專利名稱：一種旋槳流速儀的檢定方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明適用于確定通用型旋槳流速儀檢定公式V＝Kn+C中常數(shù)K、C值的方法及設(shè)備。
現(xiàn)有的旋槳流速儀檢定方法及設(shè)備是根據(jù)參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO3455《直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定》制定的水電部標(biāo)準(zhǔn)SD 145-85《直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定》，采用直線明槽靜水檢定。該檢定方法是應(yīng)用物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，即假設(shè)水流為靜止的水體，檢定車拖引旋槳流速儀與其作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而獲得標(biāo)準(zhǔn)輸入量-速度V、輸出量-流速儀轉(zhuǎn)速n。每架儀器檢定約20個(gè)測(cè)點(diǎn)，即檢定車以約20種速度序列行駛，對(duì)應(yīng)記下約20種對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速，將這些測(cè)試數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合成直線方程V＝Kn+C……(1)式中V-水體流速;
K-水力螺距;
n-流速儀轉(zhuǎn)速;
C-儀器摩阻系數(shù)。
這種旋槳流速儀的直線明槽靜水檢定方法及設(shè)備所需的基建、設(shè)備及其運(yùn)營、維修的投資巨大。檢定規(guī)程要求嚴(yán)謹(jǐn)、操作、計(jì)算工作繁雜、工效低，且很重要的一點(diǎn)是，儀器在檢定過程中，頻頻擾動(dòng)靜水，破壞了儀器檢定所必需的靜水條件。因此，如果不嚴(yán)格遵守檢定規(guī)定實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)輸入量V并非車速V1，而是V＝V1±△V。故檢定成果存在著一定的檢定誤差。
目前世界各國都是執(zhí)行國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3455，沿用傳統(tǒng)的直線明槽靜水檢定方法及設(shè)備，尚無其他更先進(jìn)的檢定方法及設(shè)備。
本發(fā)明旨在克服上述旋槳流速儀傳統(tǒng)檢定方法及設(shè)備存在的弊端，提供一種旋槳流速儀簡(jiǎn)捷的檢定方法及設(shè)備，以提高檢定工作效率，實(shí)現(xiàn)旋槳流速儀檢定公式標(biāo)準(zhǔn)化。
本發(fā)明確定旋槳流速儀檢定公式中常數(shù)的方法要點(diǎn)是，測(cè)得旋槳的幾何螺距特征量Z值，通過計(jì)算而得到K值;常數(shù)C值，是應(yīng)用摩擦擺原理的摩阻力矩儀測(cè)量旋槳流速儀內(nèi)摩阻力矩后確定。
下面分三個(gè)方面闡述實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案1)旋槳流速儀檢定公式V＝Kn+C中常數(shù)K、C值的確定方法;
2)旋槳幾何螺距測(cè)試設(shè)備;
3)摩阻力矩儀。
1.水力螺距K值、儀器摩阻系數(shù)C值的確定方法(1)確定K值方法本發(fā)明的檢定方法，適用于用一標(biāo)準(zhǔn)旋槳螺距的模具生產(chǎn)的一批塑料旋槳制件，其幾何尺寸精度和形狀的一致性，可滿足水力相似定理要求。
本專利發(fā)明人楊漢塘撰寫的論文《流速儀轉(zhuǎn)子的靜態(tài)特性》中給出K＝2πR·｛[1+(Cx/Cy)·tg2α]/[tgα(1-cx/cy)]｝……(2)把上式右邊變?yōu)镵＝｛Cy/[(Cy-Cx)tg2α]+Cx/(Cy-Cx)｝·2πRtgα……(3)式中R-旋槳回轉(zhuǎn)半徑;
α-旋槳螺旋角;
Cx、Cy-旋槳阻力系數(shù)。
若不考慮旋槳流速儀內(nèi)摩阻時(shí)，旋槳流速儀檢定公式為V＝Kn……(4)式(3)大括號(hào)為旋槳阻力系數(shù)B，2πRtgα為旋槳幾何螺距H，于是K＝BH……(5)旋槳幾何螺距H的確定

圖1展示了旋槳幾何螺距H與其特征量Z之間的計(jì)算關(guān)系。圖1中β是設(shè)計(jì)旋槳時(shí)給出的標(biāo)準(zhǔn)螺旋角，Ho是與β對(duì)應(yīng)的旋槳標(biāo)準(zhǔn)幾何螺距;α是旋槳螺旋角，H是與α對(duì)應(yīng)的旋槳幾何螺距。
由圖1給出的旋槳幾何螺距H與其特征量Z之間的關(guān)系可得到計(jì)算式H＝2πR·tgα-2πR·tg(β-γ)……(6)由三角關(guān)系可知γ＝arctg(Z/T)……(7)把式(7)代入式(6)得H＝2πR·tg[β-arctg(Z/T)]……(8)旋槳幾何螺距H沿半徑為一常數(shù)，圖1中的R是具有代表性的對(duì)應(yīng)半徑，其幾何意義見圖2中R所示。
式(8)中T是旋槳旋轉(zhuǎn)1/4轉(zhuǎn)時(shí)，在旋槳半徑R螺旋面上畫出的螺旋線長度，Z是用圖1、2中百分表1在T終點(diǎn)處測(cè)得的垂距。T與Z的關(guān)系如圖1所示。
阻力系數(shù)B的確定通過試驗(yàn)，可建立關(guān)系式B＝B0+QZ……(9)把式(8)、(9)代入式(5)得K＝2πR(B0+QZ)tg[β-arctg(Z/T)]……(10)令2πRB0＝a，2πRQ＝b得K＝(a+bZ)tg[β-arctg(Z/T)]……(11)至此，K值的計(jì)算公式已經(jīng)給出。確定K值的方法，其特征是第一步測(cè)得旋槳的幾何螺距特征量Z值;第二步將Z值代入K值計(jì)算公式K＝(a+bZ)tg[β-arctg(Z/T)]，算得K值。
K值計(jì)算公式中a、b是在最好的實(shí)驗(yàn)條件下檢定一批旋槳流速儀總數(shù)5%的資料擬合而得的常數(shù);β是設(shè)計(jì)旋槳時(shí)給出的標(biāo)準(zhǔn)螺旋角;T是旋槳旋轉(zhuǎn)1/4轉(zhuǎn)時(shí)，在旋槳半徑R螺旋面上畫出的螺旋線長度;Z是在T終端點(diǎn)處的垂距。
測(cè)取Z值的實(shí)際操作過程是，將旋槳裝在旋槳幾何螺距測(cè)試設(shè)備上，將固定在旋槳幾何螺距測(cè)試設(shè)備底座上的百分表測(cè)桿觸頭垂直地對(duì)準(zhǔn)旋槳螺旋線長度T的起點(diǎn)，調(diào)正百分表零點(diǎn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)旋槳幾何螺距測(cè)試設(shè)備的手柄2 1/2 轉(zhuǎn)，裝在旋槳幾何螺距測(cè)試設(shè)備上的旋槳恰好轉(zhuǎn)過 1/4 轉(zhuǎn)，這時(shí)百分表觸頭在旋槳螺旋面上畫出螺旋線長度為T，其終點(diǎn)示值即為旋槳幾何螺距特征量Z值。
將Z值代入K值計(jì)算公式K＝(a+bZ)tg[β-arctg(Z/T)]，算得K值。
(2)儀器摩阻系數(shù)C值的確定方法摩阻系數(shù)C值主要取決于旋槳流速儀內(nèi)摩阻，通常流速儀配用精密儀表微軸承，軸承的摩阻力矩即為旋槳流速儀的內(nèi)摩阻，該軸承的摩阻力矩值M在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，采用平均C值。
具體檢測(cè)方法是，將被檢測(cè)的旋槳流速儀安裝在摩阻力矩儀上，調(diào)整擺針，對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)，即擺針偏角Ф＝0°。開動(dòng)電機(jī)，旋槳流速儀軸承內(nèi)圈被電機(jī)以低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，由于軸承的內(nèi)、外圈之間存在摩擦阻力，內(nèi)圈帶動(dòng)外圈隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，但被擺針上的擺錘負(fù)荷P所平衡。當(dāng)擺針偏角0°＜Ф＜90°時(shí)，旋槳流速儀內(nèi)摩阻力矩M值在規(guī)定范圍內(nèi)，旋槳流速儀內(nèi)摩阻力矩M值符合要求，摩阻系數(shù)采用平均C值。當(dāng)擺針偏角Ф≥90°時(shí)，該架流速儀為不合格品。
2.旋槳幾何螺距測(cè)試設(shè)備圖2是旋槳幾何螺距測(cè)試設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理圖，該設(shè)備組成包括N1、N2、N3、N4、N5、N6六個(gè)齒輪及相應(yīng)的傳動(dòng)軸8、軸套7、手搖柄2、絲桿3、絲桿螺母4、底座5。其結(jié)構(gòu)與位置關(guān)系是N1和N3固定在同一根軸上，N1、N3是主動(dòng)輪，此軸右端裝有手搖柄;N4和N5固定在同一根軸上;N2固定的軸是一根絲桿，絲桿在絲桿螺母中，絲桿螺母固定在底座上。N2與N1嚙合、N4與N3嚙合、N6與N5嚙合。N1與N2的轉(zhuǎn)速比是6∶25、N3與N4的轉(zhuǎn)速比是4∶1、N5與N6的轉(zhuǎn)速比是5∶2。被測(cè)旋槳6安裝在N6的軸上。該測(cè)試設(shè)備有如下功能圖2中手搖柄2沿箭頭指向均勻轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)n1＝10轉(zhuǎn)時(shí)，旋槳沿箭頭指向轉(zhuǎn)動(dòng)，且n2＝1轉(zhuǎn)，同時(shí)與齒輪N2連結(jié)的絲桿3帶動(dòng)整體齒機(jī)構(gòu)向左平移距離為Ho。相當(dāng)于水體相對(duì)旋槳從左向右平移距離為Ho。與N2固定在一起的絲桿螺距t的尺寸由被測(cè)旋槳的標(biāo)準(zhǔn)螺距Ho而定，即
t＝ 1/10 · (N1)/(N2) ·Ho3.摩阻力矩儀圖3為應(yīng)用摩擦擺原理的摩阻力矩儀，它由底座6、擺針2、蜂鳴器3、齒輪付4、同步電機(jī)5、支架7、電源開關(guān)8、擺針偏角刻度盤9組成。在擺針上距擺針轉(zhuǎn)動(dòng)中心L處有一擺錘負(fù)荷P，被測(cè)旋槳流速儀1安裝在摩阻力矩儀上，擺針固定在流速儀外圈的轉(zhuǎn)動(dòng)套上，摩阻力矩儀處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，擺針尖豎直向下對(duì)準(zhǔn)零位，擺針偏角Ф＝0°。蜂鳴器作用是測(cè)試旋槳流速儀接觸信號(hào)的長度，要求為3轉(zhuǎn)。
摩阻力矩儀由上述部件組成，各部分結(jié)構(gòu)與位置的關(guān)系是，支架、同步電機(jī)、擺針偏角刻度盤、電原開關(guān)固定在底座上適當(dāng)位置，齒輪付的主動(dòng)輪與同步電機(jī)軸固定在一起，檢測(cè)流速儀時(shí)蜂鳴器裝在流速儀身架上。
旋槳流速儀內(nèi)摩阻力矩M，根據(jù)圖3中偏角刻度盤給出的關(guān)系，按下式計(jì)算M＝PLsinΦ……(12)式中M-旋槳流速儀內(nèi)摩阻力矩;
L-擺針上負(fù)荷P到轉(zhuǎn)動(dòng)中心距離;
Φ-擺針偏角。
當(dāng)0°＜Φ＜90°時(shí)，M值在規(guī)定范圍內(nèi)就認(rèn)為該旋槳流速儀內(nèi)摩阻力矩符合要求，可采用平均C值。當(dāng)Φ≥90°時(shí)，該架流速儀內(nèi)摩阻力矩，不在規(guī)定范圍內(nèi)，故該架流速儀為不合格品。
采用摩阻力矩儀對(duì)旋槳流速儀內(nèi)摩阻力矩M進(jìn)行檢測(cè)，比現(xiàn)行的用嘴向旋槳吹氣，靠經(jīng)驗(yàn)來鑒別儀器內(nèi)摩阻的方法，更具有科學(xué)性、可靠性和標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、因而可保證儀器檢定質(zhì)量。
4.實(shí)例如對(duì)某批LS25-1型旋槳流速儀，抽檢244架，測(cè)試時(shí)取R＝35.5mm，β＝48.26°，T＝60mm，用最小二乘法擬合得常數(shù)a＝277.581，b＝2.231。把這些數(shù)值代入(11)式得K＝(277.581+2.321Z)tg[48.26°-arctg(Z/60)]…(13)大量生產(chǎn)中只要測(cè)得旋槳的幾何螺距特征量Z值，便可求得K值，這種檢定方法與傳統(tǒng)的檢定法比較，具有工作快捷，簡(jiǎn)便，儀器無須再下水檢定的特點(diǎn)。經(jīng)與常規(guī)水槽檢定資料比較，K值之間偏差僅0.43%，遠(yuǎn)小于國標(biāo)GB11826-89《旋槳式流速儀》規(guī)定1.8%。
從理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)觀點(diǎn)來看，由于公式(11)中的常數(shù)項(xiàng)a、b系在最好的實(shí)驗(yàn)條件下檢定，并由一批LS25-1型旋槳流速儀總數(shù)5%的資料擬合而得，百分表讀取Z值精確、可靠，并易于重復(fù)測(cè)量，故本辦法精度不低于常規(guī)檢定法。
摩阻系數(shù)C值主要取決于旋槳流速儀內(nèi)摩阻，通常LS25-1型旋槳流速儀配用精密儀表微軸承D6025M，軸承的摩阻力矩即為旋槳流速儀的內(nèi)摩阻，該軸承的內(nèi)摩阻力矩值M規(guī)定范圍是0.5～1.0克·厘米。在已標(biāo)定好的摩阻力矩儀上，對(duì)LS25-1型旋槳流速儀內(nèi)摩阻力矩M進(jìn)行檢測(cè)，Φ為擺針偏角，當(dāng)0°＜Φ＜90°時(shí)，M值在0.5～1.0克·厘米規(guī)定范圍內(nèi)，該架流速儀摩阻系數(shù)采用平均C值0.007m/s。當(dāng)Φ≥90°時(shí)，該架流速儀為不合格品。
5.本發(fā)明與背景技術(shù)相比所具有的有益的效果(1)檢測(cè)儀器設(shè)備本發(fā)明所需的檢測(cè)儀器、設(shè)備僅為旋槳幾何螺距測(cè)試設(shè)備和一臺(tái)摩阻力矩儀。電力消耗前者為手動(dòng)，后者為5W，總造價(jià)為1萬元。
常規(guī)的流速儀檢定設(shè)備需要約250×10m2的建設(shè)場(chǎng)地，基建、檢定水槽、檢定車、供電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和測(cè)試儀表等，全套設(shè)備造價(jià)約5百萬元，電力消耗為4×55千瓦電機(jī)拖動(dòng)10噸重的檢定車。
(2)工作效率常規(guī)檢定1臺(tái)流速儀需2小時(shí)，本法僅為5分鐘;前者受檢定的靜水時(shí)間限制，無法連續(xù)工作，本發(fā)明無此限制，可充分發(fā)揮設(shè)備的效率。
(3)勞動(dòng)強(qiáng)度常規(guī)檢定流速儀需一人開車，一人裝、卸儀器，二人計(jì)算，本發(fā)明全部工作只需一人;前者在高速5m/s開車時(shí)，精神需高度集中，且有撞車危險(xiǎn)。后者則很輕松自如。
(4)設(shè)備維護(hù)、檢修常規(guī)檢定設(shè)備需有專門的維護(hù)、檢修班子，維護(hù)停產(chǎn)時(shí)間長，費(fèi)用高。本發(fā)明所用的設(shè)備幾乎不需維修。
(5)檢定質(zhì)量常規(guī)法檢定，常因任務(wù)緊，檢測(cè)環(huán)境技術(shù)條件中的靜水時(shí)間往往得不到保證，因而很可能產(chǎn)生誤檢;本發(fā)明則不受此限制，且容易重復(fù)檢測(cè)，故檢定質(zhì)量保證率高。
(6)檢定費(fèi)用常規(guī)檢定流速儀1臺(tái)費(fèi)用100元，本發(fā)明僅5元。
(7)標(biāo)準(zhǔn)公式本發(fā)明的操作程序簡(jiǎn)單，檢定質(zhì)量高，容易制得標(biāo)準(zhǔn)公式，K值可以刻在塑料槳葉上，在洪水期間，若使用的旋槳流速儀的旋槳被水中漂浮物撞壞了，只要換一個(gè)旋槳即可繼續(xù)使用，因而不致漏測(cè)寶貴的高洪峰流量保證水文資料的連續(xù)性，這具有很高的社會(huì)效益。而常規(guī)檢定法則需花費(fèi)相當(dāng)大的代價(jià)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最好方式，已在確定K、C值的方法及設(shè)備的技術(shù)方案里闡明。
本發(fā)明申請(qǐng)單位可提供全套檢測(cè)設(shè)備和儀表，首批檢定時(shí)，本發(fā)明者可親自參加檢測(cè)、計(jì)算工作。
權(quán)利要求
1.一種檢定旋槳流速儀檢定公式V=Kn+C的方法，公式中V是水體流速、K是水力螺距、n是流速儀轉(zhuǎn)速、C是儀器摩阻系數(shù)，其特征是(1)確定K值的方法，第一步測(cè)得旋槳的幾何螺距特征量Z值，第二步將Z值計(jì)算公式K=(a+bZ)tg[β-arctg(Z/T)]，算得K值。K值計(jì)算公式中，a、b是在最好的實(shí)驗(yàn)條件下檢定，并由占一批旋槳流速儀總數(shù)5%的抽檢資料擬合而得的常數(shù)，β是設(shè)計(jì)旋槳時(shí)給出的標(biāo)準(zhǔn)螺旋角，T是旋槳旋轉(zhuǎn)1/4轉(zhuǎn)時(shí)，在旋槳半徑R螺旋面上畫出螺旋線長度，Z是在T終點(diǎn)處的垂距；(2)確定C值的方法，檢測(cè)旋槳流速儀的內(nèi)摩阻力矩M，當(dāng)M值在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，采用平均C值。
2.一種檢定旋槳流速儀公式V＝Kn+C中水力螺距K值的幾何螺距測(cè)試設(shè)備，其特征是該設(shè)備組成包括N1、N2、N3、N4、N5、N6六個(gè)齒輪及相應(yīng)的傳動(dòng)軸、軸套、手搖柄、絲桿、絲桿螺母、底座，其結(jié)構(gòu)與位置關(guān)系是，N1和N3固定在同一根軸上，此軸右端裝有手搖柄，N4和N5固定在同一根軸上，N2固定的軸是一根絲桿，絲桿在絲桿螺母中，絲桿螺母固定在底座上，N2與N1嚙合，N4與N3嚙合，N6與N5嚙合，N1與N2的轉(zhuǎn)速比是6∶25，N3與N4的轉(zhuǎn)速比是4∶1，N5與N6的轉(zhuǎn)速比是5∶2，被測(cè)旋槳安裝在N6的軸上，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄時(shí)，六個(gè)齒輪組成的主機(jī)隨絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生前后平移，與N2固定在一起的絲桿螺距l(xiāng)的尺寸由被測(cè)旋槳的標(biāo)準(zhǔn)螺距Ho而定，即t＝(1/10)·(N2/N1)·Ho。
3.一種檢定旋槳流速儀檢定公式V＝Kn+C中儀器摩阻系數(shù)C值的摩阻力矩儀，其特征是應(yīng)用摩擦擺原理的摩阻力矩儀，由底座、擺針、蜂嗚器、齒輪付、同步電機(jī)、支架、擺針偏角刻度盤、電源開關(guān)組成，在擺針上距擺針轉(zhuǎn)動(dòng)中心L處有一擺錘負(fù)荷P，摩阻力矩儀處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，擺針尖豎直向下對(duì)準(zhǔn)零位，擺針偏角Φ＝0°，各部分結(jié)構(gòu)與位置關(guān)系是，支架、同步電機(jī)、擺針偏角刻度盤、電源開關(guān)固定在底座上適當(dāng)位置，齒輪付的主動(dòng)輪與同步電機(jī)軸固定在一起，檢測(cè)流速儀時(shí)蜂嗚器裝在流速儀身架上，擺針固定在流速儀外圈的轉(zhuǎn)動(dòng)套上。
全文摘要
一種旋槳流速儀的檢定方法及設(shè)備，用于確定通用型旋槳流速儀檢定公式V＝Kn+C中常數(shù)K、C值。確定K值的方法，第一步測(cè)得旋槳的幾何螺距特征量Z值，第二步將Z值代入K值計(jì)算公式求得K值。確定C值的方法，檢測(cè)旋槳流速儀的內(nèi)摩阻力矩M，當(dāng)M值在規(guī)定范圍，采用平均C值。旋槳幾何螺距測(cè)試設(shè)備組成包括六個(gè)齒輪及傳動(dòng)軸、軸套、底座等。摩阻力矩儀由底座、擺針、齒輪副、同步電機(jī)、擺針偏角刻度盤等組成。
文檔編號(hào)G01P5/02GK1100202SQ9311172
公開日1995年3月15日 申請(qǐng)日期1993年9月6日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月6日
發(fā)明者楊漢塘 申請(qǐng)人:水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所