水利工程实验技能(part I)

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1、Tianjin UniversiTy一、流速测量1.毕托管（Pitot tube）Tianjin UniversiTy 毕托管是用来测量流速的一种毕托管是用来测量流速的一种差动压力计差动压力计。它是由。它是由法国工程师亨利法国工程师亨利毕托于毕托于17321732年发明，在年发明，在1919世纪中世纪中期由法国科学家亨利期由法国科学家亨利达西改造成现在的形式。它达西改造成现在的形式。它被广泛应用于流速测量中。毕托管通过将流体的动被广泛应用于流速测量中。毕托管通过将流体的动能转化为势能来测量流速。能转化为势能来测量流速。Tianjin UniversiTy毕托管的测量原理毕托管的测量原理Tian

2、jin UniversiTy 动能转化为势能发生在位于毕托管进口处的驻点。动能转化为势能发生在位于毕托管进口处的驻点。动能到势能的转换形成了它相对于自由流的静压有动能到势能的转换形成了它相对于自由流的静压有一个压升（动压），静压通过静压孔测量。总压和一个压升（动压），静压通过静压孔测量。总压和静压之差可通过压差计测量。将压差计测量结果转静压之差可通过压差计测量。将压差计测量结果转化为流速依赖于伯努利方程：化为流速依赖于伯努利方程：Tianjin UniversiTy上式一般还要乘以一个常数上式一般还要乘以一个常数c c，c c一般应该非常接近一般应该非常接近1 1。c c依赖于静压孔与毕托管入

3、口和主杆中心线的位置。依赖于静压孔与毕托管入口和主杆中心线的位置。Tianjin UniversiTy优点：结构简单优点：结构简单 相对便宜相对便宜 几乎不需要校正几乎不需要校正 在流体中产生的压降很小在流体中产生的压降很小缺点：在某些应用中精度和空间分辨率可能缺点：在某些应用中精度和空间分辨率可能不够不够Tianjin UniversiTy2.旋桨流速仪 目前在流速测量方面应用比较多的是旋桨式流速目前在流速测量方面应用比较多的是旋桨式流速仪。旋桨式流速仪是通过一种旋桨传感器提供脉仪。旋桨式流速仪是通过一种旋桨传感器提供脉冲信号的一种测量流速的方式，旋桨流速仪按传冲信号的一种测量流速的方式，旋

4、桨流速仪按传感器的结构分为感器的结构分为电阻式电阻式、电感式电感式和和光电式光电式三种，三种，目前采用较多的是光电式。目前采用较多的是光电式。 Tianjin UniversiTy 2.1 2.1电阻式传感器如下图所示，在支杆的内侧镶电阻式传感器如下图所示，在支杆的内侧镶嵌两个铂金电极。支杆入水后，两个电极间变形嵌两个铂金电极。支杆入水后，两个电极间变形成一个水电阻。当旋桨加宽的侧边处于位置（成一个水电阻。当旋桨加宽的侧边处于位置（a a）时，遮挡了两个电极，此时两电极间的水电阻值时，遮挡了两个电极，此时两电极间的水电阻值最大，当处于位置（最大，当处于位置（b b）时，水电阻值最小。因此）时，

5、水电阻值最小。因此旋桨每旋转一周便产生两次水电阻阻值的变化，旋桨每旋转一周便产生两次水电阻阻值的变化，然后通过桥路输出电脉冲讯号，送入计数器进行然后通过桥路输出电脉冲讯号，送入计数器进行计数。计数。Tianjin UniversiTy 优点：电阻式传感器的优点是结构比较简单，易于优点：电阻式传感器的优点是结构比较简单，易于实现。实现。 缺点：其阻值大小受水温、水质、电极大小、氧化缺点：其阻值大小受水温、水质、电极大小、氧化程度、遮蔽体大小、间隙距离等因素影响，如果不程度、遮蔽体大小、间隙距离等因素影响，如果不在电路设计上进行解决，精确度和灵敏性均难以保在电路设计上进行解决，精确度和灵敏性均难以

6、保证。证。Tianjin UniversiTy 2.2 2.2电感式传感器如下图所示，在支杆下端嵌入电感式传感器如下图所示，在支杆下端嵌入一个直径为一个直径为3mm3mm的线圈。旋桨的叶片中各嵌入直径的线圈。旋桨的叶片中各嵌入直径为为1mm1mm，长度，长度5mm5mm的永久磁铁。这样，当旋桨每旋的永久磁铁。这样，当旋桨每旋转一次，便有与叶片数相同的电感脉冲输出，送转一次，便有与叶片数相同的电感脉冲输出，送至计数器进行计数。其输出脉冲是有极性的，能至计数器进行计数。其输出脉冲是有极性的，能反映旋桨的旋转方向，因此也就能测量流速方向反映旋桨的旋转方向，因此也就能测量流速方向。Tianjin Un

7、iversiTy 优点：电感式传感器不受水温，水质的影响。优点：电感式传感器不受水温，水质的影响。 缺点：支杆中的线圈加工与叶片中永久磁铁的镶缺点：支杆中的线圈加工与叶片中永久磁铁的镶嵌都要求较高的工艺，支杆顶端与旋桨边缘的间嵌都要求较高的工艺，支杆顶端与旋桨边缘的间隙要求严格保持隙要求严格保持0.2mm0.2mm，因此加工安装比较困难。，因此加工安装比较困难。其输出信号只有毫伏级，比较弱小。其输出信号只有毫伏级，比较弱小。Tianjin UniversiTy 2.3 2.3光电式传感器的旋桨叶片边缘上贴有反光镜光电式传感器的旋桨叶片边缘上贴有反光镜片，传感器上端安装一发光源，经光导纤维传至片

8、，传感器上端安装一发光源，经光导纤维传至旋桨处，旋桨转动时，反光镜片产生反射光，经旋桨处，旋桨转动时，反光镜片产生反射光，经另一组导光纤维传送至光敏三极管，转换成电脉另一组导光纤维传送至光敏三极管，转换成电脉冲信号，由计数器计数。光电式传感器输出信号冲信号，由计数器计数。光电式传感器输出信号较强，受水温、水质影响小，工作可靠。较强，受水温、水质影响小，工作可靠。Tianjin UniversiTy工作原理：工作原理：将旋桨传感器放入水流测点处，在水流作用下旋桨将旋桨传感器放入水流测点处，在水流作用下旋桨转动，流速越大，旋桨转动越快。转换后的电脉转动，流速越大，旋桨转动越快。转换后的电脉冲信号经

9、放大整形，由计数器计数。通过计数器冲信号经放大整形，由计数器计数。通过计数器，记录单位时间转动次数，换算成流速值，流速，记录单位时间转动次数，换算成流速值，流速计算公式为：计算公式为：式中：式中：V V流速，流速，cm/scm/s； k k传感器率定系数；传感器率定系数； C C传感器率定系数；传感器率定系数；T T设定的采样时间，设定的采样时间，s s； N N采样时间内的传感器旋桨转数（对单反光采样时间内的传感器旋桨转数（对单反光面旋桨而言，若对双反光面旋桨，应除以面旋桨而言，若对双反光面旋桨，应除以2 2才为采才为采样时间内的传感器旋桨转数）。样时间内的传感器旋桨转数）。Tianjin

10、UniversiTy3.3.热线流速仪热线流速仪工作原理：热线是由电阻温度系数很高的钼、钨、工作原理：热线是由电阻温度系数很高的钼、钨、铂合金等材料制成，直径铂合金等材料制成，直径1-10mm1-10mm，长约，长约1-2mm1-2mm。当。当用在水流中时，在金属表面上溅射上一层极薄的用在水流中时，在金属表面上溅射上一层极薄的（0.5-2 mm0.5-2 mm）石英膜绝缘保护层。金属丝通电后）石英膜绝缘保护层。金属丝通电后被加热，流体流动的强迫对流引起热损耗使之冷被加热，流体流动的强迫对流引起热损耗使之冷却，电阻发生变化，流速越大，热损耗越大，线却，电阻发生变化，流速越大，热损耗越大，线电阻变

11、化越大。通过检测发热敏感元件的电阻值电阻变化越大。通过检测发热敏感元件的电阻值，可以得到发热敏感元件的表面温度。同时监测，可以得到发热敏感元件的表面温度。同时监测水体的温度就可以得到一个温度差，这个差值随水体的温度就可以得到一个温度差，这个差值随着流速的变化而变化，从而能够得出与流速有关着流速的变化而变化，从而能够得出与流速有关的电信号。的电信号。Tianjin UniversiTy 若以热线式流速仪电桥输出的电压若以热线式流速仪电桥输出的电压E E为电信号，以为电信号，以V V为流速，则为流速，则E E与与V V之间的关系可用著名的之间的关系可用著名的KingKing公式公式表示表示Tian