转子式流速仪校准规范

JJF1999—20221转子式流速仪校准规范1范围本规范适用于直线明槽中转子式流速仪(以下简称流速仪)的校准。2引用文件GB/T11826—2019转子式流速仪GB/T19677水文仪器术语及符号GB/T21699—2008直线明槽中的转子式流速仪检定校准方法ISO3455:2007水文测验直线明槽中流速仪的校准(Hydrometry-Calibrationofcurrentmetersinstraightopentanks)凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3术语和计量单位3.1术语GB/T19677界定的以及下列术语和定义适用于本规范。3.1.1转子式流速仪rotatingelementcurrentmeters具有一个转子的流速仪,转子绕着与水流方向垂直的竖轴或与水流方向平行的水平轴转动,其转速与周围水流的流速成单值对应关系。3.1.2起转速度startingvelocity使转子开始连续稳定转动的最低水流速度。3.1.3临界速度criticalvelocity流速仪检定曲线图中,低速曲线部分过渡到直线部分的转折点处的水流速度。3.1.4仪器常数instrumentconstant与流速仪转子结构和摩阻力有关的附加系数。3.1.5水力螺距hydraulicscrewpitch在静水中,转子每转一周所推进的距离。3.2计量单位流速仪计量单位名称及符号表示见表1。表1计量单位名称及符号量的名称单位名称符号流速米每秒m/s长度米m时间秒sJJF1999—202224概述4.1工作原理流速仪是依靠水流对流速仪转子的动量传递而进行工作的。当水流流过流速仪转子时,水流的直线运动能量对转子产生转矩,此转矩克服转子的惯量、轴承等内摩擦,以及水流与转子之间相对运动引起的流体阻力,从而使流速仪转子转动。在一定水流速度范围内,流速仪转子转速与水流速度呈现比较稳定的近似线性关系。通过测量转子在预定时间内的转数,就可得到水流速度。4.2用途流速仪是用来测定水流流动速度的计量器具,是水文监测、江河流量监测、农业灌溉、市政给排水、工业污水等行业明渠管道流速或流量测量的一种便携式测量仪表。4.3结构及分类流速仪结构主要包括转子结构、支承结构、发信结构、定向结构,以及计数部分、悬挂部分及特殊附件(如测杆、信号传输线、悬索和铅鱼等)。流速仪按照结构型式主要分为两大类:旋杯式流速仪(以旋杯作为转子的流速仪,见图1)和旋桨式流速仪(以旋桨作为转子的流速仪,见图2)。流速仪按照显示方式主要分为两大类:脉冲式流速仪和直显式流速仪。脉冲式流速仪是以脉冲计数的流速仪,通过测量一段时间内的脉冲数进行流速测量。直显式流速仪是在仪器内设置好校准公式和测速历时等参数,通过二次仪表直接显示流速值进行流速测量。本规范针对这两种类型的流速仪采用不同的校准方法和数据处理。图1旋杯式流速仪结构图1—尾翼部件;2—接尾杆;3—转轴;4—发信结构;5—旋杯部件JJF1999—20223图2旋桨式流速仪结构图1—尾翼部件;2—固尾螺丝;3—固紧螺帽;4—身架部件;5—发信结构;6—旋桨部件5计量特性对于脉冲式流速仪,用流速点(检测车车速)与其拟合直线之间的相对误差绝对值作为每个流速点的示值相对误差绝对值。在测速范围内,直线方程部分(其最低速度不低于临界速度),以某一速度级内各流速点的示值相对误差绝对值的平均值来表示该速度级误差。对于直显式流速仪,用显示流速与实际流速(检测车车速)的相对误差作为每个流速点的示值相对误差。脉冲式流速仪直线方程测速范围的误差要求见表2。直显式流速仪的相对误差要求(取其绝对值)也可参考表2。表2流速仪误差参考表速度级/(m/s)vk≤v<0.50.5≤v≤1.51.5<v≤3.5v>3.5平均相对误差≤1.55%≤1.20%≤0.90%≤0.65%注:1.速度级是根据流速仪的测量原理和计量性能来区分的速度分段。2.vk为临界速度。3.平均相对误差是以各速度级各流速点相对误差绝对值的平均值来表示。4.对于使用低速曲线(指低于vk的流速范围)的流速仪,低速曲线部分各流速点的相对误差绝对值应不大于5%;当流速小于0.03m/s时,各流速点相对误差的绝对值应不大于0.002m/s。5.以上指标不是用于合格性判别,仅供参考。6校准条件6.1环境条件校准流速仪的环境条件如下:a)温度:(0~40)℃。JJF1999—20224b)相对湿度:不超过95%。c)其他影响量:电源、振动、大气中水汽凝结和气流及磁场等因素对校准结果产生的影响应可以忽略。6.2校准用介质校准用介质一般采用无油污、无纤维、无导磁性颗粒及其他可见颗粒等物质的清洁水,水温(5~30)℃。6.3校准原理和装置6.3.1校准原理在横断面均匀一致的直线明槽中,直线行驶的检测车以某一稳定速度牵引流速仪,使固定安装在测杆上的流速仪在明槽静水中行进,通过测定检测车的速度和流速仪转子转率(或显示流速),从而获得流速仪校准公式或相对误差。流速仪校准时需要同时测量以下3个参数:a)检测车行进距离(指稳定速度段内);b)时间(含检测车行进时间和流速仪信号输出时间);c)流速仪信号(流速仪转子转率或显示流速)。6.3.2校准用设备6.3.2.1直线明槽直线明槽的规格大小以及流速仪在明槽截面的相对位置必须综合考虑,使得校准结果不受影响。6.3.2.2检测车及轨道系统检测车可采用拖曳式和自推进式两种驱动方式,推荐使用自推进式检测车。车上装有电动驱动设备,经传动系统使检测车沿轨道运行,车上应有自动调速系统保证车速稳定。检测车应在直线明槽中水面上方的两条平行轨道上运行。轨道应保持清洁,无锈迹、油污等。在校准操作过程中,流速仪固定在检测车的挂杆上并淹没在指定深度的水中,同时能够以恒定速度在轨道的测量段上平稳运行。6.3.2.3距离测量测量距离的两种最常见的方法如下:a)沿明槽行进方向建立由机械或光学脉冲发射器驱动规律性的光栅。b)使用带有机械或光电脉冲发射器/光学编码器的测量轮,通过牵引车沿着轨道进行距离测量。应确保检测车在行驶过程中不产生滑动。6.3.2.4时间测量常见的时间测量方法是用电子时钟进行测量,它可以测量小车运行通过一定距离所用的时间,并与流速仪的信号进行关联。6.3.2.5流速仪信号测量为了测量流速仪的信号,应在检测车上安装合适的记录装置。a)对于脉冲式流速仪,一般情况下可以使用计数装置对从流速仪接收的信号进行计数,在测量给定时间内的流速仪转数时,重要的是在流速仪信号上的相同点之间进行JJF1999—20225测量。应确保没有信号被遗漏。b)对于直显式流速仪,一般情况下可以直接采用视频采集的方式进行数据读取。6.3.2.6校准用设备明细表流速仪校准用设备可参考表3。表3校准用设备参考表序号设备名称技术要求用途1直线明槽长不低于50m、宽和深不低于1.7m。轨道准确度应不低于GB/T21699—2008中表2规定的二级要求用于小车运行2光栅或测量轮最大允许误差:±0.01m测量距离3计时仪最大允许误差:±0.01s测量时间4计数装置测量不确定度应不大于0.1%(k=2)测量信号5温度计分度值不大于0.1℃测量水温6倾角仪最大允许误差不超过±0.5°测量流速仪安装的水平偏角注:1.直线明槽的规格应充分考虑检测车的加速段、稳定段、测量段和制动段,主要由校准流速仪的类型、检测车的设计方案、信号传输和测量方法等决定。2.本参考表中直线明槽装置中,小车采用自推进方式,设计最高速度为6m/s。7校准项目和校准方法7.1校准项目a)对于脉冲式流速仪,校准项目为流速仪的校准公式和各速度级误差。b)对于直显式流速仪,校准项目为流速仪流量点的相对误差。7.2校准方法7.2.1校准前准备a)在流速仪浸没水中之前,应检查清洁、润滑和机械电子类部件的功能。b)流速仪应按流速仪厂家的规定进行安装悬挂,且和流速仪工况状态保持一致。c)将被检流速仪固定在测杆上,测杆固定在小车上,必须牢固可靠。流速仪入水时应缓慢进行,以免扰动水体。流速仪水平轴向应与明槽轨道平行。流速仪入水深度应使水面影响可忽略不计,对于旋桨式流速仪,浸入深度为旋转元件直径的两倍(到旋转轴的液位)以上;对于旋杯式流速仪,浸入深度应至少为0.3m或转子高度的1.5倍(取两者中较大值)。d)流速仪安装时,其水平轴应与直线明槽轨道相平行,水平偏角应不大于2.5°。e)如果测量装置上同时有几个流速仪校准,应注意不能互相干扰,并确保在相同的条件下进行校准和测量。6f)观察流速仪的起转速度,起转速度应比测速范围的下限值至少低50%。如果起转速度达不到要求,建议维修后再进行校准。g)根据流速仪测量原理和使用说明书等,确定流速仪流速点方案。注:新购置的或者较长时间没有使用的流速仪,在送校前应用溶剂汽油清洗,加注规定的仪表油,确保仪器能灵敏且稳定旋转;检查仪器发信结构,确保信号输出无异常。7.2.2校准测量相关要求7.2.2.1流速点取点原则一般情况下,流速仪流速点速度取值应符合以下要求:a)在低速范围(流速不超过0.5m/s),相邻两流速点的速度间隔可取不超过0.05m/s。对于需要低速曲线的流速仪,相邻两流速点速度间隔可取0.02m/s~0.04m/s。b)在中速范围(流速在0.5m/s~1.5m/s),相邻两流速点的速度间隔可取0.1m/s~0.25m/s。c)在高速范围(流速在1.5m/s以上),相邻两流速点的速度间隔可取0.5m/s~1m/s。注:对于需要线性校准的脉冲式流速仪,在线性段的流速点速度一般不低于临界速度(临界速度vk由说明书获得)。7.2.2.2流速点数量根据流速仪测速范围和校准装置测量范围,确定最高校准速度。为保证拟合数据的可靠性,拟合公式的流速点数量的选取一般不少于表4的规定。表4流速点数量选取最高校准速度/(m/s)vk≤vm<0.50.5≤vm≤1.51.5<vm≤3.5vm>3.5流速点数量/个10121416注:1.vm为最高校准速度。2.也可根据用户需求进行流速点速度和流速点数量的选择。7.2.2.3测量次数a)对于脉冲式流速仪,一般情况下每个流速点测量1次。b)对于直显式流速仪,一般情况下每个流速点测量不少于5次,且每次采集时间间隔不低于0.5s。7.2.2.4静水时间每次测量完成后需等待水静止后再进行下一次测量,一般情况下校准流速自低而高进行。水静止所需时间取决于明槽的规格、上次校准速度、消波装置以及流速仪体积和测杆大小截面形状等,静水时间方案由校准实验室根据实际情况进行制定。7.2.3校准程序a)流速仪安装完成后,设置检测车的车速,启动运动。b)在检测车匀速阶段内,记录检测车的车速vi。JJF1999—20227c)流速仪数据测量如下:1)对于脉冲式流速仪,在检测车匀速阶段内,测量流速仪的脉冲数和所用的时间,得到测速历时Ti和测速历时内脉冲数量Mi,计算流速仪转子转率ni。从而得到该流速点的校准数据(vi,ni)。2)对于直显式流速仪,在检测车匀速阶段内,通过多次采集(一般不低于5次,且采集时间间隔不低于0.5s),获得流速仪显示流速v1,v2,…,vj(j≥5)。d)重复以上步骤进行下一个流速点的测量。7.2.4数据处理7.2.4.1对于脉冲式流速仪a)校准公式对于脉冲式流速仪,采用最小二乘法,使用流速点的校准数据(vi,ni)拟合得到流速仪的仪器常数a和水力螺距b,分别见式(1)和式(2):a=()21vi()21()2v-1()-1()2b=v转子转率ni由采集到的脉冲数量和测速历时获得,见式(3):ni=式中:a—仪器常数(一般取4位有效数字),m/s;b—水力螺距(一般取4位有效数字),m;N—参加计算的总测量点数;vi—检测车车速,m/s;δ—每个脉冲表示的转数;Mi—测速历时内的脉冲数量;Ti—测速历时,s。由此可以得到被校流速仪的校准公式,见式(4):V=a+bnb)各流速点的相对误差绝对值Vi-viVi-viViδi=×100%式中:δi—某流速点的相对误差绝对值;(1)(2)(3)(4)(5)8Vi—将转子转率代入校准公式计算得到的速度,m/s;vi—直线明槽装置中检测车车速,m/s。c)各速度级的平均相对误差各速度级的平均相对误差为该速度级下各流速点相对误差绝对值的平均值,其计算方法见式(6):σk='δj(6)式中:σk—某一速度级的平均相对误差;N'—该速度级中的流速点数;δj—该速度级下某流速点的相对误差绝对值。注:如用户需要,可提供低速v-n曲线或者低速检定点(vi,ni)数据表。7.2.4.2对于直显式流速仪对于直显式流速仪,每个流速点的相对误差计算见式(7)。σi=Vi×100%(7)式中:σi—某一流速点的相对误差;N—该流速点测量次数,N≥5;vj—流速仪显示流速,m/s;Vi—该流速点的检测车车速,m/s。8校准结果表达原始记录和校准证书格式见附录A~附录D。9复校时间间隔由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。建议流速仪的复校时间间隔不超过1年。JJF1999—20229附录A校准记录的参考格式(脉冲式流速仪)校准申请单位申请单位地址装置名称制造单位型号规格装置编号准确度校准地点环境温度相对湿度校准日期校准人员核验人员校准依据校准所使用的主要计量器具:名称测量范围编号技术特征证书号有效期至校准结果:1.校准介质及温度:序号速度级/(m/s)流速点(车速)vi/(m/s)脉冲数Mi测速历时Ti/s转率n/(r/s)计算速度Vi/(m/s)相对误差绝对值δi/%速度级平均相对误差σk/%1vk≤v<0.52345670.5≤v≤1.589101110(3)校准结果的扩展不确定度(k(3)校准结果的扩展不确定度(k=2):序号速度级/(m/s)流速点(车速)vi/(m/s)脉冲数Mi测速历时Ti/s转率n/(r/s)计算速度Vi/(m/s)相对误差绝对值δi/%速度级平均相对误差σk/%121.5<v≤3.5131415v>3.5162.校准结果:(临界速度vk:m/s、每个脉冲信号代表的转子转数:)数:a=m/s、水力螺距:b=m(1)校准公式:V=a+bn;式中V为流速数:a=m/s、水力螺距:b=m(2)公式适用范围:(~m/s序号12345678910流速点/(m/s)扩展不确定度/%11(3)校准结果的扩展不确定度(k=2)(3)校准结果的扩展不确定度(k=2):校准证书的(内页)参考格式(脉冲式流速仪)B.1校准依据:B.2校准环境条件:环境温度:℃:相对湿度:%:其他:B.3校准所用主要标准器具:名称:测量范围:不确定度:有效期至:年月日B.4校准结果)vbr/s)。公式适用范围:(~)m/公式适用范围:(~)m/s(2)平均相对误差及校准结果不确定度:速度级/(m/s)vk≤v<0.50.5≤v≤1.51.5<v≤3.5v>3.5平均相对误差/%序号流速点/(m/s)扩展不确定度/%[备注]临界速度vk:每个脉冲信号代表的转子转数:校准介质:温度:12附录C校准记录的参考格式(直显式流速仪)校准申请单位申请单位地址装置名称制造单位型号规格装置编号准确度校准地点环境温度相对湿度校准日期校准人员核验人员校准依据校准所使用的主要计量器具:名称测量范围编号技术特征证书号有效期至校准结果:1.校准介质及温度:2.校准结果:序号流速点(车速)vi/(m/s)流速仪显示值vj/(m/s)相对误差σi/%校准结果Ur/%不确定度(k=Ur/%123451234567891013附录D校准证书的(内页)参考格式(直显式流速仪)D.1校准依据:D.2校准环境条件:环境温度:℃:相对湿度:%:其他:D.3校准所用主要标准器具:名称:测量范围:不确定度:有效期至:年月日D.4校准结果:序号流速点/(m/s)相对误差/%校准结果不确定度(k=2)/%12345678910[备注]校准介质:温度:JJF1999—202214附录E测量不确定度评定示例E.1脉冲式流速仪E.1.1测量模型采用最小二乘法拟合得到流速仪的校准公式为式(E.1):v=a+bn(E.1)根据最小二乘法的计算条件,系数a、b以及它们的估计方差和协方差在残差平方和Q最小时得到(测量点数量为N),见式(E.2):Q=∑[vi-a-bni]2可以得到两个系数的实验方差以及相关系数,见式(E.3)~式(E.5):s2(a)=s2(b)=Nr(a,b)=-其中s2和D的计算见式(E.6)和式(E.7):∑[vi-a-bni]2s2=N-2D=N∑(ni-n)2E.1.2不确定度分量E.1.2.1最小二乘法计算带来的不确定度分量(E.2)(E.3)(E.4)(E.5)(E.6)(E.7)根据测量模型以及不确定度传播律通用公式,略去展开式中的高阶项,得到最小二乘法计算带来的不确定度分量为:u1(v)=== s2(a)+ns2(b)+2nis(a)s(b)r(a,b) D+nND-2niDD+nND-2niD +nN-2n +nN-2ni∑niD(E.8)E.1.2.2校准装置带来的不确定度分量标准装置带来的不确定度分量为:实验室所用直线明槽装置的相对扩展不确定度为U0r(k=2)标准装置带来的不确定度分量为:U0ru2(v)U0ru2(v)(E.9)JJF1999—202215E.1.2.3合成标准不确定度根据两个前述的不确定度分量,由校准公式计算得到流速值的校准结果,其校准结果的合成标准不确定度为:uc(v)=u(v)+u(v)(E.10)U(v)=kuc(v)(k=U(v)=kuc(v)(k=2)(E.11)E.1.3校准结果不确定度示例用一个旋桨式流速仪(该流速仪每个脉冲表示0.25转)为例,其校准数据见表E.1。表E.1脉冲式流速仪校准记录序号速度级/(m/s)流速点(车速)vi/(m/s)脉冲数Mi测速历时Ti/s转率ni/(r/s)计算速度vj/(m/s)相对误差绝对值δi/%速度级平均相对误差σk/%1vk≤v<0.50.1024129.8350.3440.1030.731.1120.1533818.0560.5260.1502.0330.2013712.6980.7280.2020.5740.2484211.4420.9180.2511.2150.2974710.5971.1090.3001.1460.3525711.0041.2950.3481.0170.5≤v≤1.50.602728.0042.2490.5951.190.9480.801978.0123.0270.7960.6691.0231087.0043.8551.0101.31101.2051136.1184.6181.2070.13111.4031506.8745.4551.4231.42121.5<v≤3.52.0021835.9297.7162.0070.240.47132.5011944.9929.7162.5230.89143.0002014.35811.5312.9920.270.25公式计算得到仪器常数a=0.0140m/s、水力螺距b=v=0.0140+0.2583n(E.12)本次校准所用直线明槽装置的相对扩展不确定度为0.5%。将所得数据代入各流速点测量的不确定度式中进行计算,得到各测量点校准的不确定度计算结果,见表E.2第3列。计算得到该流速仪各流速点校准结果的扩展不确定度,见表E.2第4列。JJF1999—202216表E.2各流速点校准不确定度序号流速点/(m/s)各流速点的不确定度/(m/s)扩展不确定度(k=2)/(m/s)10.1020.00390.007820.1530.00380.007630.2010.00370.007440.2480.00360.007250.2970.00360.007260.3520.00350.007070.6020.00340.006880.8010.00350.007091.0230.00380.0076101.2050.00410.0082111.4030.00470.0094122.0020.00650.0130132.5010.00830.0166143.0000.01010.0202E.2直显式流速仪E.2.1测量模型各流速点相对误差绝对值的计算公式见式(E.13):(E.13)δ×100%=-1×100%(E.13)式中:v—流速仪显示流速,m/s;v0—小车运行速度,m/s。根据数学模型,各输入量完全不相关,则相对合成方差为:2=12×u2+(-1)2×u0）2(E.14)E.2.2不确定度分量E.2.2.1重复性测量带来的不确定度分量采用贝塞尔公式,计算各流速点的实验标准偏差(表征其分散性),计算公式见式(E.15)(N为测量次数):si=N1N2jNj ∑N1N2jNjj=1j=1N-1(E.15)17ui=则其相对不确定度为:ui=则其相对不确定度为:ui(v)=的不确定度分量为:si Nsivv·N(E.16)(E.17)E.2.2.2校准装置带来的不确定度分量标准装置带来的不确定度分量,见式(E.18