新型聲學(xué)多普勒流速儀及其應(yīng)用

□姜新

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南，新鄉(xiāng)，453002）

新型聲學(xué)多普勒流速儀及其應(yīng)用

□姜新

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南，新鄉(xiāng)，453002）

灌區(qū)渠道水流流速的監(jiān)測需要先進(jìn)的測流儀器。聲學(xué)多普勒測速儀測流裝置，它不破壞流場、響應(yīng)速度快、測量精度高，由于其方便、快速和精確的流速測量特點(diǎn)，應(yīng)用范圍起來越廣泛。文章對比了傳統(tǒng)流速儀和聲學(xué)多普勒水流儀的適用條件，介紹了聲學(xué)多普勒水流儀的基本原理，為灌區(qū)水利用系數(shù)和灌區(qū)的量水工作提供了一種新的測流裝置和方法。

聲學(xué)多普勒測流；流速測量；方法；灌區(qū)

0 概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水流測速裝置也呈現(xiàn)出多樣化、先進(jìn)化和自動化的態(tài)勢。除了常見的旋槳流速儀外，近年來國內(nèi)外先進(jìn)的、新型的測量裝置也越來越多，如近年來出現(xiàn)的超聲波流速儀、激光流速儀和粒子圖像測速系統(tǒng)等。裝置雖先進(jìn)，但體積笨重而且價格不菲，需要熟練的操作人員等等，這些都使先進(jìn)儀器的推廣應(yīng)用受到了限制。文中采用的超聲波多普勒流速儀LSH10-1A、HXH03-1型，由廈門博意達(dá)科技有限公司生產(chǎn)，采用目前較先進(jìn)的電子科學(xué)技術(shù)，流速測量是利用了聲學(xué)“多普勒效應(yīng)”原理，具有以下特點(diǎn)：該裝置在測流工作時，由于沒有轉(zhuǎn)動或傳動機(jī)構(gòu)，做到了不破壞、不干擾河流或渠道中水流的流場，新一代的超聲波多普勒流速儀有較高的靈敏度及較好的抗干擾能力，對河流或渠道中的水流形態(tài)，無論水流強(qiáng)弱都能精確地反映出水流的流速。同時，新一代的多普勒流速儀也較好地解決了前人應(yīng)用中遇到的當(dāng)水體中泥沙、漂浮物多時，測流的流速易出現(xiàn)超出誤差允許范圍值的問題，總之，新型超聲波多普勒流速儀能準(zhǔn)確和快速地測量河道水文和和現(xiàn)代化灌區(qū)渠道水流等重要參數(shù)，為灌區(qū)水利用系數(shù)和灌區(qū)的量水工作提供了一種新的測流裝置和方法。

1 LSH10-1A基本原理

對于流速測量，根據(jù)所用儀器設(shè)備不同，可以分為流速儀法、浮標(biāo)法、超聲波法、電磁法、比降法等幾種方法。其中聲學(xué)多普勒測量流速的方法法是目前較為先進(jìn)的方法，并且能較好地實(shí)現(xiàn)對河流或渠道中水流流速的實(shí)時連續(xù)測量，實(shí)現(xiàn)自動控制測量、自動采集測量數(shù)據(jù)。聲學(xué)多普勒裝置是一個包括由ADCP換能器、操作軟件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)及連接設(shè)備等組成的系統(tǒng)，是一種利用聲學(xué)換能器所發(fā)射的聲脈沖在隨水流運(yùn)動的懸浮物質(zhì)中所產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行應(yīng)答，其特點(diǎn)是能夠測量不同水層的三維流速和流向，即測出河流的流速剖面，具有測驗(yàn)歷時短、精度高、資料完整豐富的特點(diǎn)，特別適合于流態(tài)復(fù)雜條件下的測驗(yàn)，具有極高的測驗(yàn)效率，大大提高了水文測驗(yàn)工作的技術(shù)含量和現(xiàn)代化水平。

聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理較好地應(yīng)用在LSH10-1型流速測量裝置中，河流或渠道水體中的不均勻體，當(dāng)隨著水體流動時，會對流速測量裝置中發(fā)射到水中的超聲波產(chǎn)生不規(guī)則的散射現(xiàn)象，裝置的接收換能器會收到部分的散射聲波，當(dāng)水體流動時，相對的運(yùn)動就存在于發(fā)射器、散射體和接收器之間，依據(jù)多普勒理論，即會產(chǎn)生多普勒頻移。根據(jù)多普勒頻移方程，頻移的大小：

式中：△Fd-多普勒頻移；F0-發(fā)射超聲波頻率；C-水中聲速；θ-發(fā)射波、接收波的夾角。

通常情況下，由于V·cosθ值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C值，可忽略不計(jì)，簡化（1）式為：

對于式（3）K值為常數(shù)，因?yàn)檠b置的超聲波發(fā)射頻率是不變的，為定值，而裝置安裝后，其換能器夾角同樣不變，為定值。因此從式（3）可得出：水體的流動速度僅和△Fd和C相關(guān)聯(lián)，且它們之間的關(guān)系成正比。

2 傳統(tǒng)流速儀與超聲波多普勒流速儀對比

傳統(tǒng)的旋槳式流速儀存在啟動流速高且不穩(wěn)定，體積大、笨重、不便使用和攜帶，測流時會破壞水流的自然流態(tài)，當(dāng)渠道中存在水草漂浮物時，會纏繞住轉(zhuǎn)動軸，對所測流速產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。由于水流驅(qū)動的慣性影響，測定瞬時流速比較困難，一般只能用于常用平均流速測量；二者相比較，聲學(xué)多普勒原理測量流速等水文參數(shù)精度高，與傳統(tǒng)的測流方法相比，多普勒測流具有測量精確度好、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于渠道、河流流速的精確測量，當(dāng)測量河道或渠道的水流流速時，它僅僅關(guān)系到水體的運(yùn)動速度，水中漂浮物基本對裝置的測流效果不會產(chǎn)生影響。超聲波多普勒流速儀具有如下特點(diǎn)：新一代的超聲波多普勒流速儀有較高的靈敏度及較好的抗干擾能力，對河流或渠道中的水流形態(tài)，無論水流強(qiáng)弱都能精確地反映出水流的流速；感應(yīng)靈敏，分辨率高，不受啟動流速限制；裝置測量水流相應(yīng)參數(shù)時反應(yīng)迅速，不但可以精確地測量平均流速，也可以對水流瞬時流速進(jìn)行準(zhǔn)確測定；測量線性，流速檢定曲線不易變化；由于多普勒測速裝置不存在機(jī)械轉(zhuǎn)動問題，所以，也較好地解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀由于水體中泥沙堵塞，水草、雜物纏繞等問題。

3 應(yīng)用前景分析

多普勒流速儀由于它的特點(diǎn)正逐步廣泛應(yīng)用于水文測流中，例如，走航式多普勒流速儀測驗(yàn)一個測回的時間大約需要15～20 min，3個測驗(yàn)人員即可完成；而傳統(tǒng)流速儀測流時需花費(fèi)幾小時，且需要操作人員多。

多普勒流速儀可采用無線遙控方式施測，控制和記錄實(shí)測數(shù)據(jù)的技術(shù)人員可以在室內(nèi)完成，不必受天氣等其它因素的影響，同時可以獲得整個測驗(yàn)過程的所有數(shù)據(jù)。

可按需要安裝在被測河流或渠道側(cè)面，底部或頂部，準(zhǔn)確測量單點(diǎn)或多點(diǎn)水流流速，安裝方便，各種農(nóng)業(yè)灌溉渠道，不規(guī)則河道，可以長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，多普勒流速儀可內(nèi)置各種傳感器，準(zhǔn)確測量流速、流向、水位和水溫，滿足各種測量需要，新型多普勒流速儀功耗低，內(nèi)置可充電鋰電池，是目前最輕便、用途廣的多普勒流速儀。

聲學(xué)多普勒流速儀測流歷時短、效率和精度高。目前在國內(nèi)外已得到了廣泛應(yīng)用，在我國已有不少成功應(yīng)用的實(shí)例，比如功果橋電站水庫下閘蓄水、長江三峽大江截流等，其測驗(yàn)的高效性和先進(jìn)性受到人們的青睞。

4 聲學(xué)多普勒流速儀檢查與保養(yǎng)

儀器設(shè)備檢修應(yīng)包括探頭檢査、防腐蝕部件檢査、電纜(信號）線檢査，當(dāng)探頭表面有附著物時，用光滑的軟布蘸清水小心拭去；有明顯的裂痕或較深的劃痕時，應(yīng)檢驗(yàn)是否影響測驗(yàn)精度；電纜（信號）線破損、漏電時，應(yīng)維修或更換。

每次測速結(jié)束后，要馬上用清水沖洗多普勒測流裝置的水下探頭，沖洗后及時擦干，避免腐蝕性的物質(zhì)接觸到探頭表面。

在降水天氣使用時，應(yīng)對裝置的主機(jī)部分加強(qiáng)防水保護(hù)，避免因雨水進(jìn)入主機(jī)造成主機(jī)內(nèi)部電路短路或損壞。

5 結(jié)語

多普勒測流速度快、勞動強(qiáng)度低、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、精度高，適應(yīng)于在自然環(huán)境復(fù)雜、流量大、寬斷面的河流進(jìn)行測流作業(yè)，多普勒流速儀可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測，測量精度也滿足要求。

多普勒剖面流速儀測驗(yàn)效率較高，還可以通過計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程顯示與監(jiān)測實(shí)現(xiàn)對流量的在線實(shí)時監(jiān)測，快速、準(zhǔn)確地測量出河流、水庫、湖泊等水體的水文特征值，在水資源的合理開發(fā)利用和水環(huán)境的保護(hù)等方面起到了重要作用。

［1］超聲波多普勒流速儀，http://www.mwr.gov.cn/ztpd/2015ztbd/ swjctjh/cptj/201512/t20151204_727178.html［DB/OL］2015.

［2］莫明輝，張沈陽.聲學(xué)多普勒測流儀在奉化江潮流量測驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.浙江水利科技.2011，（6）:55-56.

［3］莫明輝，張沈陽.聲學(xué)多普勒測流儀在奉化江潮流量測驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.浙江水利科技.2011，（6）:55-56.

［4］閆建良，謝源源.ADCP與流速儀測流在他什店水文站的比測精度分析［J］.黑龍江水利科技，2008，36（5）：35-36.

［5］滿春香，劉陽明，柳恒.走航式聲學(xué)多普勒流速儀在黑龍江干流流量測驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.東北水利水電.2012，（2）: 63-65.

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A

1673-8853（2017）07-0095-02

2017-05-15

編輯：左英勇

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“農(nóng)田排水技術(shù)與產(chǎn)品”

姜新（1969-），女，漢族，主要從事農(nóng)田排水技術(shù)研究工作。