流速流向仪器综述文档格式.doc

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　　1955年，流速测量采用灯光计数，秒表及历时，算盘计算流速。

1956年，仿前苏联ZK-3型流速仪，改用蜂鸣器。

1957年改用电铃-灯光计数器。

1958年，采用半导体音响器，1969年，仿制瑞士电磁计数器，并研制了自动计时计数器，1976年，应用集成块研制直读式流速显示器。

八十年代，电子器件发展迅速，各种直读、多功能流速计数器遍地开花，近期，已有将流速信号变换后，直接送入计算机的测流装备，由于流速仪检定系数范围较大，使用环境水深流急和缆道无线测流信号质量差，导致技术器电路相对复杂，并很难统一，全国推广。

　　1.1.2现状

　　我国迄今流速仪累计生产总量估计，旋浆流速仪系列：

LS25-1型约80000台，LS25-3型10000台，LS20B型80台，LS10型500台，LS1206B型1000台，LS25-1A型约2000台，共约十万台；

旋杯式流速仪系列LS68型53000台，LS78型6000台，LS45型1000台，共约六万台。

旋浆和旋杯流速仪系列比例约6：

4，总数为十六万台左右。

根据流速仪厂规定，仪器寿命为十年，按此计算，全国需用流速仪数量约1万多台，很大一部分是备用和压库。

由于水文站经费限制，目前主要的仍然是检修旧仪器，购置新仪器能力较差，新仪器很难全面推广。

　　流速仪计数器的品种较繁杂，有正规工厂生产的，也有自制的，水平参差不齐，有相当数量的测站仍使用着蜂鸣器、电令等较原始的设备。

由于目前尚无一个能适应大部分流速仪，各种信号传输方法（缆道有线、无线、船测、桥侧等）的计数器，所以与流速仪相比，计数器处于各地自行研制，分散落后状态，加上经费上的限制，更新换代较慢。

　　1.1.3我国主要流速仪与世界名牌仪器比较

　　现将国产LS20B型、LS25-3型、LS25-1型与世界名牌仪器德国C-31型，在高地苏性能，密封性能，发讯机构性能，比较如下：

　　A、低速性能与旋浆正投影面积、面积比、螺旋角等水动力学参数和球轴承摩阻力矩有关。

LS20B型与C-31型在流速仪鉴定槽同时检定，在相同条件下比测，起转速度均为0.023m/s。

LS20B型低速性能与C-31型相近。

　　B、高速性能LS20B型与C-31型高速上限分别为15、10m/s。

仪器在高流速条件下工作，起旋转支撑部分和仪器安装固定不分的结构强度至为重要。

LS20B型一起结构优于C-31型，并经过15M/S高速的鉴定证明，仪器的结构强度足够，工作稳定可靠。

　　C、轴承油室密封性能与迷宫结构参数迷宫缝隙长度L、弯道数Z成正比，与迷宫缝隙△成正比，用三者乘积判断流速仪油室密封性能，c-31型、LS20B型、LS25-3型和LS25-1型分别为：

1929、13496、5250、4179。

显然，LS20B型油室密封性能优于C-31型，并经黄河龙门水文站汛期100kg/m3高含沙量考验。

　　D、发讯机构性能LS20B型与C-31型均采用磁钢和干簧管结构。

国产干簧管可靠性较差。

　　1993年，美国地质调查局对世界上有代表性流速仪曾进行试验室和野外比测。

其中有中国LS20B型金属浆、塑料浆、德国C-31型金属浆、塑料浆，专用于测量斜流的A、R浆，比测结果如下：

　　A、重复性：

在0.076、0.24、0.48、1.52和2.44m/s五种速度级下，每种流速仪重复测量10次，计算其标准差：

C-31型金属、A、B浆为1.2~2.0%，C-31型塑料浆和LS20B金属、塑料浆均低于0.5%。

　　B、线性：

在上述速度级下，每台仪器重复测50次，用线性回归法拟合测量数据，确定流速仪线性响应。

其均方差（cm/s）:

C-31型金属浆0.735，塑料浆1.375，A浆1.999，R浆1.402;

LS20B型金属浆0.567，塑料浆1.545。

　　C、斜流（余弦）响应：

为流速仪流量流速矢量的技术指标。

在大斜流角度时，所有仪器相对误差均偏大，c-31型A、R浆误差最小。

　　D、野外测试：

在美国地质调查局洪水试验场等5个试验断面。

水深0.3-0.7M，流量0.76-2.1立方米每秒，测试结果，各仪器功能正常。

两台LS20B型测流值较适中。

　　此外，LS20B型在以下几项不及C-31型

　　A、外观质量，如金属表面加工光洁度、电镀层、板材、塑料、紧固件、附件、工具、说明书等外表性能。

　　B、仪表油低温性能。

　　C、仪器包装及包装箱中的清洁。

　　D、仪器构造复杂性及零、部件数量。

　　综上所述，我国旋浆式流速仪系列除在个别方面稍逊于国外名牌外，大部分性能指标均列各国仪器前列，目前处于国际先进水平。

并有开拓国际市场的可能。

　　1.1.4发展方向

　　我国转子式流速仪虽然处在世界先进水平，但也不是尽善尽美的，除某些结构尚可改进外，根据中国特殊国情和水流条件，借鉴国外先进经验，还有以下几个问题需要解决：

　　A、流速仪检定公式标准化，对生产、使用、维修、管理等将带来极大方便，且可节省大量的人力、物力、财力和时间，是减人增效改革方向，同时，对计数器数据处理上也将大大简化，做到全国统一标准。

　　B、研制检定系数长期稳定的流速仪

　　C、轴承油室密封性能进一步完善，以满足我国特殊水流条件，密封结构应简化，以便于维护。

　　D、改进流速仪发信机构，要求简单、可靠，且便于信号传输。

目前发信器件的质量与国外先进仪器有明显差距。

　　E、冰下测流应研究专用仪器。

　　F、国际上测流发展方向是测表面流速，转子式流速仪也应进行这方面的研究，如缆道积宽式测流等。

　　在流速仪计数器方面，今后发展趋势如下：

　　a、需要研制高可靠性的适用范围较广的流速仪计数器，特别对无线测流，研制工作应于缆道控制仪、水下发讯装置结合起来，并与计算机留有接口。

从而改变无线测流时，设备自行研制的分散、落后状态。

　　b、机壳的设计还必须考虑密封、防雨、屏蔽及易操作性，并有合理的性能价格比，只有这样，才能逐步取代目前大量使用的落后的电铃、蜂鸣器等。

　　c、流速仪计数器标准化、系列化。

电路设计应简单、可靠，操作简单，并能达到测算一体化。

　　1.2非转子式流速仪

　　1.2.1概述

　　除转子式流速仪以外，其他类型的流速仪都可称为非转子式流速仪。

在水文上能使用的非转子式流速仪主要有：

时差法超声波流速仪、超声波多普勒流速仪、电波流速仪。

国外产品声学多普勒剖面流速测量系统（ADPC）和电磁流速仪也有引进。

国内也接触性研制过光学流速仪，没有成功。

　　浮标测速是不可缺少的方法，现将浮标归于本节作一说明。

　　比托管也属于非转子式流速仪，但都用于实验室，不列入本节讨论。

　　1.2.2现状和主要仪器介绍

　　投入使用的非转子式流速仪有时差法超声波流速（流量）计、电波流速仪和超声多普勒流速仪。

使用台数都不多，原理也不一样。

　　3.2.2.1时差法超声波流速（流量）计

　　时差法超声测速早已在国外推行，水文上用的国产设备也早就开始研制。

其核心部分是利用时差法超声测速原理测得断面上某一处水深处水层或不同水深的几个水层的水层平均流速。

在按水层平均流速和断面平均流速的关系推算断面平均流速。

从而求得断面流量。

　　七十年代以来，湖南、上海、浙江先后研制成功。

其中浙江水文局的产品有少量商品推出，在一些输水渠道和水文站使用。

使用效果差别较大，不够成熟。

测速范围3米左右，对断面形状、流态有一定的要求。

　　3.2.2.2电波流速仪

　　从日本引进产品得到启发，九十年代研制成功LD15-1型电波流速仪。

利用微波多普勒原理测量水面流速，是唯一一种非接触式流速仪。

测速范围0.5~15m/s。

作为桥侧、巡测仪器推广应用，以生产近80台产品，现场使用中，多数性能良好。

解决了桥侧洪水问题，技术先进，使用方便，很受欢迎。

由于用户对使用方法、测流原理尚有熟悉过程，以及价格较贵和少量性能问题，使推广受到一些影响。

另外。

在使用过程中，要在电波流速仪测得的表面流速和转子式流速仪测得的水面流速之间建立较稳定的关系，也还需要水文站做一些比测工作。

　　3.2.2.3超声波多普勒流速仪

　　这种仪器完全是我国自行研制的。

1990年研制成的LSW-1型超声波多普勒流速仪，利用多普勒效应测量点流速，探头微型化，可测量2cm水深的流速，测速范围0.01-8m/s测量速度快，能定时自动测量，自动显示记录。

测速探头没有运动部件，因而经久耐用，不受水中漂浮物影响，可以长期自动测流。

解决了流速长期自记问题，使用效果很好。

但是，由于信号需要有线传输，目前又仅限于固定安装测流，因此在水文站上使用面还不广。

　　3.2.2.4浮标

　　浮标是不少水文站必需的备用测速工具。

浮标都是各地水文站自行制作的，制作方法很多，这里不做叙述。

没有正规生产的浮标，似乎也没必要。

要生产出简易、实用、价廉又能被普遍接受的一般浮标和特种浮标（如夜间照明浮标）也是不容易的。

但发达国家的浮标是很正规的，设计考虑周到，有专门厂生产。

　　3.2.3与国外同类仪器的比较

　　时差法超声流速仪与国外产品有很大的差距。

无论在精度、可靠性、适用范围、功能上都难于比较。

国外成熟的产品很多，适用面也很广。

在美国，已成为水文站自动测流的主要方法之一。

而国内的产品仍然处于试用阶段。

　　电波流速仪中，日本的J763形势唯一的国外产品。

国产DL15-1型电波流速仪的总体性能与日本产品相当，可以认为达到了国际先进水平。

　　超声波多普流速仪的测流方法没有国外可比产品，是我国首先研制的，性能很好。

在与国外同行的交流介绍中，得到了他们的好评，具有明显的适用性。

但国外声学多普勒剖面流速测量系统（ADCP）同样应用声学多普勒原理，其功能远远超过了LSW-1型超声波多普勒流速仪。

虽然这两种仪器本来的设计要求就不同，但还没有国产的ADCP产品。

　　3.2.4关键技术

　　我国对水声技术的研究落后于国外，水文仪器研究部门更是缺乏水声技术专业的科研人员，也没有水声试验设备。

这些仪器的研究是水声技术、电子技术、计算机技术的结合。

要开发出先进可靠的产品，不但要有掌握上述技术的技术人员，还需要其他行业提供先进、可靠的关键零部件。

这些因素在很大程度上制约了超声波水文仪器的研制开发。

在水深、水位测量上运用水声技术，也将遇到上述同样的问题。

　　3.2.5发展方向

　　由于非转子式流速仪具有不少转子式流速仪所没有的优点，应该作为流速测量仪器的发展重点。

首先要发展国产的时差法超声流速仪。

研制的仪器应能用于人工渠道和断面比较正规的天然河道。

时差法超声测流使明渠流量自动测量的很少方法，有广泛前途。

国外已普遍使用，而国内仪器还几乎没有，应该在近期内出现成熟的产品。

　　LD15-1型电波流速仪已被推荐为巡测、桥测仪器，并且可用于中小河流代替浮标测流，有很好的使用价值。

只要继续提高其可靠性和测速稳定性，在加强培训，这种仪器的推广价值很大。

　　LSW-1型超声波多普勒流速仪能定点自动测量流速，还可以多点同时集测。

除用于实验室外，在需要的水文站，可以起到别的流速仪不能替代的作用。

　　必须提出的是声学多普勒剖面流速测量系统（ADCP）.这是一种优越的测流系统，适合大江大河测流应用。

国内已由引进产品成功应用的经验，但研制工作尚无展开。

近期内应该探讨研制的可能性和可行性。

　　浮标是否要对之进行专业化研究，并定型生产，是一个难于决定的问题。

　　其他类型的非转子式流速仪，目前不必考虑在水文上的应用研究。

　　3.3流速流向仪

　　3.3.1现状

　　流向测量是水文测验的基本测量项目。

在众多河口地区、河床冲淤变化剧烈的河段，流向测量显得尤为必要，流量测验精度在很大程度上决定于流向的测量精度，然而，我国流向仪器的研制与制造远不能满足水文测验的需要。

　　目前一般使用下列仪器或方法测量流向。

　　A、机械式流向仪

　　利用水的流向作为原动力，带动某种机械装置，通过转换，从而能直接指示或计算出水流角度。

最简单的方法即用绳索系一漂浮物来估测流向，该法简单、直观，但测量精度无法保证，使用环境也受到一定限制。

如用六分仪器交会浮标，在风雨天及夜间就无法实施。

　　B、电磁式流向仪

　　又可分为电磁罗盘式流向仪和磁感应式流向仪。

其中重庆仪器厂生产的zsx-1直读式流速流向仪采用同步感应磁罗盘原理，直接指示磁方位角，南京自动化所研究后又对其进行了改进，设计成电阻是结构，并加于数字化输出，该仪器至今仍在我国使用。

　　C、海流仪

　　一般讲均为进口产品，使用量少。

国产海流计还不能满足精度要求。

　　3.3.2关键技术

流速流向仪的关键技术在于传感器的设计与制造。

由于种种原因，至今仍没有得到理想的解决，其具有如下设计上的难点：

　a、水下情况比较复杂，仪器在动态环境下平衡问题，水下的密封问题，均事关仪器能否可靠地工作。

　　b、数字化输出取代以前的模拟量输出，便于抗干扰及计算机接口。

　　c、船测仪器还应解决信号线的传输问题，是用铁壳船时，应最大程度排除对仪器的干扰。

　　3.3.3发展方向

　　由于流向测量仪器需求量不大，一直没有引起足够的重视，研制工作也是断断续续，至今为止尚无一个较理想的流向仪器问世，所以研制一个实用理想的流向仪器已成为当务之急。

　　从研制主要技术方向来看，传感器依然是难点，根据以往的经验，从仪器结构简单。

维修方便出发，参考国外同类仪器，还是首先利用磁钢确定南北方向，带动轴角编码器或使用其它感应元件感应，输出数字信号为最佳方案。

信号传输可分为并串两种，各有优缺点，技术上不难解决。

　　该方案较之目前使用的磁同步感应或电阻接触式有显著的优点，无触点接触不良，触点寿命不长，信号易受干扰等缺点，唯传输信号线应力求采用贯芯线，可提高可靠性。

此外尚需考虑保证仪器在水下工作的适应性、支撑系统的稳定性、自动平衡等诸问题。

　　若传感器能获得突破、记录部分将不难解决，并可应用固态存储技术，长期记录流向变化。

　　3.4流量测量

　　3.4.1概述

　　本节所述流量测验主要是指对河、渠和大型过水管道的流量测量。

流量测量大多系利用测量水体流速与过水断面面积，从而推求的流量，或通过量水建筑物Q-H关系推算流量。

所以流量测验水平高低不但与测量仪器有关，还与其推算流量方法有直接关系。

　　长期以来，我国江河水文站大量采用流速---面积法进行流量测验。

主要采用的测速仪器为旋浆式和旋杯式流速仪，六、七十年代建设起来的2000余座水文测流缆道，又为流量测验提供了有利条件。

　　此外，当洪水因受设备条件及仪器性能等限制不能用流速仪测流时，常用水面浮标法测流。

　　七十年代始，国内一些单位曾先后研制过超声波时差法测流设备，但终因技术不够成熟，未能推广使用。

　　九十年代初期，研制成功了LD15-1型电波流速仪，LSW-1型多普勒流速仪，并相继通过水利部鉴定，正式投产。

1991年从美国引进声学多普勒剖面流速仪（ADCP）用于长江河口测量及长江三峡截流测量，是目前科技水平最高的自动化仪器。

　　八十年代以来，对小型明渠，大型管道的测流方法和仪器研制有较大发展。

重庆水文仪器厂研制的微电脑明渠流量计和南京水利水文自动化研究所研制成功的ISO电话远传超声波明渠流量计在环境监测方面发挥了重要的作用。

不少企业引进国外先进技术、采用了超声波多普勒和时差法原理研制成功了各种测量管道的流量计，种类繁多，改变了过去用涡亍流量计和电磁流量计的格局。

　　综上所述，近十年来用于小型明渠、管道的流量测验仪器有了较显著的进展。

而一般江河、大型明渠的流量测量方面仍采用传统的流速仪法。

少数单位曾采用动船法和超声波时差法测流，但均不成熟。

　　3.4.2流量测验仪器的现状

　　3.4.2.1一般讲和测流仪器及设备

　　转子式流速仪始终是最主要的测流仪器，由于该仪器已十分成熟，相比之下，薄弱环节是与其配套的缆道控制记录设备、船测设备，均无成熟定型产品。

一般按用户需要制造，质量高低不一，测流过程中，起点距、水深的测量，流速仪测点位置的正确定位，缆道信号的传输直接影响到流量测验的精度，是一个值得注意的问题。

　　非转子式流速仪正逐步被广大施测人员认识和接受。

例如LD15-1型电波流速仪，在洪水测流和桥测、巡测中很受欢迎。

　　此外，相当数量测站，因种种原因在洪水期使用水面浮标法测流，用断面控制或利用平板仪、经纬仪水平交会测的水面流速，一般讲，浮标均为利用当地材料自制，测流精度较低，因无其他方法可取代，故浮标法仍将继续使用。

　　个别测站也有采用化学溶液法的，主要适用于水流湍急，河道乱石拥塞场所。

这种方法没有代表性意义。

　　3.4.2.2小型明渠测流及仪器

　　小型河流、明渠可采用堰槽法或称量水建筑物法测流。

采用堰槽法测流，具有使用方便、稳定好、精度高等优点。

堰槽型式主要有三角堰、平坦V型堰、矩形剖面堰、帕歇尔槽等。

配合上述堰槽法测流，采用的水位计主要有：

浮子式、压力式、超声波式、跟踪式水位计。

　　以上设备国内均有定型生产，基本满足了需要。

　　3.4.2.3管道流量仪器

　　较长时间以来，管道流量的测量仪器主要采用电磁流量计。

近十年来，超声波（多普勒、时差式）流量计发展很快。

使用管径ф25mm-ф3000mm,采用外缚式结构，安装方便，测量误差小于2%。

国内产品与国外同类产品相比，可靠性方面尚有较大差距。

　　3.4.3主要流量仪器简介

　　3.4.3.1明渠堰槽流量计

　　WML型微电脑明渠流量计适用于明渠暗沟各种水质条件的清、污水连续计量。

该仪器系采用超声技术测量水位，与帕歇尔槽配合使用，从而求得流量。

流量范围：

1-6000m3/h，流量误差≤±

5%，质量可靠，在环保、水利、水电等部门获得广泛应用。

　　ISC电话远传超声波明渠流量计，除具有上述功能外，进一步扩大了测量范围，并增加了数据存储、电话数据远传功能。

　　3.4.3.2超声波管道流量计

　　LDZ系列超声波多普勒流量计，有单探头或多探头（最多八付探头）可选择，可定点或巡测测流。

管径范围ф25mm-ф2200mm,流速测量范围，0.1m/s—10m/s,适用于长期污水流量检测及有杂质流体的测量，精度2%。

　　3.4.3.3浑（污）水流量计

　　LBX-7型浑（污）水流量计由仪器与量水涵洞水工建筑物两部分组成，适用于水位落差微小的中小灌溉渠道长期自动测量累计水量。

　　使用时，在渠道建一挡水坝，坝的水下留一矩形截面的过水洞，使渠中水流以明渠变为有压管流，仪器感应头安装在矩形过水洞上部，水流通过时，感应转子转动，发出的信号由计数器记录累加。

通过的水量，用信号数乘该站流量系数即可获得，也可预置流量系数，在计数器上直接读取流量。

这是一种用于渠道测流的新型浑（污）水流量计。

简单、可靠、价廉、精度好，可长期自记总水量，很有推广价值。

　　3.4.4与国外同类产品比较

　　一般江河的流量测验，使用流速仪法时，于国外差距甚小。

而在非转子式流速仪测流方面，于国外先进国家有较大差距，具体表现在应用超声波时差法测流，国外已处于实用阶段，而国内尚处于试用阶段，此外，声学多普勒剖面流速仪（ADCP）在国内更是空白。

　　在管道测流方面，超声波流量计发展很快，以美国康创流量计为典型，采用电平自动选取和多脉冲发射宽带技术，反映了世界超声波流量计的发展潮流。

　　国内几家起步较早的超声波流量计生产单位，如唐山、长沙、本溪等生产的超声波流量计采用较早期的锁相环技术，存在易受干扰、不稳定等缺陷。

目前国内仅有为数极少的单位采用多脉冲发射宽带接受技术，应力争缩小与国外的差距。

　　3.4.5关键技术

　　根据测流场合和对象不同，采用仪器不同，须解决的关键技术不一样。

　　3.4.5.1对一般江河，如需要采用动船法测流，除流速仪、测深仪外要解决如流向仪、河两岸的定位技术等问题，现在虽有GPS全球定位仪，但价格昂贵。

动船法测流时，侧身测速使用两种仪器实施，要同步测量、同步记录，国内设备需要人工干预，求得同步，目前尚未见二者之间有自动跟踪同步的办法和仪器，同理还有与流向仪记录同步的问题，这是动船法测流需要解决的关键问题。

如果使用ADCP进行动船法测流，只要能保证测船在断面上行驶，上述问题就解决了。

　　3.4.5.2某些中小河流采用超声波时差法测流是一个好办法，但从少量国内产品的应用来看，很不理想，不能较长期正常工作，主要需解决超声发生器件质量、工艺问题，同时应采用抗干扰措施。

　　3.4.5.3管道测流技术，近十年发展很快，除了电磁流量计之外，各种形式的外缚式超声波流量计雨后春笋般发展。

国内产品不稳定的原因主要是元器件质量和工艺得不到保证，其中传感器的质量尤为重要，二次仪表中应采用多脉冲