聲學(xué)多普勒流速剖面儀實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法探討 (1).docx

1、聲學(xué)多普勒流速剖面儀實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法探討劉艷平，鄒君，魏韶輝（南瑞集團(tuán)公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇南京211116）摘要：用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）進(jìn)行流量測(cè)量是近幾年興起的新技術(shù)，但聲學(xué)多普勒流速剖面儀如何在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試是一個(gè)難點(diǎn)。給出了一種聲學(xué)多普勒流速剖面儀實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法，該實(shí)驗(yàn)室由水槽、氣泡發(fā)泡裝置、儀器固定支架和自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成，通過(guò)氣泡發(fā)泡裝置模擬自然河流懸浮顆粒和水中氣泡，儀器固定支架固定儀器并旋轉(zhuǎn)超聲換能器使其和水流方向一致，自動(dòng)化系統(tǒng)攜帶儀器前進(jìn)后退形成相對(duì)流速。此方法可以比測(cè)實(shí)測(cè)流速和自動(dòng)化系統(tǒng)行進(jìn)速度，簡(jiǎn)化了國(guó)標(biāo)、行標(biāo)中聲學(xué)多普勒流速剖面儀的檢測(cè)方法以及測(cè)

2、試條件和設(shè)備需求，大大降低了開發(fā)儀器的測(cè)試、檢測(cè)成本，更有利于國(guó)內(nèi)儀器的研制和推廣。關(guān)鍵詞:ADCP；流量測(cè)量；實(shí)驗(yàn)室；檢測(cè)方法中圖分類號(hào):TP206.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)：1000-8829（2018）08-0075-03doi：10.19708/j.ckjs.2018.08.017DiscussiononLaboratoryTestMethodofAcousticDopplerCurrentProfilerLIUYan-ping,ZOlJun,WEIShao-hui(NARIGroupCorporation(StateGridElectricPowerResearchInstitute

3、),Nanjing211116,China)Abstract:ItisanewtechnologytomeasureriverflowbyacousticDopplercurrentprofiler(ADCP)inrecentyears.However,ADCPisdifficulttotestinthelaboratory.AlaboratorytestmethodforADCPispresented.Thelaboratoryiscomposedofflume,bubblefoamingdevices,instrumentmountingbracketsandautomaticsystem

4、.Thebubblefoamingdevicesimulatedthenaturalriversenvironment,theinstrumentmountingbracketsfixedtheinstrumentandrotatedrotarytheultrasonictransducertowaterflowdirection,andautomaticsystemcarriedinstrumentforwardorbackwardtoformrelativeflowvelocity.Thismethodcanbecontrastedwiththemeasuredvelocityandaut

5、omaticsystem,itsimplifiestheenvironmentalrequirements,testconditionsandtestmethodsofthenationalstandard.Itgreatlyreducesthetestingandtestingcostofdevelopmentinstrument,andismoreconducivetothedevelopmentandpromotionofdomesticinstruments.Keywords:acousticDopplercurrentprofiler(ADCP);flowmeasurement;la

6、boratory;testmethod現(xiàn)行流量測(cè)量多采用單點(diǎn)流速測(cè)量方法,通過(guò)對(duì)測(cè)流垂線逐一進(jìn)行點(diǎn)流速測(cè)鼐.然后根據(jù)流速面積法換算出整個(gè)斷面的流信，這種測(cè)驗(yàn)方法被廣泛使用，其測(cè)量精度能夠滿足水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范的要求，但每次測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng),測(cè)量人員要全程操作記錄，不適合自動(dòng)化測(cè)流。聲學(xué)多普勒流速剖面儀（AcousticDopplerCurrentProfilers,ADCP）是一種新型的全自動(dòng)化流量測(cè)量?jī)x器。其主要優(yōu)點(diǎn)有：直接測(cè)出斷面的流速剖面;不擾動(dòng)流場(chǎng);測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短;測(cè)速范圍大。最初收稿日期=2017-05-11作者簡(jiǎn)介：劉艷平（1984）,男，山東臨沂人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化、

7、大壩安全監(jiān)測(cè)、水情水調(diào)環(huán)境監(jiān)測(cè)等C主要應(yīng)用于海洋流場(chǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)查、流速和流量測(cè)驗(yàn)等，隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展,ADCP的成本不斷降低,被許多水利部門引用到自然河流流量測(cè)量，給ACDP帶來(lái)跨越式發(fā)展。1測(cè)量原理多普勒效應(yīng)主要內(nèi)容為物體輻射的波長(zhǎng)因波源和觀測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面,波被壓縮,波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高；在運(yùn)動(dòng)的波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)，波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低;波源的速度越高,所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)頻率變化的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。ADCP利用超聲多普勒頻移原理對(duì)流速進(jìn)行測(cè)最。按照多普勒原理，自然河流中存在泥沙、微小粒子、浮游生物、氣泡等大

8、量的散射體。AOCP的超聲波換能器向水中發(fā)射超聲波，經(jīng)過(guò)上述散射體對(duì)超聲波進(jìn)行散射,散射回波信號(hào)頻率和這些散射體的速度相關(guān)，這些散射信號(hào)被ADCP接收和處理。散射體隨水流動(dòng)，它們的速度和水流的速度一致，在這個(gè)前提下，測(cè)得這些散射體的速度就是流速。由文獻(xiàn)1可知：v_fdc2/+fjcosa式中，為水流流速匕=Z-h為多普勒頻移;c為水中聲速;。為水流方向與超聲波傳輸方向的夾角。可見(jiàn),若水流方向垂直于超聲傳播方向（即a=90°），則不會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此,超聲換能器發(fā)射的超聲波不能垂直水流方向，而應(yīng)與水流方向有一定的夾角a,a一般取60。70。2標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法ADCP可固定在測(cè)量船上，也

9、可固定在河岸，也有和浮圈捆在一起懸浮在水中的。根據(jù)使用安裝方式,大致分為水平固定式ADCP（見(jiàn)圖1）和走航式ADCP（見(jiàn)圖2）。近兒年聲學(xué)多普勒流速剖面儀在國(guó)內(nèi)水文水利市場(chǎng)大最使用,為了規(guī)范市場(chǎng)，國(guó)家制定了國(guó)標(biāo)和行標(biāo)。圖1水平固定式ADCP相應(yīng)的國(guó)標(biāo)為CB/T24558-2009聲學(xué)多普勒流速剖面儀，行標(biāo)為HY/T102-2007聲學(xué)多普勒流速剖面儀檢測(cè)方法。根據(jù)行標(biāo),ADCP的檢測(cè)需要很苛刻的條件和設(shè)備。其中以下兩點(diǎn)很難在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，分別是試驗(yàn)區(qū)和試驗(yàn)船:試驗(yàn)區(qū)應(yīng)有穩(wěn)定寬闊的分層流場(chǎng)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的水流速應(yīng)無(wú)顯著變化，海況應(yīng)不大于3級(jí);試驗(yàn)船排水量應(yīng)不少于100t,船速應(yīng)在08.0m/s范圍內(nèi)可

10、調(diào)，應(yīng)配有羅盤導(dǎo)航控制系統(tǒng)。3現(xiàn)行測(cè)量方法聲學(xué)多普勒流速剖面儀國(guó)標(biāo)的主要起草單位為國(guó)家海洋技術(shù)中心,聲學(xué)多普勒流速剖面儀檢測(cè)方法的主要起草單位為國(guó)家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心。國(guó)內(nèi)具備聲學(xué)多普勒流速剖面儀產(chǎn)品驗(yàn)證資質(zhì)的機(jī)構(gòu)為國(guó)家海洋技術(shù)中心，現(xiàn)在還未建成專門實(shí)驗(yàn)室，檢測(cè)試驗(yàn)需要租湖區(qū)和船舶檢測(cè)，費(fèi)用根據(jù)實(shí)際情況收?。òㄗ赓U費(fèi)和檢測(cè)費(fèi)），經(jīng)咨詢到現(xiàn)在沒(méi)有儀器檢測(cè)過(guò)。國(guó)外儀器都是直接工程使用，國(guó)內(nèi)做相關(guān)研究的單位（比如中科院聲學(xué)所），采用比測(cè)的方法，在相同水域和國(guó)外先進(jìn)儀器比測(cè)。4實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法如果ADCP開發(fā)過(guò)程中每次都按照上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試改進(jìn)或者現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)，會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力，增加研制成本，不利于國(guó)產(chǎn)

11、ADCP的研制。因此急需一種較簡(jiǎn)單的可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試的方法，利于國(guó)產(chǎn)ADCP的研制。根據(jù)ADCP測(cè)流原理要求，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試有以下3點(diǎn)要求:水流速度可控可測(cè);水中有大量的散射體;有滿足儀器危程的水域。為給公司研制的AD-CP進(jìn)行測(cè)試，公司自建了測(cè)試實(shí)驗(yàn)室,此實(shí)驗(yàn)室主要由水槽、自動(dòng)化試驗(yàn)系統(tǒng)和納米發(fā)泡裝置3個(gè)部分構(gòu)成。 水槽。由超聲多普勒效應(yīng)原理可知，要產(chǎn)生超聲多普勒頻移必須有速度分量在超聲波傳輸方向上。在實(shí)際使用中，如果保證超聲波傳輸方向和水流流速方向一致，會(huì)給安裝使用造成很大麻煩。所以儀器設(shè)計(jì)人員測(cè)最超聲傳播方向的流速分最,根據(jù)超聲波傳播方向和水流方向夾角來(lái)推算流速。實(shí)際使用時(shí)（見(jiàn)圖1、圖2所

12、示），ADCP超聲波傳播方向和水流方向有一定的夾角，為60。70。按照此指標(biāo)，最大剖面范圍為25m的ADCP測(cè)試至少需要一個(gè)長(zhǎng)24m、寬20m、深1m的水域。大量程剖面范圍的ADCP,則需要的水域成倍增加，實(shí)驗(yàn)室中如果建設(shè)如此大的水域，是一個(gè)巨大的投入,許多公司和機(jī)構(gòu)承擔(dān)不起。進(jìn)一步圖3儀器固定支架圖4水槽圖5設(shè)計(jì)原理供電觸排ABCN軌道穩(wěn)定段加速段禁止段禁止成加速朗穩(wěn)定m研究ADCP儀器設(shè)計(jì),ADCP使用幾個(gè)超聲波換能器測(cè)量流速，主要是為了測(cè)量多維流速，比如自然河流中七y方向流速。按照超聲多普勒效應(yīng)理論，只要ADCP超聲波傳播方向不和水流方向垂直就可以測(cè)得流速?；诖死碚摶A(chǔ),可以以點(diǎn)帶面，

13、如果ADCP每路超聲波換能器所測(cè)流速都很準(zhǔn)確，那么整個(gè)儀器的流速測(cè)量精度也可以得以保證。為了減少水域要求,分別使ADCP每個(gè)超聲波換能器發(fā)射的超聲波傳播方向和水流方向一致測(cè)試每路流速測(cè)量精度。在這種情況下剖面范圍為25m的ADCP每個(gè)測(cè)試只需要一個(gè)24mxlmxlm的水域，實(shí)驗(yàn)室投入大大減少?；诖?設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試支架，調(diào)節(jié)ADCP各個(gè)超聲波換能器使其和水流方向一致，如圖3所示。其中支架固定在可移動(dòng)平臺(tái)上,“1”可調(diào)節(jié)ADCP儀器的旋轉(zhuǎn)，使2個(gè)超聲波換能器分別和水流方向平行。根據(jù)測(cè)量的頻移數(shù)據(jù)，可以推算每路水流流速測(cè)危精度，如果每路測(cè)試結(jié)果都很準(zhǔn)確，那么儀器整體性能也會(huì)達(dá)標(biāo)°基于此,公

14、司自建水槽，其長(zhǎng)寬深為110mx1.4mx1.4m,如圖4所示，可以做最大剖面范圍為KX)m的ADCP測(cè)試。(2)自動(dòng)化試驗(yàn)系統(tǒng)。儀器放置在水中,有兩種模擬水流動(dòng)的方式。一種是建設(shè)水塔或者地下水室,通過(guò)水泵和流量閥控制水動(dòng)，這是文獻(xiàn)1提出的水槽測(cè)試法，但其建造成本仍然較高，有地下作業(yè)要求;另一種是儀器在水中以恒定速度移動(dòng),模擬水流動(dòng)。公司采用第二種方案，設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。在水槽兩側(cè)頂部表面預(yù)埋鋼板，在鋼板上安裝導(dǎo)軌調(diào)整機(jī)構(gòu)，然后安裝直線導(dǎo)軌及齒條，小車驅(qū)動(dòng)及速度控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)小車和實(shí)驗(yàn)儀器在軌道上按照設(shè)定的速度穩(wěn)定的行走，并到達(dá)指定位置后及時(shí)停車或往返行車，如圖6所示，圖3的調(diào)節(jié)支架和儀器可

15、以懸掛在小車上。小車技術(shù)指標(biāo)如下：車速使用范圍：0.32m/s；檢定車-二水槽圖6小車控制系統(tǒng) 變速方式:變頻器(伺服)調(diào)速。 車速變化率3：I-C2.00%,車速WO.1ni/s8.WI.OO%,0.1m/s<車速W0.5m/s0.60%，車速>0.5m/s(3)納米發(fā)泡裝置。根據(jù)ADCP測(cè)流速原理，要達(dá)到較為精確的檢測(cè)效果，水體中必須有足夠的反射物質(zhì)。最初，嘗試了在水槽內(nèi)撒石灰石的方法，但其顆粒較大極易沉淀，需要不停攪拌。為了避免攪拌，考慮加入一定最的穩(wěn)定劑，但是配比較復(fù)雜,不能很好地形成懸浮顆粒。在此基礎(chǔ)上,還試驗(yàn)過(guò)牛奶、濁度液等。所有這些效果都不是很理想,此外，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后的

16、水槽污染嚴(yán)重。最終發(fā)現(xiàn),如果要得到滿意的檢測(cè)效果，水體中必須模擬自然河流的懸浮顆粒和氣泡，如果散射物質(zhì)濃度不夠或散射物質(zhì)濃度不均勻,都會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。通過(guò)綜合考慮散射物質(zhì)的均勻性和可能帶來(lái)污染后果的，最終采用微納米氣泡作為聲學(xué)反射體，能提高靜水的散射強(qiáng)度，氣泡濃度的均勻性也能得到較好的控制，同時(shí)可以在水中加入泥沙，通過(guò)氣泡鼓起。設(shè)計(jì)方案如圖7所示，氣壓泵連接主氣管，每個(gè)發(fā)泡裝置并聯(lián)在主氣管上。實(shí)際效果圖如圖8所示。圖7發(fā)泡裝置(下轉(zhuǎn)第81頁(yè))經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組的SP02數(shù)值與對(duì)照組存在相關(guān)性，兩者測(cè)量誤差的最大值為3%。測(cè)量誤差的均值為0.96%，測(cè)最誤差的方差為0.0016。相對(duì)于魚躍YX3

17、01指夾式脈搏血軾儀而言,所設(shè)計(jì)的智能血假手環(huán)的測(cè)量數(shù)據(jù)稍微偏低。原因主要是人體指尖的SPO2本身較腕部高，且在腕部測(cè)量時(shí)有靜脈血的擾。5結(jié)束語(yǔ)設(shè)計(jì)了透射式的腕帶血氧飽和度檢測(cè)儀,有效改磐相關(guān)設(shè)備的易用性和實(shí)用性。實(shí)現(xiàn)低功耗的Sp()2實(shí)時(shí)測(cè)量及異常報(bào)警，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與歷史數(shù)據(jù)查洵功能。當(dāng)前系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙將血假等信息傳輸?shù)揭苿?dòng)終端后，只能進(jìn)行本地查看，下-步工作將增加云端同步查閱的功能。參考文獻(xiàn)：1 朱曄涵，馬家用.慢性阻塞性肺病患者夜間呼吸、血氧飽和度持續(xù)監(jiān)測(cè)的意義J.江蘇醫(yī)藥，1997.23(3).2 張亞，趙興群,萬(wàn)遂人.一種單片便攜式脈搏血氧飽和度測(cè)址儀的研制J.測(cè)控技術(shù),2011,

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