旋槳式流速流向儀的製作方法
2023-06-10 15:51:56 2
專利名稱：旋槳式流速流向儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種流速流向儀，特別涉及一種旋槳式流速轉子的流速流向儀。
背景技術：
流速流向儀是一種測量水流運動速率和水流流動方向的儀器，可分為接觸式和非接觸式兩類，接觸式有畢託管流速儀、本氏管流速儀、轉子式流速儀(其中旋槳流速儀應用最普遍，按其傳感器的結構分為電阻式、電感式和光電式三種，目前採用較多的是光電式)、熱線流速儀、電磁流速儀和超聲都卜勒流速儀等，非接觸式有雷射流速儀和粒子圖像測速系統等。
長期以來，河道海岸治理工程中的模型試驗研究和流速流向的測量一直受到世界各國的關注。從國際上發達國家情況看，為解決這一問題，均設有裝備精良、人員素質很高的研究機構，如美國陸軍工程兵團水道實驗站、荷蘭Delft水工研究所、英國Wallinford水工實驗室、法國夏都國立水工研究所、日本運輸省港灣研究所、德國卡爾斯魯爾聯邦水工研究所等等。這些研究機構均建立了各種試驗水槽，應用了各類流速測量儀器[1-4]，該類儀器主要有日本OGAWA SEIKI公司生產的二維(或三維)電磁流速儀、挪威NORTEK公司和美國SONTEK公司生產的ADV三維測速儀、美國公司生產的雷射流速儀。
我們國內也有多家研究機構，如南京水利科學研究院、中國水利水電科學研究院、清華大學等，均建立了大型的模型試驗廳，從國外進口了電磁流速儀、ADV測速儀和雷射流速儀，並自行開發了表面粒子圖像測速系統PIV(Particle ImageVelocimetry)與PTV(Particle Trace Velocimetry)等。但上述幾類進口儀器價格昂貴，使用條件苛刻，只能用於水槽試驗，粒子圖像測速系統也只能用於表面流場的測量，無法推廣應用到一般的模擬研究和模型試驗中的流速流向測量，更無從實現流速流向多點同步測量。目前模型試驗中流向流態的測量大多仍採用絲線、紙花、浮標、染色劑等示蹤物質進行目測，而對於流速垂線上的流向變化過程更無法測量。
現有的流速流向儀，一般由流速流向儀由信號採集裝置，信號調節裝置和信號處理裝置組成，信號採集裝置存在著流向尾舵形狀結構過大、流向自動跟蹤系統滯後和流速測量不同步的缺陷，這種流速流向儀要求工作水深大、流向跟蹤的流速大，而且流向精度差和流速流向測量不同步的缺陷，因而未能在實際中應用。
發明內容
本實用新型的目的就是為了克服現有技術的不足，提供一種能同步測量流速流向，與現有技術相比，最小工作水深、流向跟蹤的最小流速和流向測量精度指標有改進和提高的流速流向儀。
本實用新型的技術方案是，一種旋槳式流速流向儀，包括流速流向信號傳感器和信號測讀裝置，流速流向信號傳感器由流速流向信號測量探頭、流速信號轉換器、流向跟蹤裝置和流向信號轉換器組成，其特徵是，流速流向信號測量探頭由框架、旋槳和流向測量探頭組成；流向信號測量探頭由流向標和電極組構成；旋槳設在框架的水平中線上，與垂直邊框可旋轉連接；流向標為V形葉片，葉片底部設在框架的垂直方向上，並與框架尾部的水平邊框可旋轉連接；電極A和電極B固定在框架尾部內側、框架平面的垂直面上，電極A和電極B沿框架的水平面對稱設置，且電極A和電極B設在V形葉片之間，並與V形葉片留有間隙，公共電極C接零；電極A和電極B的輸出信號接流向跟蹤裝置；流向跟蹤裝置的輸出分別和流速流向信號測量探頭框架、流向信號轉換器連接。
本實用新型中包含了流速信號傳感器和流向信號傳感器兩部分，流速的測量通過流速信號傳感器進行，流向的測量由流向信號傳感器完成，兩個信號傳感器的信號測量探頭連為一體，即在流速流向流速測量探頭是在現有的流速測量探頭的基礎上增加了流向測量探頭部分，為同步測量流速流向提供基礎。
流速流向信號測量探頭由框架、流速旋槳、流向標和電極組組成，其中，流速旋槳用於採集流速信號，流向標、電極組用於採集流向信號，框架用於支撐信號採集部件，並將流速、流向採集部件結合在一起。
流速傳感器部分由旋槳和流速信號轉換器組成。旋槳式流速儀是轉子式流速儀的一種，即以作為轉子的流速儀，旋槳繞著與水流方向平行的軸轉動，其轉速與周圍流體的局部流速成單值對應關係，根據旋槳的轉速測量值，得出水質點的流速。流速信號轉換器將所採集的流速信號轉換成光、電、磁等可測信號輸入信號測讀裝置。本實用新型中，就是採用旋槳作為流速測量探頭，採集流速信號的，流速信號轉換器採用光電式。
在本實用新型中流向信號探頭為流向標和電極組。流向傳感器部分由流向信號探頭、流向跟蹤裝置和旋轉編碼器組成，流向信號測量探頭的信號輸入流向跟蹤裝置，流向跟蹤裝置的位移輸出與流向信號測量探頭框架固定連接。
流向測量的過程是，在流向標框架的內側固定有一對鉑金電極A和B，與流向標葉片之間有一定的間隙δA和δB。鉑金電極A及B與公共電極C(流速流向傳感器入水部分金屬杆壁)之間的水電阻與該間隙大小有關。當電極軸線與流向標軸線一致時，水電阻RAC＝RBC，若稍有偏離，則變為RAC＞RBC或RAG＜RBC，電極信號輸出接入流向跟蹤裝置，流向跟蹤裝置根據輸入信號判斷流向標的位置，驅動測量探頭框架旋轉至與水流方向一致，流向跟蹤裝置輸出信號可同時輸入流向信號轉換器，通過光電轉換，可將輸給軸的機械量、旋轉位移等轉換成相應的電脈衝或數字量，並輸入信號測讀裝置。
在本實用新型中，流向跟蹤裝置的具體結構可以由電橋電路、相位檢測電路、功率驅動電路、微型永磁直流電機以及齒輪減速器組成，將RAC、RBC接入橋路，則橋路的輸出隨RAC、RBC的變化而相應變化，該變化量通過相位檢測電路、功率驅動電路，控制永磁直流電機減速器轉動，直流電機減速器帶動流速流向探測頭轉動。齒輪減速器可以是三級齒輪傳動，第三級齒輪的輸出與測杆固定連接，測杆與流速流向信號測量探頭框架固定連接。與直流減速電機軸連接的主動齒輪通過中間齒輪帶動從動齒輪運轉，從動齒輪帶動測杆按與水流流線一致的方向轉動，由於設計安裝了中間齒輪，傳感器探頭運轉的方向與電機運轉的方向相同。
流向信號轉換器採用旋轉型轉換器，直流電機輸出軸與旋轉型轉換器，如增量型旋轉編碼器連接，帶動增量型旋轉編碼器旋轉，與編碼器連接的信號測讀裝置可隨時採集流向角度，直到測量結束為止。
本實用新型中，信號測讀裝置包括信號調節裝置和信號處理裝置。為了得到正確的流速信號，提高儀器的可靠性，在流速輸入信號之後設置有調節裝置，它包括信號電平放大電路和信號整形電路。配合軟體有效消除幹擾信號，保證所測記的流速儀信號正確無誤。
信號處理裝置採用單片機控制系統該系統採用89系列的CPU晶片，這是一種低功耗、高性能的CMOS 8位單片機，其內部邏輯電路與8051單片機基本相同，只是EPROM、ROM部分更換成閃爍可編程、可擦除只讀存儲器。程序用C-51語言編寫，結構緊湊，修改方便，並固化在CPU晶片的存儲器中。該裝置還包括顯示器、鍵盤和通訊接口，另外還可以包括μP監控器。作為本實用新型的進一步改進流速旋槳採用通孔制模加工，直徑可以為Φ12mm和Φ15mm，旋槳反光面採用先進的電鍍工藝，耐磨損，信號強，起動流速≤1cm/s，起動流速、測速範圍、線性度、同心度、率定係數和均方差等指標均較以往傳感器有很大的改進和提高。
流速旋槳與流向信號測量探頭框架採用軸尖支承連接，在框架水平中線上設有一對軸尖，流速旋槳的中心孔內設有軸柱，軸柱的兩端嵌鑲一對瑪瑙剛玉軸承，形成軸尖支承，在水流作用下，流速旋槳可以在框架上的一對上、下軸尖上順著水流靈活轉動。
流向標也稱為尾舵，採用比重比水輕的特殊PVC材料整體壓鑄成極輕巧的三角形葉片製成，葉片夾角成30°角，克服了現有的流向標在使用中極易損壞和折斷的缺點。
流向標與流向信號測量探頭框架採用軸尖支承連接，在框架垂直向設有一對上、下軸尖，流向標的頂端選用PPO材料作軸柱，在軸柱的上、下嵌鑲一對瑪瑙剛玉軸承，形成軸尖支承，在水流作用下，流向標可以在框架上的一對上、下軸尖上作靈活的左右轉動。
本實用新型中，框架採用制模加工，流速流向傳感器測量探頭靈巧精密，流向標、電極和瑪瑙剛玉軸承的安裝也進行了改進，有效地減小摩擦力矩以提高起動靈敏度、降低起動流速，提高了測量靈敏度及分辨力，實現了流向跟蹤的最小流速≤3cm/s。
作為本實用新型的進一步改進，流速流向儀傳感器中還設有微型電極導電環，A和B電極信號通過微型電極導電環輸出信號，電極導電環選用日本的EPSON印表機機頭的旋轉多點信號引出機構從而實現了電極導電環微型化、壽命長和360°旋轉功能。
測量電橋設計選用改進型的惠斯頓電橋。
圖1是本實用新型實施例1的結構框圖圖2流速流向信號傳感器的結構示意圖圖3是本實用新型實施例1流速流向信號探測頭主視圖圖4是本實用新型實施例1流速流向信號探測頭主仰視圖圖5是本實用新型實施例1流速流向信號探測頭電極與框架的連接示意圖圖6是本實用新型實施例1中流向跟蹤電路中電橋電路和相位檢測電路的結構示意圖圖7是本實用新型實施例1中流向跟蹤電路中功率驅動電路結構示意圖圖8是本實用新型實施例1中流向跟蹤電路中微型永磁直流電機電路結構示意圖圖9是本實用新型實施例1流速信號轉換器、編碼器和信號調節裝置電路示意圖圖10是本實用新型實施例1信號處理裝置中單片機CPU的電路示意圖11是本實用新型實施例1信號處理裝置中存儲器、接口電路以及監控器的電路示意具體實施方式
實施例1一種旋槳式流速流向儀，結構框圖如圖1所示，包括流速流向信號傳感器10和信號測讀裝置，流速流向信號傳感器10由流速流向信號測量探頭1、流速信號轉換器2、流向跟蹤裝置3和編碼器4組成。流速流向信號測量探頭和流速信號轉換器固定在測杆8的兩端，流向跟蹤裝置3的輸出分別接由流速流向信號測量探頭1和編碼器4。
信號測讀裝置包括信號調節裝置6和信號處理裝置7。如圖9所示，調節裝置包括信號電平放大電路61和信號整形電路62，配合軟體有效消除幹擾信號，保證所測記的流速儀信號正確無誤。如圖10所示，信號處理裝置7採用單片機控制系統以美國ATMEL公司的AT89C52單片機為核心控制元件(CPU)20。如圖11所示，CPU帶有可擦除只讀存儲器21，程序用C-51語言編寫，結構緊湊，修改方便，並固化在CPU晶片的存儲器中，選用12MHz的時鐘振蕩頻率，保證內部的高精度計時。採用2組LED，作為流速和流向顯示器；該部分電路還包括流速儀係數、常數及測速參數的輸入電路。在輸出電路中還設計有鍵盤、與PC機通訊的標準RS-232/485接口電路23，以及聲音提示、光指示電路等，該裝置另外還可以包括μP監控器22。
如圖3所示，流速流向信號測量探頭1將流速和流向的信號探測頭結合在一起，流速流向信號測量探頭由框架11、旋槳12和流向測量探頭13組成；如圖4所示，流向信號測量探頭13由流向標131和電極組132構成；旋槳12設在框架11的水平中線上，與垂直邊框可旋轉連接；流向標131為V形葉片，葉片底部設在框架的垂直方向上，並與框架11尾部的水平邊框111可旋轉連接；如圖5所示，框架尾部的一水平邊框111上設有插槽15，電極組132通過插槽15與框架11固定連接，電極A和電極B設在框架平面垂直面上，電極A和電極B沿框架的水平面對稱設置，且電極A和電極B設在V形葉片之間，並與V形葉片留有間隙δA和δB，公共電極C接零；電極A和電極B的輸出信號接流向跟蹤裝置，流向跟蹤裝置3的輸出接流速流向信號測量探頭框架11和編碼器4。
在測杆上安裝微型電極導電環8，見圖3，電極導電環選用了日本的EPSON印表機機頭的旋轉多點信號引出機構，具有360°旋轉功能，A和B電極信號通過電極導電環將輸出信號接入流向跟蹤裝置3。
流速傳感器採用光纖微型測速傳感器，傳感器利用光纖導光。光電轉換器2和流速探頭12分別固定連接在測杆5的兩端，見圖3，測杆5也作為光纖的通路。
流速旋槳12與流向信號測量探頭框架11採用軸尖支承連接，在框架水平中線上設有一對軸尖，流速旋槳的中心孔內設有軸柱，軸柱的兩端嵌鑲一對瑪瑙剛玉軸承19，形成軸尖支承，在水流作用下，流速旋槳可以在框架上的一對上、下軸尖上順著水流靈活轉動，見圖3和圖4。
流速旋槳的螺旋角、螺距、製作工藝和材料等都進行了重新設計(請敘述具體的改進)，旋槳12採用通孔制模加工，直徑為Φ12mm，旋槳反光面採用先進的電鍍工藝，耐磨損，信號強，起動流速≤1cm/s，起動流速、測速範圍、線性度、同心度、率定係數和均方差等指標均較以往傳感器有很大的改進和提高。
圖4和圖5所示，本實施例中的流向傳感器部分由流向信號探頭13、流向跟蹤裝置3和旋轉編碼器4組成，流向信號測量探頭13包括流向標131和電極A、電極B及公共電極C構成的電極組132。
流向跟蹤裝置3由電橋電路31、相位檢測電路32、功率驅動電路33、微型永磁直流電機34和齒輪減速器35組成，見圖3。電橋電路31、相位檢測電路32和功率驅動電路33構成的流向跟蹤電路如圖6、圖7所示，功率驅動電路33的輸出信號接微型永磁直流電機34，如圖8所示，齒輪減速器35採用三級齒輪傳動裝置，輸出軸接測杆5，如圖3所示。
測量電橋設計選用了改進型的惠斯頓電橋，考慮到橋路靈敏度與電極極化之間的矛盾，現供橋電壓選為交流8V，改善了原流速流向儀採用耦合變壓器性能難以一致的缺點，調試也簡單。用於跟蹤流向的驅動電機選用了微型永磁直流減速電機，轉速為每分鐘30轉，滿足了流向最大跟蹤速度30～40°/s。
直流電機34輸出軸通過齒輪減速器的一級齒輪351軸與增量型旋轉編碼器連接，帶動增量型旋轉編碼器，與編碼器連接的信號測讀裝置可隨時採集流向角度，直到測量結束為止。流向信號轉換器4選用了旋轉編碼器，旋轉編碼器是集光、機、電精密技術於一體的結晶。通過光電轉換，可將輸給軸的機械量、旋轉位移等轉換成相應的電脈衝或數字量。它具有體積小、重量輕、分辨力高、力矩小、耗能低、性能穩定可靠、堅固耐用、使用壽命長等特點。
如圖4、5所示，流向標131，採用比重比水輕的特殊PVC材料整體壓鑄成極輕巧的三角形葉片製成，葉片夾角成30°角，克服了現有的流向標在使用中極易損壞和折斷的缺點。
流向標131與流向信號測量探頭框架11採用軸尖支承連接，在框架垂直向設有一對上、下軸尖，流向標的頂端選用PPO材料作軸柱，在軸柱的上、下嵌鑲一對瑪瑙剛玉軸承18，形成軸尖支承，在水流作用下，流向標131可以在框架上的一對上、下軸尖上作靈活的左右轉動。
流向測量的過程是，在流向標框架的內側固定有一對鉑金電極A和B，與流向標葉片之間有一定的間隙δA和δB。鉑金電極A及B與公共電極C(流速流向傳感器入水部分金屬杆壁)之間的水電阻與該間隙大小有關。當電極軸線與流向標軸線一致時，水電阻RAC＝RBC，若稍有偏離，則變為RAC＞RBC或RAG＜RBC，將RAC、RBC接入橋路，則橋路的輸出隨RAC、RBC的變化而相應變化。該變化量通過相位檢測電路、功率驅動電路，控制永磁直流減速電機轉動，直流減速電機帶動與流速流向傳感器連接的齒輪傳動裝置。與直流減速電機軸連接的通過中間齒輪352帶動從動齒輪運轉353，從動齒輪353帶動測杆5按與水流流線一致的方向轉動，由於安裝了中間齒輪352，測杆5運轉的方向與電機34的運轉方向相同。
電機34軸通過主動齒輪351連接旋轉編碼器4，通過光電轉換，將輸給軸的機械量、旋轉位移等轉換成相應的電脈衝或數字量。
旋轉編碼器應用於角度定位或測量時，通常有A、B、Z三相輸出。A相和B相輸出佔空比為50％的方波。編碼器每轉一周，A相和B相輸出固定數目的脈衝(如360個脈衝)。當編碼器正向旋轉時，A相比B相超前四分之一個周期；當編碼器反向旋轉時，B相比A相超前四分之一個周期。A相和B相輸出方波的相位差為90±45°。編碼器每轉一周，Z相輸出一個脈衝。由於編碼器每轉一周，A相和B相輸出固定數目的脈衝，則A相或B相每輸出一個脈衝，表示編碼器旋轉了一個固定的角度。當Z相輸出一個脈衝時，表示編碼器旋轉了一周。因此旋轉編碼器可以測量角位移及位移方向。
流向測量選用的增量型旋轉編碼器每轉產生360個脈衝，編碼器的軸通過主動齒輪與電機軸連接，軸的每圈轉動，增量型編碼器提供一定數量的脈衝，如果在一個參考點後面脈衝數被累加，計算值就代表了轉動角度，即對應於一個明確的流向角度，流向讀取解析度為±1°。
本實用新型可以應用於清水和渾水中的流速流向測量，特別是在渾水模型試驗中，流速垂線上的流向變化過程用人工方法測量(絲線和紙花)是無法實現的，人工測量只能觀察到表面流速的流向，表層以下的流向就無法看清，本流速流向儀在沿流速垂線上的流向變化過程測量也獲得了成功，在測量垂線平均流速時傳感器隨時跟蹤了主流方向，使所測流速真正代表了主流方向的流速。
權利要求1.一種旋槳式流速流向儀，包括流速流向信號傳感器和信號測讀裝置，流速流向信號傳感器由流速流向信號測量探頭、流速信號轉換器、流向跟蹤裝置和流向信號轉換器組成，其特徵是，流速流向信號測量探頭由框架、旋槳和流向測量探頭組成；流向信號測量探頭由流向標和電極組構成；旋槳設在框架的水平中線上，與垂直邊框可旋轉連接；流向標為V形葉片，葉片底部設在框架的垂直方向上，並與框架尾部的水平邊框可旋轉連接；電極組中，電極A和電極B固定在框架尾部、框架平面的垂直面上，電極A和電極B沿框架的水平面對稱設置，且電極A和電極B設在V形葉片之間，並與V形葉片留有間隙，公共電極C接零；電極A和電極B的輸出信號接流向跟蹤裝置；流向跟蹤裝置的輸出分別和流速流向信號測量探頭框架、流向信號轉換器連接。
2.根據權利要求1所述旋槳式流速流向儀，其特徵是，所述框架尾部的一水平邊框的內側設有插槽，所述電極組連接端插入槽內，與框架固定連接。
3.根據權利要求1或2所述旋槳式流速流向儀，其特徵是，所述信號測讀裝置包括信號調節裝置和信號處理裝置，調節裝置包括信號電平放大電路和信號整形電路；所述流向信號轉換器為光電編碼器。
4.根據權利要求1或2所述旋槳式流速流向儀，其特徵是，所述流速信號轉換器為光電轉換器，光電轉換器和流速探頭分別固定連接在測杆的兩端，測杆作為光纖的通路；所述流速旋槳與流向信號測量探頭的垂直邊框的旋轉連接採用軸尖支承連接，在框架水平中線上設有一對軸尖，流速旋槳的中心孔內設有軸柱，軸柱的兩端嵌鑲一對瑪瑙剛玉軸承。
5.根據權利要求3所述旋槳式流速流向儀，其特徵是，所述信號處理裝置為單片機處理系統，單片機處理系統採用89系列的CPU晶片，它接有鍵盤、顯示器、存儲器、up監控器和通訊接口。
6.根據權利要求4所述旋槳式流速流向儀，其特徵是，所述旋槳的直徑為Φ12mm。
7.根據權利要求6所述旋槳式流速流向儀，其特徵是，流向跟蹤裝置由電橋電路、相位檢測電路、功率驅動電路、直流電機以及齒輪減速器組成，電橋電路、相位檢測電路、功率驅動電路和微型永磁直流電機依次串聯，微型永磁直流電機輸出軸接齒輪減速器。
8.根據權利要求7所述旋槳式流速流向儀，其特徵是，所述齒輪減速器為三級齒輪傳動裝置；主動齒輪連接在微型永磁直流電機輸出軸上，並與中間齒輪嚙合，中間齒輪與從動齒輪嚙合，從動齒輪套在測杆上與測杆固定連接。
9.根據權利要求8所述旋槳式流速流向儀，其特徵是，流向標採用PVC材料整體壓鑄，，V形葉片夾角成30°角；流向標與流向信號測量探頭框架尾部的水平邊框之間採用軸尖支承連接，在框架垂直向設有一對上、下軸尖，流向標的頂端選用PPO材料作軸柱，在軸柱的上、下嵌鑲一對瑪瑙剛玉軸承。
10.根據權利要求9所述旋槳式流速流向儀，其特徵是，在測杆上設有微型電極導電環，電極導電環為360°旋轉的多點信號引出機構，A和B電極信號接入電極導電環，電極導電環將輸出信號接入流向跟蹤裝置。
專利摘要本實用新型涉及一種旋槳式流速流向儀，它包括流速流向信號傳感器和信號測讀裝置，流速流向信號傳感器由流速流向探頭、流速信號轉換器、流向跟蹤裝置和流向信號轉換器組成，信號測量探頭由框架、旋槳和流向測量探頭組成；流向信號探頭由流向標和電極組構成；旋槳設在框架的水平中線上，與垂直邊框可旋轉連接；流向標為V形葉片，葉片底部設在框架的垂直方向上，與框架尾部可旋轉連接；電極A和電極B固定在框架尾部、框架的水平面的中心垂直面上，電極A和電極B設在V形葉片之間，沿框架的水平面對稱設置，並與V形葉片留有間隙，公共電極C接零；電極A和電極B的輸出信號接流向跟蹤裝置；流向跟蹤裝置的輸出和流速流向探頭框架、流向信號轉換器連接。
文檔編號G01P13/00GK2888448SQ200520073220
公開日2007年4月11日 申請日期2005年7月1日 優先權日2005年7月1日
發明者蔡守允, 戴傑, 張定安, 馬進榮, 李恩寶, 程順來, 姜英山 申請人:南京水利科學研究院