水工與河工模型試驗計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比分析

劉 彧，徐 紅，齊 瑩，盛春花，宋小艷

(中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

1 研究背景

伴隨著經(jīng)濟全球化深入發(fā)展，中國作為世界水電大國和世界水電技術(shù)強國，參與到越來越多的水電行業(yè)國際合作項目中去，我國水電計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的國際化研究亟待加強。中國標(biāo)準(zhǔn)在國際上的影響力還不夠，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已成為我國水電工作對外技術(shù)交流和參與國際市場競爭的主要瓶頸之一，中國水電計量標(biāo)準(zhǔn)體系同國際接軌成為迫切需要[1]。

模型試驗是科學(xué)試驗中一項重要的研究方法和技術(shù)。運用水力學(xué)及河流動力學(xué)原理，水工與河工模型試驗在解決水電工程實際問題及科研方面，可彌補數(shù)學(xué)分析方法的不足，能夠節(jié)約大量人力、物力及時間，有著不可替代的作用。為保證模型試驗結(jié)果的準(zhǔn)確，保證試驗計量標(biāo)準(zhǔn)器具的量值準(zhǔn)確可靠尤為重要，而相關(guān)計量標(biāo)準(zhǔn)、量值溯源體系不斷完善就顯得十分必要且迫切。我國相關(guān)領(lǐng)域已建立了相對完善的檢定規(guī)程/校準(zhǔn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系，但仍有些儀器設(shè)備檢定規(guī)程/校準(zhǔn)規(guī)范處于空白，尤其是相應(yīng)的現(xiàn)場檢定規(guī)程/校準(zhǔn)方法。因此，需要解決目前相關(guān)領(lǐng)域計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題，為今后水電行業(yè)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制(修)訂提供建議，從而推動中國水電計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)國際化，提高中國水電技術(shù)的國際競爭力，為中國水電走向世界保駕護航。

2 水工與河工模型試驗計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比分析

水工和河工模型試驗的內(nèi)容涉及范圍較廣，常見的水工河工模型試驗涉及水位、波高、水壓、流速、流量和濃度(摻氣或挾沙)等。

2.1 主要儀器設(shè)備

常用的水工河工模型試驗儀器主要包括試驗用的水位計、波高儀、壓力計、流速儀、量水堰、流量計和濃度儀。

水位計：主要包括水尺(分為直立式、斜坡式、矮樁式三種)、電子水尺(分為觸點式和非觸點式電子水尺)、浮子式水位計(是我國應(yīng)用最多的水位計，分為日記、月記、季記式)、壓力式水位計(分為壓阻式和氣泡式壓力水位計)、超聲波水位計(分為液介式和氣介式超聲水位計)、雷達水位計、激光水位計、遙測水位計(編碼水位計)、跟蹤水位儀。

波高儀：主要包括常用的波高儀。

壓力計：主要包括液體壓力計、壓力傳感器(靜態(tài))、數(shù)字壓力計、浮球式壓力計、水壓力測量系統(tǒng)、拉壓力測量系統(tǒng)。

流速儀：主要包括轉(zhuǎn)子式流速儀(分為旋槳流速儀和旋杯流速儀)、電波流速儀、聲學(xué)流速儀(分為聲學(xué)時差法流速儀和聲學(xué)多普勒流速儀(ADV))、電磁點流速儀。

量水堰：主要包括常用的量水堰。

流量計：主要包括電磁流量計、超聲波流量計、差壓式流量計。

表1 我國現(xiàn)行有效水工及河工計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)清單

濃度儀：主要包括摻氣儀(主要包括電阻式摻氣濃度儀)、含沙量測量儀(主要包括γ射線型摻氣濃度儀、光電測沙儀)。

2.2 主要計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

共收集到我國現(xiàn)行有效的水工與河工計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)15項(SL 233—2016系列標(biāo)準(zhǔn)13項算為1項)見表1。

收集的我國水工與河工模型試驗15項檢定規(guī)程及校驗方法標(biāo)準(zhǔn)中，均未在標(biāo)準(zhǔn)文本或“規(guī)范性引用文件(或標(biāo)準(zhǔn))”中體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)、國外標(biāo)準(zhǔn)的等同采用或引用關(guān)系的情況[2]。標(biāo)準(zhǔn)類型分布見表2。

表2 水工與河工計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)類型分布表

2.3 主要計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比分析

由于水工與河工涉及到計量設(shè)備種類較多，適用范圍也不盡相同?，F(xiàn)按照涉及到的儀器，可分為水位計、波高儀、壓力計、流速儀、量水堰、流量計和濃度儀這7大類，分別做一比較分析。

收集的標(biāo)準(zhǔn)涉及試驗規(guī)程及檢定規(guī)程(校驗方法)兩大類，其中，試驗規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)僅在測量儀器具體章節(jié)對部分儀器的精度有一些要求，并未涉及具體的校驗方法。而檢定規(guī)程(校驗方法)標(biāo)準(zhǔn)則具體規(guī)定了儀器的技術(shù)要求、條件、方法、結(jié)果、周期、記錄格式及校驗證書等內(nèi)容，對不同儀器的不同特性，提供了具體檢定或校驗方法的操作指南，可供使用者或獨立的試驗機構(gòu)來進行儀器的檢定及校準(zhǔn)。

2.3.1水位計計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及分析

涉及水位計的標(biāo)準(zhǔn)有3項，詳見表3。3項標(biāo)準(zhǔn)中，除了儀器的計量性能要求、通用(一般)技術(shù)要求等常規(guī)規(guī)定外，針對不同儀器的特殊要求，對檢定/校準(zhǔn)項目及方法做出了不同規(guī)定，如性能檢定中浮子式水位計檢定主要包括靈敏閾、測量誤差、回差、重復(fù)性誤差、再現(xiàn)性誤差和計時誤差，超聲波水位計檢定主要包括測量誤差、盲區(qū)和重復(fù)性誤差，跟蹤式水位儀校驗主要包括跟蹤速度、靈敏閾、測量相對誤差與重復(fù)性和示值穩(wěn)定性。

2.3.2波高儀計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及分析

涉及到波高儀的有1項標(biāo)準(zhǔn)。系列標(biāo)準(zhǔn)中SL 233.3—2016《水工與河工模型試驗常用儀器校驗方法第3部分：波高儀》標(biāo)準(zhǔn)中，除了對一般技術(shù)要求、校驗項目及性能要求、校驗器具等技術(shù)要求做出具體規(guī)定以外，還對波高儀的非線性度校驗、零點漂移校驗、靈敏度穩(wěn)定性校驗和靈敏度(水)溫變校驗等校驗方法提供了具體的操作指南。

表3 水工與河工計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)適用范圍情況表-水位計

表4 水工與河工計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)適用范圍情況表-壓力計

2.3.3壓力計計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及分析

涉及到壓力計的有6項標(biāo)準(zhǔn)。詳見表4。6項檢定規(guī)程及校驗方法標(biāo)準(zhǔn)具體對液體壓力計、壓力傳感器(靜態(tài))、數(shù)字壓力計、浮球式壓力計以及水工河工模型試驗最常用的水壓力測量系統(tǒng)和拉壓力測量系統(tǒng)的校驗方法做出了說明。除了通用條款外，個性指標(biāo)主要包括工作用液體壓力計的外觀檢查、密封性檢定、示指檢定和零位變動量檢定；壓力傳感器(靜態(tài))的外觀檢查、檢定前準(zhǔn)備、密封性檢查、絕緣電阻檢定、零點漂移檢定、輸出值檢定、壓力傳感器工作直線的計算、傳感器技術(shù)指標(biāo)的計算、周期穩(wěn)定性的檢定以及檢定幾種不同類型壓力傳感器的要求(差壓傳感器、非線性傳感器、壓電式壓力傳感器、定溫度點使用的壓力傳感器)等；數(shù)字壓力計的外觀檢查、絕緣電阻檢定、零位漂移、穩(wěn)定性、示值誤差、回程誤差檢定、附加功能檢定等；浮球式壓力計的外觀檢查、砝碼和砝碼架檢查、浮球工作的穩(wěn)定性檢查、垂直度檢定、浮球有效面積檢定、鑒別力檢定、氣源變化影響、專用砝碼及砝碼架(含浮球)質(zhì)量檢定、浮球有效面積周期變化率檢定等；水壓力和拉壓力測量系統(tǒng)兩部分的非線性度與重復(fù)性校驗、零點漂移校驗、靈敏度穩(wěn)定性校驗。

2.3.4流速儀計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及分析

涉及到流速儀的有4項標(biāo)準(zhǔn)。詳見表5。除了通用條款外，個性指標(biāo)主要包括轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定/校準(zhǔn)速度范圍、起轉(zhuǎn)速度、臨界速度、水利螺距、儀器常數(shù)、檢定/校準(zhǔn)公式的a、b值、檢定/校準(zhǔn)公式的使用范圍、全線相對均方差或各速度級相對誤差；旋槳流速儀的計數(shù)(計時)器誤差校驗、旋槳起轉(zhuǎn)流速校驗和測量相對誤差校驗等，聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)的X向、Y向和Z向的測量相對誤差和重復(fù)性校驗等校驗方法。2項轉(zhuǎn)子流速儀相關(guān)規(guī)定部分有交叉重復(fù)。

2.3.5量水堰計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及分析

涉及到量水堰的有1項標(biāo)準(zhǔn)。系列標(biāo)準(zhǔn)中SL 233.8—2016《水工與河工模型試驗常用儀器校驗方法第8部分：量水堰》標(biāo)準(zhǔn)中，除了對一般技術(shù)要求、校驗項目及性能要求、校驗器具等技術(shù)要求做出具體規(guī)定以外，還對量水堰的粗糙度校驗、尺寸校驗、水平度校驗、鉛直度與垂直度校驗以及流態(tài)檢查等校驗方法提供了具體的操作指南。

表5 水工與河工計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)適用范圍情況表-流速儀

表6 水工與河工計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)適用范圍情況表-流量計

2.3.6流量計計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及分析

涉及到流量計的有8項標(biāo)準(zhǔn)，詳見表6。除了通用條款外，個性指標(biāo)主要包括壓差式流量計的幾何檢測法、系數(shù)檢測法、示值誤差檢測法等校驗方法的具體要求；超聲流量計的外觀標(biāo)識、密封性、流量計參數(shù)、示值誤差、重復(fù)性、流量計系數(shù)修正、雙向測量流量計、外夾式流量計、幾何參數(shù)、計時系統(tǒng)分辨力檢查、計時系統(tǒng)延時、流量計零流量實驗、流速計算功能檢查、積分方法檢查等檢定校準(zhǔn)項目；電磁流量計的外觀標(biāo)識、密封性、相對示值誤差(或引用誤差)、重復(fù)性校驗等項目及標(biāo)準(zhǔn)表法、電參數(shù)法等校驗方法。

2.3.7濃度儀計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及分析

涉及到流量計的有3項標(biāo)準(zhǔn)，詳見表7。除了通用條款外，個性指標(biāo)主要包括電阻式摻氣濃度儀的電極傳感器校驗、示值偏差校驗和零點漂移校驗等；γ射線型摻氣濃度儀和光電測沙儀的測量相對誤差校驗以及測量重復(fù)性校驗等。

3 結(jié)論與建議

我國水工與河工模型試驗相關(guān)計量檢定規(guī)程/校準(zhǔn)規(guī)范存在有些標(biāo)準(zhǔn)交叉重復(fù)、制修訂滯后、標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量有待進一步提高等標(biāo)準(zhǔn)化共性問題，具體體現(xiàn)在以下方面：

表7 水工與河工計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)適用范圍情況表-濃度儀

(1)檢定/校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)缺位

目前，我國水電行業(yè)已建立了相對完善的檢定規(guī)程/校準(zhǔn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系[3- 4]，但仍有些儀器設(shè)備檢定規(guī)程/校準(zhǔn)規(guī)范處于空白，且未對水工和河工模型試驗中常用的儀器全范圍覆蓋，如部分常用儀器的相應(yīng)的現(xiàn)場檢定規(guī)程/校準(zhǔn)方法，導(dǎo)致有些儀器設(shè)備雖已頒布檢定規(guī)程/校準(zhǔn)規(guī)范，仍無法滿足現(xiàn)場規(guī)程/校準(zhǔn)的需求[5- 6]。目前有些水電行業(yè)使用的行業(yè)專用儀器設(shè)備的校驗規(guī)程仍存在標(biāo)準(zhǔn)缺位，導(dǎo)致其量值無法溯源至國家基準(zhǔn)[7- 8]。建議制定的8項水工與河工模型試驗計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)清單見表8。

表8 我國缺失水工與河工模型試驗計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)清單

(2)標(biāo)準(zhǔn)交叉重復(fù)

少數(shù)水電計量檢定/校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)存在標(biāo)準(zhǔn)間的交叉重復(fù)，且不同標(biāo)準(zhǔn)對檢定規(guī)程及校驗方法的要求深淺也有所不同[9]，如流速儀的檢定規(guī)程有JJG(水利)001—2009《轉(zhuǎn)子式流速儀》、GB/T 21699—2008《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準(zhǔn)方法》；流量計的檢定規(guī)程有超聲流量計JJG 1030—2007《超聲流量計檢定規(guī)程》、JJF 1358—2012《非實流法校準(zhǔn)DN1000～DN15000液體超聲流量計校準(zhǔn)規(guī)范》及SL 233.10—2016《水工與河工模型試驗常用儀器校驗方法第10部分：超聲流量計》，電磁流量計JJG 1033—2007《電磁流量計檢定規(guī)程》、CJ/T 364—2011《管道式電磁流量計在線校準(zhǔn)要求》及SL 233.9—2016《水工與河工模型試驗常用儀器校驗方法第9部分：電磁流量計》。

(3)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定不明確

國家計量檢定規(guī)程是國家的計量技術(shù)法規(guī)，它的作用是規(guī)范和指導(dǎo)關(guān)系國計民生的計量檢定工作，其重要性不言而喻，因此，計量檢定規(guī)程在制定過程中應(yīng)考慮全面[10]?，F(xiàn)有部分計量標(biāo)準(zhǔn)對個別技術(shù)指標(biāo)未作出具體規(guī)定，且有些計量標(biāo)準(zhǔn)在計量性能要求、計量標(biāo)準(zhǔn)器選擇以及檢定方法的選取等方面的規(guī)定與實際使用情況不太相符，導(dǎo)致計量標(biāo)準(zhǔn)的可操作性和實施效果不太理想。

在國內(nèi)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)日臻完善和國外水工與河工模型試驗計量標(biāo)準(zhǔn)相對缺失的情況下，未來可對相關(guān)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)及缺失標(biāo)準(zhǔn)進行相應(yīng)補充，為我國水電領(lǐng)域相關(guān)計量標(biāo)準(zhǔn)“走出去”奠定基礎(chǔ)。