水流速装置比对传递标准的评价方法研究.pdf
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1、引用格式:引用格式:周书恺,刘源,胡鹤鸣,等.水流速装置比对传递标准的评价方法研究J.中国测试,2024,50(3):90-96.ZHOUShukai,LIUYuan,HUHeming,etal.ResearchontheevaluationmethodoftransferstandardforthemeasurementcomparisonofwatervelocitydeviceJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(3):90-96.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022020001水流速装置比对传递标准的评价方法研究周书恺1,2,刘
2、源2,胡鹤鸣2,刘铁军1,谢代梁1(1.中国计量大学,浙江杭州310018;2.中国计量科学研究院,北京100029)摘要:水流速装置是各式流速仪的检定校准装置,为考察各实验室装置量值复现的准确性,可实施装置间的计量比对。拟选用两台测速原理不同的流速仪作传递标准,针对仪器的测量重复性、长期稳定性和安装条件等在传递过程中会对比对结果产生影响的因素开展实验,并完成测量结果不确定度评定。在规定的考察时间和流速范围内,两台新流速仪做相同流速点测试实验。LS1206B 转子式流速仪在测试中测量重复性保持在 0.1%以下,稳定性在 0.5%范围内,较之于 Vector 性能表现更好;LS1206B 的水力
3、螺距测量不确定度在高流速下更小,其不确定度主要来源有标准装置引入的流速不确定度、测量重复性引入的不确定度和仪器安装偏角引入的不确定度;若实际安装时偏角较大,会严重影响测量结果进而影响比对结果。另一台 Vector 声学多普勒流速仪在良好的信噪比环境下,重复性和稳定性都在 1%以内,其不确定度来源有装置引入的流速不确定度和测量重复性引入的不确定度。关键词:水流速装置;计量比对;传递标准;不确定度评价中图分类号:P335;TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)03009007Research on the evaluation method of transfer standa
4、rd for the measurementcomparison of water velocity deviceZHOUShukai1,2,LIUYuan2,HUHeming2,LIUTiejun1,XIEDailiang1(1.ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China;2.NationalInstituteofMetrology,Beijing100029,China)Abstract:Thewatervelocitydeviceisaverificationandcalibrationdeviceforvariousflowmeters.In
5、ordertoexamine the accuracy of the reproduction of the measurement values of various laboratory devices,themeasurementcomparisonbetweenthedevicescanbeimplemented.Itisplannedtoselecttwoflowmeterswithdifferent velocity measurement principles as the transfer standard,and carry out experiments for theme
6、asurementrepeatability,long-termstabilityandinstallationconditionsoftheinstrumentswhichwillaffecttheresultsduringthetransferprocess,andcompletetheuncertaintyassessmentofthemeasurementresults.Withinthespecifiedinspectiontimeandflowraterange,thetwonewflowmetersweretestedatthesameflowratepoint.Themeasu
7、rementrepeatabilityofLS1206Brotorflowmeteriskeptbelow0.1%,andthestabilityiswithin0.5%,whichisbetterthanVector;theLS1206Bshydraulicpitchmeasurementuncertaintyissmallerathighflowrates,andthemainsourcesofitsuncertaintyaretheuncertaintyoftheflowvelocityintroducedbythestandarddevice,theuncertaintyintrodu
8、cedbythemeasurementrepeatabilityandtheuncertaintyintroduced收稿日期:2022-02-03;收到修改稿日期:2022-04-13基金项目:国家重点研发计划(2017YFC0405705)作者简介:周书恺(1996-),男,浙江金华市人,硕士研究生,专业方向为水流速校准。通信作者:胡鹤鸣(1980-),男,河北衡水市人,副研究员,博士,研究方向水流量和水流速校准。第50卷第3期中国测试Vol.50No.32024年3月CHINAMEASUREMENT&TESTMarch,2024bytheinstallationdeclinationof
9、theinstrument;ifthedeclinationanglebetweeninstrumentandwaterflowislarge during the actual installation,it will seriously affect 14the measurement results and then affect thecompareresults.AnotherVectoracousticDopplervelocimeterhasrepeatabilityandstabilitywithin1%inagoodsignal-to-noiseratioenvironmen
10、t.Thesourcesofitsuncertaintyaretheuncertaintyoftheflowrateintroducedbythedeviceandtheuncertaintyintroducedbytherepeatabilityofthemeasurement.Keywords:watervelocitydevice;measurementcomparison;transferstandard;uncertaintyevaluation0 引言流速仪是常用的水文计量器具,对其进行校准和检定是保证现场测量结果准确性的重要方法。目前国内水利、海洋和计量部门都建有水流速装置开展流
11、速仪检定校准工作,装置原理都采用静水拖曳法,即直线水槽内的水体基于理想静水假设,拖车携带流速仪划过水面,车速作标准流速,最终结合流速仪的实测流速值完成检定校准工作。但大多数装置在长期使用后缺乏维护和校准,容易导致流速仪的检定校准精度下降1-3。为解决上述问题,可通过水流速装置间的计量比对来考察各实验室装置量值复现的准确性及各实验室多方面的实际水平和能力。计量比对是指在规定条件下,对计量标准所复现的相同量值进行比较、分析和评价的过程4。比对前期主导实验室需要完成大量技术准备工作,其中就包括选取稳定、可靠的流速仪作传递标准,针对传递标准的稳定性、重复性等在传递过程中对比对结果有影响的因素开展相关实
12、验,并有合理的不确定度评定方法5-7。根据流速仪的测速原理,可将众多门类的流速仪大致分成两大类。一类是根据机械转子转率测算流速的机械式流速仪,一般还配备脉冲测量仪(或称计时计数器),目前应用最多的机械式流速仪是转子式流速仪8。转子式流速仪现行校准规范要求出具的校准结果是一条表征流速仪转率与标准流速线性关系的直线,直线公式为 v=a0+b0n,其中系数a0为仪器常数;b0为水力螺距常数2-3。虽然该校准方法较为便捷,但低流速范围内的示值误差往往偏大。HUBBARDEF 在美国地质勘探局(USGS)的报告中给出,PriceAA 和 PricePygmy 型流速仪采用此校准方法在标准流速大于 0.5
13、m/s 时示值误差小于1%,但速度越小示值误差越大,在 0.1m/s 以下时甚至能够达到6%9。这种低流速下水力螺距改变带来的偏差,是线性法的主要误差来源。分段线性法能够在一定程度上抑制这种计算误差。瑞士国家计量院(METAS)对 OTT-C2 型流速仪校准报告中给出,在 802000mm/s 速度范围分 3 段后相对误差可以控制在 1%以内。而在 USGS 报告中,SAUERVB 等还指出流速仪的入水深度、水平安装角度偏转等都是测量结果的误差来源10。此外,瑞士计量院(METAS)在大型水槽中进行转子式流速仪实验时发现,每次拖曳后静置 5min 和 25min的测量结果重复性相差 0.5%,
14、说明静置后的“理想静水”并不理想11。选用转子式流速仪作传递标准时,为避开线性法带来的偏差,可将直接代表仪器性能的水力螺距作为参考值的量值。与机械式流速仪测速原理不同的另一类流速仪可统称为电子式流速仪,如基于超声时差法的超声时差式流速仪和基于多普勒频差法的声学多普勒流速仪。虽然该类流速仪一体性更好,但其测量结果易受环境因素影响。朱云龙等发现仪器测量时水体内的声学反射材料不足会导致声学多普勒流速仪的信噪比强度较弱,严重影响仪器测速结果的重复性和准确性12。美国地质勘探局 2013 年曾组织过一次水流速装置的国际比对,其中就选用了两台声学多普勒流速仪作传递标准,一台 SontekFlowTrack
15、er 和一台 OttADC,比对结果显示流速低于 0.5m/s 时各实验室测量结果的示值误差有较大区别,达到 2%10%,初步分析可能是与拖车低速时的稳定性、声学反射材料浓度等因素有关13。本文拟用一台 LS1206B 型转子式流速仪和一台 Vector 声学多普勒流速仪作为比对的传递标准,对两款流速仪的稳定性、重复性、仪器安装条件等在传递过程中对比对结果有影响的因素开展相关实验,并给出合理的修正和不确定度评定方法14。1 水流速装置及其传递标准1.1 水流速装置本实验室自主研究建立了一套静水拖曳法水流速标准装置,装置水槽全长 8m、宽 1.2m、深 1.2m,拖曳速度范围在 12m/s。装置
16、拖车固定在轨道的第50卷第3期周书恺,等:水流速装置比对传递标准的评价方法研究91传送带上,电机牵引传送带运动。拖车左侧安装的光电传感器在经过轨道边间断布置的挡片时,可产生脉冲信号,两挡片间为一测量单元,如图 1。轨道末尾安装的激光干涉仪根据挡片脉冲可确定两挡板的间距,拖车上的脉冲间隔测量仪确定两脉冲的间隔时间,最终得到单个测量单元的平均车速。根据拖车单次运动过程,轨道全长可被截为三段加速段、稳定段和减速段,每段都包含多个测量单元,一般将稳定段的车速作为标准流速。脉冲间隔时间 t光电触发脉冲转子触发脉冲T1T2N 个整周期单周期 T图 1 静水拖曳法水流速标准装置的测量单元激光干涉仪和脉冲间隔
17、测量仪作为长度测量和时间测量的标准器,两标准器的不确定度分别是0.5m 和 1.2s。同时脉冲测量仪还可测量转子式流速仪在一测量单元内的小数脉冲个数,测算其转率。1.2 传递标准流速仪是比对水流速装置的传递标准。为确保在比对过程中传递标准的可靠性,完成传递标准测量准确性、重复性和稳定性的性能评估,为比对提供数据支持。本文选择了一台 Vector 声学多普勒流速仪(如图 2(a))和一台 LS1206B 型转子式流速仪(如图 2(b))。LS1206B 型转子式流速仪,属机械式流速仪,其转子旋转一圈产生两个脉冲触发信号,通过脉冲间隔测量仪测量脉冲信号之间的时间间隔,得到流速仪转子当前转率。根据装
18、置测量单元内的平均车速和 LS1206B 的转率,得到当前流速下流速仪的水力螺距。若以转子式流速仪为比对传递标准,则将其水力螺距值作为比对参考值。声学多普勒流速仪是基于多普勒效应原理,依据流速仪发射与接受的超声波频率的变化实现流速测量。流速计算公式如式(1),f 是超声波发射频率,f是接受频率,v是超声波在水中的速度,vs是流速仪与水之间的相对流速,即流速测量结果:f=vvvsf(1)根据本实验室以往经验,在信噪比大于 15dB时,声学多普勒流速仪的采样数据重复性较好。Vector 的测试一直在信噪比强度(2035dB)的环境下进行,并统一设置采样频率为 16Hz,用其配备的软件采集测速结果。
19、若以 Vector 声学多普勒流速仪为比对传递标准,则将其流速值作为比对参考值。为观察两款流速仪在标准流速范围 0.12m/s 下的仪器性能,选择多个流速点实验。LS1206B 在不同流速下水力螺距变化如图 3。实验发现 LS1206B 低流速时水力螺距受内摩阻等影响变化较大,但在达到一定的流速后 LS1206B 的水力螺距逐渐趋于稳定。而 Vector 的实际流速测量值与标准流速间的相对误差稳定在0.5%,如图 4,符合其宣称测量精度。00.51.01.52.0115120125130135140145150155水力螺距/(mmr1)标准流速/(ms1)图 3 LS1206B 不同流速水力
20、螺距变化图2 传递标准测试作为比对的前期技术工作,主导实验室需要针对传递标准的稳定性、重复性等在传递过程中对比对结果有影响的因素开展实验。2.1 重复性为对两款流速仪的重复性进行研究,每台流速仪都选择数个标准流速点,由低速向高速的顺序进行拖曳实验,同一速度点进行重复性实验,计算相同流速点多次实验结果的变异系数(RSD)。式(2)为其计算公式,是标准差与平均值之比,该值有兼(a)声学多普勒流速仪(b)LS1206B 型转子流速仪图 2 选用的流速仪92中国测试2024年3月顾重复性和仪器精密度的作用15。RSD=(2)图 5 是两台流速仪多流速点下 RSD 数值变化图,LS1206B 的水力螺距
21、测量结果在各流速点重复性表现稳定且该仪器目前精密度高;Vector 测速结果的重复性和精密度表现则明显差于 LS1206B。0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.200.10.2 LS1206B Vector标准流速/(ms1)LS1206B 的 RSD/%00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.5Vector 的 RSD/%图 5 LS1206B 和 Vector 多流速点测量结果的 RSD2.2 稳定性稳定性是比对结果计算不可或缺的一部分。为测试两台仪器的长期稳定性,在数月内对两台流速仪进行周期
22、测试,每次测试都选择固定的流速点,同一流速点重复实验,由低速至高速顺序进行拖曳实验,最终将两台流速仪多周期每个流速点的测量结果最大值与最小值之间的变化幅度评价为LS1206B 和 Vector 的稳定性,数据结果如图 6。由于装置内水温较难直接控制,数月的测试中实验室装置水温约有 5的浮动,温度对仪器的影响作为仪器稳定性的一部分。在标准流速高于 300mm/s 时,LS1206B 水力螺距测试结果的变化幅度小于 0.2%。而 Vector 在稳定性测试周期内,多流速点下的测量结果的变化幅度都在 1%左右。2.3 安装条件目前各式流速仪的校准规范中,流速仪的校准结果都未考虑引入安装条件这一不确定
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- 水流 装置 传递 标准 评价 方法 研究
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