《水运工程 含沙量测定仪》编制说明

中华人民共和国交通运输部部门计量检定规程

水运工程含沙量测定仪

（征求意见稿）

编制说明

规程起草组

2019年4月

一、任务来源

本计量检定规程是依据《交通运输部关于下达2017年交通运输标准化

计划的通知》（交科技函【2017】412号）立项进行编制的，计划编号：JJG

2017-13，由交通运输部天津水运工程科学研究所负责起草。

规程主要起草人及其工作见表1.1。

表1.1规程主要起草人及其主要工作

序

姓名单位职务/职称主要工作内容

号

确定含沙量测定仪的技术参

副主任/高级

1韩鸿胜数、测试设备及其参数的确定

工程师

和量值溯源路线。

负责起草标准主要技术内容，

提出并论证标准中重要性能指

2高术仙助理研究员

标要求，制定并实施试验方法

与数据验证。

主任/副研究

3曹玉芬标准形式和技术内容审核

员

交通运输部天津

确定含沙量测定仪的技术参

4严冰水运工程科学研高级工程师

究所数、测试设备及其参数的确定

负责起草标准主要技术内容，

5柳义成助理工程师参与含沙量测定仪的具体试验

工作

提出并论证标准中重要性能指

6窦春晖高级工程师

标要求。

负责起草标准主要技术内容，

7张明敏助理工程师参与含沙量测定仪的具体试验

工作

常务副主任/提出并论证标准中重要性能指

8白玉川

教授标要求，制定试验方案

天津大学

制定并实施试验方法与数据验

9徐海珏副教授

证

二、项目背景

含沙量测定仪是测量水体中泥沙含量的仪器，其工作原理是根据浑水

消光定律。一束平行光通过均匀分布的含沙水体后，透射光的强度就会减

1

弱，一部分光被水体中的悬沙吸收，另一部分光被散射到其他方向，透射

光只是入射光的一部分，光电测沙原理的应用就是采用光电转换器件，用

相对测量的方法，使通过清水的光通量转换为电信号，通过含沙水体的光

通量转换为电信号从而计算出含沙量。

目前我国尚未制定含沙量测定仪的国家计量检定规程，因此急需开展

含沙量测定仪部门检定规程的制定工作，为交通水运行业含沙量测定仪的

生产使用提供更为准确、可靠的技术支撑。含沙量测定仪现已列入交通运

输部《水运工程试验检测仪器设备计量管理目录》（交办科技【2016】56

号）中，为加强计量监督管理，有必要开展含沙量测定仪计量检定规程制

定工作。

含沙量测定仪在水运工程领域有着广泛的应用。同时，该仪器作为检

测设备，可以应用于海洋、水利、测绘等多个领域的水体含沙量探测。含

沙量测定仪主要对含沙量进行量值溯源，是对决定含沙量的水体体积和沙

样质量等量值进行溯源。

三、编写过程

2017年6月~2017年12月，编写《水运工程含沙量测定仪计量标准

研究》任务书和《水运工程含沙量测定仪》标准草案，签订合同。

2018年1月~2018年5月，广泛收集了国内外含沙量测定仪的研究单

位、代理单位、使用单位以及相关企业的有关技术资料（见表3.1）。

2018年6~2018年12月，含沙量标准场装置研发及关键技术指标进行

试验与验证，并结合水运工程测量技术的实际需求进行征求意见稿编制，

最终形成了《水运工程含沙量测定仪》部门计量检定规程的征求意见稿、

编制说明、试验报告和不确定度报告。

2

表3.1调研单位及部分参考文件汇总

调研单位

序号单位名称备注

1天津水运工程勘察设计院

2青岛海洋研究设备服务有限公司

企业

3北京海洲赛维科技有限公司

4北京博伦经纬科技发展有限公司

5长江水利委员会长江科学院

事业单位

6南京水利科学研究院

7天津大学

高校

8清华大学

四、编写依据

本规程主要依据JJF1002-2010《国家计量检定规程编写规则》进行编

写，并在编写中参考了以下有关文件：

GB/T15966-2017水文仪器基本参数及通用技术条件

GB/T21416-2008医用体温计

BSISO11657:2014Hydrometry-Suspendedsedimentinstramsand

canals-Determinationofconcentrationbysurrogatetechniques

JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》

五、规程主要内容

按照JJF1002-2010《国家计量检定规程编写规则》要求，本规程包括

七个章节和三个附录：1范围、2引用文件、3术语与定义、4概述、5计

量性能要求、6通用技术要求、7计量器具控制，以及附录A检定原始记

录表，附录B检定证书内页格式，附录C检定结果通知书内页格式。

3

（一）范围

JJF1002-2010《国家计量检定规程编写规则》5.5“范围”规定“该部

分用来说明规程的适用范围，已明确规定规程的主题及对该计量器具控制

有关阶段的要求。如本规程适用于XX计量器具（量程，范围等）的首次

检定、后续检定和使用中检查。”本规程适用于水运工程光学测量原理含沙

量测定仪的首次检定、后续检定和使用中检查。

（二）引用文件

本规程引用文件汇总如下：

JT/TXXX-XXX水运工程含沙量测定仪

本规程引用了JT/TXXX-XXX《水运工程含沙量测定仪》中的术语，

包括光电式含沙量测定仪和含沙量标准场。

（三）术语于定义

本部分给出的光电式含沙量测定仪的定义是在参考“模型试验含沙量

测量仪器的分析研究”和“光学后向散射浊度计简介及应用研究”等文献

的基础上加以改写，含沙量标准场的定义是参考了GB/T21416-2008中关

于恒温槽的定义方法，以便读者对标准内容的正确理解。

1.光电式含沙量测定仪photoelectricsandcontentmeasuringinstrument：

一种利用泥沙对入射光的吸收和散射作用改变透射光照度的原理来测定含

沙量的仪器。

2.含沙量标准场standardsandcontentfield：一种可配制含沙量标准

值的装置。

（四）概述

4

经过广泛搜集相关资料文献，如《LGY型智能测沙粒分仪》、《OBS-3A

在线浊度仪说明书》等，深入调研产品代理单位和使用单位，明确了含沙

量测定仪组成，阐释了含沙量测定仪工作原理，介绍了含沙量测定仪的用

途。格式依据JJF1002-2010《国家计量检定规程编写规则》。

光电式含沙量测定仪是测量水体中泥沙含量的仪器。光电式含沙量测

定仪由光学传感器、电子元件、数据存储器和电源组成。一束平行光通过

均匀分布的含沙水体后，透射光的强度就会减弱，一部分光被水体中的悬

沙吸收，另一部分光被散射到其他方向，透射光只是入射光的一部分，光

电式含沙量测定仪采用光电转换器件，用相对测量的方法，使通过清水的

光通量转换为电信号，通过含沙水体的光通量转换为电信号从而计算出含

沙量。含沙量测定仪的内部工作原理框图见图4.1。

复位

测单存储器

稳A/D

沙放片

压转

传大机

电换

感器CPU键盘

源器

器

显示器

图4.1含沙量测定仪工作原理框图

（五）计量性能要求

基于光电测沙原理的含沙量测定仪主要是各种型号的浊度传感器，其

在使用前均需对仪器进行校准，依据BSISO11657:2014中7.2.1"Thebest

waytocalibrateanOBSorturbiditysensorformeasuringSSCistotakewater

samplesimmediatelyadjacenttothesensoranddevelopanumerical

5

relationshipbetweeentheinstrumentoutputandtheSSCvaluesofthesamples.

(校准光学后向散射传感器或测量悬沙浓度的浊度传感器的最好方法是即

时提取传感器周围的水样并在仪器输出与样品悬沙浓度值之间建立数学关

系)"，这样才能够满足生产者和使用者的要求，因此含沙量测定仪的校准

场是必须的，最终确定含沙量标准场和含沙量测定仪示值误差确定为检定

项目，对示值误差的要求来源于GB/T15966-2017中6.10.2现在测沙仪测

量误差应满足下列要求“a)建立率定工作模型时，含沙量随机误差不大于

5%，系统误差不大于1%；b)野外应用验证时，含沙量随机误差不大于10%，

系统误差不大于3%”，基于此，规定含沙量测定仪的相对误差要求。

1.相对误差。

表5.1相对误差

测量参数相对误差

含沙量测定仪±10%

（六）通用技术要求

1.外观

综合水文设备工作环境，生产单位和使用单位针对含沙量测定仪的外

观要求，确定本规程中含沙量测定仪的外观要求“含沙量测定仪表面涂层

应牢固、均匀、不应有脱落、划伤、锈迹等缺陷；含沙量测定仪的发光传

感器探头不应有泥垢及其他附着物”的外观要求主要针对外观材料及传感

器等，外观材料和传感器的破损将直接影响测量结果。

2.铭牌

依据近期已发布交通运输部部门计量检定规程中水运工程相关检定规

程“铭牌”固有要求起草本部分内容。“含沙量测定仪应有清晰的铭牌，标

有产品名称、型号、生产厂家、出厂编号及出厂日期等。”

6

（七）计量器具控制

1.检定条件

检定环境条件的规定主要考虑温度与湿度环境应能保证含沙量测定仪

试验过程的正常进行，试验中主要用到的是含沙量标准场，含沙量标准场

的配制主要是量筒套组和电子天平。主要依据JJG196—2006常用玻璃量

器中对于量筒套组的检定温度条件，因此试验环境条件定为20℃±5℃；试

验环境为实验室内环境，因此规定相对湿度不大于85%。

2.检定设备

检定设备及技术要求见表5.2。

表5.2检定设备及技术要求

试验设备技术要求编制依据

含沙量标准

均匀度优于±3%根据装置研发和试验论证

场

电子天平量程5000g，准确度等级为○Ⅰ泥土质量称量，满足质量量

电子天平

级。值溯源要求

量筒容量分别为50ml，100ml，250ml

量筒和滴定纯净水量取，满足体积量值

和2000ml；滴定管容量为10ml，准确

管溯源要求

等级为A级

抽滤装置

泥土的中值粒径为3.4，

（滤膜、抽

滤膜孔径0.45μm分离泥土和纯净水的采样

滤瓶、真空

样品

泵）

电热干燥箱（10-300）℃对泥土样进行烘干

3.检定项目

“检定项目”编写格式依据JJF1002-2010《国家计量检定规程编写规

则》。

4.检定方法

含沙量测定仪的含沙量量值的计量主要是配制均匀的含沙量场，配制

均匀的含沙量场需要精确地知道含沙量场中泥沙的质量和蒸馏水的体积，

7

这与我们原始的烘干称重法测水体中含沙量的方法相同，本规程的试验方

法与试验设备采用的就是配制含沙量标准场，然后通过含沙量标准值与含

沙量测量值进行比对的方法对含沙量测定仪进行校准，进行相关试验。

8

附件A含沙量测定仪量值溯源与传递框图

上

一

名称：常用玻璃量器检定装置

级名称：天平检定装置

测量方法：容量比较法

计测量范围：1mg~2000kg

测量范围：（0.05~2000）mL

准确度等级：E2等级，F1等级

量最大允许误差：二等

器

具

检定/校准检定/校准

本

级

计名称：量筒

测量范围：（0~50）mL、（0~100）mL

量名称：无塞滴定管

（0~250）mL、（0~2000）mL名称：电子天平

器测量范围：（）

（0~50）mL：MPE：±0.25mL0-10mL测量范围：（0~5000）g

具：

（0~100）mL:MPE：±0.5mLMPE±0.025mLMPE：±0.5e

（0~250）mL：MPE：±1.0mL

（0~2000）mL：MPE：±10mL

检定

下

一

级

计名称：含沙量测定仪

量测量范围：（0~30）kg/m3

器MPE:±10%

具

9

附录B不确定度分析报告

一、含沙量标准场均匀性测量的不确定度评定

以10kg/m3含沙量场为例进行含沙量标准场均匀性测量的不确定度评

定，采用6点法对含沙量标准场进行采样，含沙量采样测量及计算见表B.1。

表B.110kg/m3含沙量场采样测量及计算

泥膜质

采样样品序号滤膜质量水的体积泥的质量含沙量Si

量

i/g/ml/g/（kg/m3）

/g

10.075600.6780.60310.056

20.071580.6510.5809.992

30.065590.6550.59010.001

40.064600.6610.5979.945

50.075570.6440.5699.976

60.078580.6600.58210.039

（一）数学模型

M

SSSSS(B.1)

V1234

式中：S——含沙量标准值，kg/m3；

M——泥沙质量，kg；

V——蒸馏水体积，m3；

S1——由含沙量标准场均匀度测量带来的含沙量标准场均匀性偏

差，kg/m3；

3

S2——由采样重复性测量带来的含沙量标准场均匀性偏差，kg/m；

3

S3——温度对含沙量标准值的影响量，kg/m；

3

S4——盐度对含沙量标准值的影响量，kg/m。

（二）灵敏度系数和合成方差

式（B.1）中，S、M、V、S1、S2、S3、S4之间相互独立，合成标准不

确定度为

10

2222222222

uc(S)c(M)u(M)c(V)u(V)c(S1)u(S1)c(S2)u(S2)c

222

(S3)u(S3)c(S4)u(S4)

灵敏度系数为：

(S)11

cM()0.0199

(MV)50.24

(SM)10000

cV()3.962

(VV)22524.0576

()S

cS(1)1

()S1

S

cS(1)1

()S2

()S3

cS(3)0

()S3

()S4

cS(4)0

()S4

（三）输入量的标准不确定度评定

1.由蒸馏水体积测量引入的测量不确定度分量uV

含沙量标准场配制采用量筒组合（2000mL、250mL和10mL滴定管）

称量蒸馏水，含沙量场配制总共需要50.24L蒸馏水。2000mL量筒的最大

允许误差为±10mL，250mL量筒的最大允许误差为±1.0mL，估计其为均匀

分布。

实验过程中，2000mL量筒称量蒸馏水25次，250mL量筒称量蒸馏水

1次，因此由量筒所引入的测量不确定度估计为

10251

u(V)2.732ml2.7321063m

3

2.由泥沙样质量测量引入的测量不确定度分量uM

含沙量标准场配制采用电子天平称量泥沙样，电子天平的最大允许误

11

差为0.05g，估计其为均匀分布。

因此由电子天平所引入的测量不确定度估计为

5105

u(M)2.887105kg

3

3.含沙量场重复性测量引入的测量不确定度分量uS1

在重复性条件下，采用测量不确定度的A类评定方法进行评定，以

10kg/m3为例，测量结果为10.056kg/m3，9.992kg/m3，10.001kg/m3，

9.945kg/m3，9.976kg/m3，10.039kg/m3。

用贝塞尔公式计算含沙量场的实验标准偏差

n

Si

Si110.002kg/m3

n

n

2

()SSi

u(S)i11.6621034.077102kg/m3

1n1

4.采样重复性测量引入的测量不确定度分量uS()2

从6次独立重复测量的测量值中找出最大残差,并根据测量次数查阅

最大残差法的Cn值表得到残差系数Cn为0.68。根据最大残差法计算采样

重复性的实验标准差。

-23

u(S2)=Cnvmax0.680.0573.87610kg/m

（四）标准不确定度分量汇总表

表B.2标准不确定度的汇总表

不确定度分量不确定度来源相对不确定度灵敏度系数

12

uV蒸馏水体积测量2.73210-6m3-3.962

uM泥样质量测量2.88710-5kg0.0199

-23

uS1含沙量场重复性测量4.00710kg/m1

-23

uS()2采样重复性测量3.87610kg/m1

（五）合成标准不确定度

以上分量独立无关，可以直接进行合成为：

222222222

uc(S)c(M)u(M)c(V)u(V)c(S1)u(S1)c(S2)u(S2)+

2222

c(S3)u(S3)c(S4)u(S4)

-1310-33

uSc()3.30110+1.712101.60610+1.50210

5.5710-2kg/m3

（六）扩展不确定度：

3

U2uc(S)0.111kg/m，k2。

13

附件C试验报告

本规程中关于含沙量测定仪检定的试验方法主要来自于传统的烘干称

重方法进行，在自行研制的含沙量标准场的基础上开展关键技术指标的试

验分析工作。

一、试验设备

含沙量测定仪的试验设备与设施有：

a）含沙量标准场（图C.1）：标准场均匀度优于±3%。

图C.1含沙量场及搅拌装置

b)电子天平（图C.2）：电子天平量程5000g，准确度等级为○Ⅰ级；

14

图C.2电子天平

c)量筒和滴定管（图C.3）：量筒容量分别为50ml，100ml，250ml和

2000ml；滴定管容量为10ml，准确等级为A级。

图C.3量筒和滴定管

d)取样装置（图C.4）：对含沙量场进行定点取样。

15

图C.4取样装置

e)抽滤装置（图C.5）：用来分离采样样品混合物，滤膜孔径0.45μm。

图C.5抽滤装置

f)电热干燥箱（图C.6）：对分离出的泥样进行烘干，温度范围10℃

~300℃。

16

图C.6电热干燥箱

二.试验方法

选取测量范围为0-10kg/m3的OBS3+浊度传感器作为样机进行试验。

（一）含沙量标准值配制及含沙量标准场均匀度检验

含沙量标准值配制及含沙量标准场均匀度试验步骤如下：

a)用电子天平称量相同泥土样，量筒套组称量蒸馏水配制含沙量值

分别为5kg/m3，5.5kg/m3，6kg/m3，6.5kg/m3，7kg/m3，8kg/m3，9kg/m3，

10kg/m3的含沙量场，调节搅拌装置对含沙量场进行搅拌，使沙样与纯净

水均匀混合；

b)在上述每一个含沙量标准场中心垂线上采用六点法（0.0H、0.2H、0.4H、0.6H、

0.8H、1.0H，H为水深）进行采样，用采样装置对含沙量标准场进行采样，用

抽滤装置分离出泥沙样品，将电热干燥箱调至90C，烘烤样品15min，用

电子天平称取样品质量，通过公式（C.1）计算每个采样点采样样品的含沙

量值，按公式（C.2）计算含沙量标准场均匀度，试验记录见表C.1。

17

mi

Si(C.1）

Vi

3

式中：Si——第i个点采样样品的含沙量值，kg/m；

mi——第i个点采样样品中泥土质量，kg；

3

Vi——第i个点采样样品的体积，m。

SS

Emaxmin100%C.2）

S

式中：E——含沙量标准场的均匀度；

Smax——采样点中含沙量最大值，kg/m3；

S3

min——采样点中含沙量最小值，kg/m；

S——含沙量场标准值，kg/m3。

表C.1试验记录及计算

5kg/m3

滤膜质水的体泥膜质

采样样品泥的质量含沙量Si含沙量标准场

量积量

序号i/g/（kg/m3）均匀度

/g/ml/g

10.071600.3740.3035.050

20.064600.3680.3045.067

30.072610.3740.3024.951

2.32%

40.072620.3820.3105.000

50.066610.3700.3044.984

60.067600.3670.3005.000

5.5kg/m3

滤膜质水的体泥膜质

采样样品泥的质量含沙量S含沙量标准场

量积量i

序号i/g/（kg/m3）均匀度

/g/ml/g

10.064600.3950.3315.517

20.072600.4020.3305.500

30.081620.4220.3415.500

1.78%

40.067610.4000.3335.459

50.059610.3980.3395.557

60.074590.3980.3245.492

6kg/m3

滤膜质水的体泥膜质

采样样品泥的质量含沙量S含沙量标准场

量积量i

序号i/g/（kg/m3）均匀度

/g/ml/g

10.063610.4250.3625.934

20.071620.4390.3685.935

2.47%

30.072610.4430.3716.082

40.058600.4190.3616.017

18

50.063600.4250.3626.033

60.074610.4440.3706.066

6.5kg/m3

滤膜质水的体泥膜质

采样样品泥的质量含沙量S含沙量标准场

量积量i

序号i/g/（kg/m3）均匀度

/g/ml/g

10.067610.4660.3996.543

20.066600.4590.3936.552

30.074610.4670.3936.438

1.75%

40.063600.4520.3896.479

50.082620.4880.4066.546

60.070590.4530.3836.499

7kg/m3

滤膜质水的体泥膜质

采样样品泥的质量含沙量Si含沙量标准场

量积量

序号i/g/（kg/m3）均匀度

/g/ml/g

10.073610.4950.4226.920

20.058610.4830.4256.960

30.066600.4910.4257.090

2.43%

40.064610.4940.4307.050

50.059600.4790.4207.000

60.061600.4770.4166.930

8kg/m3

滤膜质水的体泥膜质

采样样品泥的质量含沙量S含沙量标准场

量积量i

序号i/g/（kg/m3）均匀度

/g/ml/g

10.073600.5570.4848.067

20.067610.5570.4908.033

30.081600.5610.4808.000

2.09%

40.074610.5600.4867.967

50.078610.5700.4928.066

60.069600.5430.4747.900

9kg/m3

滤膜质水的体泥膜质

采样样品泥的质量含沙量S含沙量标准场

量积量i

序号i/g/（kg/m3）均匀度

/g/ml/g

10.065610.6160.5519.025

20.078600.6210.5439.052

30.072610.6210.5498.992

1.50%

40.067610.6130.5468.958

50.062590.5970.5359.071

60.083620.6370.5548.936

10kg/m3

滤膜质水的体泥膜质

采样样品泥的质量含沙量Si含沙量标准场

量积量

序号i/g/（kg/m3）均匀度

/g/ml/g

1