一種具有溫控功能的水下壁面剪應(yīng)力傳感器標(biāo)定裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一種具有溫控功能的水下壁面剪應(yīng)力傳感器標(biāo)定裝置屬于水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn) 研究領(lǐng)域，具體涉及一種具有自動(dòng)溫度控制功能的水下壁面熱膜式剪應(yīng)力傳感器標(biāo)定裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 泥沙問題是河流海岸等水利工程建設(shè)中的重要問題之一，其運(yùn)動(dòng)輸移主要受制于 床面剪應(yīng)力大小，因此水下壁面剪應(yīng)力的有效測(cè)量對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)問題的機(jī)理研究具有重要意 義。對(duì)于水下壁面剪應(yīng)力一直缺乏有效可行的量測(cè)方法，目前常用的直接測(cè)量手段是通過 測(cè)量剪應(yīng)力板的位移來計(jì)算剪應(yīng)力大小，但其存在響應(yīng)速度以及測(cè)量精度的問題，同時(shí)其 工作方式易受水體正壓力的影響。80年代以來，微型熱膜式剪應(yīng)力傳感器在空氣動(dòng)力學(xué)研 究中得到了廣泛應(yīng)用并逐步成熟，隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，微型熱膜式剪應(yīng)力傳感器逐步 推廣應(yīng)用到水下剪應(yīng)力測(cè)量，為泥沙的基礎(chǔ)理論研究提供新的方式。
[0003] 在邊界層內(nèi)，當(dāng)水流沿著固體壁面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于粘滯作用，水流流速在壁 面處為零，在沿壁面的法線方向有很大的速度梯度。熱膜式剪應(yīng)力傳感器貼于壁面，通電以 后產(chǎn)生的熱量被水流的強(qiáng)制對(duì)流傳熱所平衡，反映為傳感器輸出電信號(hào)的變化，進(jìn)而可以 建立壁面剪應(yīng)力與電信號(hào)的關(guān)系。根據(jù)熱膜式剪應(yīng)力傳感器的工作原理，其輸出信號(hào)與流 體溫度有很強(qiáng)相關(guān)性，但是當(dāng)測(cè)點(diǎn)溫度與原有標(biāo)定溫度不同時(shí)，傳感器輸出信號(hào)會(huì)嚴(yán)重失 真。相對(duì)于空氣介質(zhì)，溫度對(duì)水介質(zhì)的普朗特?cái)?shù)、密度、動(dòng)力粘性系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)影響更為 嚴(yán)重，因此需要有一套對(duì)不同水溫條件下的熱膜式剪應(yīng)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定的方法和裝置。
[0004] 目前熱膜式剪應(yīng)力傳感器的標(biāo)定裝置主要針對(duì)在空氣介質(zhì)，專門用于水下的標(biāo)定 裝置較少，常見的有微型扁薄層流槽道、圓形層流管道和基于壓差法的扁平槽道。論文"柔 性熱膜剪應(yīng)力傳感器水下測(cè)量溫度修正"（實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2014年第28卷第2期）中采用 微型扁薄層流槽道對(duì)熱膜式剪應(yīng)力傳感器進(jìn)行溫度修正的研究，但是該裝置只限于在小流 量下層流狀態(tài)中的標(biāo)定，不能應(yīng)用于紊流狀態(tài)，而河流海岸中的泥沙問題常處于紊流狀態(tài) 中，論文也并未公布溫控裝置的結(jié)構(gòu)，其恒溫效果并不確定。論文"MEMS壁面剪應(yīng)力傳感器 列陣水下標(biāo)定試驗(yàn)研究"（實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2015年第29卷第2期）中采用基于壓差法的扁 平槽道對(duì)剪應(yīng)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，但是該裝置沒有溫控功能，無法確定水溫條件在熱膜式 剪應(yīng)力傳感器標(biāo)定中的影響，而且壓差法需要測(cè)量沿程的壓力損失，實(shí)際操作較為不便。
[0005] 現(xiàn)有熱膜式剪應(yīng)力傳感器標(biāo)定的方法和裝置不足在于：
[0006] 1、現(xiàn)有技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)基于溫度修正方法的紊流狀態(tài)下的標(biāo)定；
[0007] 2、現(xiàn)有技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)不同水溫條件下的標(biāo)定工作；
[0008] 3、由于懸移質(zhì)和電解質(zhì)對(duì)熱膜式剪應(yīng)力傳感器的影響未知，因此在現(xiàn)有技術(shù)中未 見將熱膜式剪應(yīng)力傳感器應(yīng)用在具有懸移質(zhì)或電解質(zhì)環(huán)境中測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于，提供一種能在紊流狀態(tài)以及不同水溫條件下對(duì)熱膜式剪應(yīng)力 傳感器進(jìn)行標(biāo)定的裝置和方法。
[0010] -種具有溫控功能的水下壁面剪應(yīng)力傳感器標(biāo)定裝置，該裝置包括：寬扁長直矩 形管道、固定安裝支架、水管、電磁流量計(jì)、三角量水堰、恒溫水箱、動(dòng)力水栗、摻混水栗、加 熱棒、溫度傳感器、溫度控制系統(tǒng)。
[0011] 其中寬扁長直矩形管道、水管、三角量水堰、恒溫水箱、動(dòng)力水栗、電磁流量計(jì)順次 連接，構(gòu)成水流通道；其中摻混水栗、加熱棒、溫度傳感器和溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成保證水體溫 度恒定的控制裝置；上述水管和寬扁長直矩形管道外壁和恒溫水箱外壁均包裹EPE珍珠棉 隔熱層。水體初始在恒溫水箱中，通過動(dòng)力水栗將恒溫水箱中的水體抽入水管中，經(jīng)過電磁 流量計(jì)流入到寬扁長直矩形管道中，再通過水管流入三角量水堰中，再經(jīng)過量水堰溢流到 恒溫水箱中；所述動(dòng)力水栗控制流量大小，水體在整個(gè)標(biāo)定裝置內(nèi)形成循環(huán)。
[0012] 上述的寬扁長直矩形管道內(nèi)壁光滑，寬高比大于7:1，長度不短于2. 5m，在寬扁長 直矩形管道的進(jìn)口和出口位置有過渡段，寬扁長直矩形管道通過過渡段與水管相連接，在 寬扁長直矩形管道的進(jìn)口過渡段下邊界下游1. 5~I. 8m處開有方形安裝窗口，安裝窗口為 邊長10~20cm的方形，安裝窗口設(shè)置對(duì)應(yīng)大小的安裝蓋板用于貼附需要標(biāo)定的熱膜式剪 應(yīng)力傳感器；安裝蓋板通過密封螺絲固定在寬扁長直矩形管道上，安裝蓋板內(nèi)壁與寬扁長 直矩形管道內(nèi)壁平齊；發(fā)明人數(shù)值模擬和多次試驗(yàn)測(cè)試，只有滿足以上要求時(shí)才能使寬扁 長直矩形管道內(nèi)水流的流動(dòng)在到達(dá)熱膜式剪應(yīng)力傳感器前充分發(fā)展。
[0013] 在紊流狀態(tài)下寬扁長直矩形管道的斷面流速分布滿足對(duì)數(shù)分布，發(fā)明人經(jīng)過反復(fù) 驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)在紊流斷面平均流速S不大于3m/ s且在相同寬扁長直矩形管道高度時(shí)，每一固定 水溫下可以得出一個(gè)紊流斷面平均流速《與摩阻流速W的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0. 99 以上。通過測(cè)得的流量可以計(jì)算出平均流速，再根據(jù)線性關(guān)系求出摩阻流速，進(jìn)而可以求得 壁面剪應(yīng)力大小。
[0014] 上述恒溫水箱容積不小于寬扁長直矩形管道容積的200倍。發(fā)明人反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā) 現(xiàn)，當(dāng)恒溫水箱容積小于上述比例時(shí)，在標(biāo)定過程中寬扁長直矩形管道和恒溫水箱內(nèi)的水 溫會(huì)有顯著波動(dòng)。
[0015] 上述三角量水堰為水工模型試驗(yàn)常用三角堰，其堰寬不大于35cm，堰長不大于 3m，三角量水堰溢流口距恒溫水箱內(nèi)液面的垂直高度小于0. 8m。試驗(yàn)中發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)堰寬 大于35cm，堰長大于3m時(shí)，由于量水堰本身的蒸發(fā)作用，造成恒溫控制難以實(shí)現(xiàn)。若溢流口 距恒溫水箱距離超過0. 8m則由于溢流過程中在空中發(fā)生破碎，會(huì)攜帶大量與設(shè)置溫度不 同的空氣進(jìn)入下游水體，造成水體恒溫不可控。
[0016] 上述加熱棒為紫銅管加熱棒，單個(gè)長度53cm，功率2000w，共計(jì)16根并列等間距布 置在恒溫水箱底部。上述溫度傳感器采用集成式溫度傳感器，測(cè)量值分辨率是〇.ore ;溫 度傳感器通過溫度傳感器導(dǎo)線連接至溫度控制系統(tǒng)；其中一個(gè)溫度傳感器布置在動(dòng)力水栗 入流口半徑0. 3m范圍內(nèi)，另一溫度傳感器布置在三角量水堰下游水平距離0. 2m范圍內(nèi)，深 度在含氣射流入水深度與恒溫水箱底面的一半位置，左右居中。
[0017] 上述溫度控制系統(tǒng)基于PID控制技術(shù)，由數(shù)據(jù)采集器、加熱控制器、工控機(jī)三部分 組成，溫度傳感器連接至數(shù)據(jù)采集器，溫度的電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入工控機(jī)， 工控機(jī)將設(shè)定的標(biāo)定溫度與當(dāng)前采集的溫度進(jìn)行對(duì)比進(jìn)而自動(dòng)設(shè)置相應(yīng)的加熱功率，并對(duì) 加熱控制器送出控制信號(hào)，加熱控制器根據(jù)工控機(jī)的指示對(duì)加熱棒的加熱功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0018] 上述的摻混水栗為軸流水栗，固定在恒溫水箱的中部，用來控制熱通量和質(zhì)量通 量的摻混。
[0019] 利用以上裝置進(jìn)行熱膜式剪應(yīng)力傳感器標(biāo)定時(shí)采用如下標(biāo)定步驟：
[0020] 標(biāo)定過程從低水溫往高水溫進(jìn)行，從大流量往小流量進(jìn)行。在標(biāo)定過程中寬扁長 直矩形管道內(nèi)雷諾數(shù)均大于2000。
[0021] 1、標(biāo)定準(zhǔn)備
[0022] la，確定水溫組次和流量組次；
[0023] lb，開啟摻混水栗攪拌恒溫水箱中的水體，開啟動(dòng)力水栗，先調(diào)節(jié)至大流量，讓水 體完全充滿寬扁長直矩形管道，保證寬扁長直矩形管道內(nèi)部沒有氣泡，整個(gè)裝置內(nèi)的水體 在標(biāo)定開始前需循環(huán)一段時(shí)間，等三角量水堰溢流穩(wěn)定以后即完成標(biāo)定裝置的初始狀態(tài)設(shè) 置。
[0024] 2、開始標(biāo)定
[0025] 2a，運(yùn)行溫度控制系統(tǒng)并設(shè)定當(dāng)前標(biāo)定流量組次的水溫條件；
[0026] 溫度控制系統(tǒng)在恒溫水箱水體實(shí)測(cè)溫度低于設(shè)定溫度3°C時(shí)，以IHz頻率連續(xù)監(jiān) 測(cè)恒溫水箱中水體溫度，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度低于設(shè)定溫度在1~：TC之間時(shí)，以2Hz頻率連續(xù)監(jiān)測(cè) 恒溫水箱中水體溫度，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度低于設(shè)定溫度1°C以內(nèi)時(shí)，以5Hz頻率連續(xù)監(jiān)測(cè)恒溫水箱 中水體溫度；溫度控制系統(tǒng)在實(shí)測(cè)溫度低于設(shè)定的標(biāo)定溫度時(shí)，自動(dòng)控制加熱棒進(jìn)行加熱； 溫度控制系統(tǒng)在實(shí)測(cè)溫度達(dá)到設(shè)定的標(biāo)定溫度時(shí)，自動(dòng)停止加熱棒加熱，溫度控制系統(tǒng)繼 續(xù)監(jiān)測(cè)水體溫度，如果溫度下降超過0. 1°C加熱棒就繼續(xù)加熱；
[0027] 2b，通過電磁流量計(jì)觀察流量大小，并通過調(diào)節(jié)動(dòng)力水栗來達(dá)到標(biāo)定所需的流量 條件，等待三角量水堰溢流穩(wěn)定；
[0028] 2c，待三角量水堰測(cè)得流量與所需流量條件差值小于等于1 %時(shí)停止調(diào)節(jié)動(dòng)力水 栗，待恒溫水箱內(nèi)水體實(shí)測(cè)水溫與設(shè)定溫度差值小于〇. 1°C時(shí)開始采集熱膜式剪應(yīng)力傳感 器的輸出電壓；
[0029] 2d、完成單一流量標(biāo)定；
[0030] 2e、降低至下一流量條件重復(fù)2b~2d直到完成該水溫條件下的全部流量標(biāo)定。
[0031] 3、提高至下一設(shè)定溫度重復(fù)步驟2,直至完成所有水溫條件下標(biāo)定。
[0032] 4、建立不同水溫條件下熱膜式剪應(yīng)力傳感器輸出的電壓值與壁面剪應(yīng)力大小的 關(guān)系，得到熱膜式剪應(yīng)力傳感器的校準(zhǔn)公式，完成熱膜式