摘要:针对现有LB70系列旋杯式流速仪的测流特点,通过在流速仪外部加装喉管,改变其所接触的水流条件,在提高其启动灵敏度的基础上解决流速仪在低流速下的测流问题,同时搭载物联网技术,以满足移动终端可实时监测流速的功能。
关键词:物联网;高灵敏;低流速;流速仪
0前言
水流速度的测量是进行水流特性分析及流量计算等水文水利工作的基础之一,因此测量仪器的性能与适用范围的改进与发展是相关工作及研究开展的前提条件。随着国际社会对地球自然地理问题和环境问题的高度重视,测量仪器的高灵敏度高精度的要求在未来水文预报中占有举足轻重的位置,是洪水预报、流量监测等工作中的主导因素。近年来,对测量仪器的使用精简性要求的日益提高,先进的测速设备日渐增多,如超声多普勒流速仪和激光多普勒流速仪等,但转子式流速仪在测速时的应用依旧广泛。为了实现旋杯式流速仪在低流速的天然河道中也能快速灵敏地启动,并可在移动终端进行对测量数据实时监控的目标,在物联网高速发展的今天,搭载物联网技术,对旋杯式流速仪进行进一步完善,在提高其检测精度与效率,同时节约成本的基础上,实现数据处理传输的实时性,解决低流速下的测流问题。
1LB70旋杯式流速仪结构特性
在我国,早期自主研发的流速仪大多功能单一,不能广泛地推广,这是由于在研发初期,我国的科学技术与电子技术较为落后,流速仪的相关研究起步相对于科学技术发达的国外而言较晚。国外研发流速仪的时期长,已形成了一套较为完整的研制和改进体系,因此国外的流速仪功能齐全,适用范围广泛。随着先进的测速设备的引进以及电子科学技术的不断进步和发展,国内对于流速仪的研发速度大大加快,目前已研制出了多种基于不同原理的流速仪。
我国早期在相关专业领域的发展较为缓慢,测速设备的功能不能完全满足测量需求。水文仪器研发制造部门基于我国水文水利测速方面的实际情况,并结合快速发展的科学电子技术,同时引进了国外先进新式的水文仪器,经过几十年的创新探索,研制出更加适合我国河流水文特性的转子式流速仪。
1.1LB70旋杯流速仪基本结构
目前,转子式流速仪在水文工作中流速测量方面的应用最为广泛,是水文水利部门进行河道水量测量的重要工具。其中,旋杯式流速仪是各行业最为常用的测量仪器之一。旋杯式流速仪的旋杯转子均匀地安装在旋转圆盘上,构成旋杯部件,当水流流经此旋杯部件时,旋杯被动感受水流,受径向作用力而启动,水流的动能使旋杯产生转矩。因此,旋杯由水流驱动,围绕垂直支承轴旋转。
流速仪的结构复杂,属于精密的测量仪器。在研究其测流特性的过程中,得出了仪器的测量精度需要由稳定程度、精确程度和稳定性共同影响的结论。因为我国天然河道中水流情况不稳定,河道的边界条件也不尽相同,导致了在实际测量过程中,需着重考虑不同的工作环境中流速仪结构性能的适应性。
目前,在水文工作中应用较多的旋杯式流速仪为:LS68、LS78、LS45、LB70等。以LB70旋杯式流速仪为例,由旋杯部件、支承部件、轭架部件、干簧管部件、齿轮部件及尾翼部件等组成。其中,圆锥形旋杯转子收尾相接排列为圆周状,组成旋杯部件,用于感知水流驱动力,通过转子旋转带动磁钢一同旋转。轭架部件是由若干个在同一圆周平面上均匀分散排列的支架臂组成,旋杯在支架臂之间固定有旋杯转子。支承部件固定在轭架部件上,包括旋转支部件和支承支部件,其采用垂直结构,用于支承旋杯转子的转动。干簧管部件的作用是根据转子转动时所提供的磁激励,将流速仪信号向外部传送。尾翼部件是用于测速工作中对保持流速仪的平衡,并依据水流流向而修正自身方向。
1.2LB70旋杯式流速仪功能特性
转子式流速仪的工作原理是水流动能到旋转转子动能的传递。水流接触到旋杯转子时,产生的推动力在转子上产生转矩,当转矩大于转动惯量、结构内摩擦与流体阻力时,旋杯启动。并在其特定的流速区间内,转子转速与水流流速直接的关系为近似线性。
由于旋杯式流速仪自身结构的特点而具有全向性,适用于中、低速河流测量。在此基础上,改进其相关部件,同时改变其所接触的水流条件,进一步提高其在低流速水流中的精确性和实用性。
2LB70旋杯式流速仪改进设想
设想在流速仪采集相关测量数据后,经由无线传感网络技术,将其发送到云计算平台进行处理、分析,并建立超限预警模型,当所测数据超出限定范围后,能够在手机、个人电脑等移动终端上做出相应警示,能够不间断地记录并建立数据库,便于后续数据资料的处理与保存。
基于上述LB70流速仪的结构功能,在此基础上提高其测量灵敏度,使其能在低流速的情况下快速启动,具有更高的测流精度,以满足日渐增高的测量需求。要实现这个目标,可以针对以下两个方面进行改进:(1)LB-70旋杯式流速仪机械结构的改进;(2)紊流情况的处理。
2.1机械部件的改进
当旋杯转子被水流驱动,水流动量对旋杯转子产生的转矩M克服了仪器系统的轴承摩擦阻力矩m,旋杯开始转动。在一定的流速范围内,由流体力学可知:
M=R•½δV2SL (1)
式中:R为旋杯的阻力系数;δ为水的密度;V为水流流速;S为旋杯投影面积;L为转动力臂长度。
由(1)式可知,增大旋杯回转直径,是增加转动力矩M降低起转速的有效途径。然而增大直径受到实际条件的限制,因此可适当增大旋杯圆盘面积。旋杯受水面积大,水流转动力矩随之增大。同时,还可加长旋杯到转轴的距离,即增长力臂,使流速仪更容易启动。又因流速仪旋杯部件对流速方向性不敏感,因此也可以省略尾翼部件,这样也就减小了流速仪的体积,同时也克服了低速时仪器不易自动对准流向带来测速误差的缺点。
2.2紊流情况的处理
旋杯沿圆周首尾相接排列,接触水流时,在水流的冲击作用下,因相接的旋杯形状凹凸的不同而产生压力差,从而形成转矩,促使旋杯带动垂直的旋转支撑轴在水平面上开始做圆周运动。显然,当水流的流速越快时,旋杯的转速也越快。如果旋杯的转速降低或者突然发生倒转时,可能在旋杯附近产生了较强的局部瞬时涡流,干扰了旋杯的正常转动。
天然河道中较低流速时的水流虽然较为稳定,有一个大致相同的流向,甚至接近于层流形态。但在实际工作中,来自外界的不可避免的扰动总是存在的,水流具有复杂性。在较大的流速条件下,水流在其过水断面上的流速分布由于液体粘滞性和断面边界的滞水作用,不能够达到绝对的均匀。所以各相邻流层之间由于水流质点之间发生相对运动,使各流层之间产生内摩擦切应力,从而产生涡体,使得各流层之间液体质点不断地相互混参,从而形成紊流。其特性是(1)无序性:液体质点的相对运动没有固定的规律,相邻质点之间能够不断地互相混掺;(2)耗能性:主要由于水流紊动产生的附加切应力和液体粘滞性引起耗能。
旋杯式流速仪由于其结构关系,在测流时不论用悬杆或悬索悬挂,一般来讲,转子部分总是对任何方向流来的瞬时水流都可以直接感受,即旋杯式流速仪的全向性。当水流处在紊流条件下,水流流速和流向都具有不确定性,垂直于过水断面的主流和不同程度和强度的横向紊流同时存在。旋杯式流速仪对于横向紊流更加敏感,从而加快其转速,致使最终测得的流速偏大。紊流结构是比较复杂的问题,与测流断面的地形情况及流速大小(例如:通常靠近河底水流紊动的程度较强;流速越大紊动亦越大)有关。
为了解决上述问题,设想一个两端开口的喉管环境,将两个旋杯式流速仪左右对称安装到喉管中(见图1、图2)。喉管的中部细长,直径小,当水流进入喉管时,喉管直径收缩,导致喉管内部水流流速增加。而旋杯在喉管中一半埋藏,一半外露,在水流流过时不会形成压差,也就大大减弱了水流紊动对测量结果的影响。
3结语
优化传统LB70旋杯式流速仪在天然河道中所接触的水流条件,减弱水流紊动情况下对流速仪启动速度的负面影响,同时对流速仪的相关物理结构做出适当改进,提高了实际应用过程中流速仪的启动灵敏性,使之在低流速环境中更易启动,测量数据的精度也会有所提升。同时,采用物联网架构,实现采集到的相关水流数据实时远程共享、监测。因此,改进后的流速仪在实际工作中有更广泛的适用范围和更强的实用性。
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基金项目
扬州大学科技创新基金支持x20170546
论文作者:蒋雪晨,杨小令,廖洒,黄宁
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/17
标签:流速论文; 水流论文; 转子论文; 部件论文; 水文论文; 喉管论文; 测量论文; 《基层建设》2018年第29期论文;