斯德克电波流速仪校准与比测试验研究.docx

1、监测技术斯德克电波流速仪校准与比测试验研究郑应成(广西水文水资源局，广西南宁530023)摘要为了验证斯德克电波流速仪用于测流的可行性，首先在流速仪校准水槽对该电波流速仪进行了校准，证明仪器准确。然后在野外实际工作中与旋桨式流速仪、先进的ADCP测流仪器进行了比测试验,结果满足规范要求。说明在中小河流巡测中,用斯德克电波流速仪直接测流准确可行。关键词电波流速仪;校准；比测;试验1003-1510(2013)04-0091-03中图分类号P335文献标识码B文章编号|1概述在开展水文测验方式改革的活动中，我们面临一个问题:人少事多的情况下，对大量的中小河流如何实现快速移动式测流工作。目前测流仪器

2、有：声学多普勒剖面流速仪(以下简称ADCP):它能实现快速测量，测流自动化程度高，但体积大,附件多,价钱贵，受漂浮物、泥沙影响大，最少要3人配合,才能完成测流工作;传统的旋桨式流速仪:测量精度高、测流范围大、最适合水流速度较低的浅水河流测流，价钱便宜，体积小;但操作麻烦，受漂浮物影响大，测流时间长，附件多，水流速度很大时，测流就有一定的危险性,要2人配合，才能完成测流工作;电波流速仪:具有精度高，不受水中漂浮物、水面浮冰和泥沙的影响，具有测流时间短,仪器体积小，价钱适中，一个人就可以完成测流工作。由于是非接触测流，在高流速下的测流安全，特别适合具有测流条件的中小河流水文巡测。为了验证斯德克电波

3、流速仪StalkerIISVR(以下简称：电波流速仪)用流速面积法测流的可行性,结合该仪器的测量原理和技术指标,在流速仪校准水槽进行校准，并在实际工作中与传统流速仪和先进的ADCP仪器进行比测试验,结果满足规范要求,可用于中小河流巡测中测流。2电波流速仪工作原理及技术指标2.1工作原理电波流速仪是利用电磁波的多普勒效应的原理测量水流速度的，电波流速仪测量流速时，电波流速仪的雷达头指向水流，扣动发射按钮，发出无线电波，当电波遇到水面的波浪反射面时，电波的一小部份反射回雷达头。雷达设备根据发射和返回信号频率的不同，通过计算求出水流速度。电波流速仪发射的频率为/的电磁波到达水面时，水面的波浪反射面反

4、射的频率为广的电磁波被电波流速仪接收，由于水流的运动方向与电波流速仪的相反或相向运动，接收电波的回波频率就会变高或降低，电波流速仪只用测出回波频率/、，通过下式计算流速：仪器头方向的流速(m/s)：V，=C(f7f-l)(1)式中:C电磁波传播的速度，在真空中的传播速度3xl08m/s;ff一一接收的回波频率；/发射频率。水表面的流速(m/s):V=V7(COSaxCO3)(2)式中：r仪器发射电磁波方向的流速；a仪器发射电磁波方向与水流的俯角，由于收稿日期2013-05-02作者简介郑应成(I960-),男，湖南石门人,收稿日期2013-05-02作者简介郑应成(I960-),男，湖南石门人

5、,学士,主要从事水文仪器检测与管理工作3该肺串义器自剜量，不需要人工液6仪器发射电磁波方向与水流方向的水平方向夹角，该水平夹角需人工置入水流水平方向夹角角度数。2.2主要技术指标电波流速仪由运动型雷达升级改造，具有流速平均、回波强度指示、角度改正输入和计时秒表功能c采用专门为水面流速测量开发的智能表面回波分析算法,可有效排除与水面流速无关的干扰信号，测量水面流速稳定可靠。专门用于水面流速测量。电波流速仪技术指标叫产品用途:在线测量水面流速；测速范围：0.20-18.0m/s;精度:0.03ni/s;波束宽度：12。；计时范围：0-99.9s;计时精度:0.1s;波束宽度：12。；微波功率:50

6、mV;工作温度：-3()-+70幻；.工作频率:Ka波段(34.7GHz);最大测程：100m(四级灵敏度可调)；供电方式：可拆卸式锂电手柄，正常工作8h,发射电流380mA,待机电流200mA;充电方式:2h,必须在0-+45龙环境温度中充电；显示方式：双排LCD同时显示瞬时流速、平均流速、测量历时、回波强度和流速方向；外形规格:重600g、宜径6.7cm、长20cm。.3电波流速仪在流速仪检定水槽的校准由于野外天然河道的河流具有脉动性,水位常具有波动性，用其作为仪器校准很难说明问题，为了检测其准确性，了解其测流的误差大小,在华南水文仪器检测中心进行校准，该中心有一条180m长的流速仪检定专

7、用水槽，该水槽达到国家标准GB/T21699-2008(直线明槽中的转子式流速仪检定-校准方法中的一级精度。我们将仪器固定在检定车上，由检定车提供标准的校准速度,速度从0.1-5m/s之间逐级与电波流速仪比较,电波流速仪测出的速度理论上应与检定车提供标准的校准速度一样,有差距就是误差,校准结果见表1O国家标准GBrri1826-2002(转子式流速仪中评价仪器性能指标,全线相对均方差：m=(土弓仙一1)x100%(3)注:由于检定车最大的速度只能达到5m/s,所以无法校准到18m/*表1电波流速仪校准表序号标准速度v/(m/s)仪器显示v/(m/s)时间/s绝对误差误差/%10.10050.0

8、310-0.07-70.120.19930.20100.00070.43030450.31100.00551.840.4040.3910-0.014-3.550.5070.5010-0.007-1.460.6080.6150.0020.370.7060.705-0.006-0.880.8080.8150.0020.290.9080.895-0.018-2.0101.0081.0150.0020.2111.2181.205-0.018-1.5121.5181.515-0.008-0.5132.0452.015-0.035-1.7141.7111.705-0.011-0.6152.5592.545

9、-0.019-0.7163.0423.025-0.022-0.7173.5533.5850.0270,8184.0394.0550.0110,3194.5864.535-0.0561.2205.0595.035-0.029-0.6式中:m全线相对均方差；v电波流速仪显示速度(m/s);v-i标准速度Vi(m/s);N参加计算的样本数N=19,因为在表1中的第1点不在仪器测量范围内，测量范围内共有19个有效点。按式计算，电波流速仪在0.1993-5.059m/s测流范围内的全线相对均方差为1.32%,满足国家标准GB/T11826-2002转子式流速仪中不大于1.8%的规定，说明了斯德克手持电波

10、流速仪(ProIISVR)的测流精度达到了转子式流速仪的精度。在电波流速仪检定表1中，19点速度中只有2点的绝对误差超出电波流速仪技术指标:。.03m/s,但也达到了国家标准GB/T21699-2008(直线明槽中的转子式流速仪检定-校准方法中的有关超差点的规定叫说明电波流速仪的绝对误差能达到0.03m/s的技术要求。通过实验室的校准，说明仪器的性能达到了其规定的技术指标。4在实际水文测验中的比测试验应用为了验证电波流速仪在野外实际河流中的测流工作情况，与旋桨式流速仪、ADCP进行了对比测量,以检验该仪器与传统仪器在河流测验中误差。4.1电波流速仪测流的方法在跨河桥上用尺测好各测流垂线的间距，

11、在每条测流垂线上测深、测速。流速小时，用测深杆测出水深；流速大时，用测深仪测深。用电波流速仪测量水面流速，历时20s,测出的表面水流速度乘0.85就是该垂线的平均水流速度(美国地调局也用0.85,我们在2m水深的水渠用旋桨式流速仪做过试验，电波流速仪测出的表面流速,乘以0.85,与旋桨式流速仪测出的垂线平均速度是一样的，也证明了中小河流中垂线平均水流速度与该垂线水面流速之比是0.85)o两边岸边系数按测验规范选取。流量的计算按流速面积法测流规范计算流量。4.2明渠供水中与旋桨式流速仪比测2009年11月29日在广西合山电厂冷水明渠供水测流中，用电波流速仪对冷水明渠进行了测流,流量是11.75n

12、?/s,后用LS25-1型旋桨式流速仪对冷水明渠进行了测流，测出冷水明渠流量是11.22n?/s,两者差4.7%。由于上述仪器都是经过水槽校准过,数据都是可信的。电厂冷水明渠是抽水机供水，当时水量是在逐渐减少,水位在下降，所以造成测量误差,应该说用电波流速仪测流是可行的。所以用电波流速仪测流和旋桨式流速仪测流,结果是可信的。4.3电波流速仪在“5.29”靖西水污染事件中与ADCP的比测2012年5月29日，广西百色靖西发生了华银铝矿水污染事件，大量的污水进入庞凌河，为了及时监测水量,百色水文局用走航式ADCP在庞凌河上进行测流，笔者用电波流速仪Pro同时进行测流，两者在3个不同的断面上进行测流

13、，结果见表2.表2ADCP与电波流速仪比测结果从表2的数据可以看到两种仪器测得的流量和平均流速非常接近，只有最大流速相差大。原因是测流地点项目ADCP测流的结果电波流速仪测流结果靖西城东桥流量/(m7s)34.532平均流速/(m/s)0.950.94最大流速/(m/s)2.40131流量/(m%)25.525.2古风桥平均流速/(m/s)0.80.71最大流速/(m/s)1.671.01流ft/(m3/s)0.870.71古杰沟平均流速/(m/s)0.370.28最大流速(m/s)0.960.36最大流速是从ADCP断面图中，人为选出,ADCP实际测量结果表中，没有最大流速，不是软件计算出来

14、数。电波流速仪最大流速是20s的平均速度，不是瞬时流速。两者最大流速数据没有可比性。通过上面的比测，说明用电波流速仪测流和ADCP测流,流量和平均流速的结果是可信的。5结论电波流速仪在水槽的校准是准确的，在实际水文测验中，电波流速仪用流速面积法测流与LS25-1型旋桨式流速仪和“瑞江”1200kHz走航式ADCP测流的结果是一致的，证明了用电波流速仪直接测流是可行的，所以手持电波流速仪适合在水文巡测中用流速面积法测流。通过上面的分析电波流速仪有如下的特点：(1) 仪器使用简单，最适合在有桥梁、缆道吊箱等情况下测流(2) 从公式(1)知，电波流速仪是利用电磁波反射形成的多普勒效应原理测量，属于非

15、接触测流,所以测速时不受水面漂浮物、水质、泥沙、水流状态的影响。漂浮物和泥沙对旋桨式流速仪走航式AD.CP影响很大；(3) 由于电波流速仪体积小，重量轻，适合携带，一个人就能完成测流工作，用于中小河流巡测最合适；(4) 由原理可知，流速愈大，漂浮物愈多，反射波将愈强，多普勒效应越明显，电波流速仪测量更准确,在大洪水中使用,更具有测量上的优势；(5) 由公式(2)知,仪器电磁波发射方向与水流方向的水平方向夹角S，由人工根据自己的位置置入,站在河边也可完成测流工作，所以可用它来代替浮标测流。现在水文的测流仪器种类也较多，各种仪器都有它的适用的条件，根据不同的河流条件和测量任务，合理使用不同的仪器进

16、行测流，在中小河流巡测中很适合用电波流速仪测流。参考文献1 AppliedConceptInc.斯德克电波流速仪StalkerIISVR用户手册DB/OL.2 GB/T11826-2002,转子式流速仪SGB/T21699-2008,直线明槽中的转子式流速仪检定-(下转第115页)内（即1h内）有两个或以上极值存在的特例，所以不适合于暴涨暴落（lh内完成一次洪水涨落）的河流。（责任编辑：刘征湛）DesignoftelemeteringwaterleveldataprocessingprogramGAOYe-kun（HydrologyandWaterResourcesBureauofQinzho

17、uCity,Qinzhou535000,China）Abstract:TheSouthernintegrationsoftwaredevelopedbyChangjiangWaterResourcesCommissionisusedcurrentlybyHydrologyandWaterResourcesBureauofQinzhouCityforhydrologicaldataprocessing.Thereexistsdifficultyincontrolofleveldataextractprocessingforsuchriverswithsmalldischarge.Inviewof

18、thisproblem,theauthorputforwardthedataprocessingideaandmethodsuchassiftingthetruefromthefalse,interpolation,smoothing,punctualprocessing,abandoningofdata,inflectionpointprocessing,repeatingfieldprocessing.Keywords：Telemeteringwaterlevel;dataprocessing;datasmoothing;inflectionpointprocessing（上接第93页）校准方法S文监测中的应用J.人民长江.2003,（S1）：33-34.3 李云中，宋海松,赵俊林，等.电波流速仪在明渠截流水（责