轉(zhuǎn)子式流速儀精簡檢定方法研究

□李曉璐 胡躍華

轉(zhuǎn)子式流速儀因其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、價格低廉、適于水質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的河流，備受水文工作者的青睞，而被廣泛應(yīng)用于明渠河道流速的測定計算中；但轉(zhuǎn)子式流速儀使用頻繁且應(yīng)用環(huán)境較為惡劣，為保障測量誤差滿足測量要求，轉(zhuǎn)子式流速儀需定期被送到水文儀器計量檢定部門進行檢定/校準，合格后方能繼續(xù)使用。

1.研究目的及意義

依據(jù)《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準方法》（GB/T 21699-2008）標準規(guī)定，擬合流速儀直線公式需要的測點數(shù)一般共計12～16 個。當(dāng)前轉(zhuǎn)子式流速儀檢定測點多、檢定過程冗雜，若遇到因檢定不合格需多次維修重新檢定的情況，檢定效率更會降低，因此尋求簡化轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定方法來提高檢定工作效率、滿足檢定需求是十分緊迫和必要的。

2.研究內(nèi)容及技術(shù)路線

依據(jù)《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準方法》（GB/T 21699-2008）標準規(guī)定，在全部測速適用范圍內(nèi)，用一個直線方程作為檢定/校準結(jié)果。華北水文儀器檢測中心經(jīng)過研究，探索性地提出是否能夠采用較少的檢定測點數(shù)，擬合出滿足流速儀性能參數(shù)的直線方程，同時使測驗精度達到規(guī)范要求，進而極大提高流速儀檢定效率。

研究技術(shù)路線：一是標準流速儀用于標準檢定水槽及各檢定水槽之間的相互比對，因不用于其他用途，具備儀器工藝穩(wěn)定、工裝完善、質(zhì)量可靠的特點。華北水文儀器檢測中心采用旋槳式（LS25-1 型）標準流速儀為典型樣本對檢定/校準資料進行分析計算，得出最優(yōu)精簡的點數(shù)。二是精簡檢定結(jié)論由旋槳式流速儀（LS25-1 型）推廣到旋杯式流速儀（LS68 型），并進行分析驗證。三是對同一架流速儀在不同時間、不同水槽中的檢定結(jié)果進行精簡和未精簡的參數(shù)對比，分析精簡后參數(shù)計算的可靠性。

接下來主要從選取確定精簡后的檢測點數(shù)、精簡后不同方法比較、驗證最優(yōu)方法的推廣性等3 方面進行研究。

2.1 選取精簡檢測點數(shù)

采用枚舉法進行點數(shù)精簡。針對精簡為哪幾個點，首先為較大程度上解決相鄰點位數(shù)據(jù)相關(guān)性大所造成的擬合普遍性低的問題，采用按照速度級別同時分別精簡的方式，將所有待精簡的數(shù)據(jù)按速度高低分成3 個級別;其次，考慮到“一點法”和“兩點法”在確定直線過程中必然會出現(xiàn)擬合問題，導(dǎo)致直線并不能準確代表測點的實際趨勢，故將最低精簡數(shù)量考慮為3 個;最后，考慮到原始檢定測點數(shù)普遍為14 個左右，且各速度級測點數(shù)較為平均，為4～5 個，故精簡至各速度級的測點數(shù)也平均分配，按照每個速度級取小于4 個點的3個、2 個和1 個逐級進行精簡分析，使測點各速度級代表性一致，不會產(chǎn)生直線方程偏向某一速度級的問題。

2.2“九點法”“六點法”和“三點法”綜合比較

“九點法”“六點法”和“三點法”意即精簡后的點數(shù)為9 個、6 個和3 個，即流速儀一次檢定結(jié)果在每個速度級取3 個、2 個和1 個，即可由12～16 個計算點精簡為最終目標9 個、6 個和3 個。將各種取點方式在各個速度級進行全排列后，“九點法”取點組合共320 組，“六點法”取點組合共540 組，“三點法”取點組合共96 組。最后，對取點進行最小二乘法擬合出相應(yīng)數(shù)量直線方程的參數(shù)a、b，并分別計算這些a、b 值所產(chǎn)生的全線相對均方差m 值。

其中檢定公式為：

式中：

v—流速；

a—儀器常數(shù)；

b—水力螺距；

n—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)率（轉(zhuǎn)子總轉(zhuǎn)數(shù)N 與相應(yīng)測速歷時T 之比，即n=N/T）。此公式同樣為轉(zhuǎn)子式流速儀應(yīng)用中的現(xiàn)實流速計算公式。

用檢定點（vi，ni)擬合檢定公式時，要采用最小二乘法計算a、b 值，即

式中：

N—計算點數(shù)。

全線相對均方差用m 表示，計算公式如下：

式中：

v—流速儀實測轉(zhuǎn)率n 代入檢定公式“v=a+bn”計算的速度；

vi—流速儀檢定車車速；

N—計算點數(shù)。

選擇型號為LS25-1 型，儀器編號為“730714”檢定過的一組合格數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析。

通過“三點法”計算出的水力螺距b最大值為0.259，最小值為0.251，均符合《JJG(水利)001-2009 轉(zhuǎn)子式流速儀檢定規(guī)程》要求。儀器常數(shù)a 介于0.004～0.010 之間的有67 組，占所有數(shù)據(jù)的70%。全線相對均方差m 最大值為±3.49%，最小值為±1.04%，其中介于±1.5%之間的有81 組，占比84%。其中儀器常數(shù)a 符合要求的數(shù)組，全線相對均方差m 全部符合要求。

通過“六點法”計算出的水力螺距b最大值為0.257，最小值為0.253，均符合《JJG(水利)001-2009 轉(zhuǎn)子式流速儀檢定規(guī)程》要求。儀器常數(shù)a 介于0.004～0.010 之間的有536 組，占所有數(shù)據(jù)的99.3%。全線相對均方差m 最大值為±1.38%，最小值為±0.91%，全部介于±1.5%之間。

通過“九點法”計算出的水力螺距b最大值為0.256，最小值為0.254，均符合《JJG(水利)001-2009、轉(zhuǎn)子式流速儀檢定規(guī)程》要求。儀器常數(shù)a 全部介于0.004～0.010 之間。全線相對均方差m最大值為±1.66%，最小值為±0.80%，其中 介 于±1.5% 之 間 的 有276 組，占 比86%。其中儀器常數(shù)a 符合要求的數(shù)組，全線相對均方差m 全部符合要求。

分別計算最優(yōu)精簡點位的誤差，結(jié)果：“九點法”在1.05%左右，“六點法”在1.10%左右，“三點法”則在1.25%左右。均符合流速儀比測時其檢定/校準值允許誤差≤1.5%的要求。轉(zhuǎn)子式流速儀在檢定/校準時，完全可以在滿足標準要求時進行測點的精簡，但為最大程度提高工作效率，采用“三點法”為宜。

2.3 驗證“三點法”的可推廣性、可靠性、實用性

鑒于轉(zhuǎn)子式流速儀包括旋槳式流速儀和旋杯式流速儀，該研究將“三點法”檢定由旋槳式流速儀代表（LS25-1型）推廣至旋杯式流速儀代表（LS68型）進行分析驗證。

通過對同一架流速儀在不同時間、不同水槽中的檢定精簡和未精簡情況下所得參數(shù)b 進行對比，以標準流速儀多次檢定后的b 值允許誤差不大于1.5%作為參考依據(jù)，驗證“三點法”檢定擬合出的直線公式是否可用。

在華北水文儀器檢測中心、南京東部水文儀器檢測中心和西部水文儀器檢測中心隨機選取了若干架LS25 型流速儀進行了144 次精簡檢定，選取了若干架LS68 型流速儀進行了73 次精簡檢定，并分析了這共計217 次精簡后擬合出的參數(shù)b 與精簡前直線公式中參數(shù)b的誤差，結(jié)果均小于1.5%，說明了轉(zhuǎn)子式流速儀“三點法”檢定法具備可推廣性、可靠性和實用性。

3.結(jié)論及建議

華北水文儀器檢測中心經(jīng)摸索實驗和大量數(shù)據(jù)分析，選定了轉(zhuǎn)子式流速儀檢定測點數(shù)簡化為3 個，按照最小二乘法擬合檢定公式中儀器常數(shù)a、水力螺距b 兩個參數(shù)，再結(jié)合全線相對均方差m 確定了取點位置?！叭c法”檢定在南京東部水文儀器檢測中心和西部水文儀器檢測中心也進行了試應(yīng)用，精簡后參數(shù)b 誤差均小于1.5%，結(jié)論可信，具有推廣價值。

后續(xù)經(jīng)進一步實驗，可以申請修訂檢測標準，改變檢測方法，有望大幅提升轉(zhuǎn)子式流速儀的檢測效率，并取得顯著的社會效益和經(jīng)濟效益?！?/p>