H_ADCP实验室检测方法研究_刘艳平

： ／ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ － ３ ８ ９ ３ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ４ ． ０ １ ３ ｊ
Ｈ Ａ Ｄ Ｃ Ｐ 实验室检测方法研究 ?
刘艳平 ，华 涛 ，周 彬
（ ） 国 网 电 力 科 学 研 究 院／南 京 南 瑞 集 团 公 司 ， 江 苏 省 南 京 市 ２ １ １ ０ ０ ０
图 １ 三换能器 Ｈ Ａ Ｄ Ｃ Ｐ 示意图 ?
水从地下水 库 抽 入 地 面 蓄 水 池 ， 蓄水池内设有平水溢 从 流槽以保证 水 流 为 恒 定 流 。 待 水 槽 内 水 面 稳 定 后 ， 水槽入水口 注 入 恒 定 流 量 的 水 ， 水槽内中部各个截面 的流速为同 一 值 （ 此流速可根据流量和水截面面积计 ， 算得到 ） 改变流量可改变水槽内各个截面的流速 。
图 ２ 水槽示意图
第二是水域中具 有 稳 定 流 速 并 且 流 速 可 调 。 水 槽 进水由混流 式 水 泵 循 环 完 成 ， 采用４个０ ． ２级的 Ａ Ｂ Ｂ 生产的电磁 流 量 计 作 为 标 准 表 来 控 制 流 量 ， 管道直径 ， ， ， 。同 时 水 槽 末 端 设 有 成 熟 明 渠 为 ８ ０ ３ ０ ０ ３ ０ ０ １ ５ ０ 流量计作为流量比 对 ， 提 高 流 量、 流 速 控 制 精 度。泵 将
ｃ ｖ ＋ ｒ ｆ ｆ ｒ＝ ｔ ｃ ｖ － ｒ
公式 ：
（ ） ５
由此经 过 整 理 可 以 得 到 通 用 的 径 向 测 流 速 基 本
ｆ ｆ ｆ ｒ－ ｔ ｄ （ ） ｖ ｃ ｃ ＝ ６ ｒ＝ ２ ｆ ｆ ｆ ｆ ｒ＋ ｔ ｔ＋ ｄ 其中 ｆ ｆ ｄ＝ ｒ －ｆ ｔ为 多 普 勒 频 移 。 由 此 通 过 测 量 并可 ｆ ｄ或 ｆ ｒ就可以得到换能 器 相 对 径 向 水 体 流 速 ｖ ｒ， 以进一步得到水平与垂直方向的流速 。
０ 引言
河流流量测验是 水 文 测 验 最 主 要 的 项 目 之 一 。 快 准确地开展河流 流 量 测 验 ， 已成为满足我国经济建 速、 设、 水资源管理以及防汛抗旱等对水文工作新的要求 。 目前的河流流量 测 验 主 要 采 用 流 速 仪 法 。 其 基 本 原理是在测 流 断 面 上 布 设 多 条 垂 线 ， 在每条垂线处测 量水深并用 流速仪测量垂线各点流 速 算 出 垂 线 平 均 流 速， 计算出断面面积和断面平均流速 ， 从而计算出断面流 量 。 这种方法费工费时 ， 效率低 。 在大洪水时期和特殊 水情发生的情况下 ， 这种传统的方法难以满足防汛指挥 影响着抗洪减灾的成效 。 部门对实时水情的需求 ， 用Ａ Ｄ Ｃ Ｐ进行河流流量测验是近十几年才发展 和应用的新的流量测验方法 。Ａ 是英文 Ａ Ｄ Ｃ Ｐ， ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ 中文通常译为声学多 Ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｐ ｒ ｏ ｆ ｉ ｌ ｅ ｒ的缩写 ， Ｄ ｏ ｌ ｅ ｒ ｐ ｐ 。 普勒流速剖 面 仪 Ａ 突破传 Ｄ Ｃ Ｐ 因 其 原 理 的 优 越 性， 统机械转动为基础 的 传 感 流 速 仪 ， 用声波换能器作传 换 能 器 发 射 声 脉 冲 波， 声脉冲波通过水体中不 感 器， 均 匀 分 布 的 泥 沙 颗 粒、 浮 游 生 物 等 反 散 射 体 反 散 射， 由换能 器 接 收 信 号 ， 经测定多普勒频移而测算出流 速 。 由于 Ａ 具 Ｄ Ｃ Ｐ 具有能 直 接 测 出 断 面 的 流 速 剖 面 、 有不扰动 流 场 、 测 验 历 时 短、 测 速 范 围 大 等 特 点。 目 前使用 Ａ Ｄ Ｃ Ｐ进 行 流 量 测 量 是 国 内 外 水 利 事 业 流 量 测量发展趋势 ， 在国内的水利行业市场有很大的空间 。
３ Ｈ Ａ Ｄ Ｃ Ｐ 介绍 ?
Ａ Ｄ Ｃ Ｐ 按照 常 规 分 为 水 平 固 定 式 Ａ Ｄ Ｃ Ｐ和走航 。 （ 式 Ａ Ｄ Ｃ Ｐ Ｈ －Ａ Ｄ Ｃ Ｐ Ｈ ｏ ｒ ｉ ｚ ｏ ｎ ｔ ａ ｌ Ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ Ｄ ｏ ｌ ｅ ｒ ｐ ｐ ， 水平固定式声 学 多 普 勒 流 速 剖 面 仪 ） Ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｐ ｒ ｏ ｆ ｉ ｌ ｅ ｒ 是Ａ Ｄ Ｃ Ｐ 的一种 。 ， 水平固定式声 学 多 普 勒 流 速 剖 面 仪 （ Ｈ－Ａ Ｄ Ｃ Ｐ） 主要由一到三个超 声 波 换 能 器 组 成 ， 两束或一束沿水 利用多 普 勒 原 理 测 量 本 层 水 流 某 一 段 上 平方向发射 ， 各点的二维 流 速 ， 另一束向上发射用来测量水深（ 可 。 三换能器 Ｈ－Ａ 不用 ） Ｄ Ｃ Ｐ 示意图见图 １。
） 换能器的径向流速 。 于是 ， 式（ 经过整理得到 ： ４
１ 测量原理 １
［］
Ａ Ｄ Ｃ Ｐ 利用多普勒效应原理进行流速测量 。 １． １ 声学多普勒原理 多普勒效 应 是 由 于 声 源 与 观 测 者 之 间 存 在 着 相 对运动 ， 使观测者听 到 的 声 音 频 率 不 同 于 声 源 所 发 出 声音频 率 的 现 象 。 这 是 由 奥 地 利 物 理 学 家 Ｃ ｈ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ａ ｎ Ｄ ｏ ｌ ｅ ｒ于 １ ９世 纪 在 声 学 领 域 首 先 发 现 的 物 理 学 原 ｐ ｐ 理 。 典型 的 多 普 勒 效 应 发 生 于 声 源 和 观 测 者 之 间 。 在声 源 静 止 条 件 下， 当 观 测 者 向 着 声 源 运 动 时， 收到
ｃ ｖ ＋ ｒ （ ） ′ ＝ ２ ｆ ｆ ｔ ｃ ｖ － ｔ 之后水体 作 为 声 源 ， 而 换 能 器 则 作 为 观 测 者， 于
是换能器接收的声波频率为 ：
ｃ ｖ ＋ ｔ ′ ｆ ｆ ｒ＝ ｃ ｖ － ｒ ） ） ， 整合式 （ 与式 （ 得到 ： ２ ３
（ ） ３
ｃ ｖ ｃ ｖ ＋ ｔ · ＋ ｒ （ ） ４ ｆ ｆ ｒ＝ ｔ ｃ ｖ ｃ ｖ － － ｒ ｔ 换能器相对静止 、 即 当ｖ ｖ ｔ＝０ １ ４， ３ ８ ４
２ 标准检测方法
声学多普勒流速剖面仪国标主要起草单位为国家海 声学多普勒流速剖面仪检测方法主要起草 洋技术中心 ， 单位为国家海洋标准计量中心 。 国内具备声学多普勒流 速剖面仪产品验证资质的机构为国家海洋技术中心 。 ／ 根据 Ｇ 声学多普勒流速剖面 Ｂ Ｔ ２ ４ ５ ５ ８—２ ０ ０ ９《 ／ 《 声学多 普 勒 流 速 剖 面 仪 检 仪 》 和 ＨＹ Ｔ １ ０ ２—２ ０ ０ ７ ［ ３］ 测方法 》 要求 ， 的流速检测 需要很苛刻的条件 Ａ Ｄ Ｃ Ｐ
摘要 ： 本文阐述了 声 学多 普勒效 应的原 理 ； 根 据 声 学多 普勒 原 理 推 导出了 Ａ 介绍了 国标 中 Ｄ Ｃ Ｐ 测流 速公 式 ； ， 主要介绍了 Ｈ－ 提 出 一 种 较 简 单 的 Ｈ－ Ａ Ｄ Ｃ Ｐ 的 检 测 方法 以及测 试 条件 设 备 ； Ａ Ｄ Ｃ Ｐ Ａ Ｄ Ｃ Ｐ 实 验 室检 测 方法 。 关键词 ： 声 学多 普勒 ； 检测； 方法 Ａ Ｄ Ｃ Ｐ； 的声波频率高于相 对 声 源 静 止 时 收 到 的 声 波 频 率 ； 当 观测者远离声源而 去 时 ， 收到的声波频率低于相对声 源静止时 收 到 的 声 波 频 率 。 声 源 于 观 测 者 之 间 的 相 对运动速度越大 ， 则所产生的声波频率变化也就越大 。 由此可以得到多普勒公式 ：
和设备 。 ① 试 验 区 。 试 验 区 应 有 稳 定 宽 阔 的 分 层 流 场， 试验区内的水流速应无 显 著 变 化 ， 海况应不大于３ ， 级 。 ② 试验船 。 试验 船 排 水 量 应 不 少 于 １ 船速应 ０ ０ ｔ ／ 应配有罗盘导航控制系 在 ０～８． ０ｍ ｓ范 围 内 可 调 ， 统 。 被检 Ａ 刻度范围 Ｄ Ｃ Ｐ 换能器 的 安 装 转 盘 应 水 平 ， ， ， 应为 ０ 最小插孔转角应为 ２． 刻度盘最 小 分 ° ６ ０ ° ５ ° ～３ 。 ③ 仪 器 安 装。 被 检 Ａ 度应为 ０． ５ ° Ｄ Ｃ Ｐ的声学换能 器应尽可能安装于 试 验 船 的 中 轴 线 上 ； 换能器应尽可 入水深度应使换能器发出的声 能远离试验船螺旋 桨 ， 波不受船体遮挡 。 以 Ｇ Ｐ Ｓ作为检测标准仪器时， Ｇ Ｐ Ｓ 的接收天线应安装 于 试 验 船 的 最 高 处 ， 并尽可能在被 检Ａ Ｄ Ｃ Ｐ 的声 学 换 能 器 的 正 上 方 。 以 同 类 型 测 流 仪 其换能器安装位置应尽可能 器作为检测标准仪 器 时 ， 靠近被检 Ａ 并 应 互 不 干 扰； 两者应尽 Ｄ Ｃ Ｐ 的 换 能 器， 可能远离试验船螺 旋 桨 ， 入水深度应使换能器发出的 声波不受船体遮挡 。
第３ ８卷 第４期 ２ ０ １ ４年８月２ ０日
水电自动化与大坝监测
Ｈ ｄ ｒ ｏ ｏ ｗ ｅ ｒ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｄ ａ ｍ Ｍ ｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｙ ｐ ｇ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ８ Ｎ ｏ ． ４ Ａ ｕ ． ２ ０， ２ ０ １ ４ ｇ
［ ２］
进行检测 ， 不仅浪 费 时 间 ， 还会 浪 费 大 量 的 人 力 物 力， 不利于 Ｈ－Ａ Ｄ Ｃ Ｐ 的 研 制 和 验 证。因 此 急 需 一 种 较 简 单的可在实验室进行检测的方法 。 实 验 室 检 测 Ｈ －Ａ Ｄ Ｃ Ｐ首先要解决上面提到的 Ａ Ｄ Ｃ Ｐ 的流速检测需 要 的 条 件 和 设 备 。 第 一 最 主 要 的 是水域 ， 由图 １ 可知 ， Ｈ－Ａ Ｄ Ｃ Ｐ超声波传播方向和水流 。 Ｈ－Ａ 大概７ 方向有一定的夹 角 ， ０ ° Ｄ Ｃ Ｐ测的流速是超 根据超声波传播方向和水流方向 声传播方向 的 流 速 ， 的夹角推导出 水 流 方 向 的 流 速 。 一 般 Ｈ－Ａ Ｄ Ｃ Ｐ波束 ， 。按照此指标， 波束开角 １． 最大剖面范 角大概 ２ ２ ° ４ ° 围２ ５ ｍ 的 Ｈ－Ａ Ｄ Ｃ Ｐ测试需要一个２ ４ ｍ×１ ０ ｍ×０． ７ ｍ ， 的水域 。 如果 Ｈ－Ａ 的可测剖 面 范 围 更 大 则 需 要 Ｄ Ｃ Ｐ 在实验 室 建 造 一 个 如 此 大 的 水 域 成 本 很 的水域更大 ， 高 。 深入研究 Ｈ－Ａ Ｄ Ｃ Ｐ 测流速原理可 知 ， Ｈ－Ａ Ｄ Ｃ Ｐ使 ， 用 ２ 个超声波换能器并形成波束角 ２ ２ ° 主要是为了互 相校正提高测量精度 。 按照多普勒效应理论 ， 只 要 Ｈ－ Ａ Ｄ Ｃ Ｐ 超声波传播方向不和水流方向垂直就 可 以 测 得 流速 。 基于此可 以 分 开 测 试 Ｈ－Ａ Ｄ Ｃ Ｐ的每个超声波 换能器性能 。 为了 减 少 水 域 要 求 ， 使超声波传播方向 则最大剖面范围 ２ 和水流方向一致 ， ５ ｍ 的 Ｈ－Ａ Ｄ Ｃ Ｐ测 试只需要一个 ２ ４ ｍ×０． ６ ｍ×０． ６ ｍ 的水域。这就大大 可以建 减小检测方法中 对 于 实 验 区 的 要 求 。 基 于 此 ， 设一个水槽 ， 水 槽 长 宽 高 根 据 检 测 Ｈ－Ａ Ｄ Ｃ Ｐ的 最 大 剖 面范围和 单 个 超 声 波 换 能 器 波 束 开 角 确 定 。 水 槽 示 意图见图 ２。