BH_1型便携式旋桨流速仪的研制
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第22卷 第1期2009年1月传感技术学报CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSVol.22 No.1Jan.2009TheResearchonaPortablePropeller-TypeCurrentMeterBH-1WANGPei-yun,QINPing,CHENLu-jiang*(NorthChinaSeaStandardsandMetrologyCenter,SOA,QindaoShandong266033,China)Abstract:Anewportablepropeller-typecurrentmeterBH-1isintroduced.Thiscurrentmeterconsistsofthreeparts:flowvelocitysensor,signalprocesscircuitanddataanalysissoftware.Anewdraft-tubeandguidedflowdomestructureisadoptedinthesensor.Thisstructurehasaquithighprecisionandcangreat-lyreducethemeasurementnoise.BymeansoftheMCUtechnology,thesensedsignalcanbeprocessedandstoredintime.Itisprovedfromtheexperimentaltestthatthissystemhasameasurementrangeof0.04m/s-4m/s.Thenonlinearityerroris0.669%inthisrange.Asitsnovel,convenient,reliablecharac-terizations,thiscurrentmeterhasalreadybeenadoptedbytheStateOceanicAdministrationBureau(SOA),andwaswidelyappliedtotheseaenvironmentmonitor.Keywords:currentmeter;portable;propeller;flowvelocitysensorEEACC:7320WBH-1型便携式旋桨流速仪的研制王沛云,秦 平,陈鲁疆*(国家海洋局北海标准计量中心,山东青岛,266033)收稿日期:2008-08-06 修改日期:2008-09-22摘 要:介绍了一种新型BH-1型便携式旋桨流速仪,主要由自主研制的流速传感器、手持式主机及微机数据回放处理软件三部分组成。其传感器采用新颖的导流筒和导流罩结构设计,增加了系统的抗干扰能力,有效提高了测量准确性。应用单片机技术实现了数据的实时检测与处理,多路存储以及瞬时测量流量功能。通过静态试验标定,表明该流速仪测量范围(0.04~4)m/s,非线性误差为0.874%。该流速仪结构新颖、使用轻巧方便、稳定可靠,已广泛应用于国家海洋局对陆源入海排污口排污监测和海洋环境管理工作中。关键词:流速仪;便携式;旋桨;流速传感器中图分类号:TH814 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2009)01-0147-04 近年来,随着电子技术和传感器技术的迅猛发展,国内外新型的测量流速的仪器设备越来越多,例如旋桨流速仪、超声波流速仪、激光流速仪和粒子图像测速系统(PIV(ParticleImageVelocimetry)和PTV(ParticleImageVelocimetry))等。因后几类仪器价格昂贵,使用条件苛刻,操作复杂,使其推广应用受到了很大的局限[1]。传统的旋桨式流速传感器也存在启动流速高且不稳定,体积大、笨重、不便使用和携带,以及没有充分考虑紊流对传感器测量的影响等不足之处。本文介绍的BH-1型便携式旋桨流速仪,由于克服了上述现有技术的不足,功能丰富、对被测流体无特殊要求、适用范围宽、测量精度高、抗干扰能力强、使用简单方便,研制成功以来已广泛应用于国家海洋局对陆源入海排污口排污量的测量和监控工作中,并已推广应用于水文站、厂矿、环保监测站、农田排灌、水文地质调查等部门在野外进行明渠流速流量现场测量领域。BH-1型便携式旋桨流速仪现已获国家实用新型发明专利(ZL200720023927.2)。1 设计原理及功能框图如图1所示该仪器的原理框图,整机采用便携式设计,由自主研制的流速传感器、手持式主机及微机数据回放处理软件三部分组成。手持式主机中信号检测系统包括信号调理、单片机、LCD、硬件抗干扰控制电路以及向计算机传发数据的通信接口电路、电源模块等。
图1 流速仪原理框图自主研制的流速传感器的旋桨(叶轮)在流体的推动下产生驱动力矩而旋转,带动叶轮轴上装配的磁钢旋转,并通过霍尔元件产生脉冲信号。旋桨的旋转周数与动水流速之间有下式的线性关系[2]:V=Kn+C=KN/T+C(1)式中V为流速;n为旋桨转动的频率(转子转率);C为旋桨的修正值(仪器常数);T为计测旋转周数所用时间;N为T时间内的旋桨周数(转子总数);K为系数(水力螺距)。故只要在一定时间内,测得旋桨的旋转周数,便可以求出旋桨所在位置的瞬时流速值。同时,手持式主机通过数据传输线对传感器信号进行采集,并经调理电路进行数据处理,最终显示并存储瞬时流速和平均流速,通过设置过水断面面积即可计算通过某一截面的流体流量。2 新型便携式旋桨流速传感器设计2.1 传感器构造如图2所示BH-1型便携式旋桨流速传感器结构示意图。叶轮为7片叶片结构。为了使叶轮对流速有很好的响应,选取了质量较轻的塑料叶轮。叶轮、叶轮轴及中心定位盘刚性地安装在导流筒的内腔中;导流筒前后端各安装有/十0字形布置的前后支架;前支架上插接有导流罩,导流罩和中心套的中心处均安装了宝石轴承;叶轮轴前后端均通过轴尖与宝石轴承连接,中心套上的宝石轴承通过中心套、调节螺丝和调节螺母刚性连接在后支架上。中心定位盘上均匀镶嵌有8个磁钢,与固定在后支架上的霍尔元件组成流速、脉冲转换器件。叶轮的转速通过安装在导流筒内支架上的霍尔元件来测得。在导流筒的外侧壁上装有可伸缩调节长度的(a) 传感器示意图
(b) 图2(a)所示传感器A-A向剖视图图2 BH-1型便携式旋桨流速传感器结构图测杆。2.2 传感器特征文中所研制的BH-1型便携式旋桨流速传感器,与传统旋桨流速传感器设计相比较,具有以下特征:¹新颖的导流筒与导流罩的结构设计。一方面,导流筒对流体起导向作用,以避免流体自旋而改变对叶片的作用角度;另一方面,导流罩对流体起到导流作用,使流体呈平稳的层流。因此,保证了叶轮一直在平稳流体冲击下旋转,有效地避免了水流紊动对传感器工作特性的影响,提高了仪器本身的抗干扰能力和测量准确度,同时也降低了启动流速。º导流筒前端壁薄、导流罩呈子弹头流线形的设计,有效地减少了水流的阻力,使仪器具有较强的环境适应能力。»使用霍尔元件和磁钢作为流速、脉冲转换器件,该电磁隔离技术有效地解决了传统旋桨流速传感器的密封问题。¼叶轮轴采用耐腐蚀的硬质合金,其与宝石轴承的连接方式为轴尖连接,即采用点接触的方式连接,点接触方式极大地减少了摩擦,更进一步降低了启动流速,提高测量准确性。148传 感 技 术 学 报2009年½调节螺丝和调节螺母的设计,可方便、快捷地调节叶轮轴与其它部件的松紧程度,起到调节传感器灵敏度的作用,又便于整套仪器的校准。¾旋桨(叶轮)、导流筒、导流罩、中心套、中心定位盘以及测杆的材料均使用耐酸碱腐蚀的工程塑料。一方面,大大降低了整套传感器的重量;另一方面,在测流时,塑料旋桨较金属旋桨的转动惯量小,相应水流速度快,提高了传感器对流速变化的响应能力[3]。¿测杆设计为4节可伸缩式,操作简单,省时,使用和携带方便。3 硬件设计BH-1型便携式旋桨流速仪的系统硬件结构框图如图1所示。采用AT89C51单片机控制、4位液晶显示、扩展一片EEPROM28C16进行流速数据存储、主机设有RS232串口与微机进行数据通信。如图3所示BH-1型便携式旋桨流速仪实物图。
图3 BH-1型便携式旋桨流速仪实物图存储9个排污口的流速数据(每个排污口存储6组瞬时流速,瞬时流速采样时间为2s);瞬时流速显示;进行数据采集时,6组数据存完后,显示平均流速;具有掉电数据自动保护及数据存储位置自动记忆等功能。主机采用4节充电电池供电,电路设计采用功耗较低的CMOS工艺芯片,为保证流速流量仪安全可靠工作,避免死机,采用硬件/看门狗0电路。通过专用电缆将BH-1型便携式旋桨流速仪主机及传感器探头连接起来,进行排污口现场流速测量,使用时只需按面板上的/选择0键或/存储0键即可完成流速测量和数据存储。4 软件设计为便于联调,软件设计采用模块化设计方式。共设有初始化模块、定时、计数模块、数据处理模块、数据订正模块、数据显示模块、数据存储模块、数据通信模块、人工操作模块。4.1 主机软件框图
4.2 微机数据回放软件
4.3 测频设计4.3.1 计数原理当中心定位盘内均匀分布在同一圆周上的8个永久磁钢在流体的作用下旋转时,磁钢每接近霍尔元件一次,在磁力线的作用下,霍尔元件就产生一个开关信号。此开关信号经整形,电压变换,形成与流速成正比的脉冲信号。信号数与转子转数比例为8:1,经主机内单片机进行采集计数,计算处理、显示。4.3.2 单片机编程¹主程序。主程序主要完成系统初始化设置,通信波特率设置(波特率为9600bit/s),定时间隔设置(定时间隔为50ms),同时启动单片机T1定时,T0计数(传感器送来的脉冲),并开启T1中断,系统随时处于查询时间计数器R7是否计数值为40(2s时间)和等待中断状态。如R7计数值为40,主程序则停止T1定时,T0计数;时间计数器R7清零;读取T0计数值;并根据公式(1)进行处理,显示,或数据传输,依次循环运行。ºT1中断服务程序。每隔50ms系统中断一次,执行T1中断服务程序。此时时间计数器R7加1,并装入定时初值。»通信中断服务程序。实现流速仪与计算机通信,当计算机要求通信时,该系统首先响应通信中断,与计算机进行交互通信。149第1期王沛云,秦 平等:BH-1型便携式旋桨流速仪的研制5 流速仪性能测试及结果5.1 试验条件试验在长@宽@水深为150m@3m@2m的直线明水槽中进行。将流速仪BH-1型便携式旋桨流速仪放置在1.2m(0.6@水深)[4]处,调整其轴线与检定车行进方向平行。将测杆固定在检定车上,配合应紧密,以防高速时弯曲和振动,影响实验结果。流速仪应位于水槽的中心线上。5.2 试验数据分析BH-1型便携式旋桨流速仪性能指标经长水槽检定获得。如表1所示随机选择的仪器编号为0007的流速仪试验数据。表1 流速仪试验数据标准流速V/m#s-1平均脉冲数转子转率n/s-10.042.88890.18060.075.88890.36810.108.00000.50000.2016.88891.05560.3025.22221.57640.5044.22222.76391.0088.00005.50001.50131.66678.22922.00175.333310.95832.32201.000012.56252.52217.250013.57812.81240.333315.02083.01259.250016.20313.31284.000017.75003.50299.333318.70833.85331.344020.7090 注:n=N/T=平均脉冲数/(8@2s)如图4所示仪器编号为0007的流速仪V-n曲线,得出V=0.18618n-0.00561,标准偏差:R=0.01705,最大偏差:$max=0.0346m/s。
