新型聲學多普勒流速儀及其應用

□姜新

（中國農業科學院農田灌溉研究所，河南，新鄉，453002）

新型聲學多普勒流速儀及其應用

□姜新

（中國農業科學院農田灌溉研究所，河南，新鄉，453002）

灌區渠道水流流速的監測需要先進的測流儀器。聲學多普勒測速儀測流裝置，它不破壞流場、響應速度快、測量精度高，由于其方便、快速和精確的流速測量特點，應用范圍起來越廣泛。文章對比了傳統流速儀和聲學多普勒水流儀的適用條件，介紹了聲學多普勒水流儀的基本原理，為灌區水利用系數和灌區的量水工作提供了一種新的測流裝置和方法。

聲學多普勒測流；流速測量；方法；灌區

0 概述

隨著計算機技術的發展，水流測速裝置也呈現出多樣化、先進化和自動化的態勢。除了常見的旋槳流速儀外，近年來國內外先進的、新型的測量裝置也越來越多，如近年來出現的超聲波流速儀、激光流速儀和粒子圖像測速系統等。裝置雖先進，但體積笨重而且價格不菲，需要熟練的操作人員等等，這些都使先進儀器的推廣應用受到了限制。文中采用的超聲波多普勒流速儀LSH10-1A、HXH03-1型，由廈門博意達科技有限公司生產，采用目前較先進的電子科學技術，流速測量是利用了聲學“多普勒效應”原理，具有以下特點：該裝置在測流工作時，由于沒有轉動或傳動機構，做到了不破壞、不干擾河流或渠道中水流的流場，新一代的超聲波多普勒流速儀有較高的靈敏度及較好的抗干擾能力，對河流或渠道中的水流形態，無論水流強弱都能精確地反映出水流的流速。同時，新一代的多普勒流速儀也較好地解決了前人應用中遇到的當水體中泥沙、漂浮物多時，測流的流速易出現超出誤差允許范圍值的問題，總之，新型超聲波多普勒流速儀能準確和快速地測量河道水文和和現代化灌區渠道水流等重要參數，為灌區水利用系數和灌區的量水工作提供了一種新的測流裝置和方法。

1 LSH10-1A基本原理

對于流速測量，根據所用儀器設備不同，可以分為流速儀法、浮標法、超聲波法、電磁法、比降法等幾種方法。其中聲學多普勒測量流速的方法法是目前較為先進的方法，并且能較好地實現對河流或渠道中水流流速的實時連續測量，實現自動控制測量、自動采集測量數據。聲學多普勒裝置是一個包括由ADCP換能器、操作軟件系統、計算機及連接設備等組成的系統，是一種利用聲學換能器所發射的聲脈沖在隨水流運動的懸浮物質中所產生的多普勒頻移進行應答，其特點是能夠測量不同水層的三維流速和流向，即測出河流的流速剖面，具有測驗歷時短、精度高、資料完整豐富的特點，特別適合于流態復雜條件下的測驗，具有極高的測驗效率，大大提高了水文測驗工作的技術含量和現代化水平。

聲學多普勒效應原理較好地應用在LSH10-1型流速測量裝置中，河流或渠道水體中的不均勻體，當隨著水體流動時，會對流速測量裝置中發射到水中的超聲波產生不規則的散射現象，裝置的接收換能器會收到部分的散射聲波，當水體流動時，相對的運動就存在于發射器、散射體和接收器之間，依據多普勒理論，即會產生多普勒頻移。根據多普勒頻移方程，頻移的大小：

式中：△Fd-多普勒頻移；F0-發射超聲波頻率；C-水中聲速；θ-發射波、接收波的夾角。

通常情況下，由于V·cosθ值遠遠小于C值，可忽略不計，簡化（1）式為：

對于式（3）K值為常數，因為裝置的超聲波發射頻率是不變的，為定值，而裝置安裝后，其換能器夾角同樣不變，為定值。因此從式（3）可得出：水體的流動速度僅和△Fd和C相關聯，且它們之間的關系成正比。

2 傳統流速儀與超聲波多普勒流速儀對比

傳統的旋槳式流速儀存在啟動流速高且不穩定，體積大、笨重、不便使用和攜帶，測流時會破壞水流的自然流態，當渠道中存在水草漂浮物時，會纏繞住轉動軸，對所測流速產生嚴重的影響。由于水流驅動的慣性影響，測定瞬時流速比較困難，一般只能用于常用平均流速測量；二者相比較，聲學多普勒原理測量流速等水文參數精度高，與傳統的測流方法相比，多普勒測流具有測量精確度好、分辨率高等優點，適用于渠道、河流流速的精確測量，當測量河道或渠道的水流流速時，它僅僅關系到水體的運動速度，水中漂浮物基本對裝置的測流效果不會產生影響。超聲波多普勒流速儀具有如下特點：新一代的超聲波多普勒流速儀有較高的靈敏度及較好的抗干擾能力，對河流或渠道中的水流形態，無論水流強弱都能精確地反映出水流的流速；感應靈敏，分辨率高，不受啟動流速限制；裝置測量水流相應參數時反應迅速，不但可以精確地測量平均流速，也可以對水流瞬時流速進行準確測定；測量線性，流速檢定曲線不易變化；由于多普勒測速裝置不存在機械轉動問題，所以，也較好地解決了傳統轉子流速儀由于水體中泥沙堵塞，水草、雜物纏繞等問題。

3 應用前景分析

多普勒流速儀由于它的特點正逐步廣泛應用于水文測流中，例如，走航式多普勒流速儀測驗一個測回的時間大約需要15～20 min，3個測驗人員即可完成；而傳統流速儀測流時需花費幾小時，且需要操作人員多。

多普勒流速儀可采用無線遙控方式施測，控制和記錄實測數據的技術人員可以在室內完成，不必受天氣等其它因素的影響，同時可以獲得整個測驗過程的所有數據。

可按需要安裝在被測河流或渠道側面，底部或頂部，準確測量單點或多點水流流速，安裝方便，各種農業灌溉渠道，不規則河道，可以長期穩定可靠運行，多普勒流速儀可內置各種傳感器，準確測量流速、流向、水位和水溫，滿足各種測量需要，新型多普勒流速儀功耗低，內置可充電鋰電池，是目前最輕便、用途廣的多普勒流速儀。

聲學多普勒流速儀測流歷時短、效率和精度高。目前在國內外已得到了廣泛應用，在我國已有不少成功應用的實例，比如功果橋電站水庫下閘蓄水、長江三峽大江截流等，其測驗的高效性和先進性受到人們的青睞。

4 聲學多普勒流速儀檢查與保養

儀器設備檢修應包括探頭檢査、防腐蝕部件檢査、電纜(信號）線檢査，當探頭表面有附著物時，用光滑的軟布蘸清水小心拭去；有明顯的裂痕或較深的劃痕時，應檢驗是否影響測驗精度；電纜（信號）線破損、漏電時，應維修或更換。

每次測速結束后，要馬上用清水沖洗多普勒測流裝置的水下探頭，沖洗后及時擦干，避免腐蝕性的物質接觸到探頭表面。

在降水天氣使用時，應對裝置的主機部分加強防水保護，避免因雨水進入主機造成主機內部電路短路或損壞。

5 結語

多普勒測流速度快、勞動強度低、數據穩定可靠、精度高，適應于在自然環境復雜、流量大、寬斷面的河流進行測流作業，多普勒流速儀可以實現實時監測，測量精度也滿足要求。

多普勒剖面流速儀測驗效率較高，還可以通過計算機的遠程顯示與監測實現對流量的在線實時監測，快速、準確地測量出河流、水庫、湖泊等水體的水文特征值，在水資源的合理開發利用和水環境的保護等方面起到了重要作用。

［1］超聲波多普勒流速儀，http://www.mwr.gov.cn/ztpd/2015ztbd/ swjctjh/cptj/201512/t20151204_727178.html［DB/OL］2015.

［2］莫明輝，張沈陽.聲學多普勒測流儀在奉化江潮流量測驗中的應用［J］.浙江水利科技.2011，（6）:55-56.

［3］莫明輝，張沈陽.聲學多普勒測流儀在奉化江潮流量測驗中的應用［J］.浙江水利科技.2011，（6）:55-56.

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P335

A

1673-8853（2017）07-0095-02

2017-05-15

編輯：左英勇

中國農業科學院創新團隊“農田排水技術與產品”

姜新（1969-），女，漢族，主要從事農田排水技術研究工作。