专利名称：流速仪的检定方法及其检定安装设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种江河水文测验流速仪的检定方法，以及这种方法所使用的仪器检定安装设备。
1.流速仪检定安装设备流速仪检定安装方式为测杆式悬挂，大部分采用的安装方法是，把流速仪先固定在测杆下端部分，接通传输电缆，将仪器没入直线明渠水槽预定测点水深处，然后，把测杆中部支承在下横梁支承套中，上部固定在上横梁的轴套孔中，目测仪器轴线与直线明槽的中轴线平行，最后用螺钉固紧。安装流速仪的测杆通常是，下端安装流速仪部分为矩形断面；中间入水部分为椭圆形断面；流速仪信号输出电缆的布线沿测杆外部。
2.流速仪检定方法直线明槽中流速仪检定方法是，应用物体相对运动原理，即把江河中运动的水流假设为实验室直线明槽中的静止水体，而测流时安装在水中测点位置上固定不动的流速仪，则反过来把它安装在检定车的测杆上，置于直线明槽静止的水体测点位置上。在检定时，检定车以一系列速度沿着轨道运行，固定在测杆上的流速仪即与静水作相对运动。从而可检测到一系列速度Vi，及其在相应时间Ti内流速仪的转数Ri，仪器转速n为n＝R/T (1)
根据SD145标准规定，在流速仪测速量程范围内，从约0.10m/s低速到约4～5m/s高速，均匀布设不少于12个速度点，根据上述检测和计算的数据，可得一组实验测点Ni(ni，Vi)，据此通过数据处理可得到流速仪检定公式V＝Kn+C (2)式中K为流速仪检定公式主参数，也称转子水力螺距；C为附加系数。
3.检定误差按国家标准《GB/T1126转子式流速仪》规定，旋桨式和旋杯式流速仪检定公式误差分别不大于±1.8％和±2.0％。上述两种型式的仪器其新产品出厂检定企业标准和旧仪器检修检定标准分别为±1.2％和±1.5％。
4.目前直线明槽流速仪检定安装设备和检定方法中存在的问题在任务多而集中，且时间紧迫的情况下，上述流速仪检定安装设备和检定方法中以下问题就显得突出。
(1)水体波动大流速仪检定安装设备的测杆断面为椭圆形和矩形，流体动力学特性较差，测杆前部壅水，后部旋涡，流速仪信号传输电缆悬挂水中，扰动水体，因此，检定时引起的水体波动大。
(2)水体波动使检定成果存在一定误差在每次行车检定过程中，流速仪与静止水体作相对运动的同时，仪器本身、安装测杆及信号传输电缆等激起水体波动，产生流速增量±ΔV，它随检定速度与次数的增加而加大。同时槽壁对水体波动多次反射和迭加，也使速度增量±ΔV量值增大，而且方向复杂。这时作用到流速仪转子上的实际速度V，并非上述检定原理所假设的检定车速度Vi，而是V＝Vi±ΔV。由于槽检法在检定中的静水参比工作条件不可能完全符合理论上所假设的水体绝对静止的理想境地，而是把检定车速度Vi作为仪器检定的标准输入量V，因此，检定中必然存在着一定的检定误差。
(3)测杆刚度差为减少水体波动程度，测杆断面尺寸均偏小，又因流线型欠佳，在高速检定时，测杆刚度差，仪器产生偏移，影响仪器正常运转。
(4)仪器安装定向检定时仪器轴向应与直线明槽中心线平行，目前仪器检定安装定向没有明显的基准线作为参照，都是凭工作者经验目测仪器轴线与明槽中心线大致平行，因此，其准确性较差，且各人视觉有一定差异。
(5)生产效率低SD145标准规定1)测点数目不少于12个。
2)静水时间长，低速检定时，水面应保持相对静止；高速检定时，每测点之间也应有适当的静水时间。
3)鉴于上述规定，限制了生产率的提高。
(6)检定速度高1)引起水体波动大，流速增量增大，并导致下一次低速检定的静水时间加长。
2)由于直线明槽的长度有限，刹车段短，在高速检定时工作者为惧怕撞车事故，精神紧张。
3)检定车高速运行机械磨损大，需经常维护、检修，以防撞车事故。
(7)检定运营成本高由于检定测点多、程序繁杂、设备维修任务重、静水时间长、工作人员多，因此，检定运营费用大，成本高。
为解决上述问题，本发明以理论指导的大量实验为基础，并总结我国50多年来的实践经验流速仪制造精度、仪器性能，以及流速仪检定设备、技术等都有很大的提高，统计累计生产的10多万架仪器，共几十万架次检定资料表明，检定公式斜率近似直线已十分明朗。据此，对检修旧仪器的检定，可进行简化。针对常规槽检法中的上述一系列问题，对传统的流速仪检定方法中有关主要技术关键进行简化、优化。本发明提供的江河水文测验流速仪的检定方法，包括以下步骤(1)引用被检流速仪产品技术标准中检定公式附加系数标准值CB；(2)确定经验公式低速端坐标点(0，CB)；(3)据检定槽特性综合分析，确定优选速度Vi；(4)用力矩仪检测流速仪内摩阻力矩；(5)将被检测的流速仪安装在测杆下端部；(6)把流速仪轻轻放进水中，将测杆安装在检定车上，使仪器处于预定水深处；(7)调准仪器的轴向方位；(8)检测检定车的速度Vi、仪器的输出信号数Ri及其相应的历时Ti；(9)按式(1)计算流速仪的转速ni；
(10)按下述经验公式(3)计算K1值。
使用现有技术中的设备，也可以按照本发明的方法完成流速仪的检定，并可部分地达到发明的目的，但不能完成本发明的全部任务，所以本发明还提供以上方法所使用的新检定安装设备。流速仪检定安装设备包括检定车上安装有流速仪安装测杆与信号电缆，其特征是测杆的截面为流线型。该设备的优化方案有(1)信号传输电缆设置在测杆内部；(2)设有激光定向器，该激光定向器固定在检测车上，其激光束发射方向为一垂线，该垂线与测杆中心线平行，且两者构成的平面和直线明槽的轴向平行。使用本发明的检定安装设备时，检定方法还可有以下优化方案对检定的另一个目的是检定仪器的灵敏度，即仪器起转速V0，考核仪器低速性能，这只要用力矩仪检测仪器内摩阻即可。
本发明与传统检定方法比较，首先是简化了检定测点，只需要在一个速度级下检定N次，根据检定槽特性，在好的情况下，检定车只需往返行车各检定一次，即可得到检定成果。即检定程序中只设置一个检测点。所优选的速度点速度较低，而安装流速仪检定的测杆为流线型，信号传输电缆布设为内藏式，流速仪安装轴线定向有参照基准，用器测方法，这样便减少了水体波动对检定成果的影响，使静水所需的时间大为减少；仪器安装方向较为准确，从而，有利于检定成果的质量；从运营管理角度来看，检定、计算程序简、工作量小、工效高、劳动强度轻、工作人员少、检定成本低。
由于本发明涉及了仪器的标准化问题，所以需要论述本发明的检定方法完全符合现行的技术标准。确定本发明符合现行技术标准是根据以下步骤1.据流速仪性能和检定设备、水槽特性，通过综合分析，优选最佳检定速度级(1)当检定流速小于0.3m/s低速时，外来的干扰如水体波动、检定车振动等极易影响仪器的正常工作，检定误差较大。
(2)检定车运行速度变化率δ，在车速V≤0.5m/s低速时，δ≤0.8％～2.0％，且在检定车运行过程中常伴有一定频率的振动和间隙性的震动，对流速仪在低速区的正常工作十分不利；当V≥0.5m/s中、高速时，检定车运行速度稳定性好，δ值比低速运行时小一倍。流速仪转子获得的水流动能较大，且流速稳定，工作可靠。
(3)高速检定，水体波动大，流速增量大，经槽壁多次反射、迭加，方向复杂，因此，当V≥3m/s以上，检定成果误差可能较大。
(4)高速检定引起的水体巨大波动需很长的静水时间，影响生产效率。
(5)检定车高速运行，设备磨损、维修，增加运行管理费用。
(6)高速行车检定行车工作者精神较为紧张。
据上述分析，优选最佳速度级应摒弃上、下端速度，而以中速为宜。根据水槽特性，槽体大小和消浪设备性能可通过实验确定。据实验检定表明，一般规模检定槽以中速偏下端速度为佳，对于大型检定槽，且具有良好消浪措施，也可稍高，以提高工效。优选的速度点坐标为(n1i，V1i)。
2.优化检定公式低端定位点直线方程下延线与纵坐标V轴的交点C是仪器检定公式附加系数，也是低速性能的主参数之一，它与仪器灵敏度，即仪器内阻有密切关系。因此，当检测的仪器内摩阻达标，可采用标准CB值。据此，可根据被检流速仪产品技术指标确定CB值。于是，优选检定公式低速端定位点坐标为(0，CB)。
3.经验公式通过上述分析，优化速度点和定位点，可得经验公式K1=V1i-CBn1i---(3)]]>4.优化流速仪检定安装测杆根据流体力学理论，对测杆断面优化为流线型，并将流速仪信号传输电缆改为内藏式，以改善流态，减少水阻和水体波动。
5.优化流速仪轴向安装定位方法将工作者以肉眼估测流速仪轴向与检定水槽中轴线一致，严格说应该是检定车行驶轨道的经验法，优化为器测基准目标定向。
图3所示为
图1在I-I断面的剖视放大图，其结构为测杆4、测杆流线型外罩11、信号传输电缆7、铆钉13。测杆4结构总体要求是①足够的刚度；②较好的流线型断面；③容易施工；④重量轻；⑤装卸方便。
据此，测杆4由抗弯强度好的材料制成，并以测杆4为流线型的主体部分，其断面长度为流线型断面长轴L的2/3，测杆流线型外罩11长度为L/3。测杆4断面的后部两侧各有一小台阶，测杆流线型外罩11嵌在其上，用铆钉13铆合。为便于施工，流线型断面尺寸是按标准的对称机翼剖面曲线简化的，前端小圆弧约R3mm，中间大圆弧约R40mm，后面为近乎于直线平滑相连，翼弦长度L为翼厚B的6倍，最大厚度Bmax在离前端1/3处。
2.本发明流速仪检定方法抽取目前全国水文测站常用的某型号流速仪4架作为非限定性实施案例，说明检定方法和可行性。
(1)№101仪器检定步骤如下1)引用被检流速仪产品技术指标中检定公式附加系数标准值，该型号流速仪CB＝0.0070m/s。
2)确定经验公式(3)低端定位点坐标(0，CB)。
3)据某检定槽特性综合分析，确定优选速度Vi＝0.9m/s。
4)用力矩仪检测流速仪内摩阻力矩。
5)将被检定的流速仪12安装在测杆4下端部。
6)将流速仪12轻轻地放进水槽水中，使测杆4中部的扁形断面放进支承套10的槽口，使测杆4下落，再垂直往上提，使其上部的圆柱套进固定套5的孔中，然后，下放使其中部的圆柱套在支承套10的孔中，而支承销9搁置在其上端面，流速仪12处于预定水深处，同时用信号传输电缆7接通计数部分的输入端。
7)调整被测流速仪12的轴向位置，使其桨头位于激光定向器3的光束下，然后固紧固定螺钉6。
8)启动检定车，加速至预置优选速度V1i＝0.9m/s。
9)进入稳定段，检测信号数R＝200r，时间T约50s，当R达到预定转数时，计数器自动显示实测流速V1i等参数，如附表1，序号1，显示实际速度V1＝0.8991m/s，n1＝3.6485r/s，K1＝0.2445m。与该仪器常规检定、计算的标准值K0＝0.2445m相同。
10)检定车继续行进约10m，然后，缓慢地将被检定的流速仪掉转180°方向。
11)继续按上述(9)至(10)步骤检定，序号2，显示实际速度V1＝0.8989m/s，转速n1＝3.6559r/s，K1＝0.2440m。与第一次检定的K1值偏差仅0.20％，与该仪器常规检定、计算的标准值偏差σ＝0.20％，满足技术要求。用2次K1值平均作为检定成果。该仪器检定完毕。
12)将检定车开至检定槽始发端，卸下仪器，并小心而缓慢地将仪器提出水面。
13)安装下一架流速仪，按上述步骤进行，可连续不断地检定。
3.可行性验证(1)重复性检定用№101、№102、№103、№104仪器重复性检定成果验证本发明流速仪检定方法的可行性。每架仪器按上述检定步骤(9)～(10)往返各检定9趟，共18架次检定成果，如附表1～4所示。K1值与该仪器标准值K0偏差变幅和平均分别为0.00％～0.74％、0.00％～0.74％、0.00％～0.47％、0.21％～0.49％和0.27、0.26、0.16、0.29％。全部符合要求。总平均为0.24％。
(2)用流速仪常规检定资料按常规方法和本发明方法计算1)检定公式K值偏差用上述4架仪器按SD145标准规定的设备、方法进行重复性实验检定。为便于资料的分析、比较，每架仪器其每次检定的条件都相同。实验检定方式为每架仪器共分8个组次检定，每个组次在一较短的时间内，一般为3h，连续重复检定3次，过一段时间后，再检定第2组次，按此依次检完8个组次，共24架次。用现技术常规的最小二乘法分别计算每架仪器每架次检定公式系数K0，C0值，并分别统计每架仪器24架次的均值K0、C0，以此作为评定该仪器使用本发明方法实验检定成果的标准值。同时利用上述4架仪器每架检定24架次的常规检定同一资料，按本发明方法进行计算在速度系列中取V1＝0.8～1.0m/s范围内的一个速度点；对这4架仪器在内摩阻力矩检测达标情况下，采用检定公式附加系数标准值CB。已知该仪器产品技术标准CB＝0.0070m/s；按式(3)分别计算各仪器每次检定的K1值。见附表5～8。
用常规最小二乘法和本发明方法计算成果比较统计如表1、2所示。
表1 两种方法逐次计算的K值与标准值K0偏差及相互偏差
由表1可见，两种方法逐次计算的成果，其变幅、均值全部都远小于该仪器标准技术指标，且两种方法计算的成果之间偏差也甚小，4架仪器总平均仅为0.15％，完全可忽略。
上述4架仪器分别用常规最小二乘法和本发明方法计算的均值K0、K1及其偏差σ如表2所示。两种方法计算的成果十分接近，之间偏差σ＝-0.04％～-0.12％，平均为-0.06％。
表2 两种方法计算的检定公式K值平均及其偏差
2)检定公式C值偏差以上述4架仪器常规检定、计算的检定公式C均值C0为标准，来验算本发明方法采用标准值CB＝0.0070m/s的偏差，如表3所示。
表3 本发明方法采用标准值CB与常规最小二乘法C0的偏差
由表3可见，本发明方法采用标准值CB，其与逐架仪器检定、计算的均值C0十分接近，平均偏差仅为3.3％。
3)检定成果离散性成果离散性用每架仪器各次检定的成果对其均值相对离差绝对值δ表示。以上4架仪器同一检定方法和资料，采用常规的最小二乘法和本发明方法计算结果，成果离散性如表4所示。
表4 本发明方法与常规最小二乘法计算成果离散性
由上表可见，常规最小二乘法和本发明方法用同一检定资料计算的K值离散性，基本上是一致的，平均分别为0.20％和0.21％；而C值常规法逐架检定的离散性较大，平均为13.9％，最大平均为35.4％；而本发明CB值离散性也就是表3所示的标准值与该仪器均值的偏差，平均和最大均为3.3％。
4)流速仪野外比测检定本发明方法其原理也可应用于流速仪野外比测检定，所不同的是①用流速仪比测架取代检定安装测杆；②标准输入量速度Vi是用与被检流速仪并排安装在一起的标准流速仪所测得流速取代检定车行驶速度；③为消除天然水流紊动和横向分布的差异，增加测次，并且在测次一半时仪器易位。
通过20架仪器在全国大、中、小河流的9个水文测站进行比测检定，检定结果K1值与常规检定水槽检定成果偏差平均为0.53％，符合我国《水文测验规范》要求。
因此，水文测站采用本发明流速仪检定方法，其原理是可行的，故也当属于本发明的保护范围。
(3)实验检定验证结论以上实验检定验证成果误差均远小于SD145标准规定的技术指标，而每次检定成果都是采用1个速度级，仅检定1次。实际生产检定运作，则是用1个速度级，检定车往返各检定1次，即用2次检定资料均值作为该仪器检定成果，按数理统计学分析，将进一步增加其可靠度。由此可见，本发明流速仪检定方法及其检定安装设备的改进创新作为流速仪检定中监测辅助方法是可行的。
附表1 本发明№101仪器检定成果表
注绝对值平均K0＝0.2445m附表2 本发明№102仪器检定成果表
注绝对值平均K0＝0.2448m
附表3 №103仪器检定成果表
注*绝对值平均K0＝0.2547m附表4 №104仪器检定成果表
注*绝对值平均K0＝0.2428m
表5 №101仪器常规检定资料分别用最小二乘法和本发明方法计算
注★绝对值平均最小二乘法计算的检定公式主参数平均K0＝0.2445m，附加系数平均C0＝0.0069m/s。
本发明方法计算检定公式主参数平均K1＝0.2444m。
附表6 №102仪器常规检定资料分别用最小二乘法和本发明方法计算
注★绝对值平均最小二乘法计算的检定公式主参数平均K0＝0.2448m，附加系数平均C0＝0.0071m/s。
本发明方法计算检定公式主参数平均K1＝0.2445m。
附表7 №103仪器常规检定资料分别用最小二乘法和本发明方法计算
注★绝对值平均最小二乘法计算的检定公式主参数平均K0＝0.2547m，附加系数平均C0＝0.0071m/s。
本发明方法计算检定公式主参数平均K1＝0.2546m。
附表8 №104仪器常规检定资料分别用最小二乘法和本发明方法计算
注★绝对值平均最小二乘法计算的检定公式主参数平均K0＝0.2428m，附加系数平均C0＝0.0077m/s。
本发明方法计算检定公式主参数平均K1＝0.2427m
权利要求
1.一种流速仪的检定方法，包括以下步骤(1)引用被检流速仪产品技术标准中检定公式附加系数标准值CB；(2)确定经验公式低速端坐标点(0，CB)；(3)据检定槽特性综合分析，确定优选速度Vi；(4)用力矩仪检测流速仪内摩阻力矩；(5)将被检测的流速仪安装在测杆下端部；(6)将流速仪轻轻放进水中，把测杆固定在检定车上；(7)调准仪器的轴向方位；(8)检测检定车的速度Vi、仪器的输出信号Ri及其相应的历时Ti；(9)计算流速仪的转速ni；(10)计算出K1值。
2.按照权利要求1所述的流速仪的检定方法，其特征是检定程序中只设置一个检测点。
3.按照权利要求1或2所述的流速仪的检定方法，其特征是用被检流速仪检定公式附加系数标准值CB作为低速端坐标点。
4.按照权利要求1或2所述的流速仪的检定方法，其特征是调准仪器的轴向方位，是采用激光定向器。
5.按照权利要求3所述的流速仪的检定方法，其特征是调准仪器的轴向方位，是采用激光定向器。
6.一种流速仪检定安装设备，检定车上安装有流速仪固定测杆与信号传输电缆，其特征是测杆的截面为流线型。
7.按照权利要求6所述的流速仪检定安装设备，其特征是信号传输电缆布线设置在测杆内部。
全文摘要
本发明以统计大量实验资料为基础，针对常规槽检法中的问题，对检定中的技术关键进行简化、优化。流速仪的检定方法包括以下步骤用力矩仪检测流速仪内摩阻力矩；采用被检流速仪检定公式附加系数标准C
文档编号G01P21/02GK1474187SQ0311309
公开日2004年2月11日 申请日期2003年4月1日 优先权日2003年4月1日
发明者杨汉塘 申请人:水利部南京水利水文自动化研究所