河工模型跟踪式数字流速流向仪的设计与研制

万星星，雷文韬，刘同宦，李会云，吴新生

（长江科学院河流研究所，湖北 武汉 430010）

1 问题的提出

在河工模型试验中，水流流速与流向是试验者经常需要观测的参数，用以获得流场分析数据。在含沙水流的泥沙模型试验测量流速流向时，光电式、超声波等类型的测量仪器受到诸多条件限制，尤其是受较高含沙量水流的影响，难以适用。其主要原因是光电式传感器发射的光线通过水流时发生折射和散射，无论是可见光还是红外光，光线容易被浑水吸收，浓度越大，接收的光强就越弱，若泥沙粒径越细，被吸收的光就越多。类似的，超声波在含沙水流中传播时，在水与沙粒的界面上也会产生反射波和散射波，由于被散射其强度产生损失，传播的距离与水中的悬浮颗粒含量有关，含沙量越大，超声波被吸收的声能就越多。当水流含沙浓度较大时甚至接收不到超声波信号。所以，光电或超声波传感器等类型的测量仪器只能在所含颗粒的粒径较小，又能发出足够的光强和超声波强度的清水水流或较低含沙量的水流中测量应用。

为了更好地同步测量含沙水流的流速大小和方向，提高和改进泥沙模型试验测量手段，设计研制了一种适用于水工和河工泥沙模型的新型跟踪式数字流速流向仪，它主要由流向自动跟踪测量机构和电阻式旋浆流速检测装置2部分组成。其中流速检测装置是基于长江科学院20世纪70年代研制的电阻式旋桨流速仪，经过了由电子管／晶体管分立元件电路、PMOS／CMOS数字门电路、集成运放电路，直至计算机计数编程的不断升级，并经过长期的多项工程模型试验应用，已成为一种成熟可靠的流速测量仪器。该流速测量仪器的性能特点见其它文献资料［1］，本文重点介绍流向测量部分的设计与研制。

2 系统构成与工作原理

2.1 系统构成与测量原理

该新型跟踪式数字流速流向仪的结构见图1。流速流向信号测量探头由流向舵片、流速旋桨、电极和支撑框架构成，信号测量电极嵌固在框架上，并由滑环装置引出到信号处理电路上。当流速流向传感器放置于水流中，水流动能使流向舵片D偏转，使之指向与水流顺直的方向，并使旋浆S转动，由此分别获得流向偏角和流速旋浆旋转数的信息。

图2是测量电路原理框图。流向自动跟踪测量部分电路由流向信号转换器、时钟脉冲信号发生器、步进电机脉冲分配器、电机驱动功率放大器、精密电位器和精密直流稳压电源，以及数字电表显示器等部分组成。当水流流向变化使舵片偏离传感器测头框的轴线O－O时，随水流摆动的舵片电极D可触及另一个电极X或Y，引起流向传感器电极间阻抗的变化。其通过舵片与电极接通，使得信号转换电路中流向鉴别器的门电路电位发生变化，作为脉冲环形分配器的模式信号，进一步驱动功率放大器控制步进电机正反转，并带动流速流向传感器测头框左右偏转，直到旋浆对准流向。此时舵片D与电极X和Y都脱开，电极间阻抗ZXD≈ZYD，电机停转，最终实现舵片对流向的跟踪。

在流速流向传感器跟踪流向偏转的同时，步进电机BJ同步带动电位器W的中心滑臂偏转，其输出端产生相应的偏角电压，并由数字电压表显示偏角度数。

图1 跟踪式数字流速流向仪结构示意图

图2 跟踪式数字流速流向仪测量电路框图

2.2 电路设计与分析

当舵片对准流向时，其不触及电极X或Y，此设为“1”态，而触及电极X或Y时设为 “0”态。因此，根据舵片触及电极X／Y与否可组成 “01” “10” “11”三种状态，分别对应步进电机的运行形式，以此可控制电机的正转、反转和停转，从而使舵片始终自动跟踪流向。

步进电机脉冲分配器CH250有A、B、C三个输出端，当输入端CL或EN加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。若采用CL脉冲输入端时，是上升沿触发，EN为使能端，EN＝1时工作、EN＝0时禁止。设计采用EN作时钟端，则下降沿触发，此时CL为使能端，CL＝0时工作、CL＝1时禁止。R1和R2分别为三相六拍和双三拍运行的复位端：当R1加上正脉冲，ABC的状态为“110”，而R2加上正脉冲后，ABC的状态为 “100”，这样避免了ABC出现 “000”或 “111”的非法状态［2］。

因此，根据流向传感器信号的转换状态和步进电机脉冲分配器CH250的工作控制信号特性，可列出控制部分逻辑功能真值表 （见表1），由此设计测量逻辑电路。由表1可得脉冲分配器输入控制端表达式：J6L＝X，J6r＝R1＝XY。考虑流向信号需经转换后送入步进脉冲环形分配器，流向鉴别器采用的门电路电平应可靠翻转，其输入与输出端之间采用两级与非门隔离较好，由此可设计出流向鉴别器的最简与非门逻辑电路［3］。

表1 流向控制电路逻辑真值表

流向跟踪测量部分逻辑电路见图3。当舵片电极D触及X或Y电极，门电路输入端X、Y为低电平，即流向鉴别器的输入端逻辑状态为 “01”或 “10”，其输出端 M／N的电平信号分别接至脉冲分配器的模式端 “J6R／J6L”和复位端 “R1”，控制步进电机环形分配器发出驱动脉冲；当步进电机功率放大器输出端脉冲按 “A－AB－BC－C－CAA”顺序进位时，步进电机正转 （定义为流向左偏转），按“A－CA－C－CB－BA－A”顺序进位时，步进电机反转（定义为流向右偏转）。当水流顺直舵片不触及电极X／Y时，传感器门电路输入端同为高电平，鉴别器输出端处于逻辑状态 “11”，电机停止转动。

图3 跟踪式数字流向测量逻辑电路图

2.3 元器件选用与制作

流速流向信号测量探头由框架、流速旋桨、流向舵片和电极组构成；旋桨设在框架的水平中线上，旋浆轴两端针尖由钟表玛瑙轴承支撑，流速信号电极S1／S2镶嵌在旋浆后侧框架上，流向电极X／Y沿框架的水平面对称设置安装，舵片与电极X／Y之间留一定间隙；所有电极引出采用微型电极导电环 （旋转信号引出机构、在图1中以 “”示意），以此可实现传感器测杆无障碍旋转，电极引线通过导电环连接到电机支架的电路引线插座上。考虑抗氧化和防锈蚀，流向电极X／Y采用镀金簧片，舵片由双层不锈钢片（20mm×10mm×0.35mm）加不锈钢丝轴 （Φ1×14mm）压焊而成。框架由环氧树脂材料制作，并与Φ10×600×1.5mm的不锈钢管测杆黏接。

流向信号电阻式传感器的优点是结构比较简单，含沙量的变化引起的阻抗变化基本不会影响流向信号，因此适合含沙水流的泥沙模型测量。传感器获得的流向信号由两级CMOS与非门电路完成，设计选用CD4011型2输入四与非门集成块。

为了准确跟踪流向，传感器跟踪驱动装置采用步进电机。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，常被用作定位控制和定速控制。本次设计步进电机的工作模式采用三相单六拍方式，这种模式运动速度较慢，但定位精度高，适合流向跟踪测量。

步进电机选用双出轴的小型步进电机45BC340C型，引出轴一端连接不锈钢管测杆，另一端连接高精度360°旋转导电塑料电位器。本研究设计选用的360°旋转导电塑料电位器比光电码盘更具性价比，前者比后者的价格要低近10倍，特别是在研制多传感器的测量系统中，具有较大的价格优势。脉冲分配器选用CMOS集成块CH250，时钟脉冲CP用与非门集成电路构成环形振荡器，产生一定频率的方波信号接EN端，用作步进电机转速控制脉冲，频率范围可调，以满足不同的跟踪速度。在步进电机不失步的前提下，流向的跟踪速度等于控制脉冲的频率与步距的乘积。

在舵片D偏转跟踪的同时，步进电机同步带动负责流向信号转换的电位器的中心滑臂旋转，电位器W的分压电压大小即为待测之流向的角度，由带有A／D转换器的数字电表直接显示流向偏角的度数，电压的 “＋”、“－”极性表示流向与模型断面垂线的夹角偏 “左”或偏 “右”的指向。另外，流向测量信号处理的备选方案为：将步进电机的驱动脉冲经光电隔离模块，再由单片机计数处理送至数字显示器；当要将跟踪式数字流速流向仪制作为多传感器的测量系统时，可由通信接口RS232／RS485连接到PC计算机编程测量。

仪器供电电源部分：选用L7805、L7812直流稳压集成块为工作电路供电，而流向偏角转换电源采用LT3032正／负双通道、低噪声、低压差线性可调输出稳压器，在电位器W两端加±1.80V稳定的直流电压，使流向显示按偏角左／右1°变化、电压变化±0.01V指示，以保证流向偏角转换与显示的精确性及稳定性。

3 仪器的调整与率定

根据设计将选用的各元件按印制电路板焊接好后，可调整测得各电路的电压、电位和波形是否正常；数字显示器采用三位半LED数字电压表，将小数点及末位显示屏蔽，方便流向角度读数习惯。

3.1 流速的率定

流速一般根据在流速仪校准槽上测出流速曲线进行率定。用流速计数器的“计数／停止”开关测定固定距离S所经历的时间t和旋浆的转数n，即可得到流速率定曲线上该点的坐标V、N值：V＝S／t，N＝n／t。将率定点数值画在坐标上可以得到流速率定V－N关系曲线，供测量时查用。率定点一般需保证至少5个（不包括起动流速V0），流速校准公式为：V＝KN＋V0，式中：K为传感器的比例系数。

3.2 流向的率定

（1）零点调整：将舵片脱离开左／右电极，并将电位器滑臂两端的电阻值调至相等，使数字显示器指示为0，并作好标记 （电机支撑架上可贴装量角器刻度板，调至与0°刻度一致）。

（2）特殊角度和满量程调整：由零位开始拨动舵片触及左／右电极使测头框旋转至±45°、±90°、±180°位置，显示器应分别指示为 “±045”、“±090”、“±180”。

（3）水流中率定：将流速流向传感器固定在水工流向度盘测杆上，传感器测头框放入水流较为平顺之处，此时流速不宜过高。将旋浆轴线O－O对准流向，此时舵片脱离开左右电极 （可适当调整舵片与电极间的夹角和间距），流向显示为0°；然后转动流向度盘，同时读取流向显示器和流向度盘的读数，两者数值应基本一致。

完成上述3个步骤后，紧固电位器旋转轴与电机轴的连接螺丝。

4 性能与测量应用

4.1 主要技术指标

①测量范围：1.5～150.0cm／s （±180°），含沙量＜20%；②测量误差：流向±3°（分辨率≤1°）；流速＜10 cm／s时，≤±5%；＞10cm／s时，≤±2%；旋浆起动流速：＜1.5cm／s；③流向跟踪延迟时间：0.2～3.0s；④流向跟踪速度：10～40°／s（可调）。

4.2 性能特点

（1）流向传感器为电阻阻抗式，流向信号转换只利用流向舵片与门电路的电极触及与否确定电路工作状态，模型水流介质变化以及介质含量 （含沙量）的大幅度变化引起的阻抗变化基本上不影响门电路的开关特性。本流速流向仪适用泥沙模型目前常用的煤粉、粉煤灰、滑石粉、树脂塑料沙、合成塑料沙、木屑等多种模型沙水流测量。

（2）流向舵片尺寸小，对流向变化敏感，在水流结构的研究中对测点的流场干扰较小。

（3）流速测量部分沿用了成熟可靠的电阻式旋浆探头，旋浆轴线能自动对准水流向，与以前的固定式流速测杆相比，提高了流场测量的准确度。

（4）由于流向的跟踪需经舵片的摆动，再由输出电信号驱动电机带动测头框架完成，当流向变化的频率较高时，运动部件的惯性将引起跟踪滞后现象［4］。这类具有机械传动的跟踪式流向仪，在流向变化较快或湍流的水流中测量效果不好。

4.3 测量应用

将固定在水工流向度盘测杆上的流速流向传感器放置在测流断面，并使夹持基线、旋浆轴线O－O垂直的对准断面开始测量。测量过程中注意：①在模型现场实际测量，当流向角度超过±90°时，传感器测头框会不停旋转，这可能是旋转流或漩涡所在的测点；②当在具有往复流或潮汐模型中测量时，“±”角度的方向与原左右岸方向相反，观测、整理资料时，可从流速和流向测量过程曲线的变化加以区别；③要定时或经常对传感器的旋浆、舵片、轴承和电极进行清洗，防止细沙杂质沉淀在表面以及细小杂物或纤维缠绕旋桨、舵片，影响其灵活转动而致使仪器测量不准。

5 结 语

本次设计研制的跟踪式流速流向仪采用阻抗式传感器作为信号转换器，不仅适用于水工、河工模型的清水测量，还可用于较大含沙量水流的泥沙模型测量。其传感器部分为机电一体化结构，能自动跟踪测量水流方向与流速，具有适应性强、稳定性好、测量精度高和范围宽等特点，与价格昂贵的ADV超声流速仪和电磁流速仪相比，不仅具有较大的性价比优势，而且观测更为直观。因此，本项设计为水利模型试验提供了一种更为优化的新型流速流向测量仪器。

［1］长江水利水电科学研究院.LS－302型双线流速仪计数器的设计 ［R］.武汉：长江水利水电科学研究院，1979.

［2］李亮玉，刘新娟.步进电机脉冲分配器CH250及其应用 ［J］.电子技术，1994（03）：28－29.

［3］阎石.数字电子技术基础 ［M］.4版.北京：高等教育出版社，1998.

［4］吴新生.河工模型量测与控制技术 ［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.