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1引言 水流流速、流量的測(cè)定,作為水文學(xué)的主要內(nèi)容之一,一直受到人們的普遍關(guān)注。在水文學(xué)發(fā)展的5000多年歷史長(zhǎng)河中,人們對(duì)高流速、大流量的江河水流,以及有壓、高水頭的管道水流的流速、流量的測(cè)定問(wèn)題進(jìn)行了大量研究與試驗(yàn)工作,并發(fā)明制造了多種測(cè)定儀器,比如公元1870年美國(guó)的埃利斯發(fā)明旋槳式流速儀,公元1885年美國(guó)的普賴(lài)斯發(fā)明旋杯式流速儀。但是,有關(guān)低流速、小流量水流的測(cè)定始終處于緩慢的發(fā)展階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,水流測(cè)定儀器也在不斷的發(fā)展和改進(jìn)中。目前,在水流流速觀測(cè)儀器中,主要有3類(lèi)[1],第一機(jī)械式:根據(jù)旋槳或葉輪被水流推動(dòng)的轉(zhuǎn)數(shù),間接測(cè)得流速;第二電磁式:觀測(cè)水流在地磁場(chǎng)中流動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化,測(cè)定流速和流向;第三聲學(xué)式:利用聲波傳播的多普勒效應(yīng),測(cè)定流速。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,流速儀的發(fā)展方向正在向全自動(dòng)、智能化、存貯式方向發(fā)展;同時(shí),在流速儀的設(shè)計(jì)研制中,不僅要考慮儀器測(cè)量精度、儀器使用條件,還要考慮野外工作時(shí)能降低勞動(dòng)強(qiáng)度,操作時(shí)方便可靠,測(cè)量數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)處理等等[2]。近年來(lái),隨著電子技術(shù)和傳感技術(shù)的迅猛發(fā)展,國(guó)內(nèi)外新型的測(cè)量流速的儀器設(shè)備越來(lái)越多,例如旋槳流速儀、電磁流速儀、超聲波流速儀、激光流速儀和粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)等,但因價(jià)格昂貴,使用條件苛刻,操作復(fù)雜,使其推廣應(yīng)用受到了很大的局限。本文針對(duì)上述存在的主要問(wèn)題,在機(jī)械式流速測(cè)定儀的基礎(chǔ)上,利用“磁簧開(kāi)關(guān)”及計(jì)數(shù)器,自行研制了一種適宜低流速測(cè)定的試驗(yàn)裝置,該裝置由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)先進(jìn)、使用方便,特別適用于野外裂隙巖體滲流等低流速水流的自動(dòng)連續(xù)測(cè)定。 2測(cè)定儀的結(jié)構(gòu)組成 圖1給出了流速測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖[3]。由圖1可以看出,該流速測(cè)定儀主要由流速傳感器、脈沖發(fā)生器和計(jì)數(shù)器3部分構(gòu)成,另外,還包括固定框架、重力錐、連接繩、導(dǎo)線等輔助部分;其中,流速傳感器為5片葉輪的轉(zhuǎn)子,目前有關(guān)轉(zhuǎn)子式流速傳感器及計(jì)算公式的研制技術(shù)已相當(dāng)成熟;脈沖發(fā)生器主要由強(qiáng)力磁鐵和舌簧管兩部分構(gòu)成,簡(jiǎn)稱(chēng)“磁簧開(kāi)關(guān)”,見(jiàn)圖1中的(c)所示,強(qiáng)力磁鐵安裝在其中一個(gè)葉片的頂部,舌簧管安裝在固定框架的內(nèi)側(cè),兩端用酸性硅酮玻璃膠密封;計(jì)數(shù)器為可以采集和記錄電脈沖信號(hào)的單片機(jī),見(jiàn)表1和圖2所示。同時(shí),為了保證葉輪在安裝永久磁鐵后,其重心與原來(lái)基本保持相同,在其它四個(gè)葉片的頂部分別安裝一塊與磁鐵重量相當(dāng)?shù)你~制品,詳見(jiàn)圖1。 
3測(cè)定儀的工作原理 利用葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與水流流速成正比的關(guān)系,流體流動(dòng)推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn),當(dāng)安裝有強(qiáng)力磁鐵的葉片從舌簧管旁邊經(jīng)過(guò)時(shí),舌簧管內(nèi)部的一對(duì)彈性舌簧片在磁場(chǎng)吸引力的作用下,克服舌簧本身的彈性阻力而接觸導(dǎo)通,并隨著帶有強(qiáng)力磁鐵的葉片的遠(yuǎn)離而斷開(kāi),在這一過(guò)程中“磁簧開(kāi)關(guān)”將產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào),該電脈沖信號(hào)將通過(guò)導(dǎo)線被傳輸?shù)接?jì)數(shù)器中,計(jì)數(shù)器將隨時(shí)傳來(lái)的電脈沖信號(hào)以不同的形式記錄下來(lái),其中電子式累積計(jì)數(shù)器將累加的數(shù)字顯示在液晶屏幕上。 這種計(jì)數(shù)器需要借助時(shí)鐘來(lái)計(jì)算水流的流速;事件記錄儀將產(chǎn)生每個(gè)電脈沖信號(hào)的時(shí)間記錄下來(lái),并寄存在單片機(jī)上,隔一段時(shí)間用電腦通過(guò)專(zhuān)用軟件(如Boxcar Pro 3·51)將儲(chǔ)存在事件記錄儀中的數(shù)據(jù)取出即可;數(shù)據(jù)采集器是根據(jù)事先設(shè)定好的采樣間隔,將一定時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)總數(shù)記錄下來(lái),并寄存在單片機(jī)上,隔一段時(shí)間用電腦通過(guò)專(zhuān)用軟件(如PC208W)將儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)采集器中的數(shù)據(jù)取出即可。 
流速儀公式為: 
式中:V為水流速度;K為流速儀轉(zhuǎn)子水力螺距;n為流速儀轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速;T為計(jì)測(cè)旋轉(zhuǎn)周數(shù)所用的時(shí)間;N為T(mén)時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)周數(shù);C為流速儀的修正值。系數(shù)K、C可以經(jīng)過(guò)檢定系統(tǒng)確定,因此,只要在一定時(shí)間(T)內(nèi),測(cè)得流速儀轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)周數(shù)(N),然后將n的取值代入式(1),便可計(jì)算出水流的速度。 4結(jié)論 該測(cè)定裝置是一種便攜式超小型流速儀,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,原理清晰,可以充分利用當(dāng)前轉(zhuǎn)子式流速儀有關(guān)流速傳感器的最新研究成果與成熟技術(shù),在此基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)化過(guò)程和記錄部分進(jìn)行創(chuàng)新,根據(jù)不同的環(huán)境條件和使用要求,具有3種不同的記錄方式,在完成流速測(cè)定的過(guò)程中各具特色,使用者可以根據(jù)實(shí)際情況,靈活選用。 摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
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