)誤差是由多普勒頻率的相對(duì)誤差、聲速的相對(duì)誤差、工作頻率的相對(duì)誤差以及由于S、的偏差所

2、引起的兩項(xiàng)相對(duì)謖差的總和.dfft（一）工作額率的相對(duì)誤差7:前面已經(jīng)提到，由于采用電容三點(diǎn)式晶振電路，'的相對(duì)df°y1<0,5%.由于。角所引起的相對(duì)誤差：其中%=15°,設(shè)6務(wù)=de?2°,smqdS誤差（二）S=o°則*&瓦出有庭6%8.=,二二4%3Cos?！?Cos03（三）由于聲速所引起的相時(shí)誤耋普.，該攻誤差主要由兩種因素產(chǎn)生，其一是渥度的彩響；其二是由于金沙置的彩響.1,含沙量的影響：根據(jù)RJUrick提出的計(jì)算懸濁液聲速的公式，R,Urick認(rèn)為：當(dāng)懸浮顆粒粒徑比波長(zhǎng)小，并隨液體一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，則可根據(jù)液體一般公式來

3、計(jì)算聶濁液的聲速即c=J蘆xtn其中Bf為懸濁液混合棒性模置、Pe為混臺(tái)密度，對(duì)于5MHZ頻率，波長(zhǎng)為03mm,滿足上述條件-Urick,Ament.Bradfield等入用50KHZ、200KHZ,15MHZ等頻率，在石松子（粒徑30”），高嶺土（粒徑0.25乂）的懸濁液中，進(jìn)行威驗(yàn),沸定不同濃度時(shí)吸收系數(shù)與聲速變化情況，不管是理論計(jì)算曲線或不同的試驗(yàn)曲線，在低濃度時(shí)，聲速都將偎低，在體積波度不超過3%時(shí)，聲速變化不超過1%（如圖3所示,對(duì)亍15Kg/m3的含沙胃，其體積濃度約為0.7%.所以可以不考慮由于舍沙:所引起的聲速相對(duì)010203040%）圖3高齡土的懸濁液濃度與吸收系數(shù)及聲速關(guān)系

4、（Bradfield）2. 溫度的影響：根據(jù)Greenspan-Tschiegg的試驗(yàn)公式：C=14O2.736+5.O3358t-O.O5795O6t2+3.31636x10*當(dāng)t=20t!時(shí)，C=1482.66m/s其聲速的相玷溫度梯度約為0.002/度.即溫度每變化尸時(shí)，聲速相對(duì)變化孚«1%<過微機(jī)處理進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其相對(duì)誤差不超過1%,1?<51%4c（四）多普勒訊號(hào)的相對(duì)誤差產(chǎn)生多普勒訊號(hào)誤差的原因有三種：一是計(jì)時(shí)誤差引起的計(jì)數(shù)誤差；二是計(jì)數(shù)誤差；三是由于訊號(hào)譜展而引起的計(jì)數(shù)誤差.L計(jì)時(shí)誤差，單片機(jī)時(shí)標(biāo)訊號(hào)是晶振原率，其相對(duì)時(shí)間誤差為2,計(jì)數(shù)誤差：計(jì)數(shù)誤差產(chǎn)生原

5、因，一是在取樣時(shí)段內(nèi)對(duì)多普勒訊號(hào)的計(jì)數(shù)可能相崟一個(gè)訊號(hào)，相當(dāng)于1.6又1。7中的流程;二是儀器該數(shù)分辨率所引起的讀數(shù)誤差，讀數(shù)分辨率為0.01m/s,由多普勒訊號(hào)轉(zhuǎn)換成流速值時(shí)采用四舍五入，因此旻示的流速值與實(shí)際流速值可能相差的量大值為0.005m/s.由于儀驀采取連續(xù)取樣工作方式，為了減少上述原因在低速端所產(chǎn)生的相對(duì)誤差，一是采用較長(zhǎng)采樣時(shí)間如A10S,二是連續(xù)多次來樣，取其均值，如流速為0.1m/s時(shí)，果樣時(shí)間為10S,連續(xù)取樣10次（即按鍵一次）的流速均值其相對(duì)誤差a.V5%0.一3由于訊號(hào)譜展而產(chǎn)生的相對(duì)誤差取決于傳感器的質(zhì)量與所采取的技術(shù)路線，根據(jù)前面所提到的一系列技術(shù)措施以及比測(cè)數(shù)

6、據(jù)，檢定試驗(yàn)及讀數(shù)重復(fù)性試驗(yàn)情況分析，估計(jì)由于譜展所產(chǎn)生的相對(duì)誤差57V8X1S七由此可得：儀器的最大均方差為<5-+<5+?5+（5+<5=0.013485.3%（4）在流速儀檢定水槽試莪堵果，全線均方差為1.12%,為了保證儀表使用精度，則應(yīng)該注意正確的使用方法，主要是傳感器探頭要對(duì)準(zhǔn)流向；瀏點(diǎn)應(yīng)選擇流態(tài)平穩(wěn)的地方；儀驀應(yīng)固定可靠不要有抖動(dòng)或接動(dòng)現(xiàn)象；如果水面有波浪，則儀驀應(yīng)有一定的入水深度，以免傳感驀暴露水面，避免在強(qiáng)電稀場(chǎng)情況下使用，在低速情況下，采樣時(shí)間要求>10S,并取其連續(xù)10次呆樣的均值等.四、比刪與試驗(yàn)為了全面地考核儀器性能，提高儀驀質(zhì)量，曾經(jīng)進(jìn)行了下

7、列試驗(yàn)：流速儀檢定水槽的檢定試驗(yàn)；在可變坡水槽中與激光流速儀對(duì)比試驗(yàn)；在動(dòng)水褶中與旋槳流逑儀的對(duì)比試驗(yàn)；在不同情況下儀驀讀數(shù)的穩(wěn)定性與分布規(guī)律試蹌；多水草、高流速、大含沙量情況下應(yīng)用試驗(yàn)；污水中長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)；潮汐河模型試驗(yàn)；動(dòng)船試驗(yàn)；淺水中試騷等在這些比洌與應(yīng)用試驗(yàn)中，實(shí)測(cè)流速范圍為0.01-8m/S以上，含沙量為030Kg/n?以上，景淺水深為3.5cm,訊號(hào)傳輸距離為V60m,流速比測(cè)檢定范圍為0、0177-4.387m/s°下面分別簡(jiǎn)介幾次主要試驗(yàn)情況：（一）流速儀檢定水槽中與車速對(duì)比情況試驗(yàn)方法是將傳感器固緊在測(cè)桿上，探頭與測(cè)桿垂宜并指向檢定車前進(jìn)方向，當(dāng)車子啟動(dòng)；車速均勻后

8、，車速由記錄紙帶記錄下來，同時(shí)人工記錄儀驀所顯示的多普勒訊號(hào)數(shù)或直讀流速值，由車速訊號(hào)計(jì)算出車速并與儀器洲量做一一對(duì)應(yīng)比裝，計(jì)算其絕對(duì)差值，相對(duì)差值與全線均方差.計(jì)算結(jié)果，在22組讀數(shù)中，其棉對(duì)誤差鏟W1%的共12個(gè)，1%號(hào)W2%的共8個(gè)，其余兩個(gè)分別為2.1%與一2.2%,全線均方差為1.12%,儀野由于不存在轉(zhuǎn)動(dòng)部件，所以不存在轉(zhuǎn)子式儀驀所固有的C值與K值.檢定誤差計(jì)算表如下表所示超聲洲速儀嗦數(shù)值m/s車速lm/s)v011b絕對(duì)差值vim/s)平均絕對(duì)差值m/s相對(duì)差值左v/v0%）I1:均方差M%1044.3244.316+0.008-0.028+0.19;0.03614.387-0.

9、063一1.442.07363.9023.900+0.002、+0.002+0.050.00253.4563,502-0.046-0.046i-1.301.693.3273.364-0.037-0.037!-1.001.0012.9802.972一一.+0.0080.0115+0,270.0732.9650.015+0.510.262.9002.031-0.031-00055-0.100.012.780+0,020+0,070.00492.0802.085-0.005-'+0.01-一0240,0581Z12.055+0.025+1.21.44，、<|>211,6771.6

10、41+0.036+0.036+2.14.410.3340.329+0.005KJ.0051.52.250,09540,0939+0.0015+0.0015+1.62.56R0.09170.0920-0.0003-0.0003-0.330.10.01790.0177+0.002+6,0002+1J1.210.06310.0650-0.0013-0.0013-2.24.040.1130.11241+0.0006+0.0006+0.50.250.59980.5931+0.0067+0.0067+1.31.691.1091.10900001.6341.604+0.03+0.03+1.873.4971.

11、9832.004-0.021一0.021-1.001.00,LSW-1型超聲流速檢定誤差計(jì)算表（二）在變波水槽中，與激光流速儀對(duì)比試驗(yàn)及讀數(shù)分布規(guī)律試驗(yàn),試驗(yàn)是在河誨大學(xué)水力學(xué)實(shí)野室內(nèi)進(jìn)行，可交波水槽是由英國(guó)ArmHed公司提供的，室主任張志軍副教授親自主持試驗(yàn)全過程，在與激光流速儀比測(cè)時(shí)，起聲波蘆束與激光束都調(diào)整在同一測(cè)點(diǎn)上，并同步讀數(shù)，因而避免了由于兩種儀器取樣時(shí)間不一致或測(cè)點(diǎn)的差異形響比測(cè)的真實(shí)性.在三組時(shí)比數(shù)據(jù)中,相對(duì)差值分別為1%，0.9%與。.5%在儀馨讀數(shù)分布朗律的試驗(yàn)中，共測(cè)試了四組數(shù)據(jù)。第一組采樣時(shí)間為10秒，連續(xù)記錄200個(gè)數(shù)據(jù)，其中讀數(shù)為CL39m/s的107個(gè)'

12、，古總數(shù)53.3%,數(shù)探葛散度在0370.41m/s之間，呈正態(tài)分布.標(biāo)準(zhǔn)差為。07266,偏態(tài)系數(shù)為629x1。-，第三組讀數(shù)取樣時(shí)間為1。秒,連續(xù)取樣50次,其中0.19m/s的4。小,占總數(shù)的80%,其余讀數(shù)為0.18m/s.第二組與第四組瀆數(shù)取樣時(shí)間均為100秒，讀數(shù)基本上無離散現(xiàn)象.（三）在動(dòng)水槽中,讀數(shù)重復(fù)性能試驗(yàn)及與旋槳流速儀的對(duì)比試驗(yàn)清況.1. 為了正確測(cè)定儀器所測(cè)讀數(shù)的重復(fù)性能，必須保持流態(tài)的穩(wěn)定，為此涮點(diǎn)選擇在水糟中部（約40m處）；測(cè)定時(shí)間安排在中午12時(shí)以后,以避免由于市電的不穩(wěn)而引起流速的波動(dòng).試驗(yàn)以前，水泵電機(jī)啟動(dòng)半小時(shí)，此時(shí)水流循環(huán)基本上這到平穩(wěn)狀態(tài),試驗(yàn)結(jié)果如下

13、:所測(cè)時(shí)段平均流速為：4k=2.28l3m/s.（其中N/e(V讀數(shù)均方差:f-0.0026480.265%.讀數(shù)重復(fù)率為M=0.9973599.735%.2與流速儀比瀏情況比測(cè)流速范圍：0.6m/s2.4m/s.共6種流速，240個(gè)讀數(shù).24淵次.W1%的共6次;其中相對(duì)誤差|今W2%的共5次;1%v3%的共8次;|AV|>3%的共5次.在試驗(yàn)過程中.兩種儀器都安裝在水槽中心的同一水層高度.但前后相差5m.由于測(cè)點(diǎn)不同.同時(shí)在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)由一種流速調(diào)節(jié)到另一種流速時(shí).水槽中將出現(xiàn)兩種水面的過程，要達(dá)到新的平穩(wěn)狀態(tài)需要很長(zhǎng)的時(shí)間，考慮到停電等因素，試驗(yàn)又必須抓緊進(jìn)行.因此有幾組讀數(shù)水流未達(dá)

14、到完全穩(wěn)定情況.這可能造成一些讀數(shù)相差較大的原因.（四）高流速,多水草情況下的應(yīng)用試驗(yàn)：1988年8月，由山西省水土保持科學(xué)研究所主持了國(guó)內(nèi)首次大規(guī)漠的土壩過水防護(hù)措施試雄，其目的是試驗(yàn)不同草、漠木植物在高流速的沖擊下的護(hù)坡性能.試蹌是在一土壩上進(jìn)行，壩高6米.坡比1:2,5.在下游壩坡上布有1x3m的試驗(yàn)桀，渠內(nèi)種有茂密的草或灌木植物.深木枝高為1.52米，革的密度為30。400棵.高為0.30.8米.我們應(yīng)邀參加并負(fù)貴流速測(cè)Jt任務(wù).在試驗(yàn)過程中.取得五組讀數(shù)，流速范圍為5.11m/s8,848m/s.舍沙it變化很快.且分布不均.約為135KG/m七由于流速很大.流場(chǎng)急劇變化.傳感器在第

15、三個(gè)試驗(yàn)渠遇Jf時(shí)被永沖走.（五）在污水長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)，試蹌是在一鋼鐵廠排污萊中進(jìn)行的.污水源主要是煉焦車間的廢水及地表水，水中含疏、制等多種元素及大:懸浮物質(zhì)，試驗(yàn)迄今巳近三個(gè)月.儀器仍在正常工作.由于儀器傳感器是應(yīng)用電，聲敏感器件.因此在試駿與應(yīng)用中.要求回避強(qiáng)電、碰的干擾.情別要避開像馬達(dá)與電焊等強(qiáng)電磁波輻射.以保證浜it的植度.五、應(yīng)用與展望超聲多普勒流逑儀，由亍傳感券小巧靈活酎用，具有極高的靈敏度與流速分辨率.有良好的抗腐蝕性能與抗簌浮能力，能連續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行，不用上油清洗，不存在機(jī)械磨損.不存在K.C值.因而不需要定期再檢定，對(duì)流速響應(yīng)實(shí)時(shí).應(yīng)用先進(jìn)的橫機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能顯示、存儲(chǔ)與

16、打印測(cè):站果.是一種新型的、功能齊全的、智能化的流速流:測(cè)置設(shè)備.儀器剛一問世.引起了國(guó)內(nèi)外有關(guān)行家的關(guān)注.包括美國(guó)、荷蘭.丹麥和臺(tái)灣一些專家都表示了祓大的興趣，甚至要求立即付費(fèi)買下樣機(jī)；國(guó)內(nèi)巳有專家學(xué)者應(yīng)用研制樣機(jī)，進(jìn)行新的測(cè)流或域的科學(xué)研究與應(yīng)用.有的用戶，巳經(jīng)要求通過微機(jī)的控制.用于流速流量的自動(dòng)集測(cè).由于應(yīng)用超聲多普勒測(cè)速原理與儀券所共有的特殊功能，一些復(fù)雜而困難的流速流景課題將得到解決.在此.就目前巳經(jīng)提出而又急待解決的一些主要課題作粗淺的討論：1. 冰下流速測(cè):.在嚴(yán)寒季節(jié)或地區(qū).轉(zhuǎn)子式流速儀由于容易結(jié)冰，冰下流速測(cè)量長(zhǎng)明碓以解決，但對(duì)于超聲多替勒流速儀來說.由字不存在轉(zhuǎn)動(dòng)部分，流

17、速訊號(hào)是通遷聲波的傳播來傳遞的.而冰作為一種介質(zhì)同樣可以傳播超聲波；冰和水的聲阻抗相差不大.大部分訊號(hào)能:都可通過冰水介面，因此即使在傳感表面靖層薄冰，也不會(huì)號(hào)響儀器性能；其次由于傳感器在電聲轉(zhuǎn)換過程中,一部分能量轉(zhuǎn)換成熱能面使傳感器溫度上升.經(jīng)我們粗略測(cè)定溫度可達(dá)20V,因而，即使在氣溫很低情況下，傳感器也，不會(huì)堵冰.2. 淺水.狹窄流場(chǎng)，底流等流速的測(cè):,這主晏是由于傳感器很小和非接觸測(cè):方式，即測(cè)點(diǎn)并不是傳感器所在位置，而是在傳感器的前方.3. 瞬時(shí)流速、流速過程線與動(dòng)態(tài)測(cè)量，這主要是由于儀器具有極高的流速分辯率及對(duì)流速響應(yīng)實(shí)時(shí),而對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)置（如動(dòng)船法，積寬積深法測(cè)流等），則要求采取妥

18、善的屏枝措施.4. 其他如微流速與高流速的測(cè)置；多恩浮物質(zhì)與腐蝕性流質(zhì)的測(cè)謹(jǐn)；流速的自記與長(zhǎng)期觀瀏；流速的集測(cè)等.展而望之，儀器捋可在冶煉、石油、環(huán)保、海洋等部門得到應(yīng)用,.X-又偵器刖剛何世，初次試制，不盡完善，加上遇題涉及學(xué)科較多，有關(guān)資料與測(cè)試設(shè)備等很少.在整個(gè)研制過程中，深感水平有限，知識(shí)面太窄，不足之處在所難免.切望大家提出寶貴意見.在研制過程中，得到孫勇、唐躍平、張止戈等同志的合作與協(xié)助，在此深表感謝。>主鬟考資料： 鄧備間：.對(duì)超聲波多普勒法測(cè)速問卷約研究”（散牯子汶群的散射困形設(shè)想及誤差厚一節(jié)）水利水文自動(dòng)化（總第三期， 敷民強(qiáng)：,再論超聲多普勒海流計(jì)海洋技術(shù).第六卷第三效 PSGrwn,SpectralBroadeningofAcousticReverberationinDopplsr-shiftFluidFlowmeterJASAVol.36NO.7PI3831390 廄音波技術(shù)便覽（日）（居洼液中的超音波的吸收一節(jié)）PJ007-1010 水文儀藩使用與維修手冊(cè)第一分冊(cè)、（上接第19頁(yè)）影響因于彩響的大小及顯著情況暴祠場(chǎng)次神禳方法由于融雪使雷達(dá)值號(hào)增強(qiáng)融雪的贓響在所有層云雨中都是顯著影響因于當(dāng)在達(dá)波束中存在著,亮帶時(shí).要比僅有降雨反射率提高l5dB2盡量雙測(cè)到融雪層以下在霧或?qū)釉浦杏赀@神情況發(fā)生在有寡或低層云存在時(shí)，雨率11有寡