李志飛，栗克國，劉 琨

（交通運輸部 天津水運工程科學(xué)研究院，天津 300456）

我國是一個擁有廣泛水利資源的國家，水運工程、水文監(jiān)測、環(huán)境治理及工業(yè)生產(chǎn)關(guān)系到國民經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展。在水文信息中，水流流速是確定水流運動特性的基本參量，是一個重要的計量參數(shù)。因此，流速儀的精準測量關(guān)系到水文信息的準確性，故要求定期對流速儀進行計量標定，重新確定其性能。傳統(tǒng)檢定裝置采用直流電機動力驅(qū)動、人員跟隨等方式檢定流速儀，使流速儀出現(xiàn)檢定數(shù)據(jù)誤差大、操作步驟麻煩等現(xiàn)象。本裝置依托于2.4 G無線、PLC控制、步進細分等技術(shù)，使檢定車進行遠程控制、精確調(diào)速和移位，同時采用通用計數(shù)量值溯源通過頻率計數(shù)器為流速儀量值溯源和計量檢定奠定技術(shù)基礎(chǔ)，保證流速儀在水文測量過程中數(shù)據(jù)的精準度[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

依據(jù)《直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速檢定/校準方法》，流速儀檢定要求采用靜水槽法，即流速儀固定在移動的檢定車下方，使檢定車在鋼軌上按照給定的速度往復(fù)運動，根據(jù)相對運動的原理通過檢定車的運動來模擬水流對流速儀的沖擊作用，從而完成對流速儀的檢定工作。系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)如圖1所示，工程復(fù)雜，涉及技術(shù)面廣[2]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

整個系統(tǒng)大致可劃分為流速儀檢定水槽及導(dǎo)軌設(shè)計；流速儀計量檢定裝置設(shè)計；流速儀信號檢測系統(tǒng)設(shè)計；曲線擬合算法模型設(shè)計。本文針對流速儀計量檢定裝置的研制、應(yīng)用進行詳細論述，包括檢定車控制和流速儀溯源兩部分。檢定車控制由上位機參數(shù)給定，通過遠程無線、PLC邏輯運算、步進電機驅(qū)動、激光測距PID反饋實施，控制示意圖如圖2所示。流速儀溯源是由已通過國家檢定的鋼尺定距離安裝定位點，通用計數(shù)器采集光柵槽經(jīng)過每個定位點的脈沖，計算、記錄定位點之間時間周期，通過v=s/t重復(fù)計算當前速度。

圖2 檢定車控制示意Fig.2 Schematic diagram of verification car control

目前，流速儀計量檢定裝置完成《直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速檢定/校準方法》所要求的各項指標，最大運行速度2.0 m/s，精度0.001 m/s。其裝置的應(yīng)用為建立流速儀計量檢定標準提供技術(shù)支撐[3]。

2 裝置硬件設(shè)計

2.1 流速儀安裝裝置設(shè)計

目前，流速儀依據(jù)工作原理分多種傳感器，如直桿感光旋槳式、機械葉輪式、超聲多普勒式等，這些流速儀檢定流速時受水深和流向影響最大，而水深影響最為復(fù)雜，即愛潑爾效應(yīng)。檢定時，流速儀隨檢定車向前運行產(chǎn)生的水面波會使相對速度減小，隨著移動速度增加，水面波傳播速度也增加，當速度到達一臨界值時水面波傳播速度也到達該值，這個臨界速度取決于水深。即：

式中：Vc為臨界速度，m/s；g 為重力加速度，9.8 m/s2；d為水深，m。

為了測試V＜Vc臨界值，本檢定車裝置根據(jù)流速儀結(jié)構(gòu)不同設(shè)計多種安裝方式，包括計量架、同步升降機等，兩者同時可檢定水深和流向?qū)α魉俚挠绊?。如計量架主要檢定長桿一類流速儀。通過升降流速儀和翻轉(zhuǎn)計量架，改變流速儀水深和相對流速方向。計量架結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，計量架承重為5 kg；翻轉(zhuǎn)方式為手動/自動；升降角度為0～90°（垂直為 0°）；計量架震動：≤2 mm@2 m/s；檢定數(shù)量為8支。

圖3 計量架示意Fig.3 Sketch map of measuring rack

2.2 檢定車控制設(shè)計

2.2.1 檢定車驅(qū)動選型

動力驅(qū)動是保證計量檢定車控制精確定位和定速運行的基礎(chǔ)，是計量檢定裝置必要前提。包括電池組和混合式步進電機。

電池組采用可重復(fù)充電的酸堿蓄電池，工作容量共300 A·h，保證裝置長時間遠程無線運行。

混合式步進電機綜合反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好、步距角小、效率高，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。本動力驅(qū)動的設(shè)計目的注重整套裝置的有機結(jié)合，利用以下公式選擇合適的步進電機：

（1）計算齒輪的減速比，根據(jù)所要求脈沖當量，齒輪減速比i計算如下：

式中：φ 為步進電機的步距角，（°）/脈沖；S 為絲桿螺距，mm；Δ為每次脈沖螺距行進距離，mm/脈沖。

（2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt為

式中：Jt為折算至電機軸上的慣量，kg·cm·s2；J1，J2為齒輪慣量，kg·cm·s2；Js為絲桿慣量，kg·cm·s2；W為工作臺重量，N；S為絲桿螺距，cm。

（3）計算電機輸出的總力矩M為

式中：Ma為電機啟動加速力矩，N·m；Jm，Jt為電機自身慣量與負載慣量，kg·cm·s2；n為電機所需達到的轉(zhuǎn)速，r/min；T 為電機升速時間，s；Mf為導(dǎo)軌摩擦折算至電機的轉(zhuǎn)矩，N·m；u為摩擦系數(shù)；η為傳遞效率；Mt為切削力折算至電機力矩，N·m；Pt為最大切削力，N。

（4）負載起動頻率估算，其估算公式為

式中：fq為帶載起動頻率，Hz；fq0為空載起動頻率，Hz；Ml為起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩，N·m。

即選用轉(zhuǎn)矩50N·m，步距角1.2°混合式步進電機。

2.2.2 檢定車功能設(shè)計

檢定車以PLC 200 CPU為邏輯控制核心，通過數(shù)據(jù)通訊端口將上位機、遙控信號、步進電機、測距傳感器等設(shè)備連接一起組成控制單元[4]。

采用西門子E1000觸摸屏作為上位機，編制有工作狀態(tài)監(jiān)測、控制方式和模式、參數(shù)設(shè)置和手動操作等功能，界面如圖4所示。其中控制方式包括本地、遠程，控制模式包括定位、定速。定速模式中加速時間t為

利用 2.4 G發(fā)射機和 MODEL：CK-RM04型 4通道接收機通過不同頻率和脈寬信號遠程遙控檢定車的運行狀態(tài)，有效距離100 m。

圖4 控制界面Fig.4 Control interface

測距傳感器在定位模式中形成PID閉環(huán)系統(tǒng)，實時反饋數(shù)據(jù)并糾正運行位置，在定速模式中采用開環(huán)運行，實時比較并記錄當前速度。

2.2.3 流速儀溯源設(shè)計

溯源指通過一條具有規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈，使測量結(jié)果或計量標準的值能夠與規(guī)定的參考標準，通常是國家計量基（標）準或國際計量基（標）準聯(lián)系起來的特性。這種特性使所有的同種量值，都可以按這條比較鏈通過校準向測量的源頭追溯，即溯源到同一個測量基準（國家基準或國際基準）具有可比性、可重復(fù)性和可復(fù)現(xiàn)性。流速儀計量檢定裝置中流速儀溯源是通過已由國家檢定計量過的SS7300通用計數(shù)器和二級鋼卷尺，采用間接計量檢定方法完成流速儀在相同測量條件下，重復(fù)測量同一個數(shù)據(jù)，根據(jù)計量標準提供相近示值[5]。

通過二級鋼卷尺在水槽軌道旁定距離（2m）安裝定位點，總計40個。SS7300通用計數(shù)器通過外圍電路光柵槽經(jīng)過定位點后產(chǎn)生脈沖信號，重復(fù)性計算、保存兩個定位點之間所需時間，通過v=s/t計算當前速度。利用單次測量結(jié)果yi的實驗標準差s（yi），通過對被檢定或被校準的流速儀進行n次獨立重復(fù)測量：

式中：yˉ為n次測量結(jié)果的算術(shù)平均值；n為重復(fù)測量次數(shù)（減去加速度段和減速段次數(shù)）。

利用經(jīng)國家計量檢定的通用計數(shù)器和二級鋼卷尺，更進一步精確完成流速儀溯源，減小傳統(tǒng)流速儀計量檢定所帶來的誤差。

3 軟件設(shè)計

計量檢定車控制系統(tǒng)軟件分上位機操作和下位機邏輯執(zhí)行。上位機采用PLC200觸摸屏顯示。下位機通過PLC 200 CPU邏輯執(zhí)行。

3.1 上位機操作

上位機操作包括設(shè)備工作狀態(tài)實時監(jiān)測、系統(tǒng)控制方式和模式、參數(shù)設(shè)置和手動操作等功能：操作權(quán)限登錄；監(jiān)測各設(shè)備運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，實時顯示速度趨勢線；系統(tǒng)控制方式和模式切換?？刂品绞椒诌h程和本地；控制模式分定速和定位運行；設(shè)置定位或定速模式情況下距離或速度數(shù)值；手動打開各供電接口和控制檢定車和計量架運行；實時記錄、驗證檢定車速度和測距計算速度。

3.2 下位機邏輯執(zhí)行

下位機邏輯執(zhí)行程序采用STEP7-Micro/WIN編制。通過外部傳輸數(shù)據(jù)及操作指令執(zhí)行相應(yīng)運行狀態(tài)，使檢定車和計量架運行工作。運行流出流程如圖5所示。

另外，防止程序受外界干擾，各采集信號進行以下處理：遠程控制信號數(shù)據(jù)放大10倍，通過數(shù)據(jù)變化速率判斷是否受外界干擾；測距單元數(shù)據(jù)實時記錄，對突變數(shù)據(jù)進行屏蔽，防止干擾驅(qū)動單元；驅(qū)動單元對其它設(shè)備電力擾動，在其總電源增加抗電源干擾模塊。

4 結(jié)語

流速儀計量檢定裝置利用步進電機、無線遙控等設(shè)備應(yīng)用于流速儀溯源，解決傳統(tǒng)流速儀計量檢定裝置產(chǎn)生誤差大、操作麻煩等問題。同時采用新式通用計數(shù)器等國家計量檢定設(shè)備溯源流速儀，進一步提高數(shù)據(jù)精度和工作效率。目前，國家水運工程檢測設(shè)備計量站依托于本裝置，為國家流速儀的計量建標提供有力的技術(shù)支撐[6]。

圖5 程序流程Fig.5 Program execution state flow chart

參考文獻：

[1] 徐紅，鄧湘漢，王建文.水量量測設(shè)備計量檢定/校準標準現(xiàn)狀及需求分析[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2014，12（1）：81-85.

[2] 智永明，邵軍，唐躍平，等.ADCP流速儀檢定拖車驅(qū)動方案探討[J].中國測試，2016，42（11）：79-83.

[3] 劉洋.基于智能控制算法的流速儀檢定車調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2013

[4] 李磊.流速儀檢定系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].南京：東南大學(xué)，2009.

[5] 陳立華，鄧芳芳，鄭應(yīng)成.流速儀檢定車數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[J].水電與抽水蓄能，2017，3（1）：82-86.

[6] 王亮.水槽式流速儀檢定系統(tǒng)的可靠性研究[D].南京：東南大學(xué)，2012.