一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置属于水动力学试验 研究领域，具体涉及一种具有自动温度控制功能的水下壁面热膜式剪应力传感器标定装 置。
【背景技术】
[0002] 泥沙问题是河流海岸等水利工程建设中的重要问题之一，其运动输移主要受制于 床面剪应力大小，因此水下壁面剪应力的有效测量对泥沙运动问题的机理研究具有重要意 义。对于水下壁面剪应力一直缺乏有效可行的量测方法，目前常用的直接测量手段是通过 测量剪应力板的位移来计算剪应力大小，但其存在响应速度以及测量精度的问题，同时其 工作方式易受水体正压力的影响。80年代以来，微型热膜式剪应力传感器在空气动力学研 究中得到了广泛应用并逐步成熟，随着微机电系统的发展，微型热膜式剪应力传感器逐步 推广应用到水下剪应力测量，为泥沙的基础理论研究提供新的方式。
[0003] 在边界层内，当水流沿着固体壁面发生相对运动时，由于粘滞作用，水流流速在壁 面处为零，在沿壁面的法线方向有很大的速度梯度。热膜式剪应力传感器贴于壁面，通电以 后产生的热量被水流的强制对流传热所平衡，反映为传感器输出电信号的变化，进而可以 建立壁面剪应力与电信号的关系。根据热膜式剪应力传感器的工作原理，其输出信号与流 体温度有很强相关性，但是当测点温度与原有标定温度不同时，传感器输出信号会严重失 真。相对于空气介质，温度对水介质的普朗特数、密度、动力粘性系数和导热系数影响更为 严重，因此需要有一套对不同水温条件下的热膜式剪应力传感器进行标定的方法和装置。
[0004] 目前热膜式剪应力传感器的标定装置主要针对在空气介质，专门用于水下的标定 装置较少，常见的有微型扁薄层流槽道、圆形层流管道和基于压差法的扁平槽道。论文"柔 性热膜剪应力传感器水下测量温度修正"（实验流体力学，2014年第28卷第2期）中采用 微型扁薄层流槽道对热膜式剪应力传感器进行温度修正的研究，但是该装置只限于在小流 量下层流状态中的标定，不能应用于紊流状态，而河流海岸中的泥沙问题常处于紊流状态 中，论文也并未公布温控装置的结构，其恒温效果并不确定。论文"MEMS壁面剪应力传感器 列阵水下标定试验研究"（实验流体力学，2015年第29卷第2期）中采用基于压差法的扁 平槽道对剪应力传感器进行标定，但是该装置没有温控功能，无法确定水温条件在热膜式 剪应力传感器标定中的影响，而且压差法需要测量沿程的压力损失，实际操作较为不便。
[0005] 现有热膜式剪应力传感器标定的方法和装置不足在于：
[0006] 1、现有技术不能实现基于温度修正方法的紊流状态下的标定；
[0007] 2、现有技术不能实现不同水温条件下的标定工作；
[0008] 3、由于悬移质和电解质对热膜式剪应力传感器的影响未知，因此在现有技术中未 见将热膜式剪应力传感器应用在具有悬移质或电解质环境中测量。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于，提供一种能在紊流状态以及不同水温条件下对热膜式剪应力 传感器进行标定的装置和方法。
[0010] -种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置，该装置包括：宽扁长直矩 形管道、固定安装支架、水管、电磁流量计、三角量水堰、恒温水箱、动力水栗、掺混水栗、加 热棒、温度传感器、温度控制系统。
[0011] 其中宽扁长直矩形管道、水管、三角量水堰、恒温水箱、动力水栗、电磁流量计顺次 连接，构成水流通道；其中掺混水栗、加热棒、温度传感器和温度控制系统构成保证水体温 度恒定的控制装置；上述水管和宽扁长直矩形管道外壁和恒温水箱外壁均包裹EPE珍珠棉 隔热层。水体初始在恒温水箱中，通过动力水栗将恒温水箱中的水体抽入水管中，经过电磁 流量计流入到宽扁长直矩形管道中，再通过水管流入三角量水堰中，再经过量水堰溢流到 恒温水箱中；所述动力水栗控制流量大小，水体在整个标定装置内形成循环。
[0012] 上述的宽扁长直矩形管道内壁光滑，宽高比大于7:1，长度不短于2. 5m，在宽扁长 直矩形管道的进口和出口位置有过渡段，宽扁长直矩形管道通过过渡段与水管相连接，在 宽扁长直矩形管道的进口过渡段下边界下游1. 5~I. 8m处开有方形安装窗口，安装窗口为 边长10~20cm的方形，安装窗口设置对应大小的安装盖板用于贴附需要标定的热膜式剪 应力传感器；安装盖板通过密封螺丝固定在宽扁长直矩形管道上，安装盖板内壁与宽扁长 直矩形管道内壁平齐；发明人数值模拟和多次试验测试，只有满足以上要求时才能使宽扁 长直矩形管道内水流的流动在到达热膜式剪应力传感器前充分发展。
[0013] 在紊流状态下宽扁长直矩形管道的断面流速分布满足对数分布，发明人经过反复 验算发现在紊流断面平均流速S不大于3m/ s且在相同宽扁长直矩形管道高度时，每一固定 水温下可以得出一个紊流断面平均流速《与摩阻流速W的线性关系，相关系数均达到0. 99 以上。通过测得的流量可以计算出平均流速，再根据线性关系求出摩阻流速，进而可以求得 壁面剪应力大小。
[0014] 上述恒温水箱容积不小于宽扁长直矩形管道容积的200倍。发明人反复实验发 现，当恒温水箱容积小于上述比例时，在标定过程中宽扁长直矩形管道和恒温水箱内的水 温会有显著波动。
[0015] 上述三角量水堰为水工模型试验常用三角堰，其堰宽不大于35cm，堰长不大于 3m，三角量水堰溢流口距恒温水箱内液面的垂直高度小于0. 8m。试验中发明人发现，当堰宽 大于35cm，堰长大于3m时，由于量水堰本身的蒸发作用，造成恒温控制难以实现。若溢流口 距恒温水箱距离超过0. 8m则由于溢流过程中在空中发生破碎，会携带大量与设置温度不 同的空气进入下游水体，造成水体恒温不可控。
[0016] 上述加热棒为紫铜管加热棒，单个长度53cm，功率2000w，共计16根并列等间距布 置在恒温水箱底部。上述温度传感器采用集成式温度传感器，测量值分辨率是〇.ore ;温 度传感器通过温度传感器导线连接至温度控制系统；其中一个温度传感器布置在动力水栗 入流口半径0. 3m范围内，另一温度传感器布置在三角量水堰下游水平距离0. 2m范围内，深 度在含气射流入水深度与恒温水箱底面的一半位置，左右居中。
[0017] 上述温度控制系统基于PID控制技术，由数据采集器、加热控制器、工控机三部分 组成，温度传感器连接至数据采集器，温度的电信号经A/D转换成数字信号再送入工控机， 工控机将设定的标定温度与当前采集的温度进行对比进而自动设置相应的加热功率，并对 加热控制器送出控制信号，加热控制器根据工控机的指示对加热棒的加热功率进行调节。
[0018] 上述的掺混水栗为轴流水栗，固定在恒温水箱的中部，用来控制热通量和质量通 量的掺混。
[0019] 利用以上装置进行热膜式剪应力传感器标定时采用如下标定步骤：
[0020] 标定过程从低水温往高水温进行，从大流量往小流量进行。在标定过程中宽扁长 直矩形管道内雷诺数均大于2000。
[0021] 1、标定准备
[0022] la，确定水温组次和流量组次；
[0023] lb，开启掺混水栗搅拌恒温水箱中的水体，开启动力水栗，先调节至大流量，让水 体完全充满宽扁长直矩形管道，保证宽扁长直矩形管道内部没有气泡，整个装置内的水体 在标定开始前需循环一段时间，等三角量水堰溢流稳定以后即完成标定装置的初始状态设 置。
[0024] 2、开始标定
[0025] 2a，运行温度控制系统并设定当前标定流量组次的水温条件；
[0026] 温度控制系统在恒温水箱水体实测温度低于设定温度3°C时，以IHz频率连续监 测恒温水箱中水体温度，当实测温度低于设定温度在1~：TC之间时，以2Hz频率连续监测 恒温水箱中水体温度，当实测温度低于设定温度1°C以内时，以5Hz频率连续监测恒温水箱 中水体温度；温度控制系统在实测温度低于设定的标定温度时，自动控制加热棒进行加热； 温度控制系统在实测温度达到设定的标定温度时，自动停止加热棒加热，温度控制系统继 续监测水体温度，如果温度下降超过0. 1°C加热棒就继续加热；
[0027] 2b，通过电磁流量计观察流量大小，并通过调节动力水栗来达到标定所需的流量 条件，等待三角量水堰溢流稳定；
[0028] 2c，待三角量水堰测得流量与所需流量条件差值小于等于1 %时停止调节动力水 栗，待恒温水箱内水体实测水温与设定温度差值小于〇. 1°C时开始采集热膜式剪应力传感 器的输出电压；
[0029] 2d、完成单一流量标定；
[0030] 2e、降低至下一流量条件重复2b~2d直到完成该水温条件下的全部流量标定。
[0031] 3、提高至下一设定温度重复步骤2,直至完成所有水温条件下标定。
[0032] 4、建立不同水温条件下热膜式剪应力传感器输出的电压值与壁面剪应力大小的 关系，得到热膜式剪应力传感器的校准公式，完成热膜式