[发明专利]一种三维浑水脉动流速仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维浑水脉动流速仪，尤其是一种能够测量浑水三维瞬时流速的仪器，属于水利量测技术领域。

背景技术

水流因泥沙、污染物、藻类等固相颗粒而浑浊，浑水是天然河流最自然的状态，特别是在我国西北地区的河流(如黄河)，洪水含沙量可高达100kg/m³。

流速是刻画水流最基本的物理量，19世纪以来，随着实验流体力学的建立和发展，研发出的流速测量仪器已有毕托管、旋桨流速仪、热丝、声学多普勒流速仪(ADV)、激光多普勒流速仪(LDV)、粒子图像测速仪(PIV)等多种类型，其中，毕托管和旋桨流速仪只用于测量时均流速，其它仪器可测量瞬时流速。

与清水相比，浑水的透光性较低，不适合应用LDV、PIV等需要用光的测速仪器，而热丝只能应用于洁净水流，因此，ADV是目前测量浑水三维瞬时流速的主要仪器。ADV的工作原理是分别利用发射和接收探头向待测水团发射和接收超声信号，通过检测两者之间的多普勒频移测量水流流速。根据ADV测速原理，待测水团中的固体颗粒是超声信号反射源，因此，ADV的测量精度会随着颗粒浓度的增加而增大；但是，当含沙浓度超过一定范围后，信号传播途中的颗粒对超声波的漫反射作用增强，降低接收信号的强度，使得ADV测量精度随颗粒浓度的增大而降低，已有研究表明，在含沙量高于20kg/m³的含沙水流中，使用ADV难以测得可靠的流速数据。与此同时，ADV单台市场价格高达10万元人民币，同时需要多台测速仪器的应用场合费用高昂。

发明内容

为了提供一种价格便宜，且在高含沙水流中仍能有效测量水流三维瞬时流速的仪器，本发明采用如下技术方案：一种三维浑水脉动流速仪，包括三维测力传感器、防水外壳和测力杆；所述三维测力传感器设在所述防水外壳内；所述测力杆穿过所述防水外壳与所述三维测力传感器连接。

进一步地，所述防水外壳包括第一部件和第二部件；所述第一部件的第一端与所述第二部件的第一端连接；所述第一部件的第二端设有测量孔；所述第二部件的第二端设有出线孔；所述三维测力传感器设在所述第一部件与所述第二部件的连接处。

进一步地，所述三维测力传感器包括固定支座、第一弹性梁、第二弹性梁和电阻应变片；所述固定支座的第一端连接所述第一弹性梁的第一端；所述第一弹性梁的第二端垂直连接所述第二弹性梁的第一端；所述电阻应变片设在所述第一弹性梁和所述第二弹性梁内。

进一步地，所述测力杆包括测力球和连接杆；所述连接杆的第一端与所述测力球连接；所述连接杆的第二端与所述三维测力传感器连接。

进一步地，所述固定支座、第一弹性梁和第二弹性梁均设有圆形通孔；所述第二弹性梁的圆形通孔内插入所述测力杆；所述第一弹性梁的第一端横向设有第一方形通孔；所述第一弹性梁的第二端纵向设有第二方形通孔；所述第二弹性梁的中部设有第三方形通孔；所述第一方形通孔、第二方形通孔和第三方形通孔内均设有电阻应变片。

进一步地，所述电阻应变片至少为两个，所述电阻应变片串联构成全桥电路。

进一步地，所述防水外壳内还包括信号处理装置和信号线；所述信号处理装置第一端与所述固定支座的第二端连接；所述信号线的第一端与所述信号处理装置的第二端连接。

进一步地，所述信号处理装置包括顺次级联的前置放大电路、增益控制电路、USB接口数据采集电路和电源电路；所述前置放大电路用于放大所述三维测力传感器输出的应变信号；所述增益控制电路用于控制所述前置放大电路的放大倍数；所述USB接口数据采集电路用于采集放大后的所述应变信号；所述电源电路用于为所述增益控制电路、所述前置放大电路和所述三维测力传感器供电。

进一步地，所述测力杆与所述防水外壳之间设有防水膜。

本发明具有如下有益的技术优点：

(1)采用接触式测量方法，无需以光或声波作为信号，避免了水流不透光或颗粒漫反射等因素对测量信号的干扰，因而可应用于任意浓度含沙水流的测量。

(2)三维测力传感器使用三组相互正交的悬臂梁分别测力，避免力分量之间的相互干扰，实现了三维流速分量的独立同步测量。

(3)在高自振频率测力杆及三维测力传感器的配合下，本发明的三维浑水脉动流速仪的采样频率大于200Hz，可有效测得明渠含沙水流的三维脉动信息。

(4)本发明的三维浑水脉动流速仪的生产成本约为2万元人民币，显著低于市售ADV，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明的三维浑水脉动流速仪整体结构示意图；