FLOWTRACKER聲學(xué)多普勒流速儀在山區(qū)小型河流中的運用

摘 要：通過對FLOWTRACKER（水流跟蹤者）聲學(xué)多普勒流速儀工作原理以及操作步驟的簡要介紹，并結(jié)合在千丈巖-老龍洞連通試驗中的具體運用，為該儀器的使用提供參考，并建議推廣該儀器在野外原型觀測中的使用。

關(guān)鍵詞：多普勒頻移；流速測量；山區(qū)河流

近年來，我國在河流的治理與防洪減災(zāi)工作過程中，投入了許多高新、尖端的精密測量儀器，與傳統(tǒng)的測量器具相比，這些儀器具有攜帶方便、使用便利、反應(yīng)迅捷等優(yōu)點。在這里，簡要介紹一種適用于山區(qū)小型河流流速測量的新儀器——FLOWTRACKER（水流跟蹤者）聲學(xué)多普勒流速儀。FLOWTRACKER（水流跟蹤者）聲學(xué)多普勒流速儀由SONTEK/YSI公司研發(fā)生產(chǎn)，專門用于流量小，河道窄的山區(qū)小型河流中流量測量，該儀器測量精度高、測量速度快、操作簡單、非常適合野外作業(yè)。下面詳細介紹該儀器。

1 儀器結(jié)構(gòu)

圖1 顯示了 FlowTracker 儀器，并在主要部件邊標(biāo)上了說明。

探頭——探頭部分（見圖 2）包括了用來測量流速的聲學(xué)部件。

探頭電纜線——探頭安裝在一根 200 厘米（80 英寸）的軟性電纜線的頂端。

手持控制器——手持控制器包括用于數(shù)據(jù)處理的電子線路，電池，鍵盤，和液晶顯示器。控制器設(shè)計成可以防水和短暫的浸沒在水中的性能，但不能用于長期放在水下操作。

鍵盤——FlowTracker 鍵盤設(shè)計成可以快速有效地鍵入采集數(shù)據(jù)的參數(shù)和操作命令。

液晶顯示器——液晶顯示器用來顯示各種指令和實時采集到的數(shù)據(jù)。

外置電源/通訊電纜線連接插座——手持控制器底部有一個防水的連接插座用來與外接電源/通訊用的電纜線連接。這個連接插座也同時可用來將FlowTracker 內(nèi)部保存的數(shù)據(jù)下載到計算機中。在采集數(shù)據(jù)期間，這個連接插座用一個密封的螺絲帽蓋住的。

發(fā)射探頭——超聲波發(fā)射換能器發(fā)出一串能量非常集中而窄小的超聲波脈沖（聲波脈沖的直徑為 6 毫米）。

接收探頭——超聲波接收換能器安裝在發(fā)射探頭二旁的探頭支架上。接收探頭可以很靈敏地接收到很窄小的聲波波束，其焦點位于離開發(fā)射探頭一個固定距離（10 厘米， 4 英寸）的。

采樣體積——采樣體積是指測量水流速度的位置。

溫度傳感器——溫度傳感器安裝在探頭的內(nèi)部。

2 工作原理

FlowTracker 手持式ADV 流速儀是專門設(shè)計用于野外流速測量的單點多普勒流速測量儀器。 FlowTracker 儀器是美國 SonTek/YSI 公司已經(jīng)驗證的采用多普勒技術(shù)生產(chǎn)的一種多普勒聲學(xué)流速測量儀（ADV），采用了一種高分辨率的測速傳感器。ADV 技術(shù)可以提供一系列的測量優(yōu)勢。

多普勒原理說明，如果一個聲源與它的接收物體之間有相對運動，那么在接收端接收到的聲波頻率與發(fā)送端的聲波頻率就會有差異。

Fdopple =- Fsource（V/C）式中：

Fdopple = 接收端變化后的頻率（多普勒頻移）。

Fsource = 發(fā)送端發(fā)出的聲音頻率。

V=聲源相對于接收端的移動速度。

C=聲波在水中傳播的速度。

速度V 代表聲源與接收端之間的相對速度（兩者之間產(chǎn)生距離改變的移動）。

FlowTracker 流速儀測量流速的過程如下所示：

發(fā)射聲波換能器（探頭）產(chǎn)生一串很短的已知頻率的聲波脈沖。

聲波沿發(fā)射探頭的聲波軸線在水中傳輸。

如聲波在傳播的過程中會通過采樣單元區(qū)域，聲波會被水中的懸浮顆粒（沉淀物、有機物、氣泡等）向各個方向反射（散射）。

一部分的反射聲波會沿著接收探頭的聲波軸線傳播。

反射的聲波信號被接收探頭接收到（采集到）。

FlowTracker 測量每個接收探頭采集的聲波是否有頻率變化（多普勒頻移）。

多普勒頻移是與沿著接收探頭和發(fā)射探頭的收發(fā)分置軸線的懸浮顆粒移動的速度成比例的。收發(fā)分置的軸線位于接收軸線和發(fā)射軸線之間夾角的中心軸。

知道了收發(fā)分置軸線的相對方位，F(xiàn)lowTracker 就可以計算二維或三維的水流速度了。

3 流速測量步驟

按住“開/關(guān)機”鍵1 秒鐘，直到液晶顯示器打開并顯示

按“確認(rèn)”鍵可以進入“主菜單”

設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)

檢查 參數(shù)設(shè)置菜單（在主菜單中按1，）。

- 系統(tǒng)單位（公制/英制）（在 參數(shù)設(shè)置菜單中按1）。

- 采樣平均時間（測量歷時）（在 參數(shù)設(shè)置菜單中按2）。

- 數(shù)據(jù)采集方式（設(shè)置成流速測量方式）（在 參數(shù)設(shè)置菜單中按3）。

- QC 設(shè)置（在 參數(shù)設(shè)置菜單中按4）。

- 鹽度（在 參數(shù)設(shè)置菜單中按6）。

主菜單 按3，開始運行數(shù)據(jù)的采集。

建立工作文件，按1

跳過測試，按2

將探頭放到測點的位置，按測量鍵 Measure 開始測量。

測量結(jié)果顯示如圖：

測量結(jié)束后按1 表示接受測量的結(jié)果，并移到下一點；按2 表示重新測量（在原來同樣的測點位置）。

4 測量過程中的注意事項

4.1安裝和裝配

FlowTracker 在使用中，通常是安裝在一根專門為 FlowTracker 設(shè)計的專用測桿上。該測桿也專門設(shè)計了供探頭和手持控制器安裝的裝置，這種安裝裝置的設(shè)計是非常靈活的，它可以更改以適應(yīng)不同的安裝需要。這種測桿只適用于 SonTek公司生產(chǎn)的 FlowTracker。

4.2探頭的電纜線

從探頭連接到手持控制器的電纜線是一種對噪聲非常敏感的電纜線，應(yīng)該引起一定的注意。

1）電纜線應(yīng)該避免被刺割、摩損、或其它的損傷。

2）在安裝儀器的過程中，都應(yīng)該保護好電纜線，以免過分的拉動或者受到損壞。

3）電纜線應(yīng)避免受到過度的彎曲，特別是靠近探頭的那個部位的電纜線。

4.3探頭的安裝

4.4水流的干擾

1）FlowTracker 探頭應(yīng)該遠離任何的水下建筑物或者其它障礙物，特別是要注意探頭上游的地方。

2）在選擇測量的多點時，要考慮靠近探頭的水下建筑物或者其它障礙物的大小和位置，以及水流的大小和方向。

4.5 維護和清洗

FlowTracker 探頭電纜線是整個系統(tǒng)中最容易受到損傷的部分，需采用預(yù)防措施，如果在儀器換能器的表面生長了一些藻類生物，這并不會影響到流速的測量，但是，會降低聲學(xué)信號的強度；特別是在比較清潔的水體測量時，會潛在地增加了背景噪聲。

5 實踐運用

在鄂渝邊界老龍洞——千丈巖水流連通試驗項目中，我們首次運用桑泰克流速儀進行流量測定。為了測量方便，首先在河床巖面上修筑矩形明渠（前提是小型山區(qū)河流），明渠長度以渠內(nèi)通過水流能達到平穩(wěn)狀態(tài)為準(zhǔn)，本試驗為7M，在明渠段選擇一個斷面作為測量斷面，橫向從左到右依次布置10個流速斷面，各斷面縱向采用3點法（0.2/0.6/0.8）或1點法（0.6）測量，具體視明渠寬度及水深而定。實際測量操作時，由兩個人共同協(xié)作完成，一人手握測桿按第3章操作步驟依次在各斷面布置測量，另一人則負責(zé)操作手持電腦終端，對各測點的測量情況作出判斷，并根據(jù)測量結(jié)果，流速/水流偏轉(zhuǎn)角等判斷數(shù)據(jù)是否合理，是否進行重復(fù)測量等。測量的結(jié)果列表記錄以供流量計算使用。本方案先得到的是各測點流速，通過斷面的流量計算方法處理得到斷面流量。

流量的具體計算方法主要有部分中間法（mid section）、部分平均法（mean section）、日本法等，這里簡要介紹本儀器默認(rèn)的部分中間法。

其中：

岸邊計算方法（開始岸，對岸，夾灘）；i=岸邊測量垂線（Loci， Depi）；j=鄰近垂線（Locj， Depj， Velj）

岸邊寬=Wi =（Locj-Loci）/2；岸邊面積=Areai=Wi * Depi；岸邊系數(shù)=CFi

岸邊流速=Veli=Cfi * Velj；岸邊流量=Qi=Areai * Veli

明渠部分計算方法：

垂線寬=Wi =（Loci+1-Loci-1）/2；垂線面積=Areai=Wi * Depi；垂線流速=Veli

垂線流量=Qi=Areai * Veli

總流量=Sum（Qi）

在實際操作我們發(fā)現(xiàn)，測量時測頭的方向擺置至關(guān)重要，必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程放置，水流夾角應(yīng)盡量在10°以內(nèi)。分析試驗數(shù)據(jù)及計算結(jié)果可以看出，使用該流速儀測量的數(shù)據(jù)合理，測量精度滿足試驗要求。

6 結(jié)語

通過在山區(qū)河流中實地運用后，該流速儀攜帶及操作十分便捷，非常適合在此類小型山區(qū)河流中使用。因而我們推薦在野外觀測項目中應(yīng)多使用該FLOWTRACKER聲學(xué)多普勒流速儀。

參考文獻：

[1] 王愛軍，汪亞平，高抒.聲學(xué)多普勒流速儀盲區(qū)數(shù)據(jù)處理及其在長江河口區(qū)的應(yīng)用.[J]水利學(xué)報 2004（10）.

[2] 唐洪武，肖洋，陳瑪麗，王志良，高柱.聲學(xué)多普勒流速儀自動測量和分析系統(tǒng).[J]河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2003，11（9）.

[3] 馬國榮.多普勒剖面流速儀在水文流量測驗中的應(yīng)用[J]科技傳播，2014（4）.

作者簡介：崔旭（1983-），男，漢族，遼寧本溪人，工程師，本科，研究方向：水利水電工程。