1、超聲多普勒流速儀的研制（下）青京水利水文自動化所鄧昌閭Sing三、儀器誤差分析根據流速與多普勒訊號的關系式為:扁T催COS%+COS0J0。其中為多普勒頻移量.上為工作頻率，V為流速，C.為聲波在水中傳播速度，e：為發射聲軸與水的流向我角，如為接收聲軸與流向夾角.由（D得c七Vtexf/COSfi,+cos%）dV一de+r+g必f°研Q由（2）式則可得到：dVdAfDdCdfoV十Cf°Sin們dzCosOl+Cqs62Sin0jd»|Cosj+Cos%上式袁明：所漏流速值的相對誤差是由多普勒頻率的相對誤差、聲速的相對誤差、工作頻率的相對誤差以及由于S、的偏差所

2、引起的兩項相對謖差的總和.dfft（一）工作額率的相對誤差7:前面已經提到，由于采用電容三點式晶振電路，'的相對df°y1<0,5%.由于。角所引起的相對誤差：其中%=15°,設6務=de?2°,smqdS誤差（二）S=o°則*&瓦出有庭6%8.=,二二4%3Cos?！?Cos03（三）由于聲速所引起的相時誤耋普.，該攻誤差主要由兩種因素產生，其一是渥度的彩響；其二是由于金沙置的彩響.1,含沙量的影響：根據RJUrick提出的計算懸濁液聲速的公式，R,Urick認為：當懸浮顆粒粒徑比波長小，并隨液體一起運動時，則可根據液體一般公式來

3、計算聶濁液的聲速即c=J蘆xtn其中Bf為懸濁液混合棒性模置、Pe為混臺密度，對于5MHZ頻率，波長為03mm,滿足上述條件-Urick,Ament.Bradfield等入用50KHZ、200KHZ,15MHZ等頻率，在石松子（粒徑30”），高嶺土（粒徑0.25乂）的懸濁液中，進行威驗,沸定不同濃度時吸收系數與聲速變化情況，不管是理論計算曲線或不同的試驗曲線，在低濃度時，聲速都將偎低，在體積波度不超過3%時，聲速變化不超過1%（如圖3所示,對亍15Kg/m3的含沙胃，其體積濃度約為0.7%.所以可以不考慮由于舍沙:所引起的聲速相對010203040%）圖3高齡土的懸濁液濃度與吸收系數及聲速關系

4、（Bradfield）2. 溫度的影響：根據Greenspan-Tschiegg的試驗公式：C=14O2.736+5.O3358t-O.O5795O6t2+3.31636x10*當t=20t!時，C=1482.66m/s其聲速的相玷溫度梯度約為0.002/度.即溫度每變化尸時，聲速相對變化孚«1%<過微機處理進行溫度補償，其相對誤差不超過1%,1?<51%4c（四）多普勒訊號的相對誤差產生多普勒訊號誤差的原因有三種：一是計時誤差引起的計數誤差；二是計數誤差；三是由于訊號譜展而引起的計數誤差.L計時誤差，單片機時標訊號是晶振原率，其相對時間誤差為2,計數誤差：計數誤差產生原

5、因，一是在取樣時段內對多普勒訊號的計數可能相崟一個訊號，相當于1.6又1。7中的流程;二是儀器該數分辨率所引起的讀數誤差，讀數分辨率為0.01m/s,由多普勒訊號轉換成流速值時采用四舍五入，因此旻示的流速值與實際流速值可能相差的量大值為0.005m/s.由于儀驀采取連續取樣工作方式，為了減少上述原因在低速端所產生的相對誤差，一是采用較長采樣時間如A10S,二是連續多次來樣，取其均值，如流速為0.1m/s時，果樣時間為10S,連續取樣10次（即按鍵一次）的流速均值其相對誤差a.V5%0.一3由于訊號譜展而產生的相對誤差取決于傳感器的質量與所采取的技術路線，根據前面所提到的一系列技術措施以及比測數

6、據，檢定試驗及讀數重復性試驗情況分析，估計由于譜展所產生的相對誤差57V8X1S七由此可得：儀器的最大均方差為<5-+<5+?5+（5+<5=0.013485.3%（4）在流速儀檢定水槽試莪堵果，全線均方差為1.12%,為了保證儀表使用精度，則應該注意正確的使用方法，主要是傳感器探頭要對準流向；瀏點應選擇流態平穩的地方；儀驀應固定可靠不要有抖動或接動現象；如果水面有波浪，則儀驀應有一定的入水深度，以免傳感驀暴露水面，避免在強電稀場情況下使用，在低速情況下，采樣時間要求>10S,并取其連續10次呆樣的均值等.四、比刪與試驗為了全面地考核儀器性能，提高儀驀質量，曾經進行了下

7、列試驗：流速儀檢定水槽的檢定試驗；在可變坡水槽中與激光流速儀對比試驗；在動水褶中與旋槳流逑儀的對比試驗；在不同情況下儀驀讀數的穩定性與分布規律試蹌；多水草、高流速、大含沙量情況下應用試驗；污水中長期運行試驗；潮汐河模型試驗；動船試驗；淺水中試騷等在這些比洌與應用試驗中，實測流速范圍為0.01-8m/S以上，含沙量為030Kg/n?以上，景淺水深為3.5cm,訊號傳輸距離為V60m,流速比測檢定范圍為0、0177-4.387m/s°下面分別簡介幾次主要試驗情況：（一）流速儀檢定水槽中與車速對比情況試驗方法是將傳感器固緊在測桿上，探頭與測桿垂宜并指向檢定車前進方向，當車子啟動；車速均勻后

8、，車速由記錄紙帶記錄下來，同時人工記錄儀驀所顯示的多普勒訊號數或直讀流速值，由車速訊號計算出車速并與儀器洲量做一一對應比裝，計算其絕對差值，相對差值與全線均方差.計算結果，在22組讀數中，其棉對誤差鏟W1%的共12個，1%號W2%的共8個，其余兩個分別為2.1%與一2.2%,全線均方差為1.12%,儀野由于不存在轉動部件，所以不存在轉子式儀驀所固有的C值與K值.檢定誤差計算表如下表所示超聲洲速儀嗦數值m/s車速lm/s)v011b絕對差值vim/s)平均絕對差值m/s相對差值左v/v0%）I1:均方差M%1044.3244.316+0.008-0.028+0.19;0.03614.387-0.

9、063一1.442.07363.9023.900+0.002、+0.002+0.050.00253.4563,502-0.046-0.046i-1.301.693.3273.364-0.037-0.037!-1.001.0012.9802.972一一.+0.0080.0115+0,270.0732.9650.015+0.510.262.9002.031-0.031-00055-0.100.012.780+0,020+0,070.00492.0802.085-0.005-'+0.01-一0240,0581Z12.055+0.025+1.21.44，、<|>211,6771.6

10、41+0.036+0.036+2.14.410.3340.329+0.005KJ.0051.52.250,09540,0939+0.0015+0.0015+1.62.56R0.09170.0920-0.0003-0.0003-0.330.10.01790.0177+0.002+6,0002+1J1.210.06310.0650-0.0013-0.0013-2.24.040.1130.11241+0.0006+0.0006+0.50.250.59980.5931+0.0067+0.0067+1.31.691.1091.10900001.6341.604+0.03+0.03+1.873.4971.

11、9832.004-0.021一0.021-1.001.00,LSW-1型超聲流速檢定誤差計算表（二）在變波水槽中，與激光流速儀對比試驗及讀數分布規律試驗,試驗是在河誨大學水力學實野室內進行，可交波水槽是由英國ArmHed公司提供的，室主任張志軍副教授親自主持試驗全過程，在與激光流速儀比測時，起聲波蘆束與激光束都調整在同一測點上，并同步讀數，因而避免了由于兩種儀器取樣時間不一致或測點的差異形響比測的真實性.在三組時比數據中,相對差值分別為1%，0.9%與。.5%在儀馨讀數分布朗律的試驗中，共測試了四組數據。第一組采樣時間為10秒，連續記錄200個數據，其中讀數為CL39m/s的107個'

12、，古總數53.3%,數探葛散度在0370.41m/s之間，呈正態分布.標準差為。07266,偏態系數為629x1。-，第三組讀數取樣時間為1。秒,連續取樣50次,其中0.19m/s的4。小,占總數的80%,其余讀數為0.18m/s.第二組與第四組瀆數取樣時間均為100秒，讀數基本上無離散現象.（三）在動水槽中,讀數重復性能試驗及與旋槳流速儀的對比試驗清況.1. 為了正確測定儀器所測讀數的重復性能，必須保持流態的穩定，為此涮點選擇在水糟中部（約40m處）；測定時間安排在中午12時以后,以避免由于市電的不穩而引起流速的波動.試驗以前，水泵電機啟動半小時，此時水流循環基本上這到平穩狀態,試驗結果如下

13、:所測時段平均流速為：4k=2.28l3m/s.（其中N/e(V讀數均方差:f-0.0026480.265%.讀數重復率為M=0.9973599.735%.2與流速儀比瀏情況比測流速范圍：0.6m/s2.4m/s.共6種流速，240個讀數.24淵次.W1%的共6次;其中相對誤差|今W2%的共5次;1%v3%的共8次;|AV|>3%的共5次.在試驗過程中.兩種儀器都安裝在水槽中心的同一水層高度.但前后相差5m.由于測點不同.同時在試驗中發現由一種流速調節到另一種流速時.水槽中將出現兩種水面的過程，要達到新的平穩狀態需要很長的時間，考慮到停電等因素，試驗又必須抓緊進行.因此有幾組讀數水流未達

14、到完全穩定情況.這可能造成一些讀數相差較大的原因.（四）高流速,多水草情況下的應用試驗：1988年8月，由山西省水土保持科學研究所主持了國內首次大規漠的土壩過水防護措施試雄，其目的是試驗不同草、漠木植物在高流速的沖擊下的護坡性能.試蹌是在一土壩上進行，壩高6米.坡比1:2,5.在下游壩坡上布有1x3m的試驗桀，渠內種有茂密的草或灌木植物.深木枝高為1.52米，革的密度為30。400棵.高為0.30.8米.我們應邀參加并負貴流速測Jt任務.在試驗過程中.取得五組讀數，流速范圍為5.11m/s8,848m/s.舍沙it變化很快.且分布不均.約為135KG/m七由于流速很大.流場急劇變化.傳感器在第

15、三個試驗渠遇Jf時被永沖走.（五）在污水長期運行試驗，試蹌是在一鋼鐵廠排污萊中進行的.污水源主要是煉焦車間的廢水及地表水，水中含疏、制等多種元素及大:懸浮物質，試驗迄今巳近三個月.儀器仍在正常工作.由于儀器傳感器是應用電，聲敏感器件.因此在試駿與應用中.要求回避強電、碰的干擾.情別要避開像馬達與電焊等強電磁波輻射.以保證浜it的植度.五、應用與展望超聲多普勒流逑儀，由亍傳感券小巧靈活酎用，具有極高的靈敏度與流速分辨率.有良好的抗腐蝕性能與抗簌浮能力，能連續長期運行，不用上油清洗，不存在機械磨損.不存在K.C值.因而不需要定期再檢定，對流速響應實時.應用先進的橫機技術進行數據處理，能顯示、存儲與

16、打印測:站果.是一種新型的、功能齊全的、智能化的流速流:測置設備.儀器剛一問世.引起了國內外有關行家的關注.包括美國、荷蘭.丹麥和臺灣一些專家都表示了祓大的興趣，甚至要求立即付費買下樣機；國內巳有專家學者應用研制樣機，進行新的測流或域的科學研究與應用.有的用戶，巳經要求通過微機的控制.用于流速流量的自動集測.由于應用超聲多普勒測速原理與儀券所共有的特殊功能，一些復雜而困難的流速流景課題將得到解決.在此.就目前巳經提出而又急待解決的一些主要課題作粗淺的討論：1. 冰下流速測:.在嚴寒季節或地區.轉子式流速儀由于容易結冰，冰下流速測量長明碓以解決，但對于超聲多替勒流速儀來說.由字不存在轉動部分，流

17、速訊號是通遷聲波的傳播來傳遞的.而冰作為一種介質同樣可以傳播超聲波；冰和水的聲阻抗相差不大.大部分訊號能:都可通過冰水介面，因此即使在傳感表面靖層薄冰，也不會號響儀器性能；其次由于傳感器在電聲轉換過程中,一部分能量轉換成熱能面使傳感器溫度上升.經我們粗略測定溫度可達20V,因而，即使在氣溫很低情況下，傳感器也，不會堵冰.2. 淺水.狹窄流場，底流等流速的測:,這主晏是由于傳感器很小和非接觸測:方式，即測點并不是傳感器所在位置，而是在傳感器的前方.3. 瞬時流速、流速過程線與動態測量，這主要是由于儀器具有極高的流速分辯率及對流速響應實時,而對于動態測置（如動船法，積寬積深法測流等），則要求采取妥

18、善的屏枝措施.4. 其他如微流速與高流速的測置；多恩浮物質與腐蝕性流質的測謹；流速的自記與長期觀瀏；流速的集測等.展而望之，儀器捋可在冶煉、石油、環保、海洋等部門得到應用,.X-又偵器刖剛何世，初次試制，不盡完善，加上遇題涉及學科較多，有關資料與測試設備等很少.在整個研制過程中，深感水平有限，知識面太窄，不足之處在所難免.切望大家提出寶貴意見.在研制過程中，得到孫勇、唐躍平、張止戈等同志的合作與協助，在此深表感謝。>主鬟考資料： 鄧備間：.對超聲波多普勒法測速問卷約研究”（散牯子汶群的散射困形設想及誤差厚一節）水利水文自動化（總第三期， 敷民強：,再論超聲多普勒海流計海洋技術.第六卷第三效 PSGrwn,SpectralBroadeningofAcousticReverberationinDopplsr-shiftFluidFlowmeterJASAVol.36NO.7PI3831390 廄音波技術便覽（日）（居洼液中的超音波的吸收一節）PJ007-1010 水文儀藩使用與維修手冊第一分冊、（上接第19頁）影響因于彩響的大小及顯著情況暴祠場次神禳方法由于融雪使雷達值號增強融雪的贓響在所有層云雨中都是顯著影響因于當在達波束中存在著,亮帶時.要比僅有降雨反射率提高l5dB2盡量雙測到融雪層以下在霧或層云中雨這神情況發生在有寡或低層云存在時，雨率11有寡