□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(jià)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(jì)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(jì)量檢定部門進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)，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(zhǔn)方法》（GB/T 21699-2008）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，擬合流速儀直線公式需要的測點(diǎn)數(shù)一般共計(jì)12～16 個(gè)。當(dāng)前轉(zhuǎn)子式流速儀檢定測點(diǎn)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(huì)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(zhǔn)方法》（GB/T 21699-2008）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在全部測速適用范圍內(nèi)，用一個(gè)直線方程作為檢定/校準(zhǔn)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(diǎn)數(shù)，擬合出滿足流速儀性能參數(shù)的直線方程，同時(shí)使測驗(yàn)精度達(dá)到規(guī)范要求，進(jìn)而極大提高流速儀檢定效率。

研究技術(shù)路線：一是標(biāo)準(zhǔn)流速儀用于標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。華北水文儀器檢測中心采用旋槳式（LS25-1 型）標(biāo)準(zhǔn)流速儀為典型樣本對檢定/校準(zhǔn)資料進(jìn)行分析計(jì)算，得出最優(yōu)精簡的點(diǎn)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(jìn)行分析驗(yàn)證。三是對同一架流速儀在不同時(shí)間、不同水槽中的檢定結(jié)果進(jìn)行精簡和未精簡的參數(shù)對比，分析精簡后參數(shù)計(jì)算的可靠性。

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

2.1 選取精簡檢測點(diǎn)數(shù)

采用枚舉法進(jìn)行點(diǎn)數(shù)精簡。針對精簡為哪幾個(gè)點(diǎn)，首先為較大程度上解決相鄰點(diǎn)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(shí)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(gè)級別;其次，考慮到“一點(diǎn)法”和“兩點(diǎn)法”在確定直線過程中必然會(huì)出現(xiàn)擬合問題，導(dǎo)致直線并不能準(zhǔn)確代表測點(diǎn)的實(shí)際趨勢，故將最低精簡數(shù)量考慮為3 個(gè);最后，考慮到原始檢定測點(diǎn)數(shù)普遍為14 個(gè)左右，且各速度級測點(diǎn)數(shù)較為平均，為4～5 個(gè)，故精簡至各速度級的測點(diǎn)數(shù)也平均分配，按照每個(gè)速度級取小于4 個(gè)點(diǎn)的3個(gè)、2 個(gè)和1 個(gè)逐級進(jìn)行精簡分析，使測點(diǎn)各速度級代表性一致，不會(huì)產(chǎn)生直線方程偏向某一速度級的問題。

2.2“九點(diǎn)法”“六點(diǎn)法”和“三點(diǎn)法”綜合比較

“九點(diǎn)法”“六點(diǎn)法”和“三點(diǎn)法”意即精簡后的點(diǎn)數(shù)為9 個(gè)、6 個(gè)和3 個(gè)，即流速儀一次檢定結(jié)果在每個(gè)速度級取3 個(gè)、2 個(gè)和1 個(gè)，即可由12～16 個(gè)計(jì)算點(diǎn)精簡為最終目標(biāo)9 個(gè)、6 個(gè)和3 個(gè)。將各種取點(diǎn)方式在各個(gè)速度級進(jìn)行全排列后，“九點(diǎn)法”取點(diǎn)組合共320 組，“六點(diǎn)法”取點(diǎn)組合共540 組，“三點(diǎn)法”取點(diǎn)組合共96 組。最后，對取點(diǎn)進(jìn)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(jì)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(shí)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(shí)流速計(jì)算公式。

用檢定點(diǎn)（vi，ni)擬合檢定公式時(shí)，要采用最小二乘法計(jì)算a、b 值，即

式中：

N—計(jì)算點(diǎn)數(shù)。

全線相對均方差用m 表示，計(jì)算公式如下：

式中：

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

vi—流速儀檢定車車速；

N—計(jì)算點(diǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

通過“三點(diǎn)法”計(jì)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(diǎn)法”計(jì)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(diǎn)法”計(jì)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(jì)算最優(yōu)精簡點(diǎn)位的誤差，結(jié)果：“九點(diǎn)法”在1.05%左右，“六點(diǎn)法”在1.10%左右，“三點(diǎn)法”則在1.25%左右。均符合流速儀比測時(shí)其檢定/校準(zhǔn)值允許誤差≤1.5%的要求。轉(zhuǎn)子式流速儀在檢定/校準(zhǔn)時(shí)，完全可以在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)進(jìn)行測點(diǎn)的精簡，但為最大程度提高工作效率，采用“三點(diǎn)法”為宜。

2.3 驗(yàn)證“三點(diǎn)法”的可推廣性、可靠性、實(shí)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(diǎn)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(jìn)行分析驗(yàn)證。

通過對同一架流速儀在不同時(shí)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(jìn)行對比，以標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證“三點(diǎn)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(jī)選取了若干架LS25 型流速儀進(jìn)行了144 次精簡檢定，選取了若干架LS68 型流速儀進(jìn)行了73 次精簡檢定，并分析了這共計(jì)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(diǎn)法”檢定法具備可推廣性、可靠性和實(shí)用性。

3.結(jié)論及建議

華北水文儀器檢測中心經(jīng)摸索實(shí)驗(yàn)和大量數(shù)據(jù)分析，選定了轉(zhuǎn)子式流速儀檢定測點(diǎn)數(shù)簡化為3 個(gè)，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(gè)參數(shù)，再結(jié)合全線相對均方差m 確定了取點(diǎn)位置?！叭c(diǎn)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(jìn)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(jià)值。

后續(xù)經(jīng)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，可以申請修訂檢測標(biāo)準(zhǔn)，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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益?！?/p>