转子式流速仪精简检定方法研究_李晓璐.pdf

科 技 创 新科 技 创 新转子式流速仪精简检定方法研究转子式流速仪精简检定方法研究李晓璐胡跃华收稿日期：2023-07-10作者简介：李晓璐，女，汉族，河北省水文勘测研究中心，工程师。胡跃华，男，汉族，河北省水文勘测研究中心，工程师。摘要当前转子式流速仪检定测点多、检定过程冗杂，因此寻求简化转子式流速仪的检定方法来提高检定工作效率、满足检定需求是十分紧迫和必要的。现主要介绍转子式流速仪精简检定方法研究，并得出结论及建议。关键词转子式流速仪；精简检定；“三点法”转子式流速仪因其结构简单、可靠性高、价格低廉、适于水质环境复杂的河流，备受水文工作者的青睐，而被广泛应用于明渠河道流速的测定计算中；但转子式流速仪使用频繁且应用环境较为恶劣，为保障测量误差满足测量要求，转子式流速仪需定期被送到水文仪器计量检定部门进行检定/校准，合格后方能继续使用。1.研究目的及意义依据 直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法（GB/T 21699-2008）标准规定，拟合流速仪直线公式需要的测点数一般共计 1216个。当前转子式流速仪检定测点多、检定过程冗杂，若遇到因检定不合格需多次维修重新检定的情况，检定效率更会降低，因此寻求简化转子式流速仪的检定方法来提高检定工作效率、满足检定需求是十分紧迫和必要的。2.研究内容及技术路线依据 直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法（GB/T 21699-2008）标准规定，在全部测速适用范围内，用一个直线方程作为检定/校准结果。华北水文仪器检测中心经过研究，探索性地提出是否能够采用较少的检定测点数，拟合出满足流速仪性能参数的直线方程，同时使测验精度达到规范要求，进而极大提高流速仪检定效率。研究技术路线：一是标准流速仪用于标准检定水槽及各检定水槽之间的相互比对，因不用于其他用途，具备仪器工艺稳定、工装完善、质量可靠的特点。华北水文仪器检测中心采用旋桨式（LS25-1型）标准流速仪为典型样本对检定/校准资料进行分析计算，得出最优精简的点数。二是精简检定结论由旋桨式流速仪（LS25-1型）推广到旋杯式流速仪（LS68 型），并进行分析验证。三是对同一架流速仪在不同时间、不同水槽中的检定结果进行精简和未精简的参数对比，分析精简后参数计算的可靠性。接下来主要从选取确定精简后的检测点数、精简后不同方法比较、验证最优方法的推广性等 3方面进行研究。2.1选取精简检测点数采用枚举法进行点数精简。针对精简为哪几个点，首先为较大程度上解决相邻点位数据相关性大所造成的拟合普遍性低的问题，采用按照速度级别同时分别精简的方式，将所有待精简的数据按速度高低分成 3个级别;其次，考虑到“一点法”和“两点法”在确定直线过程中必然会出现拟合问题，导致直线并不能准确代表测点的实际趋势，故将最低精简数量考虑为 3个;最后，考虑到原始检定测点数普遍为 14 个左右，且各速度级测点数较为平均，为 45个，故精简至各速度级的测点数也平均分配，按照每个速度级取小于 4 个点的 3个、2个和 1个逐级进行精简分析，使测点各速度级代表性一致，不会产生直线方程偏向某一速度级的问题。2.2“九点法”“六点法”和“三点法”综合比较“九点法”“六点法”和“三点法”意即精简后的点数为 9 个、6 个和 3 个，即流速仪一次检定结果在每个速度级取3个、2个和 1个，即可由 1216个计算点精简为最终目标 9 个、6 个和 3 个。将各种取点方式在各个速度级进行全排列后，“九点法”取点组合共 320 组，“六点法”取点组合共 540组，“三点法”取点组合共 96 组。最后，对取点进行最小二乘法拟合出相应数量直线方程的参数 a、b，并分别计算这些 a、b 值所产生的全线相对均方差 m值。其中检定公式为：v=a+bn（1）式中：v流速；a仪器常数；b水力螺距；n转子转率（转子总转数 N 与相应测速历时 T之比，即 n=N/T）。此公式同样为转子式流速仪应用中的现实流速计算公式。用检定点（vi，ni）拟合检定公式时，要采用最小二乘法计算 a、b值，即（2）（3）式中：44科 技 创 新科 技 创 新N计算点数。全线相对均方差用 m表示，计算公式如下：（4）式中：v流速仪实测转率 n 代入检定公式“v=a+bn”计算的速度；vi流速仪检定车车速；N计算点数。选择型号为 LS25-1 型，仪器编号为“730714”检定过的一组合格数据进行数据分析。通过“三点法”计算出的水力螺距 b最大值为 0.259，最小值为 0.251，均符合 JJG(水利)001-2009 转子式流速仪检 定 规 程要 求。仪 器 常 数 a 介 于0.0040.010之间的有 67组，占所有数据的 70%。全线相对均方差 m 最大值为 3.49%，最 小 值 为 1.04%，其 中 介于1.5%之间的有 81组，占比 84%。其中仪器常数 a符合要求的数组，全线相对均方差 m全部符合要求。通过“六点法”计算出的水力螺距 b最大值为 0.257，最小值为 0.253，均符合 JJG(水利)001-2009 转子式流速仪检 定 规 程要 求。仪 器 常 数 a 介 于0.0040.010 之间的有 536 组，占所有数据的 99.3%。全线相对均方差 m 最大值为1.38%，最小值为0.91%，全部介于1.5%之间。通过“九点法”计算出的水力螺距 b最大值为 0.256，最小值为 0.254，均符合 JJG(水利)001-2009、转子式流速仪检定规程 要求。仪器常数 a全部介于0.0040.010之间。全线相对均方差 m最大值为1.66%，最小值为0.80%，其中 介 于 1.5%之 间 的 有 276 组，占 比86%。其中仪器常数 a 符合要求的数组，全线相对均方差 m全部符合要求。分别计算最优精简点位的误差，结果：“九点法”在 1.05%左右，“六点法”在 1.10%左右，“三点法”则在 1.25%左右。均符合流速仪比测时其检定/校准值允许误差1.5%的要求。转子式流速仪在检定/校准时，完全可以在满足标准要求时进行测点的精简，但为最大程度提高工作效率，采用“三点法”为宜。2.3 验证“三点法”的可推广性、可靠性、实用性鉴于转子式流速仪包括旋桨式流速仪和旋杯式流速仪，该研究将“三点法”检定由旋桨式流速仪代表（LS25-1型）推 广 至 旋 杯 式 流 速 仪 代 表（LS68型）进行分析验证。通过对同一架流速仪在不同时间、不同水槽中的检定精简和未精简情况下所得参数 b进行对比，以标准流速仪多 次 检 定 后 的 b 值 允 许 误 差 不 大 于1.5%作为参考依据，验证“三点法”检定拟合出的直线公式是否可用。在华北水文仪器检测中心、南京东部水文仪器检测中心和西部水文仪器检测中心随机选取了若干架 LS25型流速仪进行了 144次精简检定，选取了若干架 LS68型流速仪进行了 73次精简检定，并分析了这共计 217次精简后拟合出的参数 b与精简前直线公式中参数 b的误差，结果均小于 1.5%，说明了转子式流速仪“三点法”检定法具备可推广性、可靠性和实用性。3.结论及建议华北水文仪器检测中心经摸索实验和大量数据分析，选定了转子式流速仪检定测点数简化为 3个，按照最小二乘法拟合检定公式中仪器常数 a、水力螺距 b两个参数，再结合全线相对均方差 m确定了取点位置。“三点法”检定在南京东部水文仪器检测中心和西部水文仪器检测中心也进行了试应用，精简后参数 b 误差均小于 1.5%，结论可信，具有推广价值。后续经进一步实验，可以申请修订检测标准，改变检测方法，有望大幅提升转子式流速仪的检测效率，并取得显著的社会效益和经济效益。征征 稿稿 启启 事事河北水利 是河北省水利厅监管、河北省水务中心主管、河北供水有限责任公司和河北省水利规划设计研究院有限公司主办、全省水利系统唯一的综合性指导性水利科技期刊，是省水利厅党组指导全省水利工作的重要手段和有效途径，是各地各单位展示业绩的共享平台，是广大读者作者联系沟通的畅通渠道。河北水利 为月刊，48 页，每期约10万字，每月 2日策划、28日出刊，主要栏目有特别关注、水利指南、水利纵横、政策之声、党建家园、水利改革、科技创新、水文化建设等。为提升期刊品质，现面向水利系统和大专院校征稿。来稿须标题简明、文题合一、结构合理、语言流畅、文字简明、数据准确、逻辑严密，篇幅约 1 页、1900 字，或 2 页、4400 字。稿件须是原创，可以参考有关文献，但重复率必须在 20%以下。来稿须正确使用数字、符号、单位，公元纪年、年代、年、月、日、时刻、各种计数等，均用阿拉伯数字表达，如“二十世纪八十年代”应为“20 世纪 80 年代”，五个百分点”应为“5 个百分点”，“立方米/秒”应为“m3/s”，“千瓦时”应为“kWh”；“5.3%至 9.8%”应为“5.3%9.8%”、“200 千帕至 600 千帕”应为“200 kPa600 kPa”等。来稿须标明作者简介：姓名、性别、民族、工作单位、职务或职称，以及作者的办公电话、手机号码、电子邮箱。照片投稿须画面清晰、主题突出、布局合理、色彩适中、大于 1M，注明照片标题，拍摄时间地点，拍摄者姓名、手机号码。欢迎广大作者踊跃投稿，投稿邮箱。特别强调特别强调：本刊只接收邮箱投稿本刊只接收邮箱投稿，从未网上设置页面征稿从未网上设置页面征稿，提请广大作者提请广大作者注意注意。河北水利 编辑部2023年 7月 11日45