CN105300596B - 一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置，属于水动力学试验研究领域，包括：宽扁长直矩形管道、固定安装支架、水管、电磁流量计、三角量水堰、恒温水箱、动力水泵、掺混水泵、加热棒、温度传感器、温度控制系统以及相应的标定方法。本发明的有益效果在于：(1)提出了一种在水介质和紊流的情况下，对水下热膜式剪应力传感器标定的装置；(2)该装置能够在不同的温度下对热膜式剪应力传感器进行稳定地标定；(3)该装置可以用于对悬移质以及电解质浓度对水下热膜式剪应力传感器量测的结果影响进行研究。

Description

一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置

技术领域

本发明一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置属于水动力学试验研究领域，具体涉及一种具有自动温度控制功能的水下壁面热膜式剪应力传感器标定装置。

背景技术

泥沙问题是河流海岸等水利工程建设中的重要问题之一，其运动输移主要受制于床面剪应力大小，因此水下壁面剪应力的有效测量对泥沙运动问题的机理研究具有重要意义。对于水下壁面剪应力一直缺乏有效可行的量测方法，目前常用的直接测量手段是通过测量剪应力板的位移来计算剪应力大小，但其存在响应速度以及测量精度的问题，同时其工作方式易受水体正压力的影响。80年代以来，微型热膜式剪应力传感器在空气动力学研究中得到了广泛应用并逐步成熟，随着微机电系统的发展，微型热膜式剪应力传感器逐步推广应用到水下剪应力测量，为泥沙的基础理论研究提供新的方式。

在边界层内，当水流沿着固体壁面发生相对运动时，由于粘滞作用，水流流速在壁面处为零，在沿壁面的法线方向有很大的速度梯度。热膜式剪应力传感器贴于壁面，通电以后产生的热量被水流的强制对流传热所平衡，反映为传感器输出电信号的变化，进而可以建立壁面剪应力与电信号的关系。根据热膜式剪应力传感器的工作原理，其输出信号与流体温度有很强相关性，但是当测点温度与原有标定温度不同时，传感器输出信号会严重失真。相对于空气介质，温度对水介质的普朗特数、密度、动力粘性系数和导热系数影响更为严重，因此需要有一套对不同水温条件下的热膜式剪应力传感器进行标定的方法和装置。

目前热膜式剪应力传感器的标定装置主要针对在空气介质，专门用于水下的标定装置较少，常见的有微型扁薄层流槽道、圆形层流管道和基于压差法的扁平槽道。论文“柔性热膜剪应力传感器水下测量温度修正”(实验流体力学，2014年第28卷第2期)中采用微型扁薄层流槽道对热膜式剪应力传感器进行温度修正的研究，但是该装置只限于在小流量下层流状态中的标定，不能应用于紊流状态，而河流海岸中的泥沙问题常处于紊流状态中，论文也并未公布温控装置的结构，其恒温效果并不确定。论文“MEMS壁面剪应力传感器列阵水下标定试验研究”(实验流体力学，2015年第29卷第2期)中采用基于压差法的扁平槽道对剪应力传感器进行标定，但是该装置没有温控功能，无法确定水温条件在热膜式剪应力传感器标定中的影响，而且压差法需要测量沿程的压力损失，实际操作较为不便。

现有热膜式剪应力传感器标定的方法和装置不足在于：

1、现有技术不能实现基于温度修正方法的紊流状态下的标定；

2、现有技术不能实现不同水温条件下的标定工作；

3、由于悬移质和电解质对热膜式剪应力传感器的影响未知，因此在现有技术中未见将热膜式剪应力传感器应用在具有悬移质或电解质环境中测量。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能在紊流状态以及不同水温条件下对热膜式剪应力传感器进行标定的装置和方法。

一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置，该装置包括：宽扁长直矩形管道、固定安装支架、水管、电磁流量计、三角量水堰、恒温水箱、动力水泵、掺混水泵、加热棒、温度传感器、温度控制系统。

其中动力水泵、电磁流量计、宽扁长直矩形管道、水管、三角量水堰、恒温水箱，构成水流通道；其中掺混水泵、加热棒、温度传感器和温度控制系统构成保证水体温度恒定的控制装置；上述水管和宽扁长直矩形管道外壁和恒温水箱外壁均包裹EPE珍珠棉隔热层。水体初始在恒温水箱中，通过动力水泵将恒温水箱中的水体抽入水管中，经过电磁流量计流入到宽扁长直矩形管道中，再通过水管流入三角量水堰中，再经过量水堰溢流到恒温水箱中；所述动力水泵控制流量大小，水体在整个标定装置内形成循环。

上述的宽扁长直矩形管道内壁光滑，宽高比大于7:1，长度不短于2.5m，在宽扁长直矩形管道的进口和出口位置有过渡段，宽扁长直矩形管道通过过渡段与水管相连接，在宽扁长直矩形管道的进口过渡段下边界下游1.5～1.8m处开有方形安装窗口，安装窗口为边长10～20cm的方形，安装窗口设置对应大小的安装盖板用于贴附需要标定的热膜式剪应力传感器；安装盖板通过密封螺丝固定在宽扁长直矩形管道上，安装盖板内壁与宽扁长直矩形管道内壁平齐；发明人数值模拟和多次试验测试，只有满足以上要求时才能使宽扁长直矩形管道内水流的流动在到达热膜式剪应力传感器前充分发展。

在紊流状态下宽扁长直矩形管道的断面流速分布满足对数分布，发明人经过反复验算发现在紊流断面平均流速不大于3m/s且在相同宽扁长直矩形管道高度时，每一固定水温下可以得出一个紊流断面平均流速与摩阻流速u_*的线性关系，相关系数均达到0.99以上。通过测得的流量可以计算出平均流速，再根据线性关系求出摩阻流速，进而可以求得壁面剪应力大小。

上述恒温水箱容积不小于宽扁长直矩形管道容积的200倍。发明人反复实验发现，当恒温水箱容积小于上述比例时，在标定过程中宽扁长直矩形管道和恒温水箱内的水温会有显著波动。

上述三角量水堰为水工模型试验常用三角堰，其堰宽不大于35cm，堰长不大于3m，三角量水堰溢流口距恒温水箱内液面的垂直高度小于0.8m。试验中发明人发现，当堰宽大于35cm，堰长大于3m时，由于量水堰本身的蒸发作用，造成恒温控制难以实现。若溢流口距恒温水箱距离超过0.8m则由于溢流过程中在空中发生破碎，会携带大量与设置温度不同的空气进入下游水体，造成水体恒温不可控。

上述加热棒为紫铜管加热棒，单个长度53cm，功率2000w，共计16根并列等间距布置在恒温水箱底部。上述温度传感器采用集成式温度传感器，测量值分辨率是0.01℃；温度传感器通过温度传感器导线连接至温度控制系统；其中一个温度传感器布置在动力水泵入流口半径0.3m范围内，另一温度传感器布置在三角量水堰下游水平距离0.2m范围内，深度在含气射流入水深度与恒温水箱底面的一半位置，左右居中。

上述温度控制系统基于PID控制技术，由数据采集器、加热控制器、工控机三部分组成，温度传感器连接至数据采集器，温度的电信号经A/D转换成数字信号再送入工控机，工控机将设定的标定温度与当前采集的温度进行对比进而自动设置相应的加热功率，并对加热控制器送出控制信号，加热控制器根据工控机的指示对加热棒的加热功率进行调节。

上述的掺混水泵为轴流水泵，固定在恒温水箱的中部，用来控制热通量和质量通量的掺混。

利用以上装置进行热膜式剪应力传感器标定时采用如下标定步骤：

标定过程从低水温往高水温进行，从大流量往小流量进行。在标定过程中宽扁长直矩形管道内雷诺数均大于2000。

1、标定准备

1a，确定水温组次和流量组次；

1b，开启掺混水泵搅拌恒温水箱中的水体，开启动力水泵，先调节至大流量，让水体完全充满宽扁长直矩形管道，保证宽扁长直矩形管道内部没有气泡，整个装置内的水体在标定开始前需循环一段时间，等三角量水堰溢流稳定以后即完成标定装置的初始状态设置。

2、开始标定

2a，运行温度控制系统并设定当前标定流量组次的水温条件；

温度控制系统在恒温水箱水体实测温度低于设定温度3℃时，以1Hz频率连续监测恒温水箱中水体温度，当实测温度低于设定温度在1～3℃之间时，以2Hz频率连续监测恒温水箱中水体温度，当实测温度低于设定温度1℃以内时，以5Hz频率连续监测恒温水箱中水体温度；温度控制系统在实测温度低于设定的标定温度时，自动控制加热棒进行加热；温度控制系统在实测温度达到设定的标定温度时，自动停止加热棒加热，温度控制系统继续监测水体温度，如果温度下降超过0.1℃加热棒就继续加热；

2b，通过电磁流量计观察流量大小，并通过调节动力水泵来达到标定所需的流量条件，等待三角量水堰溢流稳定；

2c，待三角量水堰测得流量与所需流量条件差值小于等于1％时停止调节动力水泵，待恒温水箱内水体实测水温与设定温度差值小于0.1℃时开始采集热膜式剪应力传感器的输出电压；

2d、完成单一流量标定；

2e、降低至下一流量条件重复2b～2d直到完成该水温条件下的全部流量标定。

3、提高至下一设定温度重复步骤2，直至完成所有水温条件下标定。

4、建立不同水温条件下热膜式剪应力传感器输出的电压值与壁面剪应力大小的关系，得到热膜式剪应力传感器的校准公式，完成热膜式剪应力传感器在不同水温条件下的标定。

利用该装置实测并分析悬移质浓度对水下热膜式剪应力传感器量测结果的影响采用如下悬移质方法：

S1、壁面剪应力量测所用的热膜式剪应力传感器已在标定步骤中完成标定；

S2、量测过程从大流量往小流量进行，所有量测在同一水温条件下进行；在量测过程中宽扁长直矩形管道内雷诺数均大于2000。

S3、确定量测所需的水温条件、流量组次和悬移质水体的浓度组次。

S4、准备所需悬移质浓度的水体

S4a，根据恒温水箱中水体的体积，在恒温水箱中配制好当前所需悬移质浓度的水体，开启掺混水泵搅拌恒温水箱中的水体；

S4b，待搅拌均匀以后再开启动力水泵，先调节至大流量，让水体完全充满宽扁长直矩形管道，保证宽扁长直矩形管道内部没有气泡，等待三角量水堰溢流稳定。

S5、开始剪应力量测

S5a，运行温度控制系统并设定量测所需的水温条件；

温度控制系统在恒温水箱水体实测温度低于设定温度3℃时，以1Hz频率连续监测恒温水箱中水体温度，当实测温度低于设定温度在1～3℃之间时，以2Hz频率连续监测恒温水箱中水体温度，当实测温度低于设定温度1℃以内时，以5Hz频率连续监测恒温水箱中水体温度；温度控制系统在实测温度低于设定的标定温度时，会自动控制加热棒进行加热；温度控制系统在实测温度达到设定的标定温度时，会自动停止加热棒加热，温度控制系统继续监测水体温度，如果温度下降超过0.1℃加热棒就继续加热；

S5b，通过电磁流量计观察流量大小，并通过调节动力水泵来达到量测所需的流量条件，等待三角量水堰溢流稳定；

S5c，待三角量水堰测得流量与所需流量条件差值小于等于1％时停止调节动力水泵，待恒温水箱内水体实测水温与设定温度差值小于0.1℃时开始采集热膜式剪应力传感器的输出电压；

S5d、根据热膜式剪应力传感器的校准公式，由热膜式剪应力传感器的输出电压计算出当前流量条件下壁面剪应力大小，由完成单一流量下的剪应力量测；

S5e、降低至下一流量条件重复S5b～S5d直到完成该悬移质浓度下的全部流量的剪应力量测；

S6、依次停止温度控制系统、动力水泵、掺混水泵，排出装置中的水体，更换不同悬移质浓度的水体重复步骤S4～S5，直至完成相同水温条件下所有浓度条件下的剪应力量测。

利用该装置量测并分析电解质浓度对水下热膜式剪应力传感器量测结果的影响采用如下电解质方法：

E1、壁面剪应力量测所用的热膜式剪应力传感器已在标定步骤中完成标定；

E2、量测过程从大流量往小流量进行，所有量测在同一水温条件下进行。在量测过程中宽扁长直矩形管道内雷诺数均大于2000；

E3、确定量测所需的水温条件、流量组次和电解质浓度组次；

E4、准备所需电解质浓度的水体；

E4a、根据恒温水箱中水体的体积，在恒温水箱中配制好当前所需电解质浓度的水体，开启掺混水泵搅拌恒温水箱中的水体；

E4b、待搅拌均匀以后再开启动力水泵，先调节至大流量，让水体完全充满宽扁长直矩形管道，保证宽扁长直矩形管道内部没有气泡，等待三角量水堰溢流稳定；

E5、开始剪应力量测

E5a、运行温度控制系统并设定量测所需的水温条件；

温度控制系统在恒温水箱水体实测温度低于设定温度3℃时，以1Hz频率连续监测恒温水箱中水体温度，当实测温度低于设定温度在1～3℃之间时，以2Hz频率连续监测恒温水箱中水体温度，当实测温度低于设定温度1℃以内时，以5Hz频率连续监测恒温水箱中水体温度；温度控制系统在实测温度低于设定的标定温度时，会自动控制加热棒进行加热；温度控制系统在实测温度达到设定的标定温度时，会自动停止加热棒加热，温度控制系统继续监测水体温度，如果温度下降超过0.1℃加热棒就继续加热；

E5b、通过电磁流量计观察流量大小，并通过调节动力水泵来达到量测所需的流量条件，等待三角量水堰溢流稳定；

E5c、待三角量水堰测得流量与所需流量条件差值小于等于1％时停止调节动力水泵，待恒温水箱内水体实测水温与设定温度差值小于0.1℃时开始采集热膜式剪应力传感器的输出电压；

E5d、根据热膜式剪应力传感器的校准公式，由热膜式剪应力传感器的输出电压计算出当前流量条件下壁面剪应力大小，完成单一流量下的剪应力量测；

E5e、降低至下一流量条件重复E5b～E5d直到完成该电解质浓度下的全部流量的剪应力量测；

E6、依次停止温度控制系统、动力水泵、掺混水泵，排出装置中的水体，更换不同电解质浓度的水体重复步骤E4～E5，直至完成相同水温条件下所有浓度下的量测。

本发明的有益效果在于：

(1)提出了一种在水介质和紊流的情况下，对水下热膜式剪应力传感器标定的装置和方法；

(2)该装置和方法能够在不同的温度下对热膜式剪应力传感器进行稳定地标定；

(3)该装置和方法可以用于对悬移质以及电解质浓度对水下热膜式剪应力传感器量测的结果影响进行研究。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2为本发明的宽扁长直矩形管道示意图；

图3为本发明的温度控制系统示意图。

图中标号：1为宽扁长直矩形管道，2为安装窗口，3为电磁流量计，4为水管，5为固定安装支架，6为三角量水堰，7为恒温水箱，8为加热棒，9为掺混水泵，10为动力水泵，11-1和11-2为温度传感器，12为温度传感器导线，13为加热棒导线，14为安装盖板，15为热膜式剪应力传感器，16为密封螺丝，17为过渡段，18为温度控制系统。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明作进一步说明：

实施例1

参阅图1-图3，一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置，包括：宽扁长直矩形管道1、固定安装支架5、水管4、电磁流量计3、三角量水堰6、恒温水箱7、动力水泵10、掺混水泵9、加热棒8、温度传感器11-1、温度传感器11-2、温度控制系统18。

宽扁长直矩形管道1通过固定安装支架5固定在坚实的基础上。宽扁长直矩形管道1采用光滑透明有机玻璃制作，长3m，宽0.15m，高0.02m，底部固定安装支架5采用桁架结构以保证宽扁长直矩形管道1在标定过程中的稳定。宽扁长直矩形管道1的进口过渡段下边界下游1.5m处开有边长为0.12m的正方形安装窗口2，安装窗口2有对应大小的安装盖板14，安装盖板14的内壁与宽扁长直矩形管道1的内壁平齐，安装盖板14内表面贴附有需要进行标定的热膜式剪应力传感器15，安装盖板14通过密封螺丝16固定在宽扁长直矩形管道1上。

宽扁长直矩形管道1的进口段和出口段通过过渡段17与水管4相连接，水管4和宽扁长直矩形管道1外壁均包裹有EPE珍珠棉用于隔热，出口段水管淹没在三角量水堰6内，三角量水堰6通过固定安装支架5固定在恒温水箱7的上方，保证三角量水堰6的溢流落入恒温水箱7中，三角量水堰6的溢流口距恒温水箱7内液面的垂直高度为0.6m。

恒温水箱7中水体体积为2.5m³，其中置有加热棒8、掺混水泵9、动力水泵10和温度传感器11-1和温度传感器11-2。加热棒8为紫铜管加热棒，共计16根，采用并联方式等间距排列安装在恒温水箱7底部，单个加热棒最大加热功率为2000W，加热棒8通过加热棒导线13连接至温度控制系统18。掺混水泵9固定于恒温水箱7的中央，用于搅拌恒温水箱7中的水体，使加热的水体混合均匀。动力水泵10采用变频水泵以控制流量大小，动力水泵10抽取的加热后水体经过水管4进入宽扁长直矩形管道1中，水管4中间置有电磁流量计3。温度传感器11-1和11-2通过温度传感器导线12连接至温度控制系统18，动力水泵10的入流口半径0.3m范围内布置一个温度传感器11-1，另一温度传感器11-2布置在三角量水堰6下游水平距离0.2m范围内，深度位置为恒温水箱7底部起算的深度＝(恒温水箱7水深-含气射流入水深度)/2，左右居中，最终用来评判水温是否达到设计值的计算公式为：

实测温度＝(2×温度传感器11-2测得温度+温度传感器11-1测得温度)/3；

经过实际检验，通过以上布置的温度传感器测量并计算获得的恒温水箱7中的水温能够使得在水体流经宽扁长直矩形管道1时达到试验设计水温。

温度控制系统18基于PID控制技术，由数据采集器、加热控制器、工控机三部分组成，温度传感器11-1和11-2将温度信号传至数据采集器，温度的电信号经A/D转换成数字信号再送入工控机，工控机将设定的标定温度与当前采集到的温度进行对比之后，向加热控制器送出控制信号，加热控制器根据工控机的指示对加热棒8的加热功率进行控制。

在本实施例中，紊流状态下该宽扁长直矩形管道内的断面流速分布符合如下的对数分布：

式中y为测点距壁面距离；u_*为摩阻流速；u为测点流速；ν为水体运动粘性系数，与水温有关。断面平均流速可用如下的积分公式计算：

式中为断面平均流速，b为该宽扁长直矩形管道内高度的1/2，积分以后得到：

由上式可以解出u_*的计算公式，但计算公式为特殊函数，发明人经验算发现在平均流速不大于3m/s且在相同宽扁长直矩形管道高度时，每一固定水温下可以得出一个紊流断面平均流速与摩阻流速u_*的线性关系，相关系数均达到0.99以上。在本实施例中，得到下面2个温度条件下的紊流断面平均流速与摩阻流速u_*的线性关系：

(水温为11.6℃)

(水温为20.6℃)

通过测得流量可以计算出断面平均流速，再根据上述线性关系求出摩阻流速，进而可以根据下式求得壁面剪应力τ的大小：

式中ρ为水的密度；τ为壁面剪应力大小。由当前水温下计算所得壁面剪应力大小与热膜式剪应力传感器输出的电信号进行比较，可以实现对热膜式剪应力传感器进行标定。

标定过程从低水温往高水温进行，从大流量往小流量进行。在标定过程中宽扁长直矩形管道1内雷诺数均大于2000。

1、标定准备

1a，确定水温组次和流量组次，标定组次见表1；

表1标定组次

1b，开启掺混水泵9搅拌恒温水箱7中的水体，开启动力水泵10，先调节至大流量，让水体完全充满宽扁长直矩形管道1，保证宽扁长直矩形管道1内部没有气泡，整个装置内的水体在标定开始前需循环一段时间，等三角量水堰6溢流稳定以后即完成标定装置的初始状态设置。

2、开始标定

2a，运行温度控制系统18并设定当前标定流量组次的水温条件为11.6℃；

温度控制系统18在恒温水箱7水体实测温度为9.2℃低于设定温度2.4℃，以2Hz频率连续监测恒温水箱7中水体温度，此时自动控制加热棒8进行加热，5分钟后，实测温度为11.2℃，以5Hz频率连续监测恒温水箱7中水体温度；温度控制系统18继续对水体进行加热，当实测温度达到11.6℃时，温度控制系统18自动停止加热棒8加热，温度控制系统18继续监测水体温度，如果温度下降加热棒8继续加热；

2b，通过电磁流量计3观察流量大小，并通过调节动力水泵10来达到标定所需的流量条件2.74L/s，等待三角量水堰溢6流稳定；

2c，三角量水堰6测得流量为2.71L/s与所需流量条件2.73L/s差值为0.02L/s小于等于1％即小于等于0.0271L/s时，这时停止调节动力水泵10，这时恒温水箱7内水体实测水温为11.5℃，即与设定温度差值小于等于0.1℃时，开始采集热膜式剪应力传感器15的输出电压为7.909V；

2d、完成流量2.73L/s的标定；

2e、降低至下一流量条件重复2b～2d直到完成11.6℃水温条件下的全部流量标定。

3、提高至下一设定温度20.6℃重复步骤2，完成所有水温条件下标定，最终标定数据见表2；

表2热膜式剪应力传感器标定数据

4、以上标定数据可以通过拟合获得以下校准公式：

(水温为11.6℃)

(水温为20.6℃)

式中U为热膜式剪应力传感器的输出电压，τ为壁面剪应力大小。同类型用于热膜式剪应力传感器的校准公式有多种形式，包括带有温度修正的公式，该装置和方法得出的标定数据可以用于相似校准公式的系数确定。

实施例2：

利用该装置实测悬移质浓度对水下热膜式剪应力传感器量测结果的影响采用如下悬移质方法。

参阅图1-图3，一种具有温控功能的水下壁面剪应力标定装置示意图，包括：宽扁长直矩形管道1、固定安装支架5、水管4、电磁流量计3、三角量水堰6、恒温水箱7、动力水泵10、掺混水泵9、加热棒8、温度传感器11-1、温度传感器11-2、温度控制系统18。

实施例2中的装置与实施例1中相同，具有相同的规格和安装方式。

S1、壁面剪应力量测所用的热膜式剪应力传感器已在实施例1过程中完成标定，具有如下的校准公式：

(水温为11.6℃)

式中U为热膜式剪应力传感器的输出电压，τ为壁面剪应力大小。

S2、量测过程从大流量往小流量进行，所有量测在同一水温条件下进行。在量测过程中宽扁长直矩形管道内雷诺数大于2000。

S3、确定量测所需的水温条件、流量组次和悬移质水体的浓度组次，采用的悬移质为河流海岸泥沙问题实验研究中常用的木粉模型沙，量测组次见表3；

表3量测组次

S4、准备所需悬移质浓度的水体

S4a，根据恒温水箱7中水体的体积，在恒温水箱7中配制悬移质浓度为0.5kg/m³，开启掺混水泵9搅拌恒温水箱7中的水体；

S4b，待搅拌均匀以后再开启动力水泵10，先调节至大流量，让水体完全充满宽扁长直矩形管道1，保证宽扁长直矩形管道1内部没有气泡，等待三角量水堰6溢流稳定。

S5、开始剪应力量测

S5a，运行温度控制系统18并设定量测所需的水温为11.6℃；

温度控制系统18在恒温水箱7中水体实测温度低于8.6℃时，以1Hz频率连续监测恒温水箱7中水体温度，加热棒8进行加热，当实测温度升高到8.6℃时，以2Hz频率连续监测恒温水箱7中水体温度，加热棒8继续加热，当实测温度升高到10.6℃后，温度传感器以5Hz频率连续监测恒温水箱7中水体温度，加热棒8继续加热直到实测温度上升至设定温度时停止加热，之后温度控制系统18继续监测水体温度，如果温度下降超过0.1℃加热棒8就继续加热；

S5b，通过电磁流量计3测量流量大小，并通过调节动力水泵10使流量达到3.00L/s，等待三角量水堰6溢流稳定；

S5c，当三角量水堰6测得流量值为3.03L/s与所需流量条件3.00L/s差值为0.03L/s即两者差值小于等于1％时，停止调节动力水泵，恒温水箱7内水体实测水温为11.5℃～11.7℃时，即与设定温度11.6℃差值小于等于0.1℃时，采集热膜式剪应力传感器15的输出电压值为7.885V；

S5d、利用步骤S1中所列公式，根据采集的热膜式剪应力传感器的输出电压7.885V，计算出当前流量条件下壁面剪应力量测值为2.95Pa；

S5e、降低至下一流量条件1.80L/s重复S5b～S5d直到完成该悬移质浓度下的全部流量的剪应力量测；

S6、依次停止温度控制系统18、动力水泵10、掺混水泵9，排出装置中的水体，更换不同悬移质浓度的水体重复步骤S4～S5，直至完成相同水温条件下所有浓度下的量测，最终量测结果见表4。

表4不同悬移质浓度下水下热膜式剪应力传感器量测变化(木粉模型沙、水温11.6℃)

实施例3

利用该装置实测电解质浓度对水下热膜式剪应力传感器测量结果的影响采用如下电解质方法。

参阅图1-图3，一种具有温控功能的水下壁面剪应力标定装置示意图，包括：宽扁长直矩形管道1、固定安装支架5、水管4、电磁流量计3、三角量水堰6、恒温水箱7、动力水泵10、掺混水泵9、加热棒8、温度传感器11-1、温度传感器11-2、温度控制系统18。

实施例3中的装置与实施例1中相同，具有相同的规格和安装方式。

E1、壁面剪应力量测所用的热膜式剪应力传感器已在实施例1中完成标定，具有如下的校准公式：

(水温为11.6℃)

式中U为热膜式剪应力传感器的输出电压，τ为壁面剪应力大小；

E2、量测过程从大流量往小流量进行，所有量测在同一水温条件下进行。在量测过程中宽扁长直矩形管道内雷诺数大于2000；

E3、确定量测所需的水温条件、流量组次和电解质浓度组次，采用的电解质为NaCl，量测组次见表5；

表5量测组次

E4、准备所需电解质浓度的水体；

E4a，根据恒温水箱7中水体的体积，在恒温水箱7中配置浓度值为10‰的电解质水，开启掺混水泵9搅拌恒温水箱7中的水体；

E4b，待搅拌均匀以后再开启动力水泵10，先调节至大流量，让水体完全充满宽扁长直矩形管道1，保证宽扁长直矩形管道1内部没有气泡，等待三角量水堰6溢流稳定。

E5、开始剪应力量测

E5a，运行温度控制系统18并设定量测所需的水温条件为11.6℃；

温度控制系统18在恒温水箱7中水体实测温度低于8.6℃时，以1Hz频率连续监测恒温水箱7中水体温度，加热棒8进行加热，当实测温度升高到8.6℃时，以2Hz频率连续监测恒温水箱7中水体温度，加热棒8继续加热，当实测温度升高到10.6℃后，温度传感器以5Hz频率连续监测恒温水箱7中水体温度，加热棒8继续加热直到实测温度上升至设定温度时停止加热，之后温度控制系统18继续监测水体温度，如果温度下降超过0.1℃加热棒8就继续加热；

E5b，通过电磁流量计3测量流量，并通过调节动力水泵10来达到量测所需的流量值6.00L/s，等待三角量水堰6溢流稳定；

E5c，当三角量水堰6测得流量值为6.06L/s与所需流量条件6.00L/s差值为0.06L/s小于等于1％时，停止调节动力水泵，当恒温水箱7内水体实测水温为11.5℃～11.7℃时，即与设定温度11.6℃差值小于等于0.1℃时，采集热膜式剪应力传感器15的输出电压值为7.800V；

E5d，利用步骤E1所列的热膜式剪应力传感器15的校准公式，由热膜式剪应力传感器的输出电压7.800V算出当前流量条件下壁面剪应力值为9.98Pa，完成单一流量下的剪应力量测；

E5e，降低至下一流量条件3.00L/s重复E5b～E5d直到完成该电解质浓度下的全部流量的剪应力量测；

E6、依次停止温度控制系统18、动力水泵10、掺混水泵9，排出装置中的水体，更换不同电解质浓度的水体重复步骤E4～E5，直至完成相同水温条件下所有浓度下的量测，最终量测结果见表5。

表5不同电解质浓度下水下热膜式剪应力传感器量测变化(NaCl、水温11.6℃)

上述三则实施例是为便于相关技术人员能理解和应用该发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的范围内，可对其在形式上和细节上做出变化。

Claims (6)

1.一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置，其特征在于：包括：宽扁长直矩形管道、固定安装支架、水管、电磁流量计、三角量水堰、恒温水箱、动力水泵、掺混水泵、加热棒、温度传感器、温度控制系统；

所述的宽扁长直矩形管道通过固定安装支架固定在坚实的基础上；宽扁长直矩形管道底部固定安装支架采用桁架结构以保证宽扁长直矩形管道在标定过程中的稳定；宽扁长直矩形管道的进口段和出口段通过过渡段与水管相连接，水管和宽扁长直矩形管道外壁均包裹有EPE珍珠棉用于隔热，出口段水管淹没在三角量水堰内，三角量水堰通过固定安装支架固定在恒温水箱的上方，保证三角量水堰的溢流落入恒温水箱中，三角量水堰的溢流口距恒温水箱内液面的垂直高度小于0.8m；

水体初始在恒温水箱中，通过动力水泵将恒温水箱中的水体抽入水管中，经过电磁流量计流入到宽扁长直矩形管道中，再通过水管流入三角量水堰中，再经过量水堰溢流到恒温水箱中；所述动力水泵控制流量大小，水体在整个标定装置内形成循环；所述的掺混水泵、加热棒、温度传感器和温度控制系统构成保证水体温度恒定的控制装置；

所述的恒温水箱外壁均包裹EPE珍珠棉隔热层；

所述的宽扁长直矩形管道内壁光滑，宽高比大于7:1，长度不短于2.5m，在宽扁长直矩形管道的进口和出口位置有过渡段；

在宽扁长直矩形管道的进口过渡段下边界下游1.5～1.8m处开有方形安装窗口；

所述的安装窗口为边长10～20cm的方形，安装窗口设置对应大小的安装盖板用于贴附需要标定的热膜式剪应力传感器；安装盖板通过密封螺丝固定在宽扁长直矩形管道上，安装盖板内壁与宽扁长直矩形管道内壁平齐。

2.根据权利要求1所述的一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置，其特征在于：

所述恒温水箱容积不小于宽扁长直矩形管道容积的200倍。

3.根据权利要求1所述的一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置，其特征在于：

所述三角量水堰为水工模型试验常用三角堰，其堰宽不大于35cm，堰长不大于3m，三角量水堰溢流口距恒温水箱内液面的垂直高度小于0.8m。

4.根据权利要求1所述的一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置，其特征在于：

所述加热棒为紫铜管加热棒，单个长度53cm，功率2000w，共计16根并列等间距布置在恒温水箱底部；

所述温度传感器采用集成式温度传感器，测量值分辨率是0.01℃；温度传感器通过温度传感器导线连接至温度控制系统；其中一个温度传感器布置在动力水泵入流口半径0.3m范围内，另一温度传感器布置在三角量水堰下游水平距离0.2m范围内，深度在含气射流入水深度与恒温水箱底面的一半位置，左右居中；

所述温度控制系统基于PID控制技术，由数据采集器、加热控制器、工控机三部分组成，温度传感器连接至数据采集器，温度的电信号经A/D转换成数字信号再送入工控机，工控机将设定的标定温度与当前采集的温度进行对比进而自动设置相应的加热功率，并对加热控制器送出控制信号，加热控制器根据工控机的指示对加热棒的加热功率进行调节。

5.根据权利要求1所述的一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置，其特征在于：

所述的掺混水泵为轴流水泵，固定在恒温水箱的中部，用来控制热通量和质量通量的掺混。

6.一种根据权利要求1所述的一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置的标定方法，其特征在于：利用所述装置进行热膜式剪应力传感器标定时采用如下标定步骤：

标定过程从低水温往高水温进行，从大流量往小流量进行；在标定过程中宽扁长直矩形管道内雷诺数均大于2000；

1)、标定准备

1a)，确定水温组次和流量组次；

1b)，开启掺混水泵搅拌恒温水箱中的水体，开启动力水泵，先调节至大流量，让水体完全充满宽扁长直矩形管道，保证宽扁长直矩形管道内部没有气泡，整个装置内的水体在标定开始前需循环一段时间，等三角量水堰溢流稳定以后即完成标定装置的初始状态设置；

2)、开始标定

2a)，运行温度控制系统并设定当前标定流量组次的水温条件；

温度控制系统在恒温水箱水体实测温度低于设定温度3℃时，以1Hz频率连续监测恒温水箱中水体温度，当实测温度低于设定温度在1～3℃之间时，以2Hz频率连续监测恒温水箱中水体温度，当实测温度低于设定温度1℃以内时，以5Hz频率连续监测恒温水箱中水体温度；温度控制系统在实测温度低于设定的标定温度时，自动控制加热棒进行加热；温度控制系统在实测温度达到设定的标定温度时，自动停止加热棒加热，温度控制系统继续监测水体温度，如果温度下降超过0.1℃加热棒就继续加热；

2b)，通过电磁流量计观察流量大小，并通过调节动力水泵来达到标定所需的流量条件，等待三角量水堰溢流稳定；

2c)，待三角量水堰测得流量与所需流量条件差值小于等于1％时停止调节动力水泵，待恒温水箱内水体实测水温与设定温度差值小于0.1℃时开始采集热膜式剪应力传感器的输出电压；

2d)，完成单一流量标定；

2e)，降低至下一流量条件重复2b～2d直到完成该水温条件下的全部流量标定；

3)、提高至下一设定温度重复步骤2，直至完成所有水温条件下标定；

4)、建立不同水温条件下热膜式剪应力传感器输出的电压值与壁面剪应力大小的关系，得到热膜式剪应力传感器的校准公式，完成热膜式剪应力传感器在不同水温条件下的标定。