CN1100202A - 一种旋桨流速仪的检定方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种旋桨流速仪的检定方法及设备，用于确定通 用型旋桨流速仪检定公式V＝Kn+C中常数K、C 值。确定K值的方法，第一步测得旋桨的几何螺距 特征量Z值，第二步将Z值代入K值计算公式求得 K值。确定C值的方法，检测旋桨流速仪的内摩阻 力矩M，当M值在规定范围，采用平均C值。旋桨 几何螺距测试设备组成包括六个齿轮及传动轴、轴 套、底座等。摩阻力矩仪由底座、摆针、齿轮副、同步 电机、摆针偏角刻度盘等组成。

Description

本发明适用于确定通用型旋桨流速仪检定公式V＝Kn+C中常数K、C值的方法及设备。

现有的旋桨流速仪检定方法及设备是根据参照国际标准ISO3455《直线明槽中转子式流速仪的检定》制定的水电部标准SD  145-85《直线明槽中转子式流速仪的检定》，采用直线明槽静水检定。该检定方法是应用物体相对运动原理，即假设水流为静止的水体，检定车拖引旋桨流速仪与其作相对运动，从而获得标准输入量-速度V、输出量-流速仪转速n。每架仪器检定约20个测点，即检定车以约20种速度序列行驶，对应记下约20种对应转速，将这些测试数据，用最小二乘法拟合成直线方程：

V＝Kn+C……（1）

式中：V-水体流速;

K-水力螺距;

n-流速仪转速;

C-仪器摩阻系数。

这种旋桨流速仪的直线明槽静水检定方法及设备所需的基建、设备及其运营、维修的投资巨大。检定规程要求严谨、操作、计算工作繁杂、工效低，且很重要的一点是，仪器在检定过程中，频频扰动静水，破坏了仪器检定所必需的静水条件。因此，如果不严格遵守检定规定实际的标准输入量V并非车速V₁，而是V＝V₁±△V。故检定成果存在着一定的检定误差。

目前世界各国都是执行国际标准ISO  3455，沿用传统的直线明槽静水检定方法及设备，尚无其他更先进的检定方法及设备。

本发明旨在克服上述旋桨流速仪传统检定方法及设备存在的弊端，提供一种旋桨流速仪简捷的检定方法及设备，以提高检定工作效率，实现旋桨流速仪检定公式标准化。

本发明确定旋桨流速仪检定公式中常数的方法要点是，测得旋桨的几何螺距特征量Z值，通过计算而得到K值;常数C值，是应用摩擦摆原理的摩阻力矩仪测量旋桨流速仪内摩阻力矩后确定。

下面分三个方面阐述实施本发明的技术方案：

1）旋桨流速仪检定公式V＝Kn+C中常数K、C值的确定方法;

2）旋桨几何螺距测试设备;

3）摩阻力矩仪。

1.水力螺距K值、仪器摩阻系数C值的确定方法：

（1）确定K值方法

本发明的检定方法，适用于用一标准旋桨螺距的模具生产的一批塑料旋桨制件，其几何尺寸精度和形状的一致性，可满足水力相似定理要求。

本专利发明人杨汉塘撰写的论文《流速仪转子的静态特性》中给出：

K＝2πR·｛[1+（Cx/Cy）·tg²α]/[tgα（1-cx/cy）]｝……（2）

把上式右边变为：

K＝｛Cy/[（Cy-Cx）tg²α]+Cx/（Cy-Cx）｝·2πRtgα……（3）

式中：R-旋桨回转半径;

α-旋桨螺旋角;

Cx、Cy-旋桨阻力系数。

若不考虑旋桨流速仪内摩阻时，旋桨流速仪检定公式为：

V＝Kn……（4）

式（3）大括号为旋桨阻力系数B，2πRtgα为旋桨几何螺距H，于是

K＝BH……（5）

旋桨几何螺距H的确定

图1展示了旋桨几何螺距H与其特征量Z之间的计算关系。图1中β是设计旋桨时给出的标准螺旋角，Ho是与β对应的旋桨标准几何螺距;α是旋桨螺旋角，H是与α对应的旋桨几何螺距。

由图1给出的旋桨几何螺距H与其特征量Z之间的关系可得到计算式：

H＝2πR·tgα

-2πR·tg（β-γ）……（6）

由三角关系可知：

γ＝arctg（Z/T）……（7）

把式（7）代入式（6）得：

H＝2πR·tg[β-arctg（Z/T）]……（8）

旋桨几何螺距H沿半径为一常数，图1中的R是具有代表性的对应半径，其几何意义见图2中R所示。

式（8）中T是旋桨旋转1/4转时，在旋桨半径R螺旋面上画出的螺旋线长度，Z是用图1、2中百分表1在T终点处测得的垂距。T与Z的关系如图1所示。

阻力系数B的确定

通过试验，可建立关系式：

B＝B₀+QZ……（9）

把式（8）、（9）代入式（5）得：

K＝2πR（B₀+QZ）tg[β-arctg（Z/T）]……（10）

令：2πRB₀＝a，2πRQ＝b得：

K＝（a+bZ）tg[β-arctg（Z/T）]……（11）

至此，K值的计算公式已经给出。确定K值的方法，其特征是：第一步测得旋桨的几何螺距特征量Z值;第二步将Z值代入K值计算公式：

K＝（a+bZ）tg[β-arctg（Z/T）]，算得K值。

K值计算公式中：a、b是在最好的实验条件下检定一批旋桨流速仪总数5%的资料拟合而得的常数;β是设计旋桨时给出的标准螺旋角;T是旋桨旋转1/4转时，在旋桨半径R螺旋面上画出的螺旋线长度;Z是在T终端点处的垂距。

测取Z值的实际操作过程是，将旋桨装在旋桨几何螺距测试设备上，将固定在旋桨几何螺距测试设备底座上的百分表测杆触头垂直地对准旋桨螺旋线长度T的起点，调正百分表零点匀速转动旋桨几何螺距测试设备的手柄2 1/2 转，装在旋桨几何螺距测试设备上的旋桨恰好转过 1/4 转，这时百分表触头在旋桨螺旋面上画出螺旋线长度为T，其终点示值即为旋桨几何螺距特征量Z值。

将Z值代入K值计算公式：K＝（a+bZ）tg[β-arctg（Z/T）]，算得K值。

（2）仪器摩阻系数C值的确定方法

摩阻系数C值主要取决于旋桨流速仪内摩阻，通常流速仪配用精密仪表微轴承，轴承的摩阻力矩即为旋桨流速仪的内摩阻，该轴承的摩阻力矩值M在规定范围内时，采用平均C值。

具体检测方法是，将被检测的旋桨流速仪安装在摩阻力矩仪上，调整摆针，对准零点，即摆针偏角Ф＝0°。开动电机，旋桨流速仪轴承内圈被电机以低转速旋转，由于轴承的内、外圈之间存在摩擦阻力，内圈带动外圈随着转动，但被摆针上的摆锤负荷P所平衡。当摆针偏角：0°＜Ф＜90°时，旋桨流速仪内摩阻力矩M值在规定范围内，旋桨流速仪内摩阻力矩M值符合要求，摩阻系数采用平均C值。当摆针偏角Ф≥90°时，该架流速仪为不合格品。

2.旋桨几何螺距测试设备

图2是旋桨几何螺距测试设备的结构和原理图，该设备组成包括：N1、N2、N3、N4、N5、N6六个齿轮及相应的传动轴8、轴套7、手摇柄2、丝杆3、丝杆螺母4、底座5。其结构与位置关系是：N1和N3固定在同一根轴上，N1、N3是主动轮，此轴右端装有手摇柄;N4和N5固定在同一根轴上;N2固定的轴是一根丝杆，丝杆在丝杆螺母中，丝杆螺母固定在底座上。N2与N1啮合、N4与N3啮合、N6与N5啮合。N1与N2的转速比是6∶25、N3与N4的转速比是4∶1、N5与N6的转速比是5∶2。被测旋桨6安装在N6的轴上。该测试设备有如下功能：图2中手摇柄2沿箭头指向均匀转动，当n₁＝10转时，旋桨沿箭头指向转动，且n₂＝1转，同时与齿轮N2连结的丝杆3带动整体齿机构向左平移距离为Ho。相当于水体相对旋桨从左向右平移距离为Ho。与N2固定在一起的丝杆螺距t的尺寸由被测旋桨的标准螺距Ho而定，即：

t＝ 1/10 · (N1)/(N2) ·Ho

3.摩阻力矩仪

图3为应用摩擦摆原理的摩阻力矩仪，它由底座6、摆针2、蜂鸣器3、齿轮付4、同步电机5、支架7、电源开关8、摆针偏角刻度盘9组成。在摆针上距摆针转动中心L处有一摆锤负荷P，被测旋桨流速仪1安装在摩阻力矩仪上，摆针固定在流速仪外圈的转动套上，摩阻力矩仪处于静止状态时，摆针尖竖直向下对准零位，摆针偏角Ф＝0°。蜂鸣器作用是测试旋桨流速仪接触信号的长度，要求为3转。

摩阻力矩仪由上述部件组成，各部分结构与位置的关系是，支架、同步电机、摆针偏角刻度盘、电原开关固定在底座上适当位置，齿轮付的主动轮与同步电机轴固定在一起，检测流速仪时蜂鸣器装在流速仪身架上。

旋桨流速仪内摩阻力矩M，根据图3中偏角刻度盘给出的关系，按下式计算：

M＝PLsinΦ……（12）

式中：M-旋桨流速仪内摩阻力矩;

L-摆针上负荷P到转动中心距离;

Φ-摆针偏角。

当0°＜Φ＜90°时，M值在规定范围内就认为该旋桨流速仪内摩阻力矩符合要求，可采用平均C值。当Φ≥90°时，该架流速仪内摩阻力矩，不在规定范围内，故该架流速仪为不合格品。

采用摩阻力矩仪对旋桨流速仪内摩阻力矩M进行检测，比现行的用嘴向旋桨吹气，靠经验来鉴别仪器内摩阻的方法，更具有科学性、可靠性和标准化、规范化、因而可保证仪器检定质量。

4.实例

如对某批LS25-1型旋桨流速仪，抽检244架，测试时取R＝35.5mm，β＝48.26°，T＝60mm，用最小二乘法拟合得常数a＝277.581，b＝2.231。把这些数值代入（11）式得：

K＝（277.581+2.321Z）tg[48.26°-arctg（Z/60）]…（13）

大量生产中只要测得旋桨的几何螺距特征量Z值，便可求得K值，这种检定方法与传统的检定法比较，具有工作快捷，简便，仪器无须再下水检定的特点。经与常规水槽检定资料比较，K值之间偏差仅0.43%，远小于国标GB11826-89《旋桨式流速仪》规定1.8%。

从理论和统计学观点来看，由于公式（11）中的常数项a、b系在最好的实验条件下检定，并由一批LS25-1型旋桨流速仪总数5%的资料拟合而得，百分表读取Z值精确、可靠，并易于重复测量，故本办法精度不低于常规检定法。

摩阻系数C值主要取决于旋桨流速仪内摩阻，通常LS25-1型旋桨流速仪配用精密仪表微轴承D6025M，轴承的摩阻力矩即为旋桨流速仪的内摩阻，该轴承的内摩阻力矩值M规定范围是0.5～1.0克·厘米。在已标定好的摩阻力矩仪上，对LS25-1型旋桨流速仪内摩阻力矩M进行检测，Φ为摆针偏角，当0°＜Φ＜90°时，M值在0.5～1.0克·厘米规定范围内，该架流速仪摩阻系数采用平均C值0.007m/s。当Φ≥90°时，该架流速仪为不合格品。

5.本发明与背景技术相比所具有的有益的效果

（1）检测仪器设备

本发明所需的检测仪器、设备仅为旋桨几何螺距测试设备和一台摩阻力矩仪。电力消耗前者为手动，后者为5W，总造价为1万元。

常规的流速仪检定设备需要约250×10m²的建设场地，基建、检定水槽、检定车、供电系统、计算机控制、计算机系统和测试仪表等，全套设备造价约5百万元，电力消耗为4×55千瓦电机拖动10吨重的检定车。

（2）工作效率

常规检定1台流速仪需2小时，本法仅为5分钟;前者受检定的静水时间限制，无法连续工作，本发明无此限制，可充分发挥设备的效率。

（3）劳动强度

常规检定流速仪需一人开车，一人装、卸仪器，二人计算，本发明全部工作只需一人;前者在高速5m/s开车时，精神需高度集中，且有撞车危险。后者则很轻松自如。

（4）设备维护、检修

常规检定设备需有专门的维护、检修班子，维护停产时间长，费用高。本发明所用的设备几乎不需维修。

（5）检定质量

常规法检定，常因任务紧，检测环境技术条件中的静水时间往往得不到保证，因而很可能产生误检;本发明则不受此限制，且容易重复检测，故检定质量保证率高。

（6）检定费用

常规检定流速仪1台费用100元，本发明仅5元。

（7）标准公式

本发明的操作程序简单，检定质量高，容易制得标准公式，K值可以刻在塑料桨叶上，在洪水期间，若使用的旋桨流速仪的旋桨被水中漂浮物撞坏了，只要换一个旋桨即可继续使用，因而不致漏测宝贵的高洪峰流量保证水文资料的连续性，这具有很高的社会效益。而常规检定法则需花费相当大的代价。

实现本发明的最好方式，已在确定K、C值的方法及设备的技术方案里阐明。

本发明申请单位可提供全套检测设备和仪表，首批检定时，本发明者可亲自参加检测、计算工作。

Claims (3)

1、一种检定旋桨流速仪检定公式V=Kn+C的方法，公式中V是水体流速、K是水力螺距、n是流速仪转速、C是仪器摩阻系数，其特征是：

(1)确定K值的方法，第一步测得旋桨的几何螺距特征量Z值，第二步将Z值计算公式K=(a+bZ)tg[β-arctg(Z/T)]，算得K值。K值计算公式中，a、b是在最好的实验条件下检定，并由占一批旋桨流速仪总数5%的抽检资料拟合而得的常数，β是设计旋桨时给出的标准螺旋角，T是旋桨旋转1/4转时，在旋桨半径R螺旋面上画出螺旋线长度，Z是在T终点处的垂距；

(2)确定C值的方法，检测旋桨流速仪的内摩阻力矩M，当M值在规定范围内时，采用平均C值。

2、一种检定旋桨流速仪公式V＝Kn+C中水力螺距K值的几何螺距测试设备，其特征是：该设备组成包括N1、N2、N3、N4、N5、N6六个齿轮及相应的传动轴、轴套、手摇柄、丝杆、丝杆螺母、底座，其结构与位置关系是，N1和N3固定在同一根轴上，此轴右端装有手摇柄，N4和N5固定在同一根轴上，N2固定的轴是一根丝杆，丝杆在丝杆螺母中，丝杆螺母固定在底座上，N2与N1啮合，N4与N3啮合，N6与N5啮合，N1与N2的转速比是6∶25，N3与N4的转速比是4∶1，N5与N6的转速比是5∶2，被测旋桨安装在N6的轴上，当转动手柄时，六个齿轮组成的主机随丝杆转动产生前后平移，与N2固定在一起的丝杆螺距l的尺寸由被测旋桨的标准螺距H_o而定，即t＝（1/10）·（N2/N1）·H_o。

3、一种检定旋桨流速仪检定公式V＝Kn+C中仪器摩阻系数C值的摩阻力矩仪，其特征是：应用摩擦摆原理的摩阻力矩仪，由底座、摆针、蜂呜器、齿轮付、同步电机、支架、摆针偏角刻度盘、电源开关组成，在摆针上距摆针转动中心L处有一摆锤负荷P，摩阻力矩仪处于静止状态时，摆针尖竖直向下对准零位，摆针偏角Φ＝0°，各部分结构与位置关系是，支架、同步电机、摆针偏角刻度盘、电源开关固定在底座上适当位置，齿轮付的主动轮与同步电机轴固定在一起，检测流速仪时蜂呜器装在流速仪身架上，摆针固定在流速仪外圈的转动套上。