水文用声学多普勒剖面流速仪的计量检定.docx

1、水文用声学多普勒剖面流速仪的计量检定姚永熙(南京水利水文自动化研究所，江苏南京210012)【摘要】声学多普勒流速剖面仪(ADCP)已在水文测验中推广应用，但ADCP的检定校准问题没有解决。在现有的流速仪检定水槽中，ADCP不能测得可靠的流速参数。本文说明了ADCP流速参数检定校准需要的必要条件，以及国内为检定ADCP应做的工作。提出了对现有流速仪检定水槽的改造建议，以探讨利用现有流速仪检定水槽检定校准ADCP流速参数的可能性。【关键词】水文测验；声学多普勒流速剖面仪；检定【中图分类号】TB9【文献标识码】B【文章编号】1008-1305(2008)02-0008031问题的提出本文的内容主要

2、适用于水文测验中应用的声学多普勒剖面流速仪(ADCP或ADP等)，以下简称“ADCP”。1.1 ADCP工作原理简介(1) 测速原理。振源发射的超声波遇到物体后发生反射，如果振源与物体之间有相对运动，振源接收到的反射波频率将发生变化。这种由于振源和反射物体之间的相对运动而产生的接收信号频率相对于振源发射频率的频移现象被称为多普勒效应。测出此频移就能测出物体的运动速度。在测虽时，由测最仪器发出辐射波束，再接收被测物体的反射波，测出频移，算出速度。在实际使用时，将水中的悬浮物或小气泡作为反射体，测得其运动速度，也就认为测得了流速。ADCP从发射声波脉冲开始，经不同时间接收到的反射波是相应不同距离处

3、测点的反射。它们的多普勒频移代表声束上各测点的流速，由此测得流速分布。(2) 流量测量原理。ADCP在测速的同时测量水流断面或应用已有断面数据，按流速面积法原理计算流量。1.2 ADCP在水文测验中的应用上世纪九十年代初水文测验开始引进美国的走航式ADCP,在长江口应用。由于应用效果较好，随着经济、技术力最的增强，以及水文测验工作的需要，本世纪以来，引进数量激增，应用范围已遍及全国。在应用中，水文系统进行了全面的试验，虽然也发现了应用中ADCP可能存在的问题，但总的讲，在适用的范围内，ADCP自动测流的先进性明显，是一种值得在一定范围内推广的测流仪器。目前在很多水文站点的流域测验中，ADCP已

4、成为不可缺少的先进仪器。1.3对ADCP进行计检定和比测的必要性尽管ADCP的制造商已在仪器的技术材料上说明了仪器的各种技术数据，也包括了各测量参数的测信准确性。但基于以下原因，仍应该对ADCP的各测量参数进行计量检定和比测。(1) 水文测验上的要求。各种水文测验规范都要求在使用新方法、新设备对水文参数进行测量时，必须经过充分的比测。需要证明使用新方法、新设备测得的水文参数数据是准确的，并经批准后,方可正式使用这种新方法，新设备。而其中重要的一点就是使用新设备和原来的使用设备进行比测。(2) 实际试用结果的需要。走航式ADCP能直接得到流量数据，在实际试用中和常规的流速仪面积法测得的结果，并不

5、完全相符，会出现不同的作者简介：姚永熙(1946年-),男，教授级高级工程师。系统误差。使用固定式ADCP（主要是水平ADCP）时，还可以和转子式流速仪进行定点流速比测，比测结果也常会出现系统误差。重要的是这些比测不能说明ADCP的仪器性能，要进行正规的计量检定才能真正说明ADCP的参数测量性能。（3）计量上的要求。ADCP测景流速、流量，可以被认为是计仅仪器，水量计量:的重要性也日益被各方面重视。而计最仪器必须按经批准的计量规程进行计量检定后才能正式使用。这就更提高了对ADCP进行计量:检定的必要性。实际上，由于不能准确地确定ADCP的测量准确性，也影响了ADCP的推广应用。使用单位已强烈要

6、求解决ADCP的计量检定问题。2ADCP计量检定和比测的现状目前没有适用的计量检定设备，也没有相应的计信检定规程，国内也没有进行过ADCP的计量检定。2.1 ADCP的计量检定和比测要求应用中的ADCP设备实际上是一个流量测信系统。为了测到流量，它同时测信流速分布、水深或水位；为了测得流速，走航式ADCP还需要同时测量船速（底跟踪）、用罗经测量方位、用倾斜计测量倾斜度；还需要测量水温，以修正超声波速，得到准确的流速、水深、水位数据。这些数据都参与了流量:计算，因此，要对ADCP进行全面的计量检定，就必须对所测的流速、底跟踪（船速）、水深、水位、水温、方位角、倾斜角进行计量检定，才能保证ADCP

7、的流速、流量计量准确度。2.2 ADCP的现场比测方法因为水文测验的要求，也因为没有规定的室内检定比测方法。使用ADCP的单位常应用在流量测量现场（天然河流或渠道中）进行比测的方法来验证ADCP的测流性能和测得数据准确性。常使用的方法是流量比测法和流速比测法。（1）流量比测法。在流量测量断面上，用走航式ADCP测量流量。同时用常规的可靠方法，如流速仪精测法，测量流量。经不同水位的多个流量测量点的流量比测，以常规方法为准确值，确定AD-CP的测量准确性。走航式ADCP适用于此方法。（2）流速比测法。此方法主要适用于固定式ADCP（主要是水平ADCP）o在固定式ADCP的各测速单元处用转子式流速仪

8、同时测量流速，以转子式流速仪测得的点流速为准确值，和ADCP测得的此单元处的流速比较，确定ADCP的测量准确性。现场比测法符合水文测验要求，在一定程度上，也很能说明ADCP的性能。目前这是判定、研究ADCP测量准确性的很好方法。尤其是在某一场合具体应用时。但是，这种方法不符合计量检定要求。现场比测受现场条件影响很大，得到的结果很难有普遍的代表性。因此，希望能在实验室环境下对ADCP进行检定。2.3在流速仪检定水槽中进行ADCP的流速参蟠对于流速参数，首先就想在流速仪检定水槽中进行检定。由于对ADCP的性能了解问题，现在仍有很少意见认为可以在目前的流速仪检定水槽中进行ADCP的流速参数计量检定，

9、但实际上是不可行的。也没有任何检定的实例。（1）存在问题的分析。ADCP的测速依据多普勒频移原理，水体中必须有反射声波的悬浮颗粒或气泡才能反射测量波束，而室内流速仪检定水槽中的静水既没有悬浮颗粒也没有气泡，ADCP接收不到什么反射信号。而反射信号强度低于一定值时，都只会得到错误的单元流速值。所以就不会测得能用于计量检定的流速数据。按试验仪器的频率和性能不同，水槽应有相应的尺度和声学抗干扰结构设计。较小的水槽水体也不能用于盲区较大的声学仪器试验。ADCP的计量检定应有上述的各个参数，不能认为只要能检定一个流速参数就可以了。（2）实际试验情况简介。为了能证明或是了解现在的流速仪检定水槽是否能检定A

10、DCP的流速参数，近年来曾进行过多次试验。将ADCP安装在流速仪检定车上，进行各个速度级的运行，ADCP都得不到、或只能得到很少量的流速数据，数据也很不稳定，根本不能用于流速参数的计量检定。笔者了解的三次试验都不成功，不成功是必然的。但这种方法可以检定底跟踪（船速）参数，因为水槽底或壁是很好的“河底”。注意不要把底跟踪（船速）参数当成了流速参数。多普勒流量计早就应用于管道流量测植，管道流量计标准规定只适用于悬浮物含量大于0.OGkg/m，的水体。在多普勒管道流量计的试验方法中，规定了要在试验水体中充放气泡或悬浮物，以保证得到可靠的数据。由此也可证明，不能在很静的清水中检定ADCP和多普勒流速仪

11、。实际上，可以在流速仪检定水槽中检定声学时差法流速仪、电磁点流速仪、电波流速仪。3目前ADCP制造商应用的流速检测方法介绍ADCP的制造商没有几家，国内应用的基本上是美国两家公司的产品。除了产品检验外，制造商并不对每台产品进行计量性质的检定，也没有对每台仪器进行流速测量的计笊检定。但是，他们做过试验性的流速计量检定。据公布的资料，这两家公司的流速检测是在一个宽度为15.5m、深度为6.7m的很大、很长的静水槽内进行的，在水体中安放了声波反射物。试验进行了多次，对流速的检测是成功的。4ADCP的检定校准4.1流速参数检定校准需要的条件需要检定校准的关健参数是流速。(1) 流速计量检定校准设备。较

12、大的直线静水水槽可以创造条件来检定ADCP的流速参数，水槽应较宽、较深。其结构应尽可能符合声学试验要求，要仔细考虑ADCP在检定设备上的安装方式。动水槽更适合检定ADCP的流速参数，但是需要有较大的过水断面，和相应的流速稳定性，一般的动水槽达不到此要求。较小的动水槽适用于检定声学多普勒点流速仪。(2) 对水槽中水体的要求。检定ADCP时，水槽水体中必须有一定的悬浮颗粒或气泡，这是一般的静水槽难以做到的，也是目前不能用流速仪检定水槽检定ADCP流速参数的决定性原因。4.2需要制定ADCP的检定校准方法标准ADCP没有进行过正式的检定校准，也没有正式的检测方法或计量规程。需要制定相关的标准规范，提

13、出对ADCP的检定校准技术要求，规定AD-CP应进行检定校准的参数、应用的设备、方法。4.3流速参数以外的有关参数检定校准方法除了流速参数外，ADCP还测量船速(底跟踪)，水深、水位、水温、方位角、倾斜角参数。要保证ADCP的流量测值准确，也应对这些参数进行检定校准。(1) 船速(底跟踪)。可以在流速仪检定水槽中进行，槽底或槽壁是很好的模拟河底。(2) 水深、水位。ADCP测量水深都应用超声测深仪，测量水位应用超声水位计或压力水位计。这些参数的测试已有相应的测试方法规定。可以按规定执行。(3) 水温、方位角、倾斜角。这几个参数的检定都有相关的行业规定，按各行业的检定规程进行检定。5建议的ADC

14、P流速检定校准设备5.1建造可以用于ADCP流速检定校准的专用水槽此专用水槽基本上与流速仪检定水槽相同。主要不同之处是：(1) 应较宽、较深，以能测到数个剖面单元流速，减少盲区影响。水槽可以稍短些。(2) 水槽设计应符合声学水槽要求。(3) 槽内水体中应有悬浮颗粒或气泡存在，这是最重要的。(4) 适用于ADCP检测试验的水下安装结构。专用水槽的建设很难实施。5.2改造现有流速仪检定水槽要使ADCP在现有流速仪检定水槽中可靠地测得流速，应进行以下改造。(1) 使水体中保持悬浮颗粒或气泡，这是必须进行的。可试用以下二种方法。在水体中撒放不溶性固体悬浮颗粒。其颗粒应较小，具体计算时应考虑ADCP的工

15、作频率。要考虑其容重和沉降特性，使它能较长时期保持悬浮状态。增加气泡释放装置。在水槽测量段上一定长度内的水槽底部，安装气泡释放装置(管)。检定时放出气泡，使ADCP能测到流速。气泡的大小，密度要经过一定设计计算，气泡要释放均匀。(2) 水槽的声学性能改造。简单而必要的改造措施是在水槽测髭段的槽底、槽壁上铺设吸声橡胶。吸声橡胶的规格主要按声学频率而定。流速仪检定水槽的水体不大，声学环境也很差，铺设吸声橡胶将很有利于抗干扰和信号接收，也符合声学仪器试验要求。此改造应经专门设计。(3) ADCP的水下安装设计。ADCP的测速原理和转子式流速仪完全不同，水流扰动、与槽体距离、各种电干扰、机械振动等都可

16、能影响其流速测量值。作为计最检定，必须严格考虑各种影响。经过上述改造，被测ADCP应该能得到较稳定的流速测量值。加上对其它参数的检定测试，可以对ADCP进行较完整的检定校准。(下转第30页)如图3及图4所示，氨氮在波动中呈下降趋势,多年均值约为0.5mg/L；高链酸盐指数大致保持稳定，监测结果在3.6mg/L左右波动。二者秩相关系数分别为-0.5、0.1,水质变化趋势不显普。3.50112001200220032004年份2005图5氨飘年均值浓度变化及趋势分析图图6高铉酸盐指数年均值浓度变化及趋势分析图5结语苏北大运河作为南水北调东线工程主输水干线,“十五”期间除里运河绝大部分河道及中运河部

17、分河道水质较好，达nm类，符合输水要求；不牢河、中运河部分河道、里运河淮安段污染严重，水质为V类水左右，距离输水要求尚有一段不小的距离。通过趋势分析可以发现，“十五”期间苏北大运河各河道水质无明显下降或好转趋势，但不牢河、中运河邳州段及里运河淮安等河道部分时段水质仍存在不同程度的下降趋势，需要在以后的污染防治工作中引起重视。其次,趋势分析表明苏北大运河年均值水质变化趋势与非汛期水质变化趋势相似，说明非汛期污染物浓度对全年水质影响较大，有关部门在坚持不懈、持之以恒地加强污染源防治力度的同时，尤其需要强化非汛期期间污染源防治,进一步保障苏北大运河水环境质量的早日好转，不折不扣地确保“一江清水向北流”。参考文献1JCB3838-2OO2地表水环境质最标准S4.3年均值苏北大运河各河段