转子式流速仪：水文现代化与新技术

转子式流速仪是水文测验中的常规测速仪器，使用广泛，历史悠久。我国在1943年仿制了美国普莱斯旋杯式流速仪，经过多年的使用和不断改进，于1961年定型为LS68型旋杯式流速仪。LS为流速（LIU SU）汉语拼音缩写，68为流速仪转子特征参数——水力螺距K（b）。在此基础上，又研制了LS78型旋杯式低流速仪和LS45型旋杯式浅水低流速仪。这三种仪器组成我国水文测验中的旋杯式系列流速仪，主要用于中、低流速测量。

为适应我国河流流速高、含沙量大，水草飘浮物多的水情，1956年仿制前苏联旋桨式流速仪，经改进后，定名为LS25—1型旋桨式流速仪；研制了适应高流速、高含沙量的流速仪——LS25—3型、LS20B型旋桨式流速仪；在此期间，为满足水利调查、农田灌溉、小型泵站、大型水电站的装机效率试验，以及环保污水监测的需要，研制了LS10型、LS1206型旋桨式流速仪。上述仪器为我国水文测验中的旋桨式流速仪系列。国产转子式流速仪简要性能见表2.4。

表2.4　国产转子式流速仪简要性能表

注 各类流速仪会有不同改进，打“*”的参数仅供参考。

2.3.1.1　转子式流速仪的工作原理、组成及类型

1.工作原理

转子式流速仪是根据水流对流速仪转子的动量传递而进行工作的。当水流流过流速仪转子时，水流直线运动能量产生转子转矩。此转矩克服转子的惯量、轴承等内摩阻，以及水流与转子之间相对运动引起的流体阻力等，使转子转动。从流体力学理论分析，上述各力作用下的运动机理十分复杂，而其综合作用结果使复杂程度深化，难以具体分析，但其作用结果却比较简单：即在一定的速度范围内，流速仪转子的转速与水流速度呈简单的近似线性关系。因此，国内外都应用传统的水槽实验方法，建立转子转速n与水流速度v之间的经验公式：

（按现标准规定，此公式改为v＝a＋bn）

式中：K、b为流速仪转子的水力螺距；C、a为常数；n为流速仪转子的转率。

尽管使用式（2.9）即可简单地计算出水流速度v，但并不意味着v和n间存在着数学上的线性关系。而仅说明在一定流速范围内（视流速仪不同而不同），n和v呈近似的线性关系，故该公式仅仅是一个经验公式。经验公式的推导可以利用流速仪检定试验得到一组n、v的实验点据，经数据处理，求得K（b）和C（a），从而求得该经验公式。当流速超出规定范围时，此经验公式不成立或误差很大。个别仪器如LS25—1型，需要扩大低速使用范围时也可给出低速的v～n曲线，通过n在曲线上查找相应的低速v。国外有些仪器提供2～3个直线公式，用在不同的速度范围。

转子流速仪测量准确度取决于三方面因素：①流速仪结构设计，特别是转子结构是否适应河流水流特性；②仪器的制造工艺和装配质量；③仪器检定质量。

显而易见，仪器检定成果误差将直接影响测量成果。仪器检定质量依赖于流速仪检定水槽检测设备的准确度、水槽体积、检定规程以及检定资料数据处理、工作人员的素质等因素。按有关标准，中高速流速仪检定公式直线部分的全线均方差都不大于±1.5%；低速流速仪检定公式直线部分的全线均方差都不大于±2%。有低速曲线部分的旋桨式流速仪，其低速实测点相对于v～n曲线的偏差不大于5%；旋杯式低速流速仪当流速小于0.03m/s时，绝对误差小于0.002m/s。

流速仪在正常使用情况下，检定成果稳定期为1年或累计工作达300小时；不使用或很少使用时稳定期可延长为2年。由于流速仪使用环境差别很大，按水文测验规范要求，流速仪经汛期使用后，一般应立即送检。

2.组成

转子式流速仪的组成部分分为：转子、旋转支承、发信、尾翼和机身（身架、轭架）等。各部分结构及其功能和技术要求如下：

（1）转子部分的功能是将水流运动能量转换为转动能量，即将水流直线运动转换为转子的圆周运动。转子分为旋桨和旋杯两大类，其技术要求如下：①转换效率高、转子的转动惯量小，响应速度快，并应考虑可测斜流分量；②起转速度低，高速旋转平稳，测速量程大；③转子呈流线型，对水流扰动和阻力小，不缠挂漂浮物；④抗冲击强度好，耐腐蚀及大气自然老化，形状稳定，长期不变形，使检定曲线稳定，测量成果重复性好。

（2）旋转支承部分的作用是支承转子作旋转运动。要求支承摩阻力矩小而稳定，并有足够强度能承受大负荷、高转速，以保证仪器低速性能好、量程大。此外，轴承材料应耐磨、耐腐蚀；轴承油室密封完善，能抵御河水侵入；仪器油粘温性能佳，不影响低温的测验准确度；支承结构简单，清洗、安装方便。

（3）发信部分的功能是将转子的旋转量转换为数字信息量，便于远距离传输和数据记录处理。技术要求是：变速齿轮传动和信号触点工作时阻力最小（或无），信号触点（接点）压力可方便（或无需）调整，触点（接点）工作寿命长，检修方便。常用触点方式为机械接触丝、干簧管方式，也有应用光电和霍尔器件的。

（4）尾翼部分的功能是起平衡作用，并使仪器在水中能与水流方向一致。技术要求是流线型好、水阻小、抗冲击、耐腐蚀、平衡力矩大，特别在低速测流时，能迅速、准确地对准水流方向。

（5）机身常称为身架或轭架，它是流速仪各部分的安装连接主体。同时具有安装、悬挂流速仪的功能，可将仪器安装、悬挂到预定测点上。其技术要求是；能方便、快捷、可靠地将仪器安装到位；能灵活地适应测船、水文缆道和涉水等测流设备的需要；低速测流的悬挂安装设备应轻巧、实用，悬挂部分应有足够强度、安全、可靠。

3.类型

转子式流速仪分为旋桨式流速仪和旋杯式流速仪两大类。

（1）旋桨式流速仪。旋桨式流速仪工作时，旋转轴呈水平状态，所以也称为水平轴式流速仪。它的感应部件是一个二叶或三叶的螺旋桨叶。螺旋桨叶的机械导程和它的K（b）值基本相等。支承系统都采用两个球轴承。信号产生机构多采用机械接触丝或干簧管，个别产品采用光电信号和霍尔元件。旋桨式流速仪是我国测速的主要仪器，可以在高流速、高含沙量、有水草等漂浮物的恶劣条件下应用。

（2）旋杯式流速仪。旋杯式流速仪工作时，旋转轴呈垂直状态，所以也称为垂直轴式流速仪。它的感应部件是一包括六个（或三个）锥形杯子的旋杯部件。支承系统都采用顶针顶窝结构和轴颈轴套结构。信号产生结构种类较多，有接触丝、干簧管、水（电）阻式、霍尔元件、光电等方式。旋杯式流速仪用于水流条件较好的中、低流速测验，使用、维护较方便。

2.3.1.2　新型转子式流速仪的发展

以下简单介绍LS25—3A型旋桨式流速仪、LS20B型旋桨式流速仪、LS1206B型旋桨式流速仪，以及转子式流速仪的信号产生机构。

图2.25　LS25—3A型旋桨式流速仪

1.新型转子式流速仪

（1）LS25—3A型旋桨式流速仪。LS25—3A型旋桨式流速仪的部分技术指标优于LS25—1型旋桨式流速仪。主要用于测定一般河流、渠道、水库、湖泊、水电站压力管道、溢洪道等高、中、低过水断面中预定测点的水流平均速度，以确定该断面的流量。LS25—3A型旋桨式流速仪外形如图2.25所示。

该仪器的特点是结构紧凑，转动灵活，测速范围扩大，防水防沙性能较好。

1）工作原理。LS25—3A型旋桨式流速仪的工作原理和一般旋桨式流速仪相同。流速仪的信号由机械接触丝和接触销接触产生，每20转产生一个信号。

2）技术指标。测速范围：0.04～10m/s；起转速度：vk≤0.036m/s；检定公式全线相对均方差：m≤±2%：m≤±1.5%；旋桨螺距：K＝250mm；旋桨的回转直径：120mm；每两次信号间旋桨的转数：N＝20转；适应含沙量：不低于50kg/m3；仪器工作水温：水温0～40℃；触点容量：电流≤300m A，电压≤4.5V（电感回路应加灭火花电路）；连续工作时间：8h；工作水深：0.16m≤H≤40m；临界速度：vk≤0.14m/s。

该流速仪的校准结果是：低流速部分（约0.04～0.14m/s）是一条v～n曲线，中、高流速部分（0.14m/s以上）为式（2.9）的计算公式。

3）仪器结构。从桨叶转动到接触丝的接触信号产生，其传动机构和LS25—1型旋桨流速仪基本相同。但该流速仪的旋转密封机构较好，旋转支承结构也较为合理，所以能适用于较高含沙量和较高流速的河流。

身架上只有一个接线柱，中部有一竖孔，用于悬桂和固定流速仪，后部装有十字尾翼。使用转轴和非固定安装时，可以水平和俯仰对准流向。但由于身架悬挂孔和安装方法的限制，该流速仪本身仍难以灵敏地迎合水流流向。

（2）LS20B型旋桨式流速仪。LS20B型旋桨式流速仪是一种大量程的江河水文测速仪器。可用于江、河、湖、渠道和水库等水体，进行各种高、中、低流速测量，也可用于电站压力管道和某些科学实验中，进行高流速和特高流速测量，LS20B型旋桨式流速仪外形如图2.26所示。

图2.26　LS20B型旋桨式流速仪

该流速仪结构合理，密封性能很好，可以用于高含沙量的高速水流测量。

1）工作原理。LS20B型旋桨式流速仪的工作原理和一般旋桨式流速仪相同，流速仪的信号用磁钢和干簧管产生，旋桨转一圈，干簧管产生两个接触信号，有的型号为一个接触信号。

2）技术指标。旋桨回转直径：ϕ120mm；旋桨水力螺距：200mm（理论）；仪器起转速度v0：0.045m/s；测速范围：0.05～10m/s；发信号元器件：磁钢—干簧管；每转发信号次数：2个信号、1个信号；检定公式全线相对均方差：＜1.5%；仪器工作水深：0.2～50m；工作水温：0～＋40℃；水中悬移质含沙量：≤50kg/m3；开关触点容量：电流≤50m A，电压≤6V。

该仪器的校准结果有两种情况：一种是在使用范围内用一个直线计算公式计算流速；另一种是低速部分用一条v～n曲线，其余部分用一个直线计算公式计算流速。

3）仪器结构。LS20B型旋桨式流速仪的结构如图2.27所示。

旋桨转动，带动旋转套部件转动。在旋转套部件后端装有对称的两块磁钢，旋桨每转一圈，两磁钢的磁极各经过一次水平安装的干簧管端部，使干簧管导通两次。干簧管的一端与流速仪绝缘，连接到身架上的接线插头。干簧管的另一端与流速仪身架相连，直接通过安装、悬挂流速仪的金属悬杆、悬索连到流速仪信号接收处理器。所以该流速仪只有一个信号接出插座。

图2.27　LS20B型旋桨式流速仪结构图

1—旋桨；2—旋桨轴；3—锁定螺钉；4—轴承垫圈；5—8系列球轴承；6—轴承套；7—定位套；8—轴承隔套；9—系列隔套；10—外挡圈；11—轴承油室密封装置；12—补偿垫圈；13—旋转套部件；14—磁钢；15—干簧管支部件；16—发信座部件；17—圆柱头螺钉；18—导电套；19—接触套；20—插头支部件；21—身架

身架中部有一垂直孔，孔径ϕ20mm，用以安装和悬挂流速仪。后部装有十字尾翼，使用转轴和非固定安装时，可以水平和俯仰对准流向。性能类似LS25—3A型。

改进后的LS20B型旋桨式流速仪，旋桨一转只产生一个信号，提高了发信可靠性。

与LS20B型同时成为产品的还有LS20A型旋桨式流速仪，主要差别是LS20A型的旋桨每转20转才产生一个信号，信号是由接触丝接触产生的。LS20A型很少使用。

（3）LS1206B型旋桨式流速仪。LS1206B型旋桨式流速仪供测定流水中预定测点的时均流速。适用于河流、管道、排灌渠道、水利调查和径流实验等，也可用于水电站效率实验测量压力管道流量。LS1206B型旋桨式流速仪外形如图2.28所示。本流速仪体积较小，适用于渠道、管道测速和携带应用。

图2.28　LS1206B型旋桨式流速仪

1）工作原理。工作原理和一般旋桨式流速仪相同，工作过程和LS20B型基本一致。但因体积小，流速仪中的干簧管、磁钢的安装方法不一样。

2）技术指标。旋桨回转直径：ϕ60mm；旋桨水力螺距：K＝120mm；仪器起转速度：v0≤0.06m/s；仪器测速范围：0.07～7m/s；仪器工作水深：0.1～1.2m（用专用测杆时）或0.1～20m（用悬索悬挂时）；检定公式全线相对均方差：m≤±1.2%；信号频率：每转两个信号；使用环境水温：0～35℃；仪器安装方式：明渠测流使用CG16—1型测杆，直径为ϕ16m；管道测流使用内撑式专用测杆。

该仪器的检定结果一般是只给出一个直线计算公式计算流速。

3）仪器结构。LS1206B型旋桨式流速仪的结构如图2.29所示。

磁钢安装在桨轴的末端，磁钢两磁极连线与桨轴轴线垂直。干簧管垂直封装在接线柱下部，穿过身架轴线。磁钢跟随桨轴转动，其磁极连线垂直于桨轴轴线转动。每转一圈，磁极连线两次与干簧管轴线平行，使干簧管导通两次。干簧管的一端通过与流速仪身架绝缘的接线拄接出，另一端与流速仪身架相连。

图2.29　LS1206B型旋桨式流速仪结构图

1—旋桨；2—桨轴；3—桨套；4—桨套垫圈；5—动套；6—外套；7—静套；8—定位套；9—密封垫圈；10—轴承垫圈；11—轴承内圈；12—仪器壳体；13—内隔套；14—外隔套；15—球轴承；16—压帽；17—并帽；18—磁钢；19—防水垫圈；20—磁钢盒；21—压帽；22—绝缘座；23—干簧管；24—身架；25—固定螺钉

图2.30　LS45型旋杯式浅水低流速仪

身架上有一竖孔用以安装、悬挂流速仪，孔径ϕ16mm。身架后部可以安装一单片垂直尾翼。该仪器多数用测杆固定安装测速，配有测杆。测杆是分节可拆卸的，带有方向标。

（4）LS45型旋杯式浅水低流速仪。LS45型旋杯式浅水低流速仪主要适用于浅水河流、灌溉渠道、径流实验站和水工实验室，供测量低流速使用。已有应用霍尔元件产生信号的LS45A型，基本结构和LS45型一致，只是用磁钢和霍尔元件产生信号，配用专用计数器。LS45型旋杯式浅水低流速仪外形如图2.30所示。

1）工作原理。该仪器工作原理和旋杯式流速仪一致。为了达到能测得低流速的灵敏度，采用了无任何阻力的水电阻信号发送方式。旋杯转一圈，产生一个信号。

2）技术指标。测速范围：0.015～0.5m/s；工作水深：0.05～1.0m；测量误差：均方差m≤±2%（流速为0.03～0.5m/s），绝对误差＜0.001m/s（流速为0.015～0.03m/s）；每两次信号间旋杯转数：1转；专用音响器电源：3V（1号电池两节）。

3）仪器结构。LS45型旋杯式浅水低流速仪结构如图2.31所示。

该仪器的旋杯部件是一整体工程塑料结构，有三个均布的旋杯。旋轴上下均采用钢质顶尖和刚玉顶窝构成支承系统，旋转极为灵敏。

LS45型仪器的发信机构采用水阻电桥式信号发生原理。发信机构由两对电阻组成电桥。这种发信机构最大的优点是输出信号无接触阻力，因而低速性能稳定，能测定很低的流速。仪器结构简单，体积小，携带方便。

使用时电极部分接线要牢固，水密性要好，电阻片要调整正确才能保证信号的产生。另外，信号传递必须使用导线。

LS45型的旋杯部件支承灵敏度高，发信机构阻力小，可以应用于0.5m/s以下的低速测量。该仪器的轭架只能用于专用测杆的固定安装，仪器只能用在固定安装状态下测量流速，没有任何自动迎合流向的功能。

图2.31　LS45型旋杯式浅水低流速仪结构图

1—旋杯；2—旋盘固定帽；3—下轴承支部件；4—螺帽；5—上轴承支部件；6—电极部件；7—电阻片；8—压线螺帽；9—固定螺丝；10—轭架支部件；11—顶针支部件；12—瓦型垫圈；13—刚玉轴承

2.转子式流速仪的信号产生机构

转子式流速仪的信号产生机构有机械接触丝方式、干簧管方式和其他方式。

（1）机械接触丝。应用齿轮、蜗杆减速原理使转子部件转动5圈、10圈、20圈后，接触丝才和接触触点接触一次。接触丝常采用导电性能较好，又比较有弹性的合金材料制造。这种信号接触方式简单、直观，易于调节，很容易排除故障，使用很方便。接触丝可以耐受较高电压，通过较大电流，适用于各种计数器。

机械接触触点没有任何保护，触点压力、相互位置常会发生变化，要经常调整。触点暴露在空气中，有时直接与水接触，腐蚀、污物都会影响接触电阻，也需经常维护。

机械接触丝的接触过程是一接触丝和触点的滑动过程，并且有一历时。在这一过程中，接触电阻会发生变化，有时还会发生瞬间的中断。这可能会使接触信号很不平滑，还有可能使一个信号中断为两个以上的信号脉冲。信号的这种中断很短暂，人工听音响计数时不会误判成两个或两个以上的信号数。但是，如果使用电子计数器，就会发生多记信号的现象。所有电子流速仪计数器都会设计一延时电路来解决此问题。

（2）干簧管、磁钢。这种信号产生方式是利用舌簧管和磁钢配合的方式，也常被称为磁敏开关。舌簧管分为湿簧管与干簧管两种，当接点需通过大电流时，舌簧管内应充满油，保护触点，此为湿簧管。水文仪器中应用的舌簧管，由于通过接点电流不大，故舌簧管内只充以氮气来保护触点，故称为干式舌簧管，简称干簧管。干簧管结构及与磁钢配合工作方式如图2.32所示。

图2.32　干簧管结构及与磁钢配合工作方式

干簧管由在一空心玻璃管内密封着一对导磁簧片（接点）组成。当外磁场足够大时（磁钢接近），簧片被磁化，接点处的两簧片端磁极正好相反，因而相互吸合，接点导能；外磁场撤去（磁钢远离），簧片磁性消失或减弱，簧片的弹性使接点分离，接点断开。为防止接点氧化，接触电阻增大或接点常粘，在簧片上要镀上铑等稀有金属。

干簧管可以用通电线圈产生的磁场来使它导通断开。水文仪器上一般使用永磁磁钢来吸合干簧管。常用的吸合方式有如下三种，如图2.32中的A方式、B方式、C方式。

A方式的磁钢N—S方向和干簧管轴线平行，且应位于干簧管的接点处。当磁钢靠近干簧管，激励磁场强度足够大时，干簧管簧片的磁感应极性将簧片吸合；磁钢远离干簧管，簧片磁性消失，接点弹开。安装时对磁钢的极性方向没有要求。

B方式的磁钢一极正对干簧管某一端。不论是沿轴线从远到近接近干簧管还是旋转接近到此位置，磁钢将使簧片感应出足够的磁性，使接点吸合。磁钢离去时，信号断开（LS20B型用此方式）。

C方式比较复杂，磁钢N—S极和干簧管平行并很接近。磁钢装在旋桨轴一端，在原地垂直干簧管轴线转动。当磁钢N—S极连线转动到与干簧管轴线平行时，和A方式相同，干簧管簧片被磁化，接点接通；当转动到两者轴线互相垂直时，接点处两簧片的对应点被磁化成相同极性，两簧片相斥，接点断开。这样，旋桨轴转一圈，干簧管导通两次，又断开两次，形成旋桨转一圈产生两个信号（LS1206B型用此方式）。

用干簧管作为信号接点的优点是接点密封、不易氧化、没有磨损、接触可靠、信号波形光滑，有利于信号接收处理。对于电子计数器尤为合适。但磁钢和干簧管的配合性能要求比较严格。磁钢的磁性能、稳定性、干簧管的疲劳、两者配合距离的变化都会影响到信号的可靠性。用干簧管和磁钢发送信号的流速仪，其信号频率都比较高。除了低流速仪外，其信号频率都只能用自动计数器记录，不能用人工计数。干簧管、磁钢产生信号的方式还被广泛用于翻斗式雨量计。相比之下，用接触丝产生信号的方式因其直观、易于维修而受一般使用者欢迎。

（3）其他方式。为了减少转子旋转阻力，采用电桥原理，或者利用磁钢对霍尔器件的感应（霍尔效应）产生电信号。这两种方式都没有或几乎不产生转子旋转阻力，但是都要用多根信号线接出信号，还要配用专用流速仪计数器。

2.3.1.3　转子式流速仪的安装和使用准备

1.安装

（1）安装要求。有以下4个方面要求：

1）符合定位（点）要求。在测速工作历时中，流速仪应该能稳定（固定安装）或较稳定地（悬挂）处在要求的位置。

2）应对准水流方向。除了特殊需要外，在测速时，转子式流速仪应该能对准流速方向。可以固定安装，人为对准水流方向。也可以悬挂或活动安装，使流速仪在水平和俯仰方向上可以自己转动，自动对准流向。这种转动可以依靠流速仪的尾翼作用，也可以依靠测流设备，如铅鱼尾翼的作用。对准流向的允许误差要在测验规范的要求之内。

测流速时，自然要求流速仪能对准流向，以能测到最大的真正流速值。但是，测流速常常是为了测流量，只需得到垂直于过水断面的流速值。这时，流速仪应该垂直于测流断面，测得垂直于测流断面的流速分量，只有固定安装才能达到此目的。实际测流中，大多数是用悬索、铅鱼悬挂流速仪，流速仪测到的不是垂直于测流断面的流速分量。流向不垂直于测流断面，偏差较大时，要加测流向。

3）符合信号传输要求。几乎所有的转子式流速仪产生的流速（计数）信号都由岸上的流速仪计数器接收，信号从水下传到水上有不同方式，但都要受一定限制。有的需要导线、有的要用专用水下信号发生装置、有的受一定的水深流速等水文条件限制，都会影响转子式流速仪的工作安装位置和安装方式。

4）安全要求。有时，高速水流的冲击会损坏流速仪的尾翼和转子部件。在仪器入水时，如果是横向下水或尾翼向着上游下水，更容易损坏尾翼部件。

流速仪应牢固地安装好，以防水流冲走流速仪。要保证流速仪不会碰到河底、河岸，以免损坏流速仪。要尽量防止水流中的漂浮物损坏流速仪。

（2）安装方式。转子式流速仪的安装有测杆和悬索悬挂两种方式，大部分旋桨式流速仪可以采用这两种安装方式。旋杯式流速仪轭架上的安装孔是扁形的，只能使用专用悬杆悬挂安装，没有专用测杆。LS45型旋杯式浅水低流速仪只能应用专用测杆安装。

1）测杆安装。适用于浅水河流、渠道，在涉水测流、桥测、船测时应用。一般由人工手扶测杆测速。测杆可以固定在水中某一基础支架上，流速仪将稳定地固定在某一位置工作。测杆也可能安装在一测流设施上，可以控制测杆升降，安装在此测杆上的流速仪可以稳定地停在需要测速的位置上。这种可以控制升降的测杆可以安装在专用测桥上、吊箱上、较小的缆道等多种测流装置上。

2）转轴悬索安装。适用于深水河道，较低流速的测量。水流较深，不能使用测杆，必须用铅鱼、悬索悬吊。流速不大，流速仪安装在转轴上可以减小流速仪的转动力矩，容易对准水流方向。这种安装方式可用于船测、缆道、桥测。所用铅鱼重量较轻。

3）悬杆悬索安装。适用于中速测量。流速仪安装在专用的悬杆上，悬杆的上、下端用绳钩分别与悬索和铅鱼相连。这种悬挂方式可以用于深水的中等流速。这种安装方法可用于船测、缆道、桥测。所用铅鱼重量一般不会超过100kg。

4）在测流铅鱼上的安装。在测流铅鱼的头部前上方固定有流速仪安装立柱，在此立柱上用专用接头部件安装流速仪。这种方法适用于高速测量，铅鱼可以很重，用悬索悬吊。由于在立柱上装卸方便，故应用广泛。

流速仪安装立柱也有可能在测流铅鱼的侧面，流速仪安装在专用接头上，可能可以在一定范围内水平、垂直转动，以对准流向。由于使用的铅鱼较重，尾翼也较大，测流铅鱼尾翼的自动对准水流作用是流速仪的主要的定向因素。所以，流速仪也可能完全固定在测流铅鱼的立柱上，和铅鱼的纵轴平行。

这种方式主要用于缆道、船测，所用的测流铅鱼可以重达几百公斤。

2.使用准备

（1）使用转子式流速仪所需的附属设施。包括以下设备设施：①安装流速仪的设备；②流速仪计数器；③流速仪信号传输设施。

（2）转子式流速仪的准备。应准确清洗、装配好流速仪，并加油，所用润滑油为8号仪表油（GB487）；调节旋转部件的旋转轴向间隙和检查旋转灵敏度以及检查流速仪信号等。

1）旋转轴向间隙调整。一般来讲，旋杯式流速仪的轴向间隙可以在野外凭个人经验手感估计随时调整，使用前要调到最佳值。只要转动灵敏，旋杯式流速仪的轴向间隙可以尽量小一些。但要避免调整中出现“顶死”现象，以免损坏支承系统。旋桨式流速仪身架前部的缝隙宽度是固定的，不能在野外现场调整，使用前只作目测检查。还要用两手分别拿住旋桨和身架，检查旋桨轴的前后窜动量。(www.xing528.com)

2）转子的旋转灵敏度检查。转子式流速仪在工作以前必须检查其旋转灵敏度，检查方法分为经验法（吹气法）、旋转试验法、阻力矩测量法三种。

a.经验法（吹气法）检查。手持流速仪，使仪器处于正常工作状态。用嘴对准旋桨桨叶某一固定处，或旋杯的某一杯口，稳定均匀地吹气，使旋桨式旋杯缓慢地转动。根据吹气量的大小和转子转动状况，凭工作经验来判断流速仪的灵敏度。完整的吹气检查应该检查产生信号时的旋转灵敏度，这时的灵敏度要差一些，但不应很明显。这种检查方法简易方便，是流速仪使用时普遍应用的方法。虽然定量的准确性较差，但在应用中，这是判断流速仪灵敏度的最主要、甚至是唯一的方法。

b.旋转试验法检查。国际标准ISO 2537《转子式流速仪》规定并推荐使用这一方法。其方法是：将流速仪置放于正常工作状态，转子不受气流影响。用手平稳而迅速地转动转子，使转子尽可能快地转动。然后测量转子到完全停下所需的时间T，同时观察转子的转慢和停下过程是否平稳，测得的T应大于要求的最小旋转时间。该方法多应用于旋杯式流速仪。LS68型旋杯式流速仪可以用这种方法。而旋杯式低流速仪的轴承系统容易损坏，不能快速旋转，不能用这种方法试验。

c.阻力矩测量法检查。此方法比较适用于旋桨式流速仪，可以用各种力矩测量方法测试旋桨的旋转阻力矩。阻力矩的直接测量可以定量检测流速仪灵敏度，一般应用于仪器修理部门，水文工作人员应用得很少。

3）流速仪的信号检查。流速仪下水前要检查其信号的产生是否正常。

3.转子式流速仪应用

（1）测量点流速。应用转子式流速仪的目的是测到流速仪所在点的水流平均流速，如在100s、50s、30s内计测这一历时内的流速仪信号数，计算出这一点的平均流速。

（2）测量线平均流速。旋桨式流速仪只感应平行于旋桨轴线的水流速度，不感应垂直于旋桨轴线的横向流速分量。如果流速仪质量较好，横向流速分量又不是很大的话，可以确认旋桨式流速仪测得的流速就是正对流速仪的流速分量。这种特性可以用来测量某一垂线或某一水层的平均流速，也常被称为积深法、积宽法测速。

（3）长期自动测量流速。有一些转子式流速仪的防水防沙性能特别优越，可以较长时期地在水中连续工作，它们就可以固定在水中，长期自动测量流速，期限可以长达一个月。

2.3.1.4　转子式流速仪的特点

转子式流速仪是最常用的流速测量仪器，具有以下明显的优点：

（1）结构简单，容易掌握。转子式流速仪基本上是一机械结构的仪器，结构比较简单，使用也很方便。

（2）流速测量准确、性能可靠。经长期实践，制造技术和质量早已成熟。在流速仪出厂前，又进行了严格的检定（校准），保证了流速测量准确性得到控制。转子式流速仪应用机械原理测速，流速仪的机械性状稳定，保证了测速稳定性。所以，转子式流速仪被认为是在天然水流中测量流速的最标准仪器。所有新的流速测量仪器都可以通过与转子式流速仪进行比测来判断新仪器的流速测量准确性。

（3）种类齐全、适用范围广。长期应用、发展的结果，使转子式流速仪可以应用于高、中、低流速，可以用于较高含沙量的水流，可以用各种方法安装。它可以用简单的人工计数方法测速，也可以用流速仪计数器自动测记流速。因此，几乎可以应用于所有流速测量场合。

转子式流速仪也有以下局限性：不能适应流速自动测量的需要；受安装和悬挂设备限制，影响其使用范围。

2.3.1.5　转子式流速仪的检定（校准）

转子式流速仪都应用式（2.9）计算流速v。每架转子式流速仪都配有某一流速范围内的计算公式，也可能配有低速v～n曲线，也可能给出v～n查找表。流速仪制造完成后都要进行检定（校准），得到a、b值、v～n曲线或v～n查找表。

检定（校准）一般在长水槽中进行，以前国内习惯称为“检定”。在计量部门，法定授权部门对法定计量器具的计量检测才能称为“检定”。目前，转子式流速仪在长水槽中的检测应称为“校准”。所以这里用“检定（校准）”这个名词。

1.转子式流速仪检定（校准）的基本原理

转子式流速仪是基于点流速与转子转速之间的关系来工作的。而实际使用中，水流与仪器相互作用的动力学非常复杂，流速和转子转速之间的关系，难以用严格的理论推导确定，因此只能用实验的方法来建立。给定相对于流速仪的各种水流速度vi，测出流速仪对应的转子转速ni，从若干组（ni，vi）数据中，用方程式或图表建立起它们的相关关系，即为转子式流速仪的检定结果。通常检定流速仪有两种方式：一种是动水槽法，将被检流速仪置于已知流速的恒流水槽中，测出不同流速下流速仪转子转率，得出v～n关系；另一种是静水槽法，在横断面均匀一致的直线静水槽中，以各种稳定速度牵引流速仪，测出牵引速度及转子转率，进而确定v～n关系。前者由于需很大投资才能获得可精确控制流速的水流而较少采用，后者简单易行而且精度更高，因而得到世界各国的普遍采用，对此方法建立了国际标准ISO 3455，我国建立了行业标准SL/T 150。所以通常讲检定流速仪就是指静水槽法检定。一般来讲，每架仪器特性必须经流速仪检定水槽检定，给出v～n关系，以便测流时使用。以后每隔1～2年或仪器工作异常修理后都应重新检定，确定其性能。

2.流速仪检定（校准）水槽

这里的检定（校准）水槽指的是直线静水槽。截至2006年底，我国共有9座流速仪专用检定水槽。

图2.33是流速仪检定（校准）水槽，图中可见直线静水槽体、牵引流速仪的检定车和操作控制部分。

图2.33　流速仪检定（校准）水槽

（1）流速仪检定（校准）水槽的组成。整套检定设备通常由下列几部分组成：①横断面均匀一致的静水槽体及给排水设备；②沿水槽长度方向平直的轨道；③牵引流速仪的检定车（包括控制、信号接收处理部分）；④操作控制部分。

（2）检定水槽槽体。检定水槽槽体为横截面呈矩形的长水槽，其槽体设计尺寸的大小，应根据检定仪器的类型、同时检定仪器的数量和最大检定速度等来确定。

检定车运行一个行程包括加速、稳速、匀速和减速四个阶段，其中匀速阶段为仪器检定阶段，该阶段的最短长度由被检流速仪型号、信号频率及检定方法来决定。这四个阶段在水槽上的行程构成了加速段、稳速段、检定段和制动段，各部分长度在最高车速时达到最大值，覆盖整个水槽长度。出于安全考虑，水槽两端必须留有安全段，所有这些因素决定了水槽的总长。

水槽水深由最高检定速度决定，可由下式估算：

式中：vc为临界速度，m/s；g为重力加速度，9.8m/s2；d为水深，m。

水深的确定要使得最高检定速度小于临界速度。

槽体的宽度也应根据最高检定速度来确定。仪器之间及仪器与槽壁之间距离过小，都会对检定成果产生影响。水槽宽度由下列经验公式估算：

式中：B为检定水槽宽度，m；d为水深，m。

（3）轨道。轨道位于水槽两侧的承轨台上，是检定车的导向件和支承件。轨道有严格的平直、平行要求。

（4）检定车。检定车由置于车上的电机驱动，车速控制灵活，车速稳定性好。检定车主要由主驱动系统、移动供电装置、流速仪悬挂及转向装置、车架、电气传动及测控系统、数据处理及检定资料整理部分、安全保护系统几部分组成。

（5）操作控制部分。一部分水槽的操作在检定车上进行，人员需要上车操作和处理检测结果。后期改造的水槽可以不需要人员上车操作，在车下设有控制室，室内有计算机、通信设备等控制部分。如需要也可以在车上进行全部操作。

操作控制系统由两大部分组成，一部分在检定车上，另一部分在车下控制室，这两部分通过水槽内侧滑线进行通信。车上部分主要由变频器、同步电机、车上控制机、车速/测量单元、流速仪信号采集单元、仪器自动转向单元、减速器自动换挡单元等组成。车下部分由车下控制机、通信接口及绘图仪等组成。

3.转子式流速仪的检定（校准）

检定（校准）按《直线明槽中转子式流速仪的检定方法》标准进行。

（1）检测数据的测量。检定转子式流速仪时，需要同时测定下列3个数据：①检定车行驶的距离；②流速仪转子的转数；③相应的历时。

这3个数据应基本同步测量，由距离和时间可以计算检定车车速v，由流速仪转子的转数和时间可以计算流速仪的转子的转率n；这3个数据的准确度要求都是0.1%，置信水平为95%。

（2）检定程序。包括流速仪的安装、检定方式、检测数据处理、检定（校准）结果的准确度和检定（校准）结果。

1）流速仪的安装。流速仪固定安装在测杆上，与水槽纵轴线平行。接好流速仪信号线。

2）检定方式。按照水槽可以同时检定的流速仪架数，低速时可以同时检定一组仪器，中、高速时要单架单独检定。按检定的速度范围不同，检定速度点在10～20个之间。使用范围上限为3.5～5m/s的流速仪，直线部分要有14～16个检定点。曲线部分的检定点不应少于5个。低速部分的检定点应该密一些，高速部分可以分布松一些。

3）检测数据处理。检测后，得到各速度点的一组vi、ni数据。经数据处理后得到的主要结果是每架流速仪的v～n关系。主要有直线方程、v～n曲线和检定数表等形式：

a.直线方程。大部分流速仪的检定（校准）结果是给出一直线方程[式（2.9）]，用于流速仪全部测速范围内的流速计算。有的流速仪在低速部分会另外给出一低速v～n曲线，也有个别流速仪会提供两个直线方程，分别用于不同流速范围。

b.v～n曲线。部分旋桨式流速仪的低速部分线性较差，不能用直线方程来计算，只能按实测vi、ni数据点绘v～n曲线。随着计算机的普及，也可以用数学拟合方法根据实测低速vi、ni数据建立曲线计算公式。

c.检定数表。根据流速仪可能的转子转数，在可能的测速历时范围内按测速实际历时分级，将相应的v、n数值列成表格。这种方法适用于流速仪信号频率低（5转、10转、20转一个信号）的常规流速仪。

4）检定（校准）结果的准确度。包括低速部分和直线部分两部分：

a.低速部分。标准规定，低速部分的准确度用实测点相对于拟合曲线的相对误差表示。低速曲线部分各测点的相对误差不应超过±5%。当流速小于0.03m/s时，也可以用绝对误差表示。

b.直线部分。有些流速仪在整个使用范围内都是直线公式，有的只在中、高速使用范围内才是直线公式。直线部分的准确度用实测（vi、ni）点与其理论拟合直线之间的偏差作为其准确度的衡量。用各速度级平均相对误差或全线相对均方差（相对标准差）表示。

速度级平均相对误差的计算，首先计算每一测点的相对误差δ：

式中：v、vi分别为i点上的流速计算值和实测值。

然后，将流速仪检定速度按高中低分为四级，分别计算每一速度级内所有测点的相对误差δ的平均值。此平均值不应超过标准和流速仪本身要求。

全线相对均方差（相对标准偏差）m用下式计算：

m应符合标准和流速仪本身技术要求。

2006年前，我国的流速仪基本上使用全线相对均方差m表达检定误差，用各速度级平均相对误差表示检定误差的方法正在推行之中。国际标准要求使用该方法，我国的有关标准也正在要求这样做。用全线相对均方差m表示的方法有一定的直观性，也已被大家接受。但是从数学和误差表示方法上讲，这种表达方法不科学。首先，全线相对均方差这一名称不能从数学和误差定义上进行解释，也没有这一专用误差名词，只是对应了这一特定计算方法。另外，m值也很难与某速度段、某一测速点的实际可能误差联系起来。

5）检定（校准）结果。转子式流速仪应该由获得相应资质证书的机构进行检定（校准），并出具相应的检定（校准）证书。

2.3.1.6　转子式流速仪的定期检定（校准）、比测和检查维护

1.定期检定（校准）

转子式流速仪应该在使用一年后在检定水槽进行重新检定。对于使用很少的流速仪，可以两年进行一次重新检定。如果在一年内使用满300小时，也必须进行重新检定。在使用中，如果发生较大的超范围使用和使用后发现仪器有影响测速准确度的问题，也希望能保持原状，进行一次重新检定。

2.定期比测

在正常使用中，要定期与备用流速仪进行实地比测，比测方法按水文测验规范进行。

3.检查维护

不经常使用的流速仪，要定期检查仪器是否正常。较长时间不用时，要进行清洗、加油。流速仪应存放在干燥通风的环境中。

2.3.1.7　转子式流速仪计数器

专用的流速仪计数器用有线和使用水下直流电源的“无线”信号传输方式。船用和缆道测流控制台中的流速测记装置可能应用交流水下信号源传输流速仪信号。

人工测速中可以使用包括电铃在内的音响、灯光计数器、计时计数器，自动化程度高的是流速测算仪。

1.音响、灯光计数器

音响、灯光计数器使用方便、可靠，配用停表构成最简单的测速计时计数器，使用了很长时间，目前仍是很主要的流速仪计数方法。

2.流速仪计数器

（1）流速仪计数器的工作原理和结构。

1）工作原理。流速仪计数器是一个信号计数器，记录输入信号数。因信号传输方式不同，输入信号可能是开关量、直流脉冲、不同交流脉冲信号。流速仪计数器同时测记时间，并用测量的信号控制计时的开始和结束，或用计时来控制计数的开始和结束。还可能由测得的流速仪信号计算出流速，甚至流量。这些数据不仅能显示，还可能有相应的存储功能。

2）结构。流速仪计数器由机壳、电源、输入电路、单片机系统、显示输出、键盘等组成。①机壳：流速仪计数器工作环境恶劣，机壳要有一定强度，有较高的防水密封要求。②电源：采用干电池供电。③输入电路：通过输入电路接入流速仪信号。必须能配用相应的信号传输方式和规定类型的流速仪，输入电路还应包括对流速仪信号的延时电路，以适应流速仪触点接触信号的“抖动”。这种延时可以用硬件电路和软件来实现。④单片机系统：这是计数器的核心部件，采集输入信号、控制测速、处理计算数据、接受键盘输入控制、控制显示等输出。⑤显示输出：显示器显示各输入参数和测得值，有些计数器有记录量的输出接口。⑥键盘：输入测速所需各种参数，启动、停止计数器工作。

（2）流速仪计数器技术要求。水利部标准SL 340—2006《流速流量记录仪》规定了流速、流量仪器记录仪产品的技术要求。此标准主要是用于转子式流速仪计数器的，不适用于简单的流速仪音响、灯光计数器。也不适用于大部分流量仪器的记录仪。但此标准全面规定了作为转子式流速仪的自动计数器的技术要求。

流速仪计数器技术要求。①工作环境温度：－10～＋50℃，工作环境湿度：＋40℃时，不大于95%RH。②外壳防护等级：优于IP44。③测速范围和计数频率要求：记录仪应适用于下述流速仪的测速范围：旋杯式流速仪：0.015～4.000m/s；旋桨式流速仪：0.030～15.000m/s。常用流速仪的信号频率范围可以在0.01～100次/s之间变化。记录仪应根据产品适用的流速仪确定计数频率要求。④计时分辨力0.1s，测速历时至少应具有30s、60s、100s及任意时间档。计时误差不大于0.1s。计时计数时，计数误差为零。定时计数时，计数误差不大于±1。⑤记录仪应具有适用于一种或多种流速仪的信号接收延时和灵敏度调节功能。延时和灵敏度调节可以是手动的，也可以是自动的。⑥记录仪应能设置、显示、存储流速仪的技术参数；应能显示测速历时、流速仪信号数和测点流速等。对直接用于流量测量的记录仪，其技术参数的设置和测流断面的流量计算应满足GB 50179—1993的要求。⑦记录仪应具有计时和流速仪信号计数测量功能，可包括计时计数功能和定时计数功能。⑧测量过程中和测量结束时，记录仪均应具有流速仪信号声或声光提示的功能，并可随时退出测量。⑨记录仪宜能适用于以水体和流速仪悬索构成流速仪信号回路的“无线”测流方式。使用这种信号传输方式时，均配用水下信号发生器，产生直流信号或交流振荡信号。记录仪应能适用于其中一部分或全部信号方式。⑩记录仪应选用直流电源。电源容量至少应满足连续工作24小时的要求。记录仪与流速仪直接有线连接工作时，通过流速仪触点电流应不大于50m A。使用交流信号“无线”测流方式时，输入灵敏度应优于20m V。

（3）通用流速仪计数器。包括XZ—2型通用智能流速仪计数器和LJX—1型水文流速测算仪两种。

1）XZ—2型通用智能流速仪计数器：XZ—2型通用智能流速仪计数器的外形如图2.34所示，它是以CMOS单片机为核心的通用流速仪计数器，可用于有线或“无线”信号传输时接收转子式流速仪信号，作流速测量显示用，则可以用于各种流量测验场合。

图2.34　XZ—2型通用智能流速仪计数器外形图

本仪器主要特点是采用全密封结构，其输入能适应干簧管或接触丝两种型式，有智能化的测控、运算等功能，还能直接显示出小型泵站（或管道）一点法施测的断面流量。本仪器的主要技术指标、工作原理与结构如下：

a.主要技术指标。最大计数频率：100Hz/s（干簧管式流速仪）或2Hz/s（接触丝式流速仪）；显示方式：5位LED字符显示，其中1位符号，4位数值；键盘输入：2×8阵列薄膜开关，10位数字键，6位功能符号键；预置测速历时档：20s、60s、100s、任意时间档；“无线”方式信号接收灵敏度：直流脉冲＜100m V；信号输入：有线方式两根，无线方式（使用衰减盒）两根；环境使用温度：－5～45℃；电源：四节5号电池（6V），工作电流＜20m A；外形尺寸：168mm×103mm×41mm；仪器重量：包括4节5号碱性电池，共重445g。

b.工作原理与结构。本仪器采用低功耗的CMOS单片机系统，采集流速仪输入信号，经运算后显示有关流速或流量数据。显示采用6位笔段型LCD模块6N17BF（实际使用5位，第二位没用），输入采用薄膜开关构成的串行键盘输入电路，结合信号输入电路、Q/V转换、硬件延时、软件延时开关以及音响器等共同组成。对应用“无线”缆道测量的场合需要配用无线缆道用的衰减盒，内含插头、压电喇叭、开关、信号衰减器等。

为克服温度、湿度对仪器性能的影响，并考虑到工作环境的恶劣性，本仪器采用全密封结构。

2）LJX—1型水文流速测算仪。LJX—1型水文流速测算仪是一种简单的便携式流速流量测量仪器，可以配用各种转子式流速仪，可进行中小渠道流速和流量的测量计算，并自动显示流速流量。LJX—1型水文流速测算仪只能用于有线传输流速仪信号。本仪器的技术性能和测量原理如下：

a.技术性能。测速公式：v＝KN/T＋C（m/s）（自动计算）；测速范围：0.06～7.00m/s；明渠流量计算公式：Qm＝Sv（m3/s）；测量方式：测杆定位测量，亦可缆绳悬挂定位测量，有线传输，计时计数；延时性能：分档设置；显示屏：2×16位液晶显示；温度范围：－10～45℃；电源：DC6V（四节5号电池）。

b.测量原理。测流速时，由转子式流速仪流速计算式（2.9）计算流速。

在用于小渠道、管道的流量测量时，只要测出能代表平均流速的点流速，即可用Q＝v A（A为断面面积）计算流量。

（4）流速仪计数器的应用。包括简易型的音响、灯光计数器和自动计数器两类，此处着重介绍自动计数器，包括设置、安装和使用三部分内容。

1）设置包括以下内容：打开电源后进行工作方式设置、工作历时设置、流速仪参数设置、信号线连接方法选择和延时功能选择。

a.工作方式设置。计时计数，定时计数，或者人工控制测速工作的开始和结束。

b.工作历时设置。不管是计时计数还是定时计数工作方式，都要设置测速时间，常用30s、60s、100s、200s。有的计数器可以设定任意时间。

c.流速仪参数设置。大部分计数器可以根据所用流速仪的流速计算公式直接显示流速，测速前要输入所用流速仪型号，计算公式的参数值。如果计数器内已储存有经常配用的流速仪号码和a、b值，则只要选定某一号码的流速仪即可。

d.信号线连接方法选择。有的计数器同时具有有线和“无线”传输信号的功能，需要根据当时所用方法选定。

e.延时功能选择。用于接触丝接触信号流速仪的计数器必须有延时功能，大部分计数器的延时功能需要人工设定。延时时间可能是分档设定的，也可能是可以人工任意调设的。要使延时时间大于可能的信号（导通）长度，正在发展自适应延时计数器，能根据收到的流速仪信号自动确定延时时间。

2）安装。①水下部分的安装，在安装流速仪时同时进行。②导线的连接。使用“无线”测流方式时，要按要求连接好流速仪、水下信号源、铅鱼、悬索之间的连线；悬索钢丝绳与计数器的连线；岸边水下极板引出导线与计数器的连接。

有些自动计数器只能用于有线测流，也要用两根导线连接流速仪和计数器。水下没有其他连接。

3）使用。流速仪到达预定测点后，用计数器上的测速开关启动测速，计数器即自动工作。一般都应用计时计数工作方式，结束后，计数器会显示所测得的流速仪转子转数n、测速历时t，还可能显示出由已输入的流速仪流速计算公式计算得到的流速v。人工记录下所显示的数据。复位后，开始下一测点的测速。

功能较强的计数器还会对测得的结果进行合理性判别，提醒使用者注意。测得的数据也可以编号后存储在计数器中。

缆道控制台中的流速仪信号接收系统如果与计算机相连，其功能已大大超过一般计数器的范围。

（5）流速仪计数器的特点。包括电铃计数器、半导体音响器和自动计数器等三方面内容。

1）电铃计数器。电铃计数器价格低廉、使用方便、很易维修，但只能用于有线测流，不能应用于干簧管触点的流速仪。

2）半导体音响器。半导体音响器工作电流小，不产生感应电压，不会影响流速仪触点，可以用于同期出现的用干簧管产生信号的低流速仪，也可以用于接触丝产生信号的流速仪。

3）自动计数器。“无线”测流的要求和半导体电子技术的发展使自动计数器逐步成熟。现有产品已经基本做到了自动测速，在缆道控制台中应用的流速仪计数器已经达到了自动测流的所有功能。但自动计数器比较复杂，使用难度大，目前仍在推广中。

（6）流速仪计数器的检查维护。包括水上部分、水下信号发生部分和信号传输条件的检查维护。

1）水上部分的检查维护。经常检查其功能是否正常，是维护的主要工作。如果有内装干电池，较长时期不用时要将干电池取出。

2）水下信号发生部分的检查维护。水下信号发生部分的水密特性是保证其正常工作的主要条件，要经常检查其外壳，导线引出引入部分的水密性能。水下信号源要在水下数十米深处工作，有具体的耐压要求。有时需要置于相应水深处进行耐压性能检查。对其功能检查应该置于实际测流的水流中进行。

3）信号传输条件的检查维护。应用“无线”测流方式时，要检查缆道接地情况、测流铅鱼与主索的绝缘性能、水下极板及导线。如有多种测流条件，可检测“无线”传回信号的强度，以检查“无线”传输信号的效率，并采取对策。如有可能，要定期检查对传输信号的干扰情况，干扰严重时要寻找和排除干扰源。