流速仪检定中水体波动对检定系数的影响.docx

1、流速仪检定中水体波动对检定系数的影响南京水利水文自动化所杨汉塘内容捉要本文从流速仪发展史和大髭的实验资料阐明，流速仪精度与检定设备、牌程密切相关.文章指出，检定中水体波动是影响和钳制精度的一个重要因素，其影响是随机的.尽管目前检定规程中的静水时间不够充分，检定成果仍有足停的实用精度.(低速检定另文讨论).一、概述1610年，萨特里亚(Sartorio)发明了流速仪,但因其性能无法确定，故只能用来粗略地描述河渠中水流的快慢，直到1790年，沃尔特曼(RWoltmano)研究了检定方法，并设计出世界上第一架实用流速仪,从此，开辟了流速仪历史新纪元.可以设想，当时的仪器结构、制造工艺及检定方法都是相

2、当粗噩的，当然谈不上仪器精度间从这一历史开端就说明，流速仪与其检定是密切相关的一个整体.流速仪精度除本身的性能外，在很大程度上取决于检定方法及设备的精度.经过一百多年的努力，直到二十世纪三十年代，流速仪及其检定方法初告定型，但仍十分落后.如苏联一些检定设备大多还是用人力驱动检定车，工作者顺着地板上的标志，按节拍器的响声跑动，其频率为54140次/分，车速为0.033m/s.实验表明，仪器在不同水槽比测检定结果，偏差可达38%我国生产流速仪始于1943年，由当时经济部全国度鼠衡局制造.中央水工试验所检定.该所在重庆寸滩建造了我国第一座检定设备，全套设备只是一辆胶轮车.在天然湖边由工作者驱驶、检定

3、.1947年，由水利部南京水利实验处建造了室内检定槽.检定时，一人推车，一人在工作台上计测仪器输出和行车距离(均用灯光显示，目测心汁)，两手分别开关秒表，记录相应的历时，上述两种检定手段均很落后，精度很低,1953年，南京水工仪器厂建造了我国第一个正规的流速仪检定槽，检定车由电机驱动，信号用波纹自动记录器记录.检定精度为检定公式全线均方差m<±2%1969年，重庆水文仪器厂建造了具有现代化水平的大型检定设备，设备精度为一级，是全国流速仪检定标准槽.在此期间，使用单位也陆续兴建许多检定槽，迄今全国水利部系统流速仪检定槽共15座.1985年，水电部标准SD145直线明槽中转子式流速

4、仪检定正式颁布，这是总结我国多年来流速仪检定经验，并参照国际标准ISO2537,ISO3455制定的.该标准对检定槽尺寸、设备型式、轨道加工及其安装精度、车速稳定性、操作规程、流速仪比测和数据处理方法等都作了比较详细的规定.同时.并组织人员对全国各槽进行测试、缪定，发放检定证书和生产许可证.这些措施对保证流速仪精度具有积极的意义.目前我国流速仪检定都采用明槽静水检定法.其理论是基于物体相对运动的原理.即把实际中的流水假定为静止水体，而固定在测点上不动的仪器当作运动体.它安装在检定车上，相对静水作直线、匀速运动，车速即相当于水流速度.显然，这种假设是一理想的检定条件.按当今科技水平，欲获精确的车

5、速和仪器转速并非难事.检定成果可达到相当高的精度.然而，实际上假设中的水体并非绝对静水，检定中，仪器和测杆频额地激起波浪.它反过来又影响仪器的正常工作.因此，大蛰检定资料表明，高精度水槽检定的成果，其精度未必都很高.这里举两例加以说明.全国船舶科学研究中心船棋实验水池，是全国乃至远东第一流标花水池.我们在该池进行了】6架次仪器高速检定试脸，其中有7架次仪器检定系数C为负值（-0.002一0.020m/s）.在重庆水文仪器厂检定槽进行的重复性检定，在同一组次的检定中,k、c值重复性最大偏差分别可达1.27%、60%.在常规大批髭生产检定中，由于水体波动引起的检定误差是无法避免的，为确保仪器检定质

6、厨，SD145标准规定：在一次检定中，允许判除20%不合理（或粗大误差）的测点；检定公式参数极限偏差：k=0.250土0.010m,c=0.007±0.003m/s,公式均方差mVl.5%实践证明，它在生产中起到重要作用.然而,应指出，在极限偏差范围内必然还存有误检仪器，但按标准规定都是许可的.实际上，系数的真值位于限内或限外都有可能.如按极限偏差度计算，限内仪器检定系数k值偏差可达8.3%,c值可达150%；限外仪器则难以估算,特别是对于修理仪器中，变形邑很大的铝桨仪器.据专业厂统计，仪器出限的重检率：1954-1969年,南京厂为1020%；1970-1981年，重庆厂为5-10

7、%.在标准规定限内，误检仪器的数最及其偏差大小则无从统计.因此，上述质控标准仍有漏洞.重检率在一定程度上反映流速仪检厕系统（包括仪弱）的精度.流速仪检定性质属于静态，根据传感器静态实验数据处理对检定条件的要求：检定时，所有影响量应保持为恒定（或为零）.在此先决条件下，把标准髭车速V,作为被洲堡在某个范围内变化，以便使输出髭一转速n也在一定范围内变化从而得到流速仪静态特性曲线.众所周知，实际检定中，由于水体波动这一重要的影响总无法加以严格抑制，因此，检定结果测点离散性较大，并且以影响量的数值大小及其方向为转移.数据处理结果的参数也将产生相应的误差.这就是上述高梢度大水梧检定成果不一定高的原因.由

8、此可见，由于检定条件不能严格控制，流速仪桂定设备精度等级只能说明其本身的精度，不具备对被检测仪器传递精度的功能.水体波动这一影响蚊是检定误差的主要渊源.为确定在规范要求的误差允许范围内，有效地抑制水体波动对仪器正常工作的影响.国际标准ISO34&5和水电部标准SD145X寸检定中的静水时间都作了规定：在每次检定行车前，槽内水体应保持相对静止，在残留速度与下一次测试的速度相比可忽略时，才可行车测试.当车速为：052,5m/s时，静水时间为：10、15、25min.我国河流众多，水情复杂，测流频繁，仪器使用量多，检修任务繁重，因此，检定中静水时间不可能长.实际上，只有在低速开始检定时，才有

9、静水时间.如一夜或午休的自然静水.高速检定则是车到依头，立即返车.加速.一级紧接一级，异常紧张，水槽中波浪.一浪胜一浪，当车速为15m/s时，沿测杆的浪爬高约3m.如此检定程序对检定精度是否有影响，下面分析实验资料.衷1LS68型旋杯流速仪检定工艺试验等浪不£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、水体波动

13、对检定系数的影响流速仪工作原理乃基于转子转速n与作用在其上流速v成一定的函数关系，即n=r（v）.按流体动力学理论，流速v应是垂直于转子正投影而积上的一股匀速水流，它形成一定的水流动力矩Ms推动转子旋转，从而仪器输出与其相应的稳定转速n检定车设计车速虽然能达到相当稳定的速度Vt.然而，由于检定过程中，仪器和测杆激动了静止水体，形成一定的波和流，经四周槽壁的反射和多次迭加，其量值和方向均十分复杂-根据速度合成原理，作用到转子上的真正速度V=Vt±A、V,仪器输出则为n=%士.因ZXV值光法测定,故Vfit为未知员，通常均用Vt代之.显然,用Vt和n一系列测试数担拟合的方程必然律在一定的

14、检定误差.其.鼠值、方向与值有关.通常是随机的.波浪对检定成果也有一定的影响，然而，同样也难以在匿上进行分析.下面用实刑'资料加以说明.1、旋杯式流速仪1-S68型旋杯式流速仪主要技术性能；测速虽程V=0.20-3.50m/s；均方差m<±2%.1962年，在南京水利电力仪表厂，用5架LS68型仪器做了两种不同检定工艺炭程的试典：1）等浪检定，检定完一组（3架）仪器后，停车约半小时，等侯波浪平静后，再度第.二组仪器；2）不等浪检定，检定完4组（共12架）仪器的低速（0.10.5m/s）后，立即进行高速（0.63.3m/s）检定.后者是生产中常规定法.为便于资料分析,比较

15、，每架仪非均检定4次（见表】设以等浪检定的成果为标准，不等浪检定结果的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，转子转速偏快.这是因为在不等浪的情况下，水体波动加剧，对仪器的作用力较强，旋杯转子结构具有全向性，各方面的力均可推动旋杯旋转之故.从检定曲线图可见，斜率k减少，截距c必增大.总的来看，有、无等浪检定的成果之问偏差是很小的，按产品技术标准完全可忽略.基于当时生产任务的需要，最后确定上述不等浪检定法为正式的检定工艺规程，并推广应用至全国各检定招，甚至LS25-1型旋桨流仪等仪器.2、旋桨流速仪LS25-1型旋桨流速仪测速员程为0.065e/s,O.135m/s速

16、度范围，直线公式均方差mV±1.5%1975-1980年，在重庆水文仪器厂对LS25-1型仪器进行了有,无静水检定试验.仪器共25架，按每组5架分成5组.检定低速0.05-0.80m/smt.一组仪器同车安装检定；高速0.905m/s时则单架检定.每架仪器在各次试验中均连续检定三次.第一次检定时，水槽中水体经一夜,或午休12小时的平静，可认为静水检定.第二、三次检定则是紧接着第一次之后，在一定程度上受水体波动干扰枚大.检定程序：先检定完低速5架仪器，接着依次逐架检定高速.每组仪器分别进了818次，共876架次.计算每架仪器在三种不同静水条件下检定的K、C平均值.设以在静水条件下检定的

17、第一次成果为标准，计算无静水检定的成果偏差（表2）.表2第二,三次检定的K.C值相对偏差统计表注:括号为检定组敷仪器组合K值相对偏差%C值相对偏差K厂K/K.iK厂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?平均系统偏差0.020.032.820.33平均相对偏差0.0710.074.083.62由表2可见，第二,三次无静水检定的成果之I'可并无大的区别、但和静水检定的成果比较，K.C值大部分测次稍微偏大，即无静水检定的成果产生系统正偏其值平均分别为Q.02、1.57%,偏大的架数分别占板66%,偏小架数分别占38.34%.K、C伉平均相对偏差分别为0.07.3.85%.上述各种偏差远小丁产品技术标准要求

19、，实际中可忽略不计故可认为，目前大批量生产检定的程序是叮行的.不存在系统偏差.三, 画复性，精度1、重复性重复性是测鼠仪表的一个重要性能指标，它是仪表精密度一个主要因素.仪表精密度表示仪表示值的不一致程度.按传感器的定义其检测方法为：对某一稳定的被测屋，在相同的规定条件下，由同一测鼠者，用同一仪表在一短时间内以同样仔细程度，连续重复测虽多次，其测髭结果的不一致程度.随机误差小，重复测虽的结果就密集，即重复性好，精密度有.对于流速仪这一性能指标，只能在检定槽按上述要求检测，用连续多次检定的系数变化情况来确定,因检定一架仪器英费时间，故其次数不可能很多，为简化计算,这里用系数K、C值的离均差来示其

20、稳定性，即1）旋杯流速仪表1为LS68型旋杯流速仪的重复性检定试验，从40架仪器的检定成果可见，在静水条件F检定的K,C值.其稳定性均略优于无静水检定.有、无静水检定的.值总平均分别为027、0.34%,%值为26.8、34.9%.从仪器主参数K的稳定性指标来看，其值均远小于产弘技术标准.故可得结论：LS68型旋杯流速仪及其检测系统是稳定的.按常规生产的检定工艺规程检定，其成果与上述在无静水条仟卜检定的基本相同.如1962年对55型旋杯流速仪审复性检定结果，80架次平均令，£为0.38、23.4%.1963年LS68型仪器共114架次重复性检定，平均与分别为033、41.7%.上述按

21、常规检定的共234架次总平均分别为0.35、0.33%.此成果表明，六十年代初，在南京厂检定设备条件下，施杯流速仪的精密度水平.2）LS25-1型旋桨流速仪1974年，重庆水文仪器厂为全国各检定槽提供39架标淮仪器，这些仪器经特殊精密检定，每架均检定三次，共117架次,稳定性气：总平均为0.10%.1975-1985年，用29架塑料旋桨仪器共进行936架次的重复性检定试验，Ck总平均为0.11%.%为7.9%,与上述标准仪器检定结果相当.此成果表明，当今我国主要流速仪（包括检测设备）的精密度水平.与六十年代的旋杯流速仪比较，有较大的进步.2、精度精度是测虽结果的精密度与准确度（正确度）的综合反

22、映.精密度在上面分析作为其主要组成因索的稳定性时，已作了初步的讨论，其平均值为0.11%另一因素为有效位数，因所有流速仪均相同,故无须分折.准确度表示测量结果与被测信的真值之间偏差，即系统误差.由于真值无法测得，通常用有限次测必的算术平均值作为最佳真值的估计值.对于流速仪检定系数的最佳估计值，如严格按上述传感器的定义进行检测是有困难的.为便于粗略地评估，设以表2中静水检定成果为最住估计值，无静水检定成果与其偏差即为准确度，其统计值为0.07%.上述分属于不同类型的几个分项误差如何总和.在误差理论中常常是意见纷纭.应指出，迄今世界各国对于仪表、传感器等的实验数据处理方法都还没有完全统一，故此何题

23、不拟深入讨论.本文旨在通过有关精度的一些数据来说明仪器的稳定性.世界各国对流速仪精度的表示方法不尽相同，如表3所示，大致有下列几种：1）误差绝对值；2）满钛程最大误差；3）统计检定公式精度；4）检定公式全线均方差；5）相对误差；6）重复性.除外,有些产品样本上表明的精度为零.进口的西德C-31型、苏联*一3型仪器均无精度指标.英国WATTS旋杯流速仪采用标准公式（不检定）精度2%»我国在旅速仪检定工作方面所花的精力最大，成绩显著，精度也相当高，但用均方差表示精度,在国际市场竞争中其水平并不显眼.尽管均方差可用来衡鼠一系列测堂值的误差，然而，其本身并不是一个具体的误差,实际上，这里的均

24、方差主要用来表示检测系统中随机误差的离散程度，或直线拟合精度.作为国内不同流速仪各次检定系列之间的比较是很好的参数，然而，与国际上的流速仪精度就难比较，在宣传上是吃亏的.关于流速仪的使用精度问篇在国际上是明碰的；可分两挡：精密级和普通级.前者用于科学试验，如试验和验收水电站水轮机效率而测虽流量时.签于水轮机工作效率测定的重要性，检定流速仪时必须具有特别的精度.后者则为普通的水文测验，鉴于测流的工况，及工程实际需要，流速仪的精度无须要求太高，只要满足水文规范就行.实际上SD145标律的一级精度已靠近上述精密级水平.表3世界各国流速仪精度注:括号为引用者按源速范国计鼻的相对误差生产厂家仪器型号1精

25、度1测速卷围M/S日本鹤见精机株氏会社TS-MTCM-3制豪荥式渣速渣向仪<03m/S:±0.025m/$(5-100%)<0.5m/S:±0.05m/s(1.25-10%)0025-4.0新H本气象海洋株式会社MOX-TC5D型流速流向仪±0.03m/s(0.8660%)0.05-3.5MOX-TC4型流速流向仪±0.05m/b(1.4-100%)0.05-3.5挪威伊瓦尔安德拉公司RCM-4型凌速液向仪±0.0lrn/s(0.440%)0.025-2.5西律AOTT公司CGO型发电式直读液速仪0.5、1%0-6.0日本股偷有限公司小松制作所KPC-220型普莱斯电流流速仪1%FS0.5-2.0意大利西亚普公司ME系列流速仪统计检途公式精度vl%0.05-10.0中国致床水文仪器厂LS25-130心渣速仪检定公式全线均方差<±1.5%<0.13m/S时,相对误差土0.06-5.0法国纳皮尔克公司BEAUVERT71型小型渣速仪5%±2%0.01-3.0美国水文产品公司450系列流速仪±3%003-3.6英国维尔波特公司BFM009型直读式泼速仪重复性4%0.08-4.5表4各速度级平均