流速儀的重復(fù)性和對斜流的響應(yīng)特性.docx

1、而漆雙,宰燈¥，明初,刊郵猝勞第1】卷總第42期1994年第1期第1】卷總第42期1994年第1期水文科技信息S3;摘要/彩W”/流速儀的重復(fù)性和對斜流的響應(yīng)特性J.M.福佛德,KG.塞珀德克斯和W.R.葛爾立度這里提出了有關(guān)各種機(jī)械流速儀的精度實(shí)驗(yàn)研究情況。這次實(shí)驗(yàn)是針對用于明渠卸河道中總流速測量的水平軸向和垂直軸向疣速儀進(jìn)行的“測試內(nèi)容是流速儀的重復(fù)性能及其對斜流的響應(yīng)。實(shí)檢發(fā)現(xiàn)水平軸向和垂直軸向流速儀兩者都記錄到偏大或偏小的斜流流速，其誤差大體上隨流速和夾角的增加而增大。對干斜流試我，水平軸向流速儀的誤差幅度為最小。測試認(rèn)為所有流速儀的重復(fù)性是好的，無論是水平軸向成垂直軸向流速

2、儀，其演示都類同。介紹機(jī)械流速儀通過垂直軸或水平軸將線性運(yùn)動轉(zhuǎn)換為角轉(zhuǎn)動來測量流速。許多研究人員(塞珀德克斯，1992)已經(jīng)開展了流速儀精度的研究工作。而作為河道測量儀器，水平軸向和垂直軸向流速儀兩者間究竟哪一種更好的問題仍在爭論之中.絕大部分這類研究成果在1960年以前都已發(fā)表。亞勒爾(Yarnell)和納格爾(Nagler)(1931)關(guān)于流速儀的研究可能引用最多，其中包括了流速儀對斜流的響應(yīng)的測試結(jié)果.亞勒爾和納格爾測試過的流速儀已經(jīng)在隨后幾年里作了修正.這篇論文提出了目前在世界各地河流水文站上使用的機(jī)械流速儀的最新測試成果。測試設(shè)備和測試的流速儀的說明所有的測試都是在設(shè)在密西西比州斯頓

3、里斯(Stennis)空間中心美國地質(zhì)調(diào)查局的淹沒射流水槽上進(jìn)行的。該射流水槽有120英尺長，斷面面積為12X12平方英尺，能提供穩(wěn)定的動水流速，其流速范圍可從每秒0.25到10英尺變化。流速大小是通過計時測量水體容積和射流噴嘴面積來計算的。流速僅每秒旋轉(zhuǎn)的角速度(轉(zhuǎn)/秒,rev/sec)是通過使用電子計時計數(shù)器計算轉(zhuǎn)數(shù)及時間來決定的。這里提出了針對五種垂直軸向流速儀和七種水平軸向流速儀的成果。這五種垂直軸向流速儀均是美國地質(zhì)調(diào)查局的波萊氏(Price)流速儀，即旋杯AA型、光學(xué)旋杯AA型、小旋杯型、冬季旋杯AA型和帶聚合物轉(zhuǎn)頭的冬季旋杯AA型。七種水平軸向流速儀是奧特(Ott)C-31金屬旋

4、漿型、塑料旋漿型、A旋漿型和R旋漿型流速儀，威利波特(Valeport)BFM001型流速儀和中華人民共和國制造的LS253A金屬旋漿型和塑料旋漿型流速儀。垂直軸向流速儀有六個繞軸轉(zhuǎn)動的錐形杯。AA型流速儀的轉(zhuǎn)子的高度為2英寸、直徑5英寸。小旋杯型流速儀的大小為AA型流速儀的五分之二。所有旋杯流速儀除使用較小光學(xué)開關(guān)的光學(xué)旋杯流速儀外，都采用機(jī)械接觸式開關(guān)。冬季同儀裝上了修改過的AA型支架，以利方便地在冰下使用。AA型金屬轉(zhuǎn)子為開口的轉(zhuǎn)杯。聚合物轉(zhuǎn)頭是由同AA型金屬轉(zhuǎn)子相同尺寸的實(shí)心杯組成水平軸向流速儀使用繞水平軸旋轉(zhuǎn)的螺旋型漿。中國的流速儀和奧特流速儀有一個相類似的需用油潤滑的球形軸承和裝配

5、支架。兩種奧特旋漿(A型和R型)設(shè)計用于精確測量斜流的余弦分量。經(jīng)過測試的水平軸向流速儀的其他特征值列于表1中.洋文流速儀的重復(fù)性和對斜渣的響應(yīng)特性表1水平輪向渣速儀的特征（mm,毫米;m,米）一詆霆儀r_V"奧符C一31，標(biāo)度5!直&lZ5mn）,lB距0.25n）.銅臭待C3L.fi!料型直徑125nan.«£0.25m,fll>4臭符C一3】，A成直徑Wej螺距0.I25m.«ft|-31,R3直徑100mm.HI距0.25mM或病我待BFM0O1型食徑125mm,尊距O.27m,ffl料中國LS253A,金蜃直徑120mm,媒距。.

6、20m.鋁中國LS25-3A,ffl料51120mm,0.20m.復(fù)性試驗(yàn)重復(fù)性試驗(yàn)是關(guān)于深速儀精度的測試方法和檢驗(yàn)演速儀測速具有重復(fù)性或一致性的程度。每嗇流速儀在每秒0.25,0.8,1.5,5和8英尺五個流速級中的每一級分別作了十次試驗(yàn).流速儀安放在直指噴流中心部位的水流中。五個流速級中每一級的標(biāo)準(zhǔn)差都作了計算。標(biāo)準(zhǔn)趨的百分?jǐn)?shù)為標(biāo)準(zhǔn)差除以噴流流速再乘以10J圖1是標(biāo)準(zhǔn)差的百分?jǐn)?shù)與相應(yīng)于噴流流速點(diǎn)繪而成的曲線圖。對所有流速儀而言，標(biāo)準(zhǔn)差的百分?jǐn)?shù)均隨著流速的增加而減小.垂直軸向流速儀比水平軸向流速儀具有更為一致的響應(yīng)。對所有測試的流速，垂直軸向流速儀在標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)小于0.5%內(nèi)具有重復(fù)性小旋杯

7、值速儀的標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)在垂直軸向流速儀中為最大水平軸向流速儀對大多數(shù)旅速而言，在標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)小于1%內(nèi)具有重復(fù)性.在最低一級的測試值速中（0.25英尺/秒），臭特A型、R型和成利波待流速儀的標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)從1.2%到1.3%之間變化。在水平軸向流速儀中，中國制造的流速儀和奧待瑕料旋漿流速儀的標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)最小。重復(fù)性測試數(shù)據(jù)是通過一條線性回歸直線來擬合的，以便確定他們的線性響應(yīng)。每-部儀器作了總共50次重復(fù)性測試,其測試值與測得的噴流流速進(jìn)行回歸.所計算的回歸系數(shù)和均方根誤差RMS）按各對應(yīng)的流速儀排列在表2中總之，不論水平軸向流速儀或垂直軸向流速儀，都有類似的均方根誤差范圍，因此具有相近的線性響應(yīng)

8、在流速儀的測試中，中國制造的兩部流速儀和光學(xué)旋杯AA型流速儀具有最小的均方根誤裁.奧特A型旋漿流速儀的均方根誤差最大。所有儀器都有較好的線性響應(yīng)（較小的均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)）.斜渣響應(yīng)測試斜流響應(yīng)測試是檢測一部流速儀是否具有精碉測量水流的正確矢分量.這個測試也稱作余弦響應(yīng)測試因?yàn)橐徊坷硐氲牧魉賰x將記錄有夾角水源的余弦分或。每部儀器都在每秒0.25,0.8.1.5,5和8英尺的流速下以及流速角度以10°增量從90。到一90。變化的情況下進(jìn)行了測試。正角度的水流被導(dǎo)向正對著垂直軸向值速儀或?qū)λ捷S向流速儀從中心到右邊。在每個流速和夾角的組合中，對每部儀器測試兩次流速。由于只有流速儀而

9、不是實(shí)際水流速可以帶夾角，在測試垂直軸向流速儀對水流垂直夾角的響應(yīng)時，它被安放成軸與重力方向相互垂直.所有類型的流速儀的百分?jǐn)?shù)誤差可按下式計算，即100XCrevs/sec.4-（cosaXrevs/seco）-1）式中下標(biāo)a代海水流的夾角。代表直流。垂直軸向流速儀對水流垂直和水平夾角的響應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行測試.由于篇幅所限，這里顯示的只有垂直夾角測試的結(jié)果.在野外使用瘋速儀時，由于垂直夾角水流的影響，水文站不能對誤差進(jìn)行改正.第11卷總第42期1994年第1期水文科技信息XTKlfaa一Kiff<a0-0小宓環(huán)波逮儀-多傳頭冬季旋懷AA型俊速怯0-0金M轉(zhuǎn)頭冬#堂杯A入主泡速儀0031型h爽其

10、浪遺以“r31a1*zx31.A»fl中M1325-3A/金屆或利彼轉(zhuǎn)BFMHVISM2<X中國LS25-3A.a料單史特c-31/金atffi1對（A）垂直軸向流速儀和）水平軸向流速儀用流速計算的標(biāo)準(zhǔn)差百分敬譯文渡速儀的重復(fù)性和對斜流的響應(yīng)特性«2重性資料的均方根誤菱和回歸系數(shù)流逑儀均方根溟差傾斜度截距仙的類戛光學(xué)艦杯AAaQ.01722.211-O.Q14蜒杯AA員0.03502.2630.019垂直冬季淀杯AAS/金屬0.0204Z.294-0.no4垂直冬季旋杯AA頁/聚合物轉(zhuǎn)于0.05632.5920.056垂直微型柜杯型0.05361.051-0.055垂

11、直中國LS25-3A7金新0.U1860.6S40.009水平中國LS253A/型科0.01730.6530.002水平成利波待BFM0O10.(KO50.87。-0.002水平熨特C-3”金屬0.05070.8400.087水平奧特C-31/塑料0.04500.8350.0U7水平真特C-3UR盹漿U.O46D0.8230.。76水平虞持C-31/AML集0.06560.4210.127水平垂直軸向和水平軸向流速儀兩者對流速記錄偏小或偏大取決于水流的夾角和流速大小。在圖2中顯示的是五個測試流速平均百分?jǐn)?shù)誤差和對應(yīng)夾免點(diǎn)繪的曲線圖。大多數(shù)垂直軸向流速儀對水流速正偉度產(chǎn)生記錄偏大的現(xiàn)象，而對水流

12、速負(fù)角度在一40°到0°之間則記錄偏小,冬季聚合物轉(zhuǎn)頭旋杯AA型流速儀對測試的所有夾角都記錄偏小。除奧特A型和R型轉(zhuǎn)子流速儀外,水平軸向流速儀對大多數(shù)夾角表現(xiàn)出記錄偏小的趨向。當(dāng)水流夾角大于70。時，所有水平軸向流速儀都不能正常操作。在夾角對±】0°之間時，測試垂直軸向流速儀的誤差變化，光學(xué)旋杯AA型流速儀為一3.30%到一0.17%,小旋杯型流速儀則為一7.87%到8.92%t測試水平軸向流速儀的變化，奧特塑料旋漿流速儀為0.58%到0.91%,中國的LS253A型塑料旋漿流速儀為一2.02%到一3.77%在夾角為士30°時，垂直軸向流速儀的

13、誤差變化，冬季旋杯AA型金屬轉(zhuǎn)子流速儀為一6.71%到1.01%,冬季旋杯AA型聚合物轉(zhuǎn)子流速儀則為一31.83%到一33.97%。測試水平軸向流速儀誤差變化.奧特C一31A型轉(zhuǎn)子流速儀為一0.68%到2.95%。中國的塑料旋漿流速儀則為一12.87%到一13.19%。除了測試的最低流速外，因斜流產(chǎn)生的誤差隨流速增加而少量增加。在測試的最低流速點(diǎn)的誤差大于或差不多等于澳試的最高流速處發(fā)現(xiàn)的誤爰。圖3是百分?jǐn)?shù)誤差和相對應(yīng)于10°和30。噴流流速所點(diǎn)繪的曲線。由于水平軸向流速儀在斜流中低流速區(qū)不能正常操作，對每秒0.25英尺流速所測試的結(jié)果便從點(diǎn)繪的曲線中刪去了。兩蛆流速儀在較大水流夾角

14、時都有較大。60（A）.注林40匚】一I?小靛杯流速儀20一光學(xué)艘杯AA型流速儀旋杯AA3A速儀°多轉(zhuǎn)頭冬季艘杯AA型流速儀_2。0-0金屬轉(zhuǎn)頭冬季旋杯AA型流速儀-40-M-6O-4O-2O020608C第11卷總第42期1994年第1期水文科技信息（B）、注#0-0一Q、Q奧特C-31型R典柴流速僅奧待C-31型A烷槳流速儀威利族待BFM001流速儀中國LS25-3AS金舄槃流速儀中國LS25-3Aaa«W«iJt»儀奧持C-31鬼金屬黃某流面儀奧特C-3】型塑料旋槳流速儀圖2(A蚤直軸向流速儀和(B)水平軸向流速儀對斜流的平均響應(yīng)(A)、注#0-0

15、小旋杯流速儀光學(xué)旋杯AA型渲速儀旋杯AAJfi流速儀聚合物轉(zhuǎn)于頭冬季魔杯AA型流速僅-金屬精于冬季就杯AA型底速僅B)、注釋0-0一口、口奧待C-31受R地漿流速儀奧待C-3liflA旋漿渲速儀成利波BFM001型詭速儀中國LS25-3A蜃金屬度漿底速僅中國LS2S-3A型0料康紫流速儀奧待C-31型金一曜紫潦建儀奧待C-31型曜料翼漿流速儀圖3(A垂直軸向謙速儀和(B)水平輸向流速仗對10。和30。斜流的響應(yīng)誤差.裝配有A型和R型轉(zhuǎn)子部件的奧特流速儀因斜流引起的誤差為最小.而小旋杯流速儀和冬季聚合物轉(zhuǎn)子流速儀的誤差最大結(jié)論七種水平軸向流速儀和五種垂直軸向流速儀的線性響應(yīng)、重復(fù)性和對斜流的響應(yīng)已經(jīng)過測試.所測試的水平軸向和垂直軸向流速儀都有較好的重復(fù)性(均方根誤差小)和相