婁鑫鑫

（遵義市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)院，貴州 遵義 563000）

1 背景

明渠流量計(jì)作為一種監(jiān)測(cè)水實(shí)時(shí)流量的計(jì)量器具，廣泛應(yīng)用于所有城市供水引水渠、火電廠(chǎng)冷卻飲水河排水渠、污水治理流入和排放渠、工業(yè)企業(yè)廢水排放以及水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道、生態(tài)流量監(jiān)測(cè)等方面，近年來(lái)隨著各單位對(duì)計(jì)量工作的越發(fā)重視，因此校準(zhǔn)明渠流量計(jì)成為一個(gè)趨勢(shì)，在JJG 711-1990《明渠堰槽流量計(jì)檢定規(guī)程》中提到，檢定明渠流量計(jì)需要用到標(biāo)準(zhǔn)水槽，而幾乎所有的明渠流量計(jì)使用方均無(wú)標(biāo)準(zhǔn)水槽不滿(mǎn)足規(guī)程提到的檢定條件，同時(shí)也沒(méi)有其他相關(guān)的測(cè)量方法可以參照，因此無(wú)法確保明渠流量計(jì)的量值準(zhǔn)確。

現(xiàn)有的明渠流量計(jì)主要有三種類(lèi)型：超聲波明渠流量計(jì)、多普勒明渠流量計(jì)和多聲道明渠流量計(jì)。超聲波明渠流量計(jì)將傳感器安裝在液位上方，多普勒明渠流量計(jì)將傳感器安裝在渠道底部，多聲道明渠流量計(jì)將多個(gè)傳感器安裝在槽側(cè)壁，其基本原理均為通過(guò)超聲波發(fā)射與接收的頻率對(duì)液體流速進(jìn)行測(cè)量，在這三種類(lèi)型的明渠流量計(jì)中，超聲波明渠流量計(jì)的測(cè)量方法最為簡(jiǎn)單，也最為實(shí)用。

1- 轉(zhuǎn)換儀表；2- 流量、液位傳感器探頭；3- 明渠堰槽。明渠流量計(jì)的安裝方式通常如圖1 所示，在安裝好以后，由于使用方需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量大小，無(wú)法停產(chǎn)，儀器內(nèi)部參數(shù)已經(jīng)設(shè)置好，重新安裝可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果有所差異，并且轉(zhuǎn)換儀表與傳感器之間的線(xiàn)路已經(jīng)埋好，重新取出成本很高，所以只能通過(guò)在線(xiàn)校準(zhǔn)的方法來(lái)確保明渠流量計(jì)的后續(xù)使用情況。

圖1 超聲波明渠流量計(jì)的安裝方式

目前我國(guó)無(wú)相關(guān)的明渠流量計(jì)在線(xiàn)校準(zhǔn)規(guī)范，而在線(xiàn)校準(zhǔn)的影響因素很多，比如溫度、堰槽表面不平整、流速不可控、流動(dòng)狀態(tài)不平緩等因素，不確定度評(píng)定的結(jié)果不能滿(mǎn)足按照明渠流量計(jì)溯源的標(biāo)準(zhǔn)，即測(cè)量結(jié)果的不確定度小于或等于被測(cè)流量計(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)的三分之一。在經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和對(duì)國(guó)家環(huán)境部門(mén)發(fā)布的相關(guān)流量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)改進(jìn)液位高度的測(cè)量方法來(lái)減小測(cè)量結(jié)果的不確定度，以此來(lái)滿(mǎn)足要求。

2 超聲明渠流量計(jì)校準(zhǔn)裝置現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)過(guò)程改進(jìn)

在校準(zhǔn)時(shí)需要提前對(duì)槽的尺寸以及液位高度進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算出截面積，通過(guò)查閱許多文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，大家對(duì)測(cè)量液位的方法普遍采用液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量，如果在被測(cè)堰槽旁邊建一座靜水井，用液位計(jì)測(cè)量得到的值可信，在實(shí)際測(cè)量時(shí)周邊無(wú)靜水井，水是流動(dòng)的，如果用一些截面積比較大的計(jì)量器具，如液位計(jì)、塔尺等進(jìn)行測(cè)量，會(huì)對(duì)被測(cè)液體流動(dòng)形成一個(gè)阻力，而這個(gè)阻力勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致液位升高，進(jìn)而導(dǎo)致液位測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差，所以在液位測(cè)量時(shí)，應(yīng)選擇鋼直尺或者測(cè)深鋼卷尺作為計(jì)量器具，并且將其放置的位置平行于液體流動(dòng)方向，這樣可以有效地解決因?yàn)樽枇?dǎo)致液位高度升高的問(wèn)題。

由于用肉眼讀取液位值不方便，所以應(yīng)在第一次下尺后，確定液位的大致位置，在其上下100mm 范圍內(nèi)涂抹試油膏或者試水膏，重新在相同位置緩慢下尺，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量保證標(biāo)尺的位置與槽底垂直，拿起標(biāo)尺后直接讀取該點(diǎn)液位值，重復(fù)上述方法進(jìn)行測(cè)量，保證測(cè)量結(jié)果之間的差值不大于1mm，此時(shí)即可認(rèn)定液位高度的測(cè)量結(jié)果可信。

對(duì)于一些不方便直接用鋼直尺測(cè)量液位的渠道，應(yīng)選擇測(cè)深鋼卷尺測(cè)量液位高度，在使用測(cè)深鋼卷尺時(shí)還需注意一個(gè)問(wèn)題，就是重錘也會(huì)因?yàn)橐后w流動(dòng)而發(fā)生偏移，根據(jù)此情況，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），保證液位高度測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

圖2 液位測(cè)量底座結(jié)構(gòu)

1- 底座支柱，2- 剛性伸縮桿，3- 凹槽，4- 底板。如圖所示，底板的前端，也就是圓弧端的朝向應(yīng)為液體流動(dòng)方向的反方向，這樣在將底座放入液面后可以減小液體流動(dòng)帶來(lái)的阻力，使其更順利的放入堰槽底部，另外，底座支柱的長(zhǎng)度應(yīng)一致，并且其長(zhǎng)度大于或等于測(cè)深鋼卷尺重錘長(zhǎng)度，如果大于重錘長(zhǎng)度，需用量塊測(cè)量當(dāng)重錘垂直向上靠攏底板時(shí)，重錘底部距底板下方平面的距離，由于剛性伸縮桿是垂直于底板的，因此在下尺后，可以確定測(cè)深鋼卷尺的尺帶是否垂直于堰槽底部。

通過(guò)設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)后，測(cè)量液位的方法為：將測(cè)深鋼卷尺的尺帶穿過(guò)凹槽，然后把測(cè)深鋼卷尺重錘與液位測(cè)量底座一起放入明渠底部，在將底座放入液面下放后注意用一定的拉力拉扯測(cè)深鋼卷尺并緩慢放入，再根據(jù)前文提到的液位高度測(cè)量方法，將液位值讀出，再加上重錘距底面的距離和測(cè)深鋼卷尺的修正值，得到標(biāo)準(zhǔn)液位值，在通過(guò)該裝置測(cè)量液位高度后，能夠很好的提高液位高度的準(zhǔn)確度，解決之前提到的液位測(cè)量不準(zhǔn)的問(wèn)題，同時(shí)也可以減小最終流量測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性，從而減小測(cè)量結(jié)果的不確定度。

3 明渠堰槽流量計(jì)在線(xiàn)校準(zhǔn)測(cè)量不確定度評(píng)定

3.1 概述

3.1.1 測(cè)量依據(jù)：JJF（浙）1080-2012《明渠流量計(jì)在線(xiàn)校準(zhǔn)規(guī)范》。

3.1.2 環(huán)境條件：溫度10℃，相對(duì)濕度61%。

3.1.3 測(cè)量對(duì)象：明渠流量計(jì)。

3.1.4 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：測(cè)深鋼卷尺，測(cè)量范圍（0～5）m，準(zhǔn)確度等級(jí)：I 級(jí)；鋼直尺：測(cè)量范圍(0-1)m；超聲明渠流量計(jì)校準(zhǔn)裝置，測(cè)量范圍（0-40）m3/s，準(zhǔn)確度等級(jí)：1 級(jí)。

3.2 相關(guān)計(jì)算公式

3.2.1 數(shù)學(xué)模型

流量示值誤差的測(cè)量模型：

式中：Eq- 流量示值誤差，%；q- 明渠堰槽流量計(jì)的流量示值誤差，m3/h；qs- 明渠流量計(jì)校準(zhǔn)裝置瞬時(shí)測(cè)量結(jié)果，m3/h。其中，qs=S×V，S- 液體流經(jīng)明渠流量計(jì)測(cè)量點(diǎn)截面積，V- 液體流速。液體流經(jīng)明渠流量計(jì)測(cè)量點(diǎn)截面積是通過(guò)測(cè)量堰槽寬度與液位高度的測(cè)量結(jié)果得到的。

3.2.2 不確定度分量計(jì)算

3.2.2.1 液位測(cè)量誤差引入的不確定度ur(h)

液位傳感器的不確定度主要是測(cè)量重復(fù)性引入的。在某明渠流量計(jì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)某一流量點(diǎn)，重復(fù)測(cè)量6 次，分別得到液位高度 h 為：1534mm、1533mm、1531mm、1531mm、1533mm、1532mm。根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差：

實(shí)際測(cè)量中以6 次測(cè)量的平均值作為測(cè)量結(jié)果，因此液位測(cè)量誤差引入的不確定度為：

3.2.2.2 測(cè)深鋼卷尺最大允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur1（h）

測(cè)深鋼卷尺在1500mm 處的最大允許誤差為±2mm，按均勻分布，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

3.2.2.3 測(cè)深鋼卷尺分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur2(h)

測(cè)深鋼卷尺的分度值為1mm，按均勻分布，引入的不確定度分量為：

3.2.2.4 測(cè)深鋼卷尺與液面不垂直引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（l）

在測(cè)量時(shí)測(cè)深鋼卷尺不可能與液面完全垂直，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，可能引起1mm 左右的誤差，按均勻分布，其區(qū)間半寬度為0.5mm，因此引入的不確定度為：

3.2.2.5 鋼直尺測(cè)量堰槽寬度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（l1）

鋼直尺的最大允許誤差為±0.2mm，對(duì)同一位置的堰槽寬度進(jìn)行多次測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其測(cè)量結(jié)果l 均為512.2mm，因此鋼直尺對(duì)堰槽寬度的測(cè)量結(jié)果不確定度由其最大允許誤差引入，按均勻分布：

3.2.2.6 流量示值誤差測(cè)量不確定度分量ur(q)

超聲明渠流量計(jì)校準(zhǔn)裝置引入的不確定度主要是測(cè)量重復(fù)性引入的。在某明渠堰槽流量計(jì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，在規(guī)定流量點(diǎn)條件下，重復(fù)測(cè)量10 次，分別得到瞬時(shí)流量為：605m3/h、608m3/h、612m3/h、608m3/h、602m3/h、600m3/h、595m3/h、604m3/h、610m3/h、614m3/h。根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差：

實(shí)際測(cè)量中取10 次測(cè)量結(jié)果的平均值，因此測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

3.2.2.7 明渠堰槽底部不平整引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur(s)

根據(jù)實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，堰槽底部在測(cè)量范圍內(nèi)的不平整度為2mm，則引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

3.2.2.8 超聲明渠流量計(jì)校準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確度等級(jí)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur(qs)

超聲明渠流量計(jì)校準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度等級(jí)為1 級(jí)，其區(qū)間半寬度為1%，按均勻分布，則其引入的不確定度分量為:

3.2.2.9 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表（表1）。

表1 流量示值誤差各個(gè)輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表

3.2.2.10 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

4 在線(xiàn)校準(zhǔn)流量計(jì)可行性分析

根據(jù)不確定度評(píng)定結(jié)果可以看出，對(duì)于在線(xiàn)校準(zhǔn)明渠流量計(jì)，如果嚴(yán)格按照計(jì)量中量值傳遞的要求進(jìn)行校準(zhǔn)，按照三分之一原則，只能校準(zhǔn)準(zhǔn)確度等級(jí)4 級(jí)以下的明渠流量計(jì)，因?yàn)闇y(cè)量原理簡(jiǎn)單，目前市面上安裝的明渠流量計(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)至少為2 級(jí)，因此不能按照明渠流量計(jì)的等級(jí)進(jìn)行溯源，但是對(duì)于使用明渠流量計(jì)的單位來(lái)說(shuō)，在線(xiàn)校準(zhǔn)對(duì)于他們的意義更多的是確定被校流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)量值的關(guān)系，對(duì)使用的明渠流量計(jì)等級(jí)要求反而不高，在國(guó)家環(huán)境保護(hù)局發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《HJ 15-2019 超聲波明渠污水流量計(jì)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》中提到，對(duì)液位誤差的測(cè)量要求為±3mm，對(duì)流量測(cè)量誤差的要求為±5%，因此，在進(jìn)行在線(xiàn)校準(zhǔn)明渠流量計(jì)工作時(shí)，應(yīng)對(duì)被測(cè)明渠流量計(jì)的示值誤差指標(biāo)適當(dāng)放寬，在線(xiàn)校準(zhǔn)的主要目的是確保被測(cè)明渠流量計(jì)的示值誤差在±5%以?xún)?nèi)。根據(jù)前文提到的測(cè)量方法以及不確定度的評(píng)定結(jié)果，可以認(rèn)定明渠流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果可以滿(mǎn)足對(duì)±5%的指標(biāo)進(jìn)行溯源，因此在進(jìn)行在線(xiàn)校準(zhǔn)明渠流量計(jì)工作時(shí)，采用準(zhǔn)確度等級(jí)為1 級(jí)的超聲明渠流量計(jì)校準(zhǔn)裝置可以滿(mǎn)足國(guó)家環(huán)境保護(hù)局對(duì)流量誤差的要求。

5 結(jié)論

明渠流量計(jì)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，近年來(lái)各部門(mén)對(duì)明渠流量是否達(dá)到要求越發(fā)重視，由于不便拆卸的原因，加上國(guó)家未出臺(tái)相應(yīng)的在線(xiàn)校準(zhǔn)規(guī)范，導(dǎo)致其溯源成為一個(gè)問(wèn)題，本文根據(jù)作者對(duì)超聲明渠流量計(jì)校準(zhǔn)裝置的長(zhǎng)期使用經(jīng)驗(yàn)，借鑒浙江省發(fā)布的地方校準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)明渠流量計(jì)的在線(xiàn)校準(zhǔn)提出了自己的看法，并通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)了明渠流量計(jì)液位測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)的問(wèn)題，最后通過(guò)評(píng)定測(cè)量結(jié)果不確定度分析在線(xiàn)校準(zhǔn)明渠流量計(jì)的可行性，為下一步起草明渠流量計(jì)在線(xiàn)校準(zhǔn)規(guī)范做鋪墊。