专利名称：旋桨式流速流向仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种流速流向仪，特别涉及一种旋桨式流速转子的流速流向仪。
背景技术：
流速流向仪是一种测量水流运动速率和水流流动方向的仪器，可分为接触式和非接触式两类，接触式有毕托管流速仪、本氏管流速仪、转子式流速仪(其中旋桨流速仪应用最普遍，按其传感器的结构分为电阻式、电感式和光电式三种，目前采用较多的是光电式)、热线流速仪、电磁流速仪和超声多普勒流速仪等，非接触式有激光流速仪和粒子图像测速系统等。
长期以来，河道海岸治理工程中的模型试验研究和流速流向的测量一直受到世界各国的关注。从国际上发达国家情况看，为解决这一问题，均设有装备精良、人员素质很高的研究机构，如美国陆军工程兵团水道实验站、荷兰Delft水工研究所、英国Wallinford水工实验室、法国夏都国立水工研究所、日本运输省港湾研究所、德国卡尔斯鲁尔联邦水工研究所等等。这些研究机构均建立了各种试验水槽，应用了各类流速测量仪器[1-4]，该类仪器主要有日本OGAWA SEIKI公司生产的二维(或三维)电磁流速仪、挪威NORTEK公司和美国SONTEK公司生产的ADV三维测速仪、美国公司生产的激光流速仪。
我们国内也有多家研究机构，如南京水利科学研究院、中国水利水电科学研究院、清华大学等，均建立了大型的模型试验厅，从国外进口了电磁流速仪、ADV测速仪和激光流速仪，并自行开发了表面粒子图像测速系统PIV(Particle ImageVelocimetry)与PTV(Particle Trace Velocimetry)等。但上述几类进口仪器价格昂贵，使用条件苛刻，只能用于水槽试验，粒子图像测速系统也只能用于表面流场的测量，无法推广应用到一般的模拟研究和模型试验中的流速流向测量，更无从实现流速流向多点同步测量。目前模型试验中流向流态的测量大多仍采用丝线、纸花、浮标、染色剂等示踪物质进行目测，而对于流速垂线上的流向变化过程更无法测量。
现有的流速流向仪，一般由流速流向仪由信号采集装置，信号调节装置和信号处理装置组成，信号采集装置存在着流向尾舵形状结构过大、流向自动跟踪系统滞后和流速测量不同步的缺陷，这种流速流向仪要求工作水深大、流向跟踪的流速大，而且流向精度差和流速流向测量不同步的缺陷，因而未能在实际中应用。
发明内容
本实用新型的目的就是为了克服现有技术的不足，提供一种能同步测量流速流向，与现有技术相比，最小工作水深、流向跟踪的最小流速和流向测量精度指标有改进和提高的流速流向仪。
本实用新型的技术方案是，一种旋桨式流速流向仪，包括流速流向信号传感器和信号测读装置，流速流向信号传感器由流速流向信号测量探头、流速信号转换器、流向跟踪装置和流向信号转换器组成，其特征是，流速流向信号测量探头由框架、旋桨和流向测量探头组成；流向信号测量探头由流向标和电极组构成；旋桨设在框架的水平中线上，与垂直边框可旋转连接；流向标为V形叶片，叶片底部设在框架的垂直方向上，并与框架尾部的水平边框可旋转连接；电极A和电极B固定在框架尾部内侧、框架平面的垂直面上，电极A和电极B沿框架的水平面对称设置，且电极A和电极B设在V形叶片之间，并与V形叶片留有间隙，公共电极C接零；电极A和电极B的输出信号接流向跟踪装置；流向跟踪装置的输出分别和流速流向信号测量探头框架、流向信号转换器连接。
本实用新型中包含了流速信号传感器和流向信号传感器两部分，流速的测量通过流速信号传感器进行，流向的测量由流向信号传感器完成，两个信号传感器的信号测量探头连为一体，即在流速流向流速测量探头是在现有的流速测量探头的基础上增加了流向测量探头部分，为同步测量流速流向提供基础。
流速流向信号测量探头由框架、流速旋桨、流向标和电极组组成，其中，流速旋桨用于采集流速信号，流向标、电极组用于采集流向信号，框架用于支撑信号采集部件，并将流速、流向采集部件结合在一起。
流速传感器部分由旋桨和流速信号转换器组成。旋桨式流速仪是转子式流速仪的一种，即以作为转子的流速仪，旋桨绕着与水流方向平行的轴转动，其转速与周围流体的局部流速成单值对应关系，根据旋桨的转速测量值，得出水质点的流速。流速信号转换器将所采集的流速信号转换成光、电、磁等可测信号输入信号测读装置。本实用新型中，就是采用旋桨作为流速测量探头，采集流速信号的，流速信号转换器采用光电式。
在本实用新型中流向信号探头为流向标和电极组。流向传感器部分由流向信号探头、流向跟踪装置和旋转编码器组成，流向信号测量探头的信号输入流向跟踪装置，流向跟踪装置的位移输出与流向信号测量探头框架固定连接。
流向测量的过程是，在流向标框架的内侧固定有一对铂金电极A和B，与流向标叶片之间有一定的间隙δA和δB。铂金电极A及B与公共电极C(流速流向传感器入水部分金属杆壁)之间的水电阻与该间隙大小有关。当电极轴线与流向标轴线一致时，水电阻RAC＝RBC，若稍有偏离，则变为RAC＞RBC或RAG＜RBC，电极信号输出接入流向跟踪装置，流向跟踪装置根据输入信号判断流向标的位置，驱动测量探头框架旋转至与水流方向一致，流向跟踪装置输出信号可同时输入流向信号转换器，通过光电转换，可将输给轴的机械量、旋转位移等转换成相应的电脉冲或数字量，并输入信号测读装置。
在本实用新型中，流向跟踪装置的具体结构可以由电桥电路、相位检测电路、功率驱动电路、微型永磁直流电机以及齿轮减速器组成，将RAC、RBC接入桥路，则桥路的输出随RAC、RBC的变化而相应变化，该变化量通过相位检测电路、功率驱动电路，控制永磁直流电机减速器转动，直流电机减速器带动流速流向探测头转动。齿轮减速器可以是三级齿轮传动，第三级齿轮的输出与测杆固定连接，测杆与流速流向信号测量探头框架固定连接。与直流减速电机轴连接的主动齿轮通过中间齿轮带动从动齿轮运转，从动齿轮带动测杆按与水流流线一致的方向转动，由于设计安装了中间齿轮，传感器探头运转的方向与电机运转的方向相同。
流向信号转换器采用旋转型转换器，直流电机输出轴与旋转型转换器，如增量型旋转编码器连接，带动增量型旋转编码器旋转，与编码器连接的信号测读装置可随时采集流向角度，直到测量结束为止。
本实用新型中，信号测读装置包括信号调节装置和信号处理装置。为了得到正确的流速信号，提高仪器的可靠性，在流速输入信号之后设置有调节装置，它包括信号电平放大电路和信号整形电路。配合软件有效消除干扰信号，保证所测记的流速仪信号正确无误。
信号处理装置采用单片机控制系统该系统采用89系列的CPU芯片，这是一种低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，其内部逻辑电路与8051单片机基本相同，只是EPROM、ROM部分更换成闪烁可编程、可擦除只读存储器。程序用C-51语言编写，结构紧凑，修改方便，并固化在CPU芯片的存储器中。该装置还包括显示器、键盘和通讯接口，另外还可以包括μP监控器。作为本实用新型的进一步改进流速旋桨采用通孔制模加工，直径可以为Φ12mm和Φ15mm，旋桨反光面采用先进的电镀工艺，耐磨损，信号强，起动流速≤1cm/s，起动流速、测速范围、线性度、同心度、率定系数和均方差等指标均较以往传感器有很大的改进和提高。
流速旋桨与流向信号测量探头框架采用轴尖支承连接，在框架水平中线上设有一对轴尖，流速旋桨的中心孔内设有轴柱，轴柱的两端嵌镶一对玛瑙刚玉轴承，形成轴尖支承，在水流作用下，流速旋桨可以在框架上的一对上、下轴尖上顺着水流灵活转动。
流向标也称为尾舵，采用比重比水轻的特殊PVC材料整体压铸成极轻巧的三角形叶片制成，叶片夹角成30°角，克服了现有的流向标在使用中极易损坏和折断的缺点。
流向标与流向信号测量探头框架采用轴尖支承连接，在框架垂直向设有一对上、下轴尖，流向标的顶端选用PPO材料作轴柱，在轴柱的上、下嵌镶一对玛瑙刚玉轴承，形成轴尖支承，在水流作用下，流向标可以在框架上的一对上、下轴尖上作灵活的左右转动。
本实用新型中，框架采用制模加工，流速流向传感器测量探头灵巧精密，流向标、电极和玛瑙刚玉轴承的安装也进行了改进，有效地减小摩擦力矩以提高起动灵敏度、降低起动流速，提高了测量灵敏度及分辨力，实现了流向跟踪的最小流速≤3cm/s。
作为本实用新型的进一步改进，流速流向仪传感器中还设有微型电极导电环，A和B电极信号通过微型电极导电环输出信号，电极导电环选用日本的EPSON打印机机头的旋转多点信号引出机构从而实现了电极导电环微型化、寿命长和360°旋转功能。
测量电桥设计选用改进型的惠斯顿电桥。
图1是本实用新型实施例1的结构框图图2流速流向信号传感器的结构示意图图3是本实用新型实施例1流速流向信号探测头主视图图4是本实用新型实施例1流速流向信号探测头主仰视图图5是本实用新型实施例1流速流向信号探测头电极与框架的连接示意图图6是本实用新型实施例1中流向跟踪电路中电桥电路和相位检测电路的结构示意图图7是本实用新型实施例1中流向跟踪电路中功率驱动电路结构示意图图8是本实用新型实施例1中流向跟踪电路中微型永磁直流电机电路结构示意图图9是本实用新型实施例1流速信号转换器、编码器和信号调节装置电路示意图图10是本实用新型实施例1信号处理装置中单片机CPU的电路示意图11是本实用新型实施例1信号处理装置中存储器、接口电路以及监控器的电路示意具体实施方式
实施例1一种旋桨式流速流向仪，结构框图如图1所示，包括流速流向信号传感器10和信号测读装置，流速流向信号传感器10由流速流向信号测量探头1、流速信号转换器2、流向跟踪装置3和编码器4组成。流速流向信号测量探头和流速信号转换器固定在测杆8的两端，流向跟踪装置3的输出分别接由流速流向信号测量探头1和编码器4。
信号测读装置包括信号调节装置6和信号处理装置7。如图9所示，调节装置包括信号电平放大电路61和信号整形电路62，配合软件有效消除干扰信号，保证所测记的流速仪信号正确无误。如图10所示，信号处理装置7采用单片机控制系统以美国ATMEL公司的AT89C52单片机为核心控制元件(CPU)20。如图11所示，CPU带有可擦除只读存储器21，程序用C-51语言编写，结构紧凑，修改方便，并固化在CPU芯片的存储器中，选用12MHz的时钟振荡频率，保证内部的高精度计时。采用2组LED，作为流速和流向显示器；该部分电路还包括流速仪系数、常数及测速参数的输入电路。在输出电路中还设计有键盘、与PC机通讯的标准RS-232/485接口电路23，以及声音提示、光指示电路等，该装置另外还可以包括μP监控器22。
如图3所示，流速流向信号测量探头1将流速和流向的信号探测头结合在一起，流速流向信号测量探头由框架11、旋桨12和流向测量探头13组成；如图4所示，流向信号测量探头13由流向标131和电极组132构成；旋桨12设在框架11的水平中线上，与垂直边框可旋转连接；流向标131为V形叶片，叶片底部设在框架的垂直方向上，并与框架11尾部的水平边框111可旋转连接；如图5所示，框架尾部的一水平边框111上设有插槽15，电极组132通过插槽15与框架11固定连接，电极A和电极B设在框架平面垂直面上，电极A和电极B沿框架的水平面对称设置，且电极A和电极B设在V形叶片之间，并与V形叶片留有间隙δA和δB，公共电极C接零；电极A和电极B的输出信号接流向跟踪装置，流向跟踪装置3的输出接流速流向信号测量探头框架11和编码器4。
在测杆上安装微型电极导电环8，见图3，电极导电环选用了日本的EPSON打印机机头的旋转多点信号引出机构，具有360°旋转功能，A和B电极信号通过电极导电环将输出信号接入流向跟踪装置3。
流速传感器采用光纤微型测速传感器，传感器利用光纤导光。光电转换器2和流速探头12分别固定连接在测杆5的两端，见图3，测杆5也作为光纤的通路。
流速旋桨12与流向信号测量探头框架11采用轴尖支承连接，在框架水平中线上设有一对轴尖，流速旋桨的中心孔内设有轴柱，轴柱的两端嵌镶一对玛瑙刚玉轴承19，形成轴尖支承，在水流作用下，流速旋桨可以在框架上的一对上、下轴尖上顺着水流灵活转动，见图3和图4。
流速旋桨的螺旋角、螺距、制作工艺和材料等都进行了重新设计(请叙述具体的改进)，旋桨12采用通孔制模加工，直径为Φ12mm，旋桨反光面采用先进的电镀工艺，耐磨损，信号强，起动流速≤1cm/s，起动流速、测速范围、线性度、同心度、率定系数和均方差等指标均较以往传感器有很大的改进和提高。
图4和图5所示，本实施例中的流向传感器部分由流向信号探头13、流向跟踪装置3和旋转编码器4组成，流向信号测量探头13包括流向标131和电极A、电极B及公共电极C构成的电极组132。
流向跟踪装置3由电桥电路31、相位检测电路32、功率驱动电路33、微型永磁直流电机34和齿轮减速器35组成，见图3。电桥电路31、相位检测电路32和功率驱动电路33构成的流向跟踪电路如图6、图7所示，功率驱动电路33的输出信号接微型永磁直流电机34，如图8所示，齿轮减速器35采用三级齿轮传动装置，输出轴接测杆5，如图3所示。
测量电桥设计选用了改进型的惠斯顿电桥，考虑到桥路灵敏度与电极极化之间的矛盾，现供桥电压选为交流8V，改善了原流速流向仪采用耦合变压器性能难以一致的缺点，调试也简单。用于跟踪流向的驱动电机选用了微型永磁直流减速电机，转速为每分钟30转，满足了流向最大跟踪速度30～40°/s。
直流电机34输出轴通过齿轮减速器的一级齿轮351轴与增量型旋转编码器连接，带动增量型旋转编码器，与编码器连接的信号测读装置可随时采集流向角度，直到测量结束为止。流向信号转换器4选用了旋转编码器，旋转编码器是集光、机、电精密技术于一体的结晶。通过光电转换，可将输给轴的机械量、旋转位移等转换成相应的电脉冲或数字量。它具有体积小、重量轻、分辨力高、力矩小、耗能低、性能稳定可靠、坚固耐用、使用寿命长等特点。
如图4、5所示，流向标131，采用比重比水轻的特殊PVC材料整体压铸成极轻巧的三角形叶片制成，叶片夹角成30°角，克服了现有的流向标在使用中极易损坏和折断的缺点。
流向标131与流向信号测量探头框架11采用轴尖支承连接，在框架垂直向设有一对上、下轴尖，流向标的顶端选用PPO材料作轴柱，在轴柱的上、下嵌镶一对玛瑙刚玉轴承18，形成轴尖支承，在水流作用下，流向标131可以在框架上的一对上、下轴尖上作灵活的左右转动。
流向测量的过程是，在流向标框架的内侧固定有一对铂金电极A和B，与流向标叶片之间有一定的间隙δA和δB。铂金电极A及B与公共电极C(流速流向传感器入水部分金属杆壁)之间的水电阻与该间隙大小有关。当电极轴线与流向标轴线一致时，水电阻RAC＝RBC，若稍有偏离，则变为RAC＞RBC或RAG＜RBC，将RAC、RBC接入桥路，则桥路的输出随RAC、RBC的变化而相应变化。该变化量通过相位检测电路、功率驱动电路，控制永磁直流减速电机转动，直流减速电机带动与流速流向传感器连接的齿轮传动装置。与直流减速电机轴连接的通过中间齿轮352带动从动齿轮运转353，从动齿轮353带动测杆5按与水流流线一致的方向转动，由于安装了中间齿轮352，测杆5运转的方向与电机34的运转方向相同。
电机34轴通过主动齿轮351连接旋转编码器4，通过光电转换，将输给轴的机械量、旋转位移等转换成相应的电脉冲或数字量。
旋转编码器应用于角度定位或测量时，通常有A、B、Z三相输出。A相和B相输出占空比为50％的方波。编码器每转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲(如360个脉冲)。当编码器正向旋转时，A相比B相超前四分之一个周期；当编码器反向旋转时，B相比A相超前四分之一个周期。A相和B相输出方波的相位差为90±45°。编码器每转一周，Z相输出一个脉冲。由于编码器每转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲，则A相或B相每输出一个脉冲，表示编码器旋转了一个固定的角度。当Z相输出一个脉冲时，表示编码器旋转了一周。因此旋转编码器可以测量角位移及位移方向。
流向测量选用的增量型旋转编码器每转产生360个脉冲，编码器的轴通过主动齿轮与电机轴连接，轴的每圈转动，增量型编码器提供一定数量的脉冲，如果在一个参考点后面脉冲数被累加，计算值就代表了转动角度，即对应于一个明确的流向角度，流向读取分辨率为±1°。
本实用新型可以应用于清水和浑水中的流速流向测量，特别是在浑水模型试验中，流速垂线上的流向变化过程用人工方法测量(丝线和纸花)是无法实现的，人工测量只能观察到表面流速的流向，表层以下的流向就无法看清，本流速流向仪在沿流速垂线上的流向变化过程测量也获得了成功，在测量垂线平均流速时传感器随时跟踪了主流方向，使所测流速真正代表了主流方向的流速。
权利要求1.一种旋桨式流速流向仪，包括流速流向信号传感器和信号测读装置，流速流向信号传感器由流速流向信号测量探头、流速信号转换器、流向跟踪装置和流向信号转换器组成，其特征是，流速流向信号测量探头由框架、旋桨和流向测量探头组成；流向信号测量探头由流向标和电极组构成；旋桨设在框架的水平中线上，与垂直边框可旋转连接；流向标为V形叶片，叶片底部设在框架的垂直方向上，并与框架尾部的水平边框可旋转连接；电极组中，电极A和电极B固定在框架尾部、框架平面的垂直面上，电极A和电极B沿框架的水平面对称设置，且电极A和电极B设在V形叶片之间，并与V形叶片留有间隙，公共电极C接零；电极A和电极B的输出信号接流向跟踪装置；流向跟踪装置的输出分别和流速流向信号测量探头框架、流向信号转换器连接。
2.根据权利要求1所述旋桨式流速流向仪，其特征是，所述框架尾部的一水平边框的内侧设有插槽，所述电极组连接端插入槽内，与框架固定连接。
3.根据权利要求1或2所述旋桨式流速流向仪，其特征是，所述信号测读装置包括信号调节装置和信号处理装置，调节装置包括信号电平放大电路和信号整形电路；所述流向信号转换器为光电编码器。
4.根据权利要求1或2所述旋桨式流速流向仪，其特征是，所述流速信号转换器为光电转换器，光电转换器和流速探头分别固定连接在测杆的两端，测杆作为光纤的通路；所述流速旋桨与流向信号测量探头的垂直边框的旋转连接采用轴尖支承连接，在框架水平中线上设有一对轴尖，流速旋桨的中心孔内设有轴柱，轴柱的两端嵌镶一对玛瑙刚玉轴承。
5.根据权利要求3所述旋桨式流速流向仪，其特征是，所述信号处理装置为单片机处理系统，单片机处理系统采用89系列的CPU芯片，它接有键盘、显示器、存储器、up监控器和通讯接口。
6.根据权利要求4所述旋桨式流速流向仪，其特征是，所述旋桨的直径为Φ12mm。
7.根据权利要求6所述旋桨式流速流向仪，其特征是，流向跟踪装置由电桥电路、相位检测电路、功率驱动电路、直流电机以及齿轮减速器组成，电桥电路、相位检测电路、功率驱动电路和微型永磁直流电机依次串联，微型永磁直流电机输出轴接齿轮减速器。
8.根据权利要求7所述旋桨式流速流向仪，其特征是，所述齿轮减速器为三级齿轮传动装置；主动齿轮连接在微型永磁直流电机输出轴上，并与中间齿轮啮合，中间齿轮与从动齿轮啮合，从动齿轮套在测杆上与测杆固定连接。
9.根据权利要求8所述旋桨式流速流向仪，其特征是，流向标采用PVC材料整体压铸，，V形叶片夹角成30°角；流向标与流向信号测量探头框架尾部的水平边框之间采用轴尖支承连接，在框架垂直向设有一对上、下轴尖，流向标的顶端选用PPO材料作轴柱，在轴柱的上、下嵌镶一对玛瑙刚玉轴承。
10.根据权利要求9所述旋桨式流速流向仪，其特征是，在测杆上设有微型电极导电环，电极导电环为360°旋转的多点信号引出机构，A和B电极信号接入电极导电环，电极导电环将输出信号接入流向跟踪装置。
专利摘要本实用新型涉及一种旋桨式流速流向仪，它包括流速流向信号传感器和信号测读装置，流速流向信号传感器由流速流向探头、流速信号转换器、流向跟踪装置和流向信号转换器组成，信号测量探头由框架、旋桨和流向测量探头组成；流向信号探头由流向标和电极组构成；旋桨设在框架的水平中线上，与垂直边框可旋转连接；流向标为V形叶片，叶片底部设在框架的垂直方向上，与框架尾部可旋转连接；电极A和电极B固定在框架尾部、框架的水平面的中心垂直面上，电极A和电极B设在V形叶片之间，沿框架的水平面对称设置，并与V形叶片留有间隙，公共电极C接零；电极A和电极B的输出信号接流向跟踪装置；流向跟踪装置的输出和流速流向探头框架、流向信号转换器连接。
文档编号G01P13/00GK2888448SQ200520073220
公开日2007年4月11日 申请日期2005年7月1日 优先权日2005年7月1日
发明者蔡守允, 戴杰, 张定安, 马进荣, 李恩宝, 程顺来, 姜英山 申请人:南京水利科学研究院