萬(wàn)星星，雷文韜，劉同宦，李會(huì)云，吳新生

（長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所，湖北 武漢 430010）

1 問(wèn)題的提出

在河工模型試驗(yàn)中，水流流速與流向是試驗(yàn)者經(jīng)常需要觀測(cè)的參數(shù)，用以獲得流場(chǎng)分析數(shù)據(jù)。在含沙水流的泥沙模型試驗(yàn)測(cè)量流速流向時(shí)，光電式、超聲波等類(lèi)型的測(cè)量?jī)x器受到諸多條件限制，尤其是受較高含沙量水流的影響，難以適用。其主要原因是光電式傳感器發(fā)射的光線通過(guò)水流時(shí)發(fā)生折射和散射，無(wú)論是可見(jiàn)光還是紅外光，光線容易被渾水吸收，濃度越大，接收的光強(qiáng)就越弱，若泥沙粒徑越細(xì)，被吸收的光就越多。類(lèi)似的，超聲波在含沙水流中傳播時(shí)，在水與沙粒的界面上也會(huì)產(chǎn)生反射波和散射波，由于被散射其強(qiáng)度產(chǎn)生損失，傳播的距離與水中的懸浮顆粒含量有關(guān)，含沙量越大，超聲波被吸收的聲能就越多。當(dāng)水流含沙濃度較大時(shí)甚至接收不到超聲波信號(hào)。所以，光電或超聲波傳感器等類(lèi)型的測(cè)量?jī)x器只能在所含顆粒的粒徑較小，又能發(fā)出足夠的光強(qiáng)和超聲波強(qiáng)度的清水水流或較低含沙量的水流中測(cè)量應(yīng)用。

為了更好地同步測(cè)量含沙水流的流速大小和方向，提高和改進(jìn)泥沙模型試驗(yàn)測(cè)量手段，設(shè)計(jì)研制了一種適用于水工和河工泥沙模型的新型跟蹤式數(shù)字流速流向儀，它主要由流向自動(dòng)跟蹤測(cè)量機(jī)構(gòu)和電阻式旋漿流速檢測(cè)裝置2部分組成。其中流速檢測(cè)裝置是基于長(zhǎng)江科學(xué)院20世紀(jì)70年代研制的電阻式旋槳流速儀，經(jīng)過(guò)了由電子管／晶體管分立元件電路、PMOS／CMOS數(shù)字門(mén)電路、集成運(yùn)放電路，直至計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)編程的不斷升級(jí)，并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的多項(xiàng)工程模型試驗(yàn)應(yīng)用，已成為一種成熟可靠的流速測(cè)量?jī)x器。該流速測(cè)量?jī)x器的性能特點(diǎn)見(jiàn)其它文獻(xiàn)資料［1］，本文重點(diǎn)介紹流向測(cè)量部分的設(shè)計(jì)與研制。

2 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成與測(cè)量原理

該新型跟蹤式數(shù)字流速流向儀的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。流速流向信號(hào)測(cè)量探頭由流向舵片、流速旋槳、電極和支撐框架構(gòu)成，信號(hào)測(cè)量電極嵌固在框架上，并由滑環(huán)裝置引出到信號(hào)處理電路上。當(dāng)流速流向傳感器放置于水流中，水流動(dòng)能使流向舵片D偏轉(zhuǎn)，使之指向與水流順直的方向，并使旋漿S轉(zhuǎn)動(dòng)，由此分別獲得流向偏角和流速旋漿旋轉(zhuǎn)數(shù)的信息。

圖2是測(cè)量電路原理框圖。流向自動(dòng)跟蹤測(cè)量部分電路由流向信號(hào)轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘脈沖信號(hào)發(fā)生器、步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率放大器、精密電位器和精密直流穩(wěn)壓電源，以及數(shù)字電表顯示器等部分組成。當(dāng)水流流向變化使舵片偏離傳感器測(cè)頭框的軸線O－O時(shí)，隨水流擺動(dòng)的舵片電極D可觸及另一個(gè)電極X或Y，引起流向傳感器電極間阻抗的變化。其通過(guò)舵片與電極接通，使得信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中流向鑒別器的門(mén)電路電位發(fā)生變化，作為脈沖環(huán)形分配器的模式信號(hào)，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)功率放大器控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)流速流向傳感器測(cè)頭框左右偏轉(zhuǎn)，直到旋漿對(duì)準(zhǔn)流向。此時(shí)舵片D與電極X和Y都脫開(kāi)，電極間阻抗ZXD≈ZYD，電機(jī)停轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)舵片對(duì)流向的跟蹤。

在流速流向傳感器跟蹤流向偏轉(zhuǎn)的同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)BJ同步帶動(dòng)電位器W的中心滑臂偏轉(zhuǎn)，其輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的偏角電壓，并由數(shù)字電壓表顯示偏角度數(shù)。

圖1 跟蹤式數(shù)字流速流向儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 跟蹤式數(shù)字流速流向儀測(cè)量電路框圖

2.2 電路設(shè)計(jì)與分析

當(dāng)舵片對(duì)準(zhǔn)流向時(shí)，其不觸及電極X或Y，此設(shè)為“1”態(tài)，而觸及電極X或Y時(shí)設(shè)為 “0”態(tài)。因此，根據(jù)舵片觸及電極X／Y與否可組成 “01” “10” “11”三種狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行形式，以此可控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)，從而使舵片始終自動(dòng)跟蹤流向。

步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器CH250有A、B、C三個(gè)輸出端，當(dāng)輸入端CL或EN加上時(shí)鐘脈沖后，輸出波形將符合三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求。若采用CL脈沖輸入端時(shí)，是上升沿觸發(fā)，EN為使能端，EN＝1時(shí)工作、EN＝0時(shí)禁止。設(shè)計(jì)采用EN作時(shí)鐘端，則下降沿觸發(fā)，此時(shí)CL為使能端，CL＝0時(shí)工作、CL＝1時(shí)禁止。R1和R2分別為三相六拍和雙三拍運(yùn)行的復(fù)位端：當(dāng)R1加上正脈沖，ABC的狀態(tài)為“110”，而R2加上正脈沖后，ABC的狀態(tài)為 “100”，這樣避免了ABC出現(xiàn) “000”或 “111”的非法狀態(tài)［2］。

因此，根據(jù)流向傳感器信號(hào)的轉(zhuǎn)換狀態(tài)和步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器CH250的工作控制信號(hào)特性，可列出控制部分邏輯功能真值表 （見(jiàn)表1），由此設(shè)計(jì)測(cè)量邏輯電路。由表1可得脈沖分配器輸入控制端表達(dá)式：J6L＝X，J6r＝R1＝XY。考慮流向信號(hào)需經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入步進(jìn)脈沖環(huán)形分配器，流向鑒別器采用的門(mén)電路電平應(yīng)可靠翻轉(zhuǎn)，其輸入與輸出端之間采用兩級(jí)與非門(mén)隔離較好，由此可設(shè)計(jì)出流向鑒別器的最簡(jiǎn)與非門(mén)邏輯電路［3］。

表1 流向控制電路邏輯真值表

流向跟蹤測(cè)量部分邏輯電路見(jiàn)圖3。當(dāng)舵片電極D觸及X或Y電極，門(mén)電路輸入端X、Y為低電平，即流向鑒別器的輸入端邏輯狀態(tài)為 “01”或 “10”，其輸出端 M／N的電平信號(hào)分別接至脈沖分配器的模式端 “J6R／J6L”和復(fù)位端 “R1”，控制步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)功率放大器輸出端脈沖按 “A－AB－BC－C－CAA”順序進(jìn)位時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn) （定義為流向左偏轉(zhuǎn)），按“A－CA－C－CB－BA－A”順序進(jìn)位時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)（定義為流向右偏轉(zhuǎn)）。當(dāng)水流順直舵片不觸及電極X／Y時(shí)，傳感器門(mén)電路輸入端同為高電平，鑒別器輸出端處于邏輯狀態(tài) “11”，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 跟蹤式數(shù)字流向測(cè)量邏輯電路圖

2.3 元器件選用與制作

流速流向信號(hào)測(cè)量探頭由框架、流速旋槳、流向舵片和電極組構(gòu)成；旋槳設(shè)在框架的水平中線上，旋漿軸兩端針尖由鐘表瑪瑙軸承支撐，流速信號(hào)電極S1／S2鑲嵌在旋漿后側(cè)框架上，流向電極X／Y沿框架的水平面對(duì)稱(chēng)設(shè)置安裝，舵片與電極X／Y之間留一定間隙；所有電極引出采用微型電極導(dǎo)電環(huán) （旋轉(zhuǎn)信號(hào)引出機(jī)構(gòu)、在圖1中以 “”示意），以此可實(shí)現(xiàn)傳感器測(cè)桿無(wú)障礙旋轉(zhuǎn)，電極引線通過(guò)導(dǎo)電環(huán)連接到電機(jī)支架的電路引線插座上?？紤]抗氧化和防銹蝕，流向電極X／Y采用鍍金簧片，舵片由雙層不銹鋼片（20mm×10mm×0.35mm）加不銹鋼絲軸 （Φ1×14mm）壓焊而成。框架由環(huán)氧樹(shù)脂材料制作，并與Φ10×600×1.5mm的不銹鋼管測(cè)桿黏接。

流向信號(hào)電阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，含沙量的變化引起的阻抗變化基本不會(huì)影響流向信號(hào)，因此適合含沙水流的泥沙模型測(cè)量。傳感器獲得的流向信號(hào)由兩級(jí)CMOS與非門(mén)電路完成，設(shè)計(jì)選用CD4011型2輸入四與非門(mén)集成塊。

為了準(zhǔn)確跟蹤流向，傳感器跟蹤驅(qū)動(dòng)裝置采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，常被用作定位控制和定速控制。本次設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的工作模式采用三相單六拍方式，這種模式運(yùn)動(dòng)速度較慢，但定位精度高，適合流向跟蹤測(cè)量。

步進(jìn)電機(jī)選用雙出軸的小型步進(jìn)電機(jī)45BC340C型，引出軸一端連接不銹鋼管測(cè)桿，另一端連接高精度360°旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電塑料電位器。本研究設(shè)計(jì)選用的360°旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電塑料電位器比光電碼盤(pán)更具性?xún)r(jià)比，前者比后者的價(jià)格要低近10倍，特別是在研制多傳感器的測(cè)量系統(tǒng)中，具有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。脈沖分配器選用CMOS集成塊CH250，時(shí)鐘脈沖CP用與非門(mén)集成電路構(gòu)成環(huán)形振蕩器，產(chǎn)生一定頻率的方波信號(hào)接EN端，用作步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制脈沖，頻率范圍可調(diào)，以滿足不同的跟蹤速度。在步進(jìn)電機(jī)不失步的前提下，流向的跟蹤速度等于控制脈沖的頻率與步距的乘積。

在舵片D偏轉(zhuǎn)跟蹤的同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)同步帶動(dòng)負(fù)責(zé)流向信號(hào)轉(zhuǎn)換的電位器的中心滑臂旋轉(zhuǎn)，電位器W的分壓電壓大小即為待測(cè)之流向的角度，由帶有A／D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電表直接顯示流向偏角的度數(shù)，電壓的 “＋”、“－”極性表示流向與模型斷面垂線的夾角偏 “左”或偏 “右”的指向。另外，流向測(cè)量信號(hào)處理的備選方案為：將步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)光電隔離模塊，再由單片機(jī)計(jì)數(shù)處理送至數(shù)字顯示器；當(dāng)要將跟蹤式數(shù)字流速流向儀制作為多傳感器的測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，可由通信接口RS232／RS485連接到PC計(jì)算機(jī)編程測(cè)量。

儀器供電電源部分：選用L7805、L7812直流穩(wěn)壓集成塊為工作電路供電，而流向偏角轉(zhuǎn)換電源采用LT3032正／負(fù)雙通道、低噪聲、低壓差線性可調(diào)輸出穩(wěn)壓器，在電位器W兩端加±1.80V穩(wěn)定的直流電壓，使流向顯示按偏角左／右1°變化、電壓變化±0.01V指示，以保證流向偏角轉(zhuǎn)換與顯示的精確性及穩(wěn)定性。

3 儀器的調(diào)整與率定

根據(jù)設(shè)計(jì)將選用的各元件按印制電路板焊接好后，可調(diào)整測(cè)得各電路的電壓、電位和波形是否正常；數(shù)字顯示器采用三位半LED數(shù)字電壓表，將小數(shù)點(diǎn)及末位顯示屏蔽，方便流向角度讀數(shù)習(xí)慣。

3.1 流速的率定

流速一般根據(jù)在流速儀校準(zhǔn)槽上測(cè)出流速曲線進(jìn)行率定。用流速計(jì)數(shù)器的“計(jì)數(shù)／停止”開(kāi)關(guān)測(cè)定固定距離S所經(jīng)歷的時(shí)間t和旋漿的轉(zhuǎn)數(shù)n，即可得到流速率定曲線上該點(diǎn)的坐標(biāo)V、N值：V＝S／t，N＝n／t。將率定點(diǎn)數(shù)值畫(huà)在坐標(biāo)上可以得到流速率定V－N關(guān)系曲線，供測(cè)量時(shí)查用。率定點(diǎn)一般需保證至少5個(gè)（不包括起動(dòng)流速V0），流速校準(zhǔn)公式為：V＝KN＋V0，式中：K為傳感器的比例系數(shù)。

3.2 流向的率定

（1）零點(diǎn)調(diào)整：將舵片脫離開(kāi)左／右電極，并將電位器滑臂兩端的電阻值調(diào)至相等，使數(shù)字顯示器指示為0，并作好標(biāo)記 （電機(jī)支撐架上可貼裝量角器刻度板，調(diào)至與0°刻度一致）。

（2）特殊角度和滿量程調(diào)整：由零位開(kāi)始撥動(dòng)舵片觸及左／右電極使測(cè)頭框旋轉(zhuǎn)至±45°、±90°、±180°位置，顯示器應(yīng)分別指示為 “±045”、“±090”、“±180”。

（3）水流中率定：將流速流向傳感器固定在水工流向度盤(pán)測(cè)桿上，傳感器測(cè)頭框放入水流較為平順之處，此時(shí)流速不宜過(guò)高。將旋漿軸線O－O對(duì)準(zhǔn)流向，此時(shí)舵片脫離開(kāi)左右電極 （可適當(dāng)調(diào)整舵片與電極間的夾角和間距），流向顯示為0°；然后轉(zhuǎn)動(dòng)流向度盤(pán)，同時(shí)讀取流向顯示器和流向度盤(pán)的讀數(shù)，兩者數(shù)值應(yīng)基本一致。

完成上述3個(gè)步驟后，緊固電位器旋轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的連接螺絲。

4 性能與測(cè)量應(yīng)用

4.1 主要技術(shù)指標(biāo)

①測(cè)量范圍：1.5～150.0cm／s （±180°），含沙量＜20%；②測(cè)量誤差：流向±3°（分辨率≤1°）；流速＜10 cm／s時(shí)，≤±5%；＞10cm／s時(shí)，≤±2%；旋漿起動(dòng)流速：＜1.5cm／s；③流向跟蹤延遲時(shí)間：0.2～3.0s；④流向跟蹤速度：10～40°／s（可調(diào)）。

4.2 性能特點(diǎn)

（1）流向傳感器為電阻阻抗式，流向信號(hào)轉(zhuǎn)換只利用流向舵片與門(mén)電路的電極觸及與否確定電路工作狀態(tài)，模型水流介質(zhì)變化以及介質(zhì)含量 （含沙量）的大幅度變化引起的阻抗變化基本上不影響門(mén)電路的開(kāi)關(guān)特性。本流速流向儀適用泥沙模型目前常用的煤粉、粉煤灰、滑石粉、樹(shù)脂塑料沙、合成塑料沙、木屑等多種模型沙水流測(cè)量。

（2）流向舵片尺寸小，對(duì)流向變化敏感，在水流結(jié)構(gòu)的研究中對(duì)測(cè)點(diǎn)的流場(chǎng)干擾較小。

（3）流速測(cè)量部分沿用了成熟可靠的電阻式旋漿探頭，旋漿軸線能自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)水流向，與以前的固定式流速測(cè)桿相比，提高了流場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確度。

（4）由于流向的跟蹤需經(jīng)舵片的擺動(dòng)，再由輸出電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)測(cè)頭框架完成，當(dāng)流向變化的頻率較高時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件的慣性將引起跟蹤滯后現(xiàn)象［4］。這類(lèi)具有機(jī)械傳動(dòng)的跟蹤式流向儀，在流向變化較快或湍流的水流中測(cè)量效果不好。

4.3 測(cè)量應(yīng)用

將固定在水工流向度盤(pán)測(cè)桿上的流速流向傳感器放置在測(cè)流斷面，并使夾持基線、旋漿軸線O－O垂直的對(duì)準(zhǔn)斷面開(kāi)始測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中注意：①在模型現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，當(dāng)流向角度超過(guò)±90°時(shí)，傳感器測(cè)頭框會(huì)不停旋轉(zhuǎn)，這可能是旋轉(zhuǎn)流或漩渦所在的測(cè)點(diǎn)；②當(dāng)在具有往復(fù)流或潮汐模型中測(cè)量時(shí)，“±”角度的方向與原左右岸方向相反，觀測(cè)、整理資料時(shí)，可從流速和流向測(cè)量過(guò)程曲線的變化加以區(qū)別；③要定時(shí)或經(jīng)常對(duì)傳感器的旋漿、舵片、軸承和電極進(jìn)行清洗，防止細(xì)沙雜質(zhì)沉淀在表面以及細(xì)小雜物或纖維纏繞旋槳、舵片，影響其靈活轉(zhuǎn)動(dòng)而致使儀器測(cè)量不準(zhǔn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)研制的跟蹤式流速流向儀采用阻抗式傳感器作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器，不僅適用于水工、河工模型的清水測(cè)量，還可用于較大含沙量水流的泥沙模型測(cè)量。其傳感器部分為機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，能自動(dòng)跟蹤測(cè)量水流方向與流速，具有適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高和范圍寬等特點(diǎn)，與價(jià)格昂貴的ADV超聲流速儀和電磁流速儀相比，不僅具有較大的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)，而且觀測(cè)更為直觀。因此，本項(xiàng)設(shè)計(jì)為水利模型試驗(yàn)提供了一種更為優(yōu)化的新型流速流向測(cè)量?jī)x器。

［1］長(zhǎng)江水利水電科學(xué)研究院.LS－302型雙線流速儀計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) ［R］.武漢：長(zhǎng)江水利水電科學(xué)研究院，1979.

［2］李亮玉，劉新娟.步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器CH250及其應(yīng)用 ［J］.電子技術(shù)，1994（03）：28－29.

［3］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) ［M］.4版.北京：高等教育出版社，1998.

［4］吳新生.河工模型量測(cè)與控制技術(shù) ［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.