流速儀檢定中水體波動對檢定系數(shù)的影響.docx

1、流速儀檢定中水體波動對檢定系數(shù)的影響南京水利水文自動化所楊漢塘內(nèi)容捉要本文從流速儀發(fā)展史和大髭的實驗資料闡明，流速儀精度與檢定設(shè)備、牌程密切相關(guān).文章指出，檢定中水體波動是影響和鉗制精度的一個重要因素，其影響是隨機的.盡管目前檢定規(guī)程中的靜水時間不夠充分，檢定成果仍有足停的實用精度.(低速檢定另文討論).一、概述1610年，薩特里亞(Sartorio)發(fā)明了流速儀,但因其性能無法確定，故只能用來粗略地描述河渠中水流的快慢，直到1790年，沃爾特曼(RWoltmano)研究了檢定方法，并設(shè)計出世界上第一架實用流速儀,從此，開辟了流速儀歷史新紀元.可以設(shè)想，當時的儀器結(jié)構(gòu)、制造工藝及檢定方法都是相

2、當粗噩的，當然談不上儀器精度間從這一歷史開端就說明，流速儀與其檢定是密切相關(guān)的一個整體.流速儀精度除本身的性能外，在很大程度上取決于檢定方法及設(shè)備的精度.經(jīng)過一百多年的努力，直到二十世紀三十年代，流速儀及其檢定方法初告定型，但仍十分落后.如蘇聯(lián)一些檢定設(shè)備大多還是用人力驅(qū)動檢定車，工作者順著地板上的標志，按節(jié)拍器的響聲跑動，其頻率為54140次/分，車速為0.033m/s.實驗表明，儀器在不同水槽比測檢定結(jié)果，偏差可達38%我國生產(chǎn)流速儀始于1943年，由當時經(jīng)濟部全國度鼠衡局制造.中央水工試驗所檢定.該所在重慶寸灘建造了我國第一座檢定設(shè)備，全套設(shè)備只是一輛膠輪車.在天然湖邊由工作者驅(qū)駛、檢定

3、.1947年，由水利部南京水利實驗處建造了室內(nèi)檢定槽.檢定時，一人推車，一人在工作臺上計測儀器輸出和行車距離(均用燈光顯示，目測心汁)，兩手分別開關(guān)秒表，記錄相應(yīng)的歷時，上述兩種檢定手段均很落后，精度很低,1953年，南京水工儀器廠建造了我國第一個正規(guī)的流速儀檢定槽，檢定車由電機驅(qū)動，信號用波紋自動記錄器記錄.檢定精度為檢定公式全線均方差m<±2%1969年，重慶水文儀器廠建造了具有現(xiàn)代化水平的大型檢定設(shè)備，設(shè)備精度為一級，是全國流速儀檢定標準槽.在此期間，使用單位也陸續(xù)興建許多檢定槽，迄今全國水利部系統(tǒng)流速儀檢定槽共15座.1985年，水電部標準SD145直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速

4、儀檢定正式頒布，這是總結(jié)我國多年來流速儀檢定經(jīng)驗，并參照國際標準ISO2537,ISO3455制定的.該標準對檢定槽尺寸、設(shè)備型式、軌道加工及其安裝精度、車速穩(wěn)定性、操作規(guī)程、流速儀比測和數(shù)據(jù)處理方法等都作了比較詳細的規(guī)定.同時.并組織人員對全國各槽進行測試、繆定，發(fā)放檢定證書和生產(chǎn)許可證.這些措施對保證流速儀精度具有積極的意義.目前我國流速儀檢定都采用明槽靜水檢定法.其理論是基于物體相對運動的原理.即把實際中的流水假定為靜止水體，而固定在測點上不動的儀器當作運動體.它安裝在檢定車上，相對靜水作直線、勻速運動，車速即相當于水流速度.顯然，這種假設(shè)是一理想的檢定條件.按當今科技水平，欲獲精確的車

5、速和儀器轉(zhuǎn)速并非難事.檢定成果可達到相當高的精度.然而，實際上假設(shè)中的水體并非絕對靜水，檢定中，儀器和測桿頻額地激起波浪.它反過來又影響儀器的正常工作.因此，大蟄檢定資料表明，高精度水槽檢定的成果，其精度未必都很高.這里舉兩例加以說明.全國船舶科學(xué)研究中心船棋實驗水池，是全國乃至遠東第一流標花水池.我們在該池進行了】6架次儀器高速檢定試臉，其中有7架次儀器檢定系數(shù)C為負值（-0.002一0.020m/s）.在重慶水文儀器廠檢定槽進行的重復(fù)性檢定，在同一組次的檢定中,k、c值重復(fù)性最大偏差分別可達1.27%、60%.在常規(guī)大批髭生產(chǎn)檢定中，由于水體波動引起的檢定誤差是無法避免的，為確保儀器檢定質(zhì)

6、廚，SD145標準規(guī)定：在一次檢定中，允許判除20%不合理（或粗大誤差）的測點；檢定公式參數(shù)極限偏差：k=0.250土0.010m,c=0.007±0.003m/s,公式均方差mVl.5%實踐證明，它在生產(chǎn)中起到重要作用.然而,應(yīng)指出，在極限偏差范圍內(nèi)必然還存有誤檢儀器，但按標準規(guī)定都是許可的.實際上，系數(shù)的真值位于限內(nèi)或限外都有可能.如按極限偏差度計算，限內(nèi)儀器檢定系數(shù)k值偏差可達8.3%,c值可達150%；限外儀器則難以估算,特別是對于修理儀器中，變形邑很大的鋁槳儀器.據(jù)專業(yè)廠統(tǒng)計，儀器出限的重檢率：1954-1969年,南京廠為1020%；1970-1981年，重慶廠為5-10

7、%.在標準規(guī)定限內(nèi)，誤檢儀器的數(shù)最及其偏差大小則無從統(tǒng)計.因此，上述質(zhì)控標準仍有漏洞.重檢率在一定程度上反映流速儀檢廁系統(tǒng)（包括儀弱）的精度.流速儀檢定性質(zhì)屬于靜態(tài)，根據(jù)傳感器靜態(tài)實驗數(shù)據(jù)處理對檢定條件的要求：檢定時，所有影響量應(yīng)保持為恒定（或為零）.在此先決條件下，把標準髭車速V,作為被洲堡在某個范圍內(nèi)變化，以便使輸出髭一轉(zhuǎn)速n也在一定范圍內(nèi)變化從而得到流速儀靜態(tài)特性曲線.眾所周知，實際檢定中，由于水體波動這一重要的影響總無法加以嚴格抑制，因此，檢定結(jié)果測點離散性較大，并且以影響量的數(shù)值大小及其方向為轉(zhuǎn)移.數(shù)據(jù)處理結(jié)果的參數(shù)也將產(chǎn)生相應(yīng)的誤差.這就是上述高梢度大水梧檢定成果不一定高的原因.由

8、此可見，由于檢定條件不能嚴格控制，流速儀桂定設(shè)備精度等級只能說明其本身的精度，不具備對被檢測儀器傳遞精度的功能.水體波動這一影響蚊是檢定誤差的主要淵源.為確定在規(guī)范要求的誤差允許范圍內(nèi)，有效地抑制水體波動對儀器正常工作的影響.國際標準ISO34&5和水電部標準SD145X寸檢定中的靜水時間都作了規(guī)定：在每次檢定行車前，槽內(nèi)水體應(yīng)保持相對靜止，在殘留速度與下一次測試的速度相比可忽略時，才可行車測試.當車速為：052,5m/s時，靜水時間為：10、15、25min.我國河流眾多，水情復(fù)雜，測流頻繁，儀器使用量多，檢修任務(wù)繁重，因此，檢定中靜水時間不可能長.實際上，只有在低速開始檢定時，才有

9、靜水時間.如一夜或午休的自然靜水.高速檢定則是車到依頭，立即返車.加速.一級緊接一級，異常緊張，水槽中波浪.一浪勝一浪，當車速為15m/s時，沿測桿的浪爬高約3m.如此檢定程序?qū)z定精度是否有影響，下面分析實驗資料.衷1LS68型旋杯流速儀檢定工藝試驗等浪不£亨浪NOKK衣CCCcKiK-kKcC-CCM%M/S%M%M/S%6201710.684-0.11U.004-5.90.6870.770.005-20.020.6870.33n.003-29.40.6820.040.006-4.030.684-Oil0.00764.70.679-4).400.006-4.040.684-Oil

10、0.003-29.40.679-0.400.00828.0M0.6850.160.00433240.6820.400.006314.06201810.6830.040.005-13.00.6860.770.002-50.020.680-0.4000064.30.6810040.003-25.030.6850.3300064.30.679-0.260.00650.040.6830.040.0064.30.677-0.550.00525.0M0.6830.200.00586.S0.6310.40or.043?56202210.632-0.260.003-14.30.677-0.290.01250.

11、020.6840.040.003-14.30.677-0.290.0080.030.681-0.400.00542.90.6820.440.004-50.040.6880.620.003-14.30.6800.150.0080.0M0.6840.330.003521.40.6790.230.00825.06202310.68】-0.110.00614.30.6830.370.00511.120.6840.330.003-42.90.6R0-0.070.00633.330.681-0.110.00733.30.678-0.370.00633.340.681-0.110.005-4.80.6810

12、.070.001-77.8M0.6820.170.005323.80.6810.220.004538.96202410.687-0.360.00868.40.6910360.002-27.320.688-0.220.0055.30.683-0.800.006118.2306860.840.000-1000.6390.070.002-27.340.687-0.360.00626.30.6910360.001-63.6M0.6900.470.004«5000.6890.400.002359.1MEAN0.6850.270.004726.80.63210340.005134.3二、水體波動

13、對檢定系數(shù)的影響流速儀工作原理乃基于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與作用在其上流速v成一定的函數(shù)關(guān)系，即n=r（v）.按流體動力學(xué)理論，流速v應(yīng)是垂直于轉(zhuǎn)子正投影而積上的一股勻速水流，它形成一定的水流動力矩Ms推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而儀器輸出與其相應(yīng)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速n檢定車設(shè)計車速雖然能達到相當穩(wěn)定的速度Vt.然而，由于檢定過程中，儀器和測桿激動了靜止水體，形成一定的波和流，經(jīng)四周槽壁的反射和多次迭加，其量值和方向均十分復(fù)雜-根據(jù)速度合成原理，作用到轉(zhuǎn)子上的真正速度V=Vt±A、V,儀器輸出則為n=%士.因ZXV值光法測定,故Vfit為未知員，通常均用Vt代之.顯然,用Vt和n一系列測試數(shù)擔(dān)擬合的方程必然律在一定的

14、檢定誤差.其.鼠值、方向與值有關(guān).通常是隨機的.波浪對檢定成果也有一定的影響，然而，同樣也難以在匿上進行分析.下面用實刑'資料加以說明.1、旋杯式流速儀1-S68型旋杯式流速儀主要技術(shù)性能；測速雖程V=0.20-3.50m/s；均方差m<±2%.1962年，在南京水利電力儀表廠，用5架LS68型儀器做了兩種不同檢定工藝炭程的試典：1）等浪檢定，檢定完一組（3架）儀器后，停車約半小時，等侯波浪平靜后，再度第.二組儀器；2）不等浪檢定，檢定完4組（共12架）儀器的低速（0.10.5m/s）后，立即進行高速（0.63.3m/s）檢定.后者是生產(chǎn)中常規(guī)定法.為便于資料分析,比較

15、，每架儀非均檢定4次（見表】設(shè)以等浪檢定的成果為標準，不等浪檢定結(jié)果的k值平均偏小0.38%；c值偏大8.5%.k值偏小，即在同一速度下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏快.這是因為在不等浪的情況下，水體波動加劇，對儀器的作用力較強，旋杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有全向性，各方面的力均可推動旋杯旋轉(zhuǎn)之故.從檢定曲線圖可見，斜率k減少，截距c必增大.總的來看，有、無等浪檢定的成果之問偏差是很小的，按產(chǎn)品技術(shù)標準完全可忽略.基于當時生產(chǎn)任務(wù)的需要，最后確定上述不等浪檢定法為正式的檢定工藝規(guī)程，并推廣應(yīng)用至全國各檢定招，甚至LS25-1型旋槳流儀等儀器.2、旋槳流速儀LS25-1型旋槳流速儀測速員程為0.065e/s,O.135m/s速

16、度范圍，直線公式均方差mV±1.5%1975-1980年，在重慶水文儀器廠對LS25-1型儀器進行了有,無靜水檢定試驗.儀器共25架，按每組5架分成5組.檢定低速0.05-0.80m/smt.一組儀器同車安裝檢定；高速0.905m/s時則單架檢定.每架儀器在各次試驗中均連續(xù)檢定三次.第一次檢定時，水槽中水體經(jīng)一夜,或午休12小時的平靜，可認為靜水檢定.第二、三次檢定則是緊接著第一次之后，在一定程度上受水體波動干擾枚大.檢定程序：先檢定完低速5架儀器，接著依次逐架檢定高速.每組儀器分別進了818次，共876架次.計算每架儀器在三種不同靜水條件下檢定的K、C平均值.設(shè)以在靜水條件下檢定的

17、第一次成果為標準，計算無靜水檢定的成果偏差（表2）.表2第二,三次檢定的K.C值相對偏差統(tǒng)計表注:括號為檢定組敷儀器組合K值相對偏差%C值相對偏差K廠K/K.iK廠K/Kic2-c1/clC'-C/G+j+75101751050.12(1)0.040.04(2)5.69(5)4.30(4)1.37(1)75106-751100.12(1)0.08!(2)：0.04(2)0.085.41(3)3.22(2)1.452.5875201752050.12(3)0.07(2)0.08(3)0.07(2)5032.27(2)3G4(2)6.27(3)76101-761050.11(4)0.01(

18、1)0.15(5)2.10(4)2.893.01(5)76106-761100.05(1)0.08(4)0.07(3)0.06(2)4.52(4)2.00(1)5.40(4)0.7C(1?平均系統(tǒng)偏差0.020.032.820.33平均相對偏差0.0710.074.083.62由表2可見，第二,三次無靜水檢定的成果之I'可并無大的區(qū)別、但和靜水檢定的成果比較，K.C值大部分測次稍微偏大，即無靜水檢定的成果產(chǎn)生系統(tǒng)正偏其值平均分別為Q.02、1.57%,偏大的架數(shù)分別占板66%,偏小架數(shù)分別占38.34%.K、C伉平均相對偏差分別為0.07.3.85%.上述各種偏差遠小丁產(chǎn)品技術(shù)標準要求

19、，實際中可忽略不計故可認為，目前大批量生產(chǎn)檢定的程序是叮行的.不存在系統(tǒng)偏差.三, 畫復(fù)性，精度1、重復(fù)性重復(fù)性是測鼠儀表的一個重要性能指標，它是儀表精密度一個主要因素.儀表精密度表示儀表示值的不一致程度.按傳感器的定義其檢測方法為：對某一穩(wěn)定的被測屋，在相同的規(guī)定條件下，由同一測鼠者，用同一儀表在一短時間內(nèi)以同樣仔細程度，連續(xù)重復(fù)測雖多次，其測髭結(jié)果的不一致程度.隨機誤差小，重復(fù)測雖的結(jié)果就密集，即重復(fù)性好，精密度有.對于流速儀這一性能指標，只能在檢定槽按上述要求檢測，用連續(xù)多次檢定的系數(shù)變化情況來確定,因檢定一架儀器英費時間，故其次數(shù)不可能很多，為簡化計算,這里用系數(shù)K、C值的離均差來示其

20、穩(wěn)定性，即1）旋杯流速儀表1為LS68型旋杯流速儀的重復(fù)性檢定試驗，從40架儀器的檢定成果可見，在靜水條件F檢定的K,C值.其穩(wěn)定性均略優(yōu)于無靜水檢定.有、無靜水檢定的.值總平均分別為027、0.34%,%值為26.8、34.9%.從儀器主參數(shù)K的穩(wěn)定性指標來看，其值均遠小于產(chǎn)弘技術(shù)標準.故可得結(jié)論：LS68型旋杯流速儀及其檢測系統(tǒng)是穩(wěn)定的.按常規(guī)生產(chǎn)的檢定工藝規(guī)程檢定，其成果與上述在無靜水條仟卜檢定的基本相同.如1962年對55型旋杯流速儀審復(fù)性檢定結(jié)果，80架次平均令，£為0.38、23.4%.1963年LS68型儀器共114架次重復(fù)性檢定，平均與分別為033、41.7%.上述按

21、常規(guī)檢定的共234架次總平均分別為0.35、0.33%.此成果表明，六十年代初，在南京廠檢定設(shè)備條件下，施杯流速儀的精密度水平.2）LS25-1型旋槳流速儀1974年，重慶水文儀器廠為全國各檢定槽提供39架標淮儀器，這些儀器經(jīng)特殊精密檢定，每架均檢定三次，共117架次,穩(wěn)定性氣：總平均為0.10%.1975-1985年，用29架塑料旋槳儀器共進行936架次的重復(fù)性檢定試驗，Ck總平均為0.11%.%為7.9%,與上述標準儀器檢定結(jié)果相當.此成果表明，當今我國主要流速儀（包括檢測設(shè)備）的精密度水平.與六十年代的旋杯流速儀比較，有較大的進步.2、精度精度是測雖結(jié)果的精密度與準確度（正確度）的綜合反

22、映.精密度在上面分析作為其主要組成因索的穩(wěn)定性時，已作了初步的討論，其平均值為0.11%另一因素為有效位數(shù)，因所有流速儀均相同,故無須分折.準確度表示測量結(jié)果與被測信的真值之間偏差，即系統(tǒng)誤差.由于真值無法測得，通常用有限次測必的算術(shù)平均值作為最佳真值的估計值.對于流速儀檢定系數(shù)的最佳估計值，如嚴格按上述傳感器的定義進行檢測是有困難的.為便于粗略地評估，設(shè)以表2中靜水檢定成果為最住估計值，無靜水檢定成果與其偏差即為準確度，其統(tǒng)計值為0.07%.上述分屬于不同類型的幾個分項誤差如何總和.在誤差理論中常常是意見紛紜.應(yīng)指出，迄今世界各國對于儀表、傳感器等的實驗數(shù)據(jù)處理方法都還沒有完全統(tǒng)一，故此何題

23、不擬深入討論.本文旨在通過有關(guān)精度的一些數(shù)據(jù)來說明儀器的穩(wěn)定性.世界各國對流速儀精度的表示方法不盡相同，如表3所示，大致有下列幾種：1）誤差絕對值；2）滿鈦程最大誤差；3）統(tǒng)計檢定公式精度；4）檢定公式全線均方差；5）相對誤差；6）重復(fù)性.除外,有些產(chǎn)品樣本上表明的精度為零.進口的西德C-31型、蘇聯(lián)*一3型儀器均無精度指標.英國WATTS旋杯流速儀采用標準公式（不檢定）精度2%»我國在旅速儀檢定工作方面所花的精力最大，成績顯著，精度也相當高，但用均方差表示精度,在國際市場競爭中其水平并不顯眼.盡管均方差可用來衡鼠一系列測堂值的誤差，然而，其本身并不是一個具體的誤差,實際上，這里的均

24、方差主要用來表示檢測系統(tǒng)中隨機誤差的離散程度，或直線擬合精度.作為國內(nèi)不同流速儀各次檢定系列之間的比較是很好的參數(shù)，然而，與國際上的流速儀精度就難比較，在宣傳上是吃虧的.關(guān)于流速儀的使用精度問篇在國際上是明碰的；可分兩擋：精密級和普通級.前者用于科學(xué)試驗，如試驗和驗收水電站水輪機效率而測雖流量時.簽于水輪機工作效率測定的重要性，檢定流速儀時必須具有特別的精度.后者則為普通的水文測驗，鑒于測流的工況，及工程實際需要，流速儀的精度無須要求太高，只要滿足水文規(guī)范就行.實際上SD145標律的一級精度已靠近上述精密級水平.表3世界各國流速儀精度注:括號為引用者按源速范國計鼻的相對誤差生產(chǎn)廠家儀器型號1精

25、度1測速卷圍M/S日本鶴見精機株氏會社TS-MTCM-3制豪滎式渣速渣向儀<03m/S:±0.025m/$(5-100%)<0.5m/S:±0.05m/s(1.25-10%)0025-4.0新H本氣象海洋株式會社MOX-TC5D型流速流向儀±0.03m/s(0.8660%)0.05-3.5MOX-TC4型流速流向儀±0.05m/b(1.4-100%)0.05-3.5挪威伊瓦爾安德拉公司RCM-4型凌速液向儀±0.0lrn/s(0.440%)0.025-2.5西律AOTT公司CGO型發(fā)電式直讀液速儀0.5、1%0-6.0日本股偷有限公司小松制作所KPC-220型普萊斯電流流速儀1%FS0.5-2.0意大利西亞普公司ME系列流速儀統(tǒng)計檢途公式精度vl%0.05-10.0中國致床水文儀器廠LS25-130心渣速儀檢定公式全線均方差<±1.5%<0.13m/S時,相對誤差土0.06-5.0法國納皮爾克公司BEAUVERT71型小型渣速儀5%±2%0.01-3.0美國水文產(chǎn)品公司450系列流速儀±3%003-3.6英國維爾波特公司BFM009型直讀式潑速儀重復(fù)性4%0.08-4.5表4各速度級平均