流速監(jiān)測儀器計量裝置設計研究

文/高 偉，余國倩，竇英偉

流速監(jiān)測儀器除廣泛應用于海洋、環(huán)保、地質(zhì)、市政等行業(yè)外，也是水文測量的重要設備，在水資源管理中的作用舉足輕重，其精度直接關系到水資源的合理分配和使用，同時對防洪安全等有重要影響。

由于水文信息測量環(huán)境復雜、惡劣，儀器精度易受到影響，加之引用計量標準不統(tǒng)一，影響了水量計量的準確度。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展對水量計量工作提出了更高要求，亟須研究一套適用于新形勢下的流速監(jiān)測儀器計量裝置，以解決建造標準和技術裝備水平低、檢測能力不足等問題。

流速監(jiān)測儀器計量管理與裝置現(xiàn)狀

根據(jù)工作原理不同，流速監(jiān)測儀器可分為轉(zhuǎn)子式流速儀和聲光電類流速儀。目前水利行業(yè)雖已出臺《JJG（水利）001—2009轉(zhuǎn)子式流速儀計量檢定規(guī)程》，但是可依據(jù)該規(guī)程開展檢定工作的轉(zhuǎn)子式流速儀只有LS251—1、LS20B、LS78等9種型號；轉(zhuǎn)子式直讀流速儀如BH系列、FP系列等沒有可以參照的檢定規(guī)程；聲光電類流速儀，如聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）、聲學多普勒流速儀（ADV）等多為進口儀器，目前仍沒有建立相關的計量技術法規(guī)作為檢定或校準依據(jù)。

自2011年國家啟動中小河流和大江大河水文監(jiān)測系統(tǒng)建設工程以來，全國各省（自治區(qū)、直轄市）采購了大量聲光電類流速儀，迫切需要建立一套完善的計量管理體系和科學的計量裝置來確保儀器的準確度。

流速監(jiān)測儀器計量裝置主要應用于水文和海洋行業(yè)的流速檢定工作，用于分析評價流速監(jiān)測儀器的技術性能和準確度。裝置可分為動水槽和靜水槽，本研究依托靜水槽，對流速監(jiān)測儀器計量裝置的設計展開探討。

根據(jù)原水利部水文局關于全國水文系統(tǒng)儀器設備檢定/校準職能的劃分，目前共有華東、西部、西北、華北、中南、華南、西南、東部8家水文儀器檢測中心，各自負責本區(qū)域范圍內(nèi)水文、水利及其他行業(yè)流速監(jiān)測儀器的校準和檢測工作?，F(xiàn)有水槽大部分始建于20世紀八九十年代，水槽尺寸和速度范圍各不相同，具體設計也無統(tǒng)一技術標準，只有水利部原水文局2006年公布的《全國水文系統(tǒng)流速儀檢定/校準水槽技術鑒定與質(zhì)量監(jiān)督實施細則》提出了相關要求，《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準方法（GBT 216991—2008）》對軌道安裝精確度和檢定車速變化率提出了明確要求。目前僅華東、中南、華北和西部4個中心通過了國家認監(jiān)委資質(zhì)認證，取得地方質(zhì)檢部門計量授權的只有華東1家。各中心計量裝置的規(guī)模和技術參差不齊，技術升級周期較長，大部分只在轉(zhuǎn)子式流速儀方面具備檢測能力，在聲光電類流速儀方面還不具備檢測條件。

海洋系統(tǒng)雖下設北海、東海、南海3個標準計量中心，但只有東海中心建有水槽，其余中心轄區(qū)內(nèi)的儀器大部分要送往水文系統(tǒng)的水槽進行檢測。環(huán)保、地質(zhì)等部門也均沒有水槽，所用儀器需前往就近水文系統(tǒng)的水槽進行檢測。

流速監(jiān)測儀器計量裝置設計

2016年9月，山東省大江大河水文監(jiān)測系統(tǒng)建設工程省水文儀器檢定中心建設項目取得了立項批文，山東省水文局成為《全國水文基礎設施建設規(guī)劃（2013）》實施以來第一家成功立項的水文單位。該項目投資3500余萬元，建設流速、水位、降水量、流向等計量裝置，計劃2019年1月竣工。流速監(jiān)測計量裝置在保證轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定精度之外，針對聲光電類流速儀，增加了吸聲裝置、微納米氣泡發(fā)生裝置等配套設施。

檢定車

1.檢定車主要功能

檢定車是計量裝置的核心部分，結合流速實驗室集成測控大數(shù)據(jù)應用平臺和三維虛擬仿真等技術，實現(xiàn)檢定過程的精細化、自動化控制，主要功能如下：

①智能控制功能，包括智能行駛控制和智能制動兩部分，滿足被檢儀器不同速度條件下的安全制動需求；

②多種被檢儀器搭載功能，滿足不同原理、不同類型儀器的懸掛、換向、二維運動、翻轉(zhuǎn)及安裝拆卸等需求；

③被檢儀器信息采集功能，通過信號收集、處理及傳輸，達到儀器檢定目的。

2.檢定車組成

檢定車長5.3m、寬6.1m、高1m，外罩采用玻璃鋼澆筑工藝打造、流線型設計，通過交流同步伺服電機四輪驅(qū)動提供動力，設計速度為0.005～10m/s。車體主要包括檢定車組件、拖動與調(diào)速系統(tǒng)、滑線系統(tǒng)、車載測控系統(tǒng)電源、車速和絕對位置測量、流速儀懸掛與轉(zhuǎn)向機構、檢定車安全系統(tǒng)、中心控制系統(tǒng)、信號檢測單元（圖1）。

3.檢定車智能控制

檢定車電控系統(tǒng)的選取根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境、驅(qū)動設備和數(shù)據(jù)采集等方面的要求，采用雙PLC控制方案，主PLC實現(xiàn)檢定車控制系統(tǒng)整體架構建設、數(shù)據(jù)采集、車輛運行控制、網(wǎng)絡通信等功能，副PLC完成檢測設備運行控制。鑒于檢定車對行駛速度和行駛位置有較高要求，本裝置采用雙閉環(huán)控制模式（速度閉環(huán)+位置閉環(huán)）。

智能化控制主要從計量檢定裝置加減速曲線分析、自動檢測模型構建、通信技術研究等方面著手。在不增加功率的前提下，通過改進交流伺服技術提高檢定裝置運行的穩(wěn)定性；利用所提取的要素信息，結合實測數(shù)據(jù)，構建自動檢測控制模型；針對模型的參數(shù)特點，并結合機器學習，研究參數(shù)的率定方法；通過有線、無線通信系統(tǒng)，從而實現(xiàn)整個檢測過程的智能化。

圖1 檢定車系統(tǒng)結構

直線明槽

1.槽體

槽體總長160m、寬5m、深4m，設計水深3.5m，其中南端設有長度為6.2m的檢修槽，其余為檢測槽。槽體內(nèi)配Φ18mm和Φ20mm HRB400E抗震鋼筋，間距150mm，內(nèi)置雙層雙向鋼筋網(wǎng)，采用C30抗?jié)BP6混凝土澆筑，混凝土均加引氣劑，抗凍等級F150。長度方向上等間距設有6道伸縮縫，伸縮縫部位鋼筋通長，并設1.5mm厚的紫銅止水板，加鋪聚乙烯閉孔泡沫塑料板，最后以聚硫密封膠封縫，施工縫處設置3mm厚的鍍鋅鋼板止水帶。槽體底板厚800mm，側壁變截面600～800mm，槽體中央100m檢測段部分加腋。流速實驗室外側建有水泵房，通過水槽進水口注水，水槽底板在長度方向上兩側高中間低，最低水位處設計在中段的出水口位置，便于水槽換水（圖2）。

2.軌道

單線長度160m，采用25m的P50熱軋鋼軌無縫焊接而成，接縫處不平度設計要求不大于0.1mm。結構形式為無砟軌道，采用C30混凝土墊塊對軌道進行多方向調(diào)整，設計行車速度40km/h。施工參照《鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗收標準》（TB 10413—2003）、《鐵路混凝土工程施工驗收標準》（TB 10424—2010），確保安裝精確度符合《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定-校準方法》（GBT 21699—2008）要求。

圖2 槽體設計示意圖（單位：mm）

直線明槽配套設施

為滿足聲光電類流速儀器的檢測需求，經(jīng)多方調(diào)研后設計配套了以下裝置：

1.消波系統(tǒng)

消波系統(tǒng)主要是為了降低槽體內(nèi)水體波動，為儀器檢定提供一個較為穩(wěn)定的環(huán)境條件，主要包括弧形消波裝置和噴淋消波裝置?；⌒蜗ㄑb置由不銹鋼材質(zhì)焊接而成，其弧面按一定間距密布多條橫梁，當波浪進入消波裝置時，波浪在弧面處的起落會促使波滾發(fā)生破碎，從而在水平方向和豎直方向上同時消耗波浪動能。噴淋消波裝置由管道、增壓泵、閥門和噴頭等組成，噴頭按照一定間距分布于水槽長度方向上，通過增壓泵使抽取的水壓保持在2.5MPa以上，以保證噴射出的水流能較好地起到消波作用。

2.聲壓聲強測量系統(tǒng)

聲壓聲強測量系統(tǒng)用于聲學多普勒類流速流量儀器聲學性能測試，主要檢測換能器的接收靈敏度、發(fā)送響應（電壓、電流、功率）、大功率阻抗、指向性等技術指標，以判斷被檢測儀器換能器性能是否發(fā)生變化。

聲壓聲強測量系統(tǒng)整體框架由標準水聽器、前置信號處理和數(shù)據(jù)采集器構成。標準水聽器布置在水槽中，通過監(jiān)聽水槽內(nèi)換能器的信息，經(jīng)前置放大、濾波處理后，由數(shù)據(jù)采集器采集信號，經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)傳送到計算機（圖3）。

3.吸聲裝置

吸聲裝置設計主要采用在水槽兩面?zhèn)缺阡佋O吸聲模塊的方式，通過吸收水池內(nèi)聲波減少聲波反射，以達到提高聲學多普勒類儀器測量準確度的目的。

采用A-801-1吸聲尖劈，單塊尺寸500mm×500mm×10mm，扯斷強度（MPa）≥5.0，扯斷永久變形（%）≤50，平均吸聲系數(shù)≥90%，安裝前需經(jīng)中國科學院聲學計量測試站檢測合格。吸聲尖劈與池壁的粘合需要應用配套底漆、W-1粘合劑和W-2粘合劑進行粘接。配套底漆用于水泥池壁底涂；W-1粘合劑作為配套底漆的底涂使用；W-2粘合劑作為W-1粘合劑和吸聲尖劈面涂使用。

圖3 聲壓聲強測量系統(tǒng)結構示意圖

4.微納米氣泡發(fā)生裝置

微納米氣泡發(fā)生裝置采用旋回渦流式氣液高速切割產(chǎn)生微納米氣泡，通過管道和均勻排列的曝氣頭進入水體。微納米氣泡在水中的溶解率高達85%～95%，溶解氧濃度可達到飽和濃度以上，且氣泡可長時間存留在水中，可提高水體中聲波反射微粒，滿足聲學多普勒類流速儀器的檢測需求。

檢測方法分析

檢測工作主要是依據(jù)或者參照現(xiàn)有水量計量規(guī)程以及自制檢測方法來開展。常規(guī)轉(zhuǎn)子式流速儀主要以《JJG（水利）001—2009轉(zhuǎn)子式流速儀計量檢定規(guī)程》為依據(jù)進行檢定或者校準其a、b、m值。對于測深儀的檢測，可利用水槽水體長度模擬水深，依據(jù)《JJG（水利）003—2009超聲波測深儀水量計量規(guī)程》對測量誤差、重復性誤差及盲區(qū)進行表示，但是槽體寬度、槽壁材料、水體深度、水平方向上槽體長度以及被測儀器聲波發(fā)射角度大小會對實際檢測范圍產(chǎn)生影響。其余大多數(shù)流速監(jiān)測儀器屬于直讀式，主要是通過儀器示值與車速值比較的方式，參照《JJG 628—1989 SLC9型直讀式海流計水量計量規(guī)程》或自制檢測方法對其流速誤差進行表示。

流速監(jiān)測儀器計量裝置溯源方法探討

軌道校準

軌道安裝精確度等級分為一級和二級，分別對各測量點水平面高度偏差和對基準線距離偏差提出了具體要求，高度偏差和距離偏差測量可通過水準儀或全站儀進行溯源。

車速校準

車速校準是本裝置技術性能的重要指標，車速直接影響被測儀器檢定結果的準確度?！吨本€明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準方法》（GBT 21699—2008）檢定車速變化率只是對檢定車行進方向上（軸向）不同速度級提出了要求，然而在檢定車實際運行過程中，橫向和垂向都會產(chǎn)生速度分量，相關技術標準中對其提出明確要求并納入檢測范圍。另外軸向車速的穩(wěn)定性和重復性也應在相關技術標準中提出明確要求。

目前常用的車速測量工具是帶編碼器的測速輪，南京水利水文自動化研究所就是采用這種方式對水文系統(tǒng)的水槽進行校準，但測速輪在不同速度下存在動態(tài)直徑差異，需要對其進行動態(tài)校準。激光跟蹤儀也可用于水槽車速校準，中國計量科學研究院曾利用此方式對華東水文儀器檢測中心的計量裝置進行過校準，但校準前也需對激光跟蹤儀速度測量的系統(tǒng)偏差進行校準并修正。本裝置采用沿程位置觸發(fā)計時的方式測量檢定車速度，具體方法是沿軌道方向按照指定間隔布置若干觸發(fā)結構，精確測定這些距離間隔，然后利用檢定車上安裝的傳感器觸發(fā)脈沖信號，通過距離間隔與脈沖信號計時得到車速。

下一步，還需根據(jù)檢定車控制系統(tǒng)的結構，從軟硬件兩方面著手優(yōu)化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)性能，使之更適應于水量計量工作。當前，流速監(jiān)測儀器市場保有量巨大，而能面向社會開展服務的計量裝置則較為稀缺。流速監(jiān)測儀器計量裝置的成功研制，將打造一個高水平的基礎理論和研究平臺，為高質(zhì)量科學研究提供精準試驗數(shù)據(jù)，極大提升其行業(yè)影響力。