聲學多普勒流速儀計量檢定的必要性和可行性分析

姜松燕 高 偉 張文韜 駱 工

(山東省水文儀器研制中心,山東 濰坊 261031)

二十世紀90年代,我國引進和試用聲學多普勒類流速剖面儀開展長江口潮汐流量測驗,開創(chuàng)了國內(nèi)應用聲學多普勒類儀器進行河道流量測驗的先河。由于該類儀器的測流方法較常規(guī)儀器相比,具有操作方便,測驗歷時短,測速范圍大,能實時取得測驗數(shù)據(jù),實現(xiàn)在線測流等特點,得到了測驗工作者的一致認可。多普勒流速流量儀器在我國的使用范圍逐步擴大,使用的種類有多普勒點流速儀、固定式多普勒流速剖面儀、走航式多普勒流速剖面儀等。

隨著聲學多普勒類儀器在國內(nèi)水利和海洋系統(tǒng)的大量引進應用,有逐漸成為我國河流流量測驗和水量計量主流儀器的趨勢。我國地域遼闊,河流條件千差萬別,測量不穩(wěn)定流和受潮汐影響的流量是水文測驗的技術難題,多變的流態(tài)也對測流時間、測流手段、測流方式和測量人員提出了更高的技術要求。但是,當前聲學多普勒類儀器的使用條件還是有一定的局限性,河流的推移質(zhì)、泥沙含量、漂浮物等都會對流量測量造成一定的影響。

目前,我國尚未制定出聲學多普勒類儀器的檢定規(guī)程,該類儀器作為計量儀器,在引進試驗和推廣使用過程中,始終還沒有通過國內(nèi)任何質(zhì)檢機構的計量檢定,這不符合我國 《計量法》對計量檢測器具使用的要求,由于沒有質(zhì)檢機構的合法有效檢定,儀器的準確性和可靠性得不到驗證,這樣造成儀器所測到的數(shù)據(jù)準確性就缺乏合法有效的技術支撐和科學的溯源依據(jù)。

1 必要性分析

1.1 計量儀器引進與使用必須進行計量檢定

《中華人民共和國水法》第四十九條規(guī)定:“用水應當計量,并按照批準的用水計劃用水。”“用水實行計量收費和超定額累進加價制度。”《中華人民共和國水文條例》第十九條規(guī)定 “水文監(jiān)測所使用的專用技術裝備應當符合國務院水行政主管部門規(guī)定的技術要求。”

目前聲學多普勒流速儀主要依靠國外引進,國內(nèi)許多科研機構也正致力于該類儀器的開發(fā)研究,但尚處在起步階段,但也已經(jīng)有國內(nèi)產(chǎn)品投放市場的報道。因國內(nèi)尚無該類儀器的計量檢定手段,更沒有相應的計量檢定標準和計量檢定規(guī)程,所以引進使用的儀器難免良莠不分。同時因為不了解該類儀器的應用條件和適用范圍,也不免存在盲目引進和超范圍使用的問題。如何辨別此類儀器的質(zhì)量和準確度,建立此類儀器的計量檢定規(guī)程,是保證水量計量準確性和建立國外儀器進口和國內(nèi)儀器生產(chǎn)市場準入制度急需解決的問題。

1.2 是水文計量體系建設的需要

《中華人民共和國水文條例》規(guī)定“水文監(jiān)測所使用的計量器具應當依法經(jīng)檢定合格。水文監(jiān)測所使用的計量器具的檢定規(guī)程,由國務院水行政主管部門制定,報國務院計量行政主管部門備案。”

水文標準計量體系不完善,水文監(jiān)測的流速要素就無法依照溯源體系溯源到國家計量基準或行業(yè)標準,這不符合 《計量法》和 《水文條例》的對計量儀器的監(jiān)管要求。完善水文計量體系是保證水文監(jiān)測和水文數(shù)據(jù)的法制性、溯源性、準確性和一致性的需要。建立多普勒流速儀的檢定規(guī)程和計量標準,進一步完善水文計量組織體系,對促進水利計量工作進一步發(fā)展具有重要意義。

1.3 是完善國家專業(yè)計量體系的重要組成部分

計量法律、法規(guī)體系具有鮮明的法制性、溯源性、準確性和一致性特點。完整的國家計量體系應包括以下三個主要組成部分,即:國家計量法律法規(guī)體系;國家計量行政管理體系;國家計量基準和擁有各級計量標準的技術機構所構成的量值溯源體系。國家專業(yè)計量站是國家計量體系的一個重要組成部分,其主要職責:負責研究建立專業(yè)計量項目的最高計量標準,進行量值傳遞,執(zhí)行強制檢定和法律規(guī)定的其他檢定、測試任務,并承擔有關計量科研測試,組織參與制定計量檢定規(guī)程,檢定方法,培訓檢定人員等任務。現(xiàn)在水利水文行業(yè)的專業(yè)計量站還沒有建立,水文監(jiān)測的重要參數(shù)不能溯源到國家基準 (或標準)。建立聲學多普勒類流速儀的檢定規(guī)程和計量標準,開展該類儀器計量檢定工作,這對于完善國家計量標準體系有著重要的意義。

2 可行性分析

2.1 聲學多普勒流速儀工作原理

聲學多普勒儀器是利用多普勒頻移原理測定水體流動速度。多普勒頻移是由于聲源與接受物體之間的相對運動而引起的。發(fā)射某頻率的聲波被一個移動的物體所反射,就會產(chǎn)生多普勒頻移。聲學多普勒剖面流速儀是利用聲學多普勒效應原理測量水流速度剖面的儀器。可以測量距離儀器一定范圍內(nèi)許許多多點流速及該范圍內(nèi)的平均流速。

多普勒流速剖面儀的換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波,被流動水體中的顆粒物反射,會產(chǎn)生多普勒頻移。根據(jù)Fd=2Fs?v/c計算得出水相對于儀器沿著聲波方向移動的速度。

Fd=2Fs?v/c

Fd——聲學多普勒頻移;

Fs—— 發(fā)射聲波的頻率;

V——顆粒物沿聲波方向的移動速度;

C——聲波在水中的傳播速度。

2.2 聲學多普勒儀器測量數(shù)值

聲學多普勒流速儀分為:聲學多普勒點流速儀、固定式聲學多普勒流速剖面儀和走航式聲學多普勒流速剖面儀。

(1)聲學多普勒點流速儀,就是只采集水中某一點的流速。

(2)固定式聲學多普勒流速剖面儀采集的是某一區(qū)域水深的平均流速,計算得出流量。

(3)走航式聲學多普勒流速剖面儀是采集斷面的流速,和斷面不同位置的深度,計算得出斷面流量。

走航式多普勒儀器為了計算流量,在測量時進行以下數(shù)據(jù)測量:的相對速度、船速、水深、船的航行軌跡。水流絕對速度,是由水的相對速度扣除船速可獲得。

2.3 檢定方法探討

(1)聲學多普勒點流速儀,只要檢測裝置內(nèi)的水體能良好的反射聲波,而且信號強度達到被檢定儀器正常工作的范圍,就能通過檢定裝置的不同速度點的穩(wěn)定車速 (速度真值),同被檢儀器采集到的流速值比較,驗證檢定出儀器的誤差范圍和性能。

(2)固定式多普勒流速剖面儀工作原理是通過水中雜質(zhì)反射回的聲波頻率變化,計算出流速和深度,從而計算流量。此類儀器是固定使用,采集參數(shù)除了溫度、水深和流速外,沒有其他影響流量數(shù)值大小的計算參數(shù)。此類儀器的檢定:流速參數(shù)檢定參考多普勒點流速儀;水深參數(shù)依照超聲波測深儀檢定原理檢定;其它水文參數(shù)可以在可調(diào)溫度的水箱內(nèi)檢定,所以在檢定固定式多普勒流速剖面儀是切實可行的。

(3)走航式聲學多普勒流速剖面儀參與流量計算的參數(shù):水跟蹤 V水、底跟蹤V船、水深H、航向和流向(偏角)。最終參與計算水的絕對流速V值是水跟蹤和底跟蹤等數(shù)值進行的矢量合成值,由此絕對流速和所測斷面面積計算得出流量值。

在流速檢裝置能檢測水跟蹤值V水(水相對儀器的速度值),底跟蹤值V船、航向和流向,所以就能在水槽內(nèi)檢定水的絕對流速V的準確性 。

在檢定裝置上安裝通過檢定的高精度羅經(jīng),用以判斷儀器監(jiān)測到的流向和儀器運行方向的準確性。

水深參數(shù)可以直接在水槽根據(jù)超聲波測深儀檢定原理檢測定。

通過以上列舉水跟蹤、底跟蹤、方向 (羅經(jīng)方位角)和水深參數(shù)的檢定,就能測定被檢走航式儀器的準確度。

3 結 語

聲學多普勒類剖面流速儀的使用與所有的計量器具一樣,都是保障國家經(jīng)濟建設與公共安全不可或缺的技術手段。水量計量作為水利行業(yè)技術監(jiān)督的重要組成部分,將成為調(diào)控 “水經(jīng)濟”的主要手段之一,開展聲學多普勒類剖面流速儀計量檢定標準的研究,全面提升水量的計量精度,保障測量量值的準確統(tǒng)一,提升水量計量的管理能力和計量標準設備的技術水平,這對更好的為防汛抗旱、水資源的合理配置、永續(xù)利用和科學管理,都具有重大的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。

根據(jù) 《水文條例》、《水法》、《計量法》和經(jīng)濟飛速發(fā)展的要求,目前就迫切需要盡快出臺該類儀器的計量檢定規(guī)程,建立計量基準,研制開發(fā)檢定標準裝置,完善我國水利計量體系。