聲學(xué)多普勒流速儀計(jì)量檢定的必要性和可行性分析

姜松燕 高 偉 張文韜 駱 工

(山東省水文儀器研制中心,山東 濰坊 261031)

二十世紀(jì)90年代,我國(guó)引進(jìn)和試用聲學(xué)多普勒類流速剖面儀開展長(zhǎng)江口潮汐流量測(cè)驗(yàn),開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)應(yīng)用聲學(xué)多普勒類儀器進(jìn)行河道流量測(cè)驗(yàn)的先河。由于該類儀器的測(cè)流方法較常規(guī)儀器相比,具有操作方便,測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短,測(cè)速范圍大,能實(shí)時(shí)取得測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)在線測(cè)流等特點(diǎn),得到了測(cè)驗(yàn)工作者的一致認(rèn)可。多普勒流速流量?jī)x器在我國(guó)的使用范圍逐步擴(kuò)大,使用的種類有多普勒點(diǎn)流速儀、固定式多普勒流速剖面儀、走航式多普勒流速剖面儀等。

隨著聲學(xué)多普勒類儀器在國(guó)內(nèi)水利和海洋系統(tǒng)的大量引進(jìn)應(yīng)用,有逐漸成為我國(guó)河流流量測(cè)驗(yàn)和水量計(jì)量主流儀器的趨勢(shì)。我國(guó)地域遼闊,河流條件千差萬(wàn)別,測(cè)量不穩(wěn)定流和受潮汐影響的流量是水文測(cè)驗(yàn)的技術(shù)難題,多變的流態(tài)也對(duì)測(cè)流時(shí)間、測(cè)流手段、測(cè)流方式和測(cè)量人員提出了更高的技術(shù)要求。但是,當(dāng)前聲學(xué)多普勒類儀器的使用條件還是有一定的局限性,河流的推移質(zhì)、泥沙含量、漂浮物等都會(huì)對(duì)流量測(cè)量造成一定的影響。

目前,我國(guó)尚未制定出聲學(xué)多普勒類儀器的檢定規(guī)程,該類儀器作為計(jì)量?jī)x器,在引進(jìn)試驗(yàn)和推廣使用過(guò)程中,始終還沒(méi)有通過(guò)國(guó)內(nèi)任何質(zhì)檢機(jī)構(gòu)的計(jì)量檢定,這不符合我國(guó) 《計(jì)量法》對(duì)計(jì)量檢測(cè)器具使用的要求,由于沒(méi)有質(zhì)檢機(jī)構(gòu)的合法有效檢定,儀器的準(zhǔn)確性和可靠性得不到驗(yàn)證,這樣造成儀器所測(cè)到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性就缺乏合法有效的技術(shù)支撐和科學(xué)的溯源依據(jù)。

1 必要性分析

1.1 計(jì)量?jī)x器引進(jìn)與使用必須進(jìn)行計(jì)量檢定

《中華人民共和國(guó)水法》第四十九條規(guī)定:“用水應(yīng)當(dāng)計(jì)量,并按照批準(zhǔn)的用水計(jì)劃用水?！薄坝盟畬?shí)行計(jì)量收費(fèi)和超定額累進(jìn)加價(jià)制度?！薄吨腥A人民共和國(guó)水文條例》第十九條規(guī)定 “水文監(jiān)測(cè)所使用的專用技術(shù)裝備應(yīng)當(dāng)符合國(guó)務(wù)院水行政主管部門規(guī)定的技術(shù)要求?！?/p>

目前聲學(xué)多普勒流速儀主要依靠國(guó)外引進(jìn),國(guó)內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)也正致力于該類儀器的開發(fā)研究,但尚處在起步階段,但也已經(jīng)有國(guó)內(nèi)產(chǎn)品投放市場(chǎng)的報(bào)道。因國(guó)內(nèi)尚無(wú)該類儀器的計(jì)量檢定手段,更沒(méi)有相應(yīng)的計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量檢定規(guī)程,所以引進(jìn)使用的儀器難免良莠不分。同時(shí)因?yàn)椴涣私庠擃悆x器的應(yīng)用條件和適用范圍,也不免存在盲目引進(jìn)和超范圍使用的問(wèn)題。如何辨別此類儀器的質(zhì)量和準(zhǔn)確度,建立此類儀器的計(jì)量檢定規(guī)程,是保證水量計(jì)量準(zhǔn)確性和建立國(guó)外儀器進(jìn)口和國(guó)內(nèi)儀器生產(chǎn)市場(chǎng)準(zhǔn)入制度急需解決的問(wèn)題。

1.2 是水文計(jì)量體系建設(shè)的需要

《中華人民共和國(guó)水文條例》規(guī)定“水文監(jiān)測(cè)所使用的計(jì)量器具應(yīng)當(dāng)依法經(jīng)檢定合格。水文監(jiān)測(cè)所使用的計(jì)量器具的檢定規(guī)程,由國(guó)務(wù)院水行政主管部門制定,報(bào)國(guó)務(wù)院計(jì)量行政主管部門備案?！?/p>

水文標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量體系不完善,水文監(jiān)測(cè)的流速要素就無(wú)法依照溯源體系溯源到國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),這不符合 《計(jì)量法》和 《水文條例》的對(duì)計(jì)量?jī)x器的監(jiān)管要求。完善水文計(jì)量體系是保證水文監(jiān)測(cè)和水文數(shù)據(jù)的法制性、溯源性、準(zhǔn)確性和一致性的需要。建立多普勒流速儀的檢定規(guī)程和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)一步完善水文計(jì)量組織體系,對(duì)促進(jìn)水利計(jì)量工作進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

1.3 是完善國(guó)家專業(yè)計(jì)量體系的重要組成部分

計(jì)量法律、法規(guī)體系具有鮮明的法制性、溯源性、準(zhǔn)確性和一致性特點(diǎn)。完整的國(guó)家計(jì)量體系應(yīng)包括以下三個(gè)主要組成部分,即:國(guó)家計(jì)量法律法規(guī)體系;國(guó)家計(jì)量行政管理體系;國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)和擁有各級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)機(jī)構(gòu)所構(gòu)成的量值溯源體系。國(guó)家專業(yè)計(jì)量站是國(guó)家計(jì)量體系的一個(gè)重要組成部分,其主要職責(zé):負(fù)責(zé)研究建立專業(yè)計(jì)量項(xiàng)目的最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行量值傳遞,執(zhí)行強(qiáng)制檢定和法律規(guī)定的其他檢定、測(cè)試任務(wù),并承擔(dān)有關(guān)計(jì)量科研測(cè)試,組織參與制定計(jì)量檢定規(guī)程,檢定方法,培訓(xùn)檢定人員等任務(wù)。現(xiàn)在水利水文行業(yè)的專業(yè)計(jì)量站還沒(méi)有建立,水文監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)不能溯源到國(guó)家基準(zhǔn) (或標(biāo)準(zhǔn))。建立聲學(xué)多普勒類流速儀的檢定規(guī)程和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),開展該類儀器計(jì)量檢定工作,這對(duì)于完善國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系有著重要的意義。

2 可行性分析

2.1 聲學(xué)多普勒流速儀工作原理

聲學(xué)多普勒儀器是利用多普勒頻移原理測(cè)定水體流動(dòng)速度。多普勒頻移是由于聲源與接受物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的。發(fā)射某頻率的聲波被一個(gè)移動(dòng)的物體所反射,就會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。聲學(xué)多普勒剖面流速儀是利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理測(cè)量水流速度剖面的儀器?？梢詼y(cè)量距離儀器一定范圍內(nèi)許許多多點(diǎn)流速及該范圍內(nèi)的平均流速。

多普勒流速剖面儀的換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波,被流動(dòng)水體中的顆粒物反射,會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。根據(jù)Fd=2Fs?v/c計(jì)算得出水相對(duì)于儀器沿著聲波方向移動(dòng)的速度。

Fd=2Fs?v/c

Fd——聲學(xué)多普勒頻移;

Fs—— 發(fā)射聲波的頻率;

V——顆粒物沿聲波方向的移動(dòng)速度;

C——聲波在水中的傳播速度。

2.2 聲學(xué)多普勒儀器測(cè)量數(shù)值

聲學(xué)多普勒流速儀分為:聲學(xué)多普勒點(diǎn)流速儀、固定式聲學(xué)多普勒流速剖面儀和走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀。

(1)聲學(xué)多普勒點(diǎn)流速儀,就是只采集水中某一點(diǎn)的流速。

(2)固定式聲學(xué)多普勒流速剖面儀采集的是某一區(qū)域水深的平均流速,計(jì)算得出流量。

(3)走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀是采集斷面的流速,和斷面不同位置的深度,計(jì)算得出斷面流量。

走航式多普勒儀器為了計(jì)算流量,在測(cè)量時(shí)進(jìn)行以下數(shù)據(jù)測(cè)量:的相對(duì)速度、船速、水深、船的航行軌跡。水流絕對(duì)速度,是由水的相對(duì)速度扣除船速可獲得。

2.3 檢定方法探討

(1)聲學(xué)多普勒點(diǎn)流速儀,只要檢測(cè)裝置內(nèi)的水體能良好的反射聲波,而且信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到被檢定儀器正常工作的范圍,就能通過(guò)檢定裝置的不同速度點(diǎn)的穩(wěn)定車速 (速度真值),同被檢儀器采集到的流速值比較,驗(yàn)證檢定出儀器的誤差范圍和性能。

(2)固定式多普勒流速剖面儀工作原理是通過(guò)水中雜質(zhì)反射回的聲波頻率變化,計(jì)算出流速和深度,從而計(jì)算流量。此類儀器是固定使用,采集參數(shù)除了溫度、水深和流速外,沒(méi)有其他影響流量數(shù)值大小的計(jì)算參數(shù)。此類儀器的檢定:流速參數(shù)檢定參考多普勒點(diǎn)流速儀;水深參數(shù)依照超聲波測(cè)深儀檢定原理檢定;其它水文參數(shù)可以在可調(diào)溫度的水箱內(nèi)檢定,所以在檢定固定式多普勒流速剖面儀是切實(shí)可行的。

(3)走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀參與流量計(jì)算的參數(shù):水跟蹤 V水、底跟蹤V船、水深H、航向和流向(偏角)。最終參與計(jì)算水的絕對(duì)流速V值是水跟蹤和底跟蹤等數(shù)值進(jìn)行的矢量合成值,由此絕對(duì)流速和所測(cè)斷面面積計(jì)算得出流量值。

在流速檢裝置能檢測(cè)水跟蹤值V水(水相對(duì)儀器的速度值),底跟蹤值V船、航向和流向,所以就能在水槽內(nèi)檢定水的絕對(duì)流速V的準(zhǔn)確性 。

在檢定裝置上安裝通過(guò)檢定的高精度羅經(jīng),用以判斷儀器監(jiān)測(cè)到的流向和儀器運(yùn)行方向的準(zhǔn)確性。

水深參數(shù)可以直接在水槽根據(jù)超聲波測(cè)深儀檢定原理檢測(cè)定。

通過(guò)以上列舉水跟蹤、底跟蹤、方向 (羅經(jīng)方位角)和水深參數(shù)的檢定,就能測(cè)定被檢走航式儀器的準(zhǔn)確度。

3 結(jié) 語(yǔ)

聲學(xué)多普勒類剖面流速儀的使用與所有的計(jì)量器具一樣,都是保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)與公共安全不可或缺的技術(shù)手段。水量計(jì)量作為水利行業(yè)技術(shù)監(jiān)督的重要組成部分,將成為調(diào)控 “水經(jīng)濟(jì)”的主要手段之一,開展聲學(xué)多普勒類剖面流速儀計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)的研究,全面提升水量的計(jì)量精度,保障測(cè)量量值的準(zhǔn)確統(tǒng)一,提升水量計(jì)量的管理能力和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的技術(shù)水平,這對(duì)更好的為防汛抗旱、水資源的合理配置、永續(xù)利用和科學(xué)管理,都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

根據(jù) 《水文條例》、《水法》、《計(jì)量法》和經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的要求,目前就迫切需要盡快出臺(tái)該類儀器的計(jì)量檢定規(guī)程,建立計(jì)量基準(zhǔn),研制開發(fā)檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置,完善我國(guó)水利計(jì)量體系。