流速儀計量檢定裝置研制及應用

李志飛，栗克國，劉 琨

（交通運輸部 天津水運工程科學研究院，天津 300456）

我國是一個擁有廣泛水利資源的國家，水運工程、水文監測、環境治理及工業生產關系到國民經濟建設和社會發展。在水文信息中，水流流速是確定水流運動特性的基本參量，是一個重要的計量參數。因此，流速儀的精準測量關系到水文信息的準確性，故要求定期對流速儀進行計量標定，重新確定其性能。傳統檢定裝置采用直流電機動力驅動、人員跟隨等方式檢定流速儀，使流速儀出現檢定數據誤差大、操作步驟麻煩等現象。本裝置依托于2.4 G無線、PLC控制、步進細分等技術，使檢定車進行遠程控制、精確調速和移位，同時采用通用計數量值溯源通過頻率計數器為流速儀量值溯源和計量檢定奠定技術基礎，保證流速儀在水文測量過程中數據的精準度[1]。

1 系統結構

依據《直線明槽中轉子式流速檢定/校準方法》，流速儀檢定要求采用靜水槽法，即流速儀固定在移動的檢定車下方，使檢定車在鋼軌上按照給定的速度往復運動，根據相對運動的原理通過檢定車的運動來模擬水流對流速儀的沖擊作用，從而完成對流速儀的檢定工作。系統模擬結構如圖1所示，工程復雜，涉及技術面廣[2]。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

整個系統大致可劃分為流速儀檢定水槽及導軌設計；流速儀計量檢定裝置設計；流速儀信號檢測系統設計；曲線擬合算法模型設計。本文針對流速儀計量檢定裝置的研制、應用進行詳細論述，包括檢定車控制和流速儀溯源兩部分。檢定車控制由上位機參數給定，通過遠程無線、PLC邏輯運算、步進電機驅動、激光測距PID反饋實施，控制示意圖如圖2所示。流速儀溯源是由已通過國家檢定的鋼尺定距離安裝定位點，通用計數器采集光柵槽經過每個定位點的脈沖，計算、記錄定位點之間時間周期，通過v=s/t重復計算當前速度。

圖2 檢定車控制示意Fig.2 Schematic diagram of verification car control

目前，流速儀計量檢定裝置完成《直線明槽中轉子式流速檢定/校準方法》所要求的各項指標，最大運行速度2.0 m/s，精度0.001 m/s。其裝置的應用為建立流速儀計量檢定標準提供技術支撐[3]。

2 裝置硬件設計

2.1 流速儀安裝裝置設計

目前，流速儀依據工作原理分多種傳感器，如直桿感光旋槳式、機械葉輪式、超聲多普勒式等，這些流速儀檢定流速時受水深和流向影響最大，而水深影響最為復雜，即愛潑爾效應。檢定時，流速儀隨檢定車向前運行產生的水面波會使相對速度減小，隨著移動速度增加，水面波傳播速度也增加，當速度到達一臨界值時水面波傳播速度也到達該值，這個臨界速度取決于水深。即：

式中：Vc為臨界速度，m/s；g 為重力加速度，9.8 m/s2；d為水深，m。

為了測試V＜Vc臨界值，本檢定車裝置根據流速儀結構不同設計多種安裝方式，包括計量架、同步升降機等，兩者同時可檢定水深和流向對流速的影響。如計量架主要檢定長桿一類流速儀。通過升降流速儀和翻轉計量架，改變流速儀水深和相對流速方向。計量架結構示意如圖3所示，計量架承重為5 kg；翻轉方式為手動/自動；升降角度為0～90°（垂直為 0°）；計量架震動：≤2 mm@2 m/s；檢定數量為8支。

圖3 計量架示意Fig.3 Sketch map of measuring rack

2.2 檢定車控制設計

2.2.1 檢定車驅動選型

動力驅動是保證計量檢定車控制精確定位和定速運行的基礎，是計量檢定裝置必要前提。包括電池組和混合式步進電機。

電池組采用可重復充電的酸堿蓄電池，工作容量共300 A·h，保證裝置長時間遠程無線運行。

混合式步進電機綜合反應式和永磁式兩者的優點，轉矩大、動態性能好、步距角小、效率高，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩、噪聲低、低頻振動小。本動力驅動的設計目的注重整套裝置的有機結合，利用以下公式選擇合適的步進電機：

（1）計算齒輪的減速比，根據所要求脈沖當量，齒輪減速比i計算如下：

式中：φ 為步進電機的步距角，（°）/脈沖；S 為絲桿螺距，mm；Δ為每次脈沖螺距行進距離，mm/脈沖。

（2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt為

式中：Jt為折算至電機軸上的慣量，kg·cm·s2；J1，J2為齒輪慣量，kg·cm·s2；Js為絲桿慣量，kg·cm·s2；W為工作臺重量，N；S為絲桿螺距，cm。

（3）計算電機輸出的總力矩M為

式中：Ma為電機啟動加速力矩，N·m；Jm，Jt為電機自身慣量與負載慣量，kg·cm·s2；n為電機所需達到的轉速，r/min；T 為電機升速時間，s；Mf為導軌摩擦折算至電機的轉矩，N·m；u為摩擦系數；η為傳遞效率；Mt為切削力折算至電機力矩，N·m；Pt為最大切削力，N。

（4）負載起動頻率估算，其估算公式為

式中：fq為帶載起動頻率，Hz；fq0為空載起動頻率，Hz；Ml為起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩，N·m。

即選用轉矩50N·m，步距角1.2°混合式步進電機。

2.2.2 檢定車功能設計

檢定車以PLC 200 CPU為邏輯控制核心，通過數據通訊端口將上位機、遙控信號、步進電機、測距傳感器等設備連接一起組成控制單元[4]。

采用西門子E1000觸摸屏作為上位機，編制有工作狀態監測、控制方式和模式、參數設置和手動操作等功能，界面如圖4所示。其中控制方式包括本地、遠程，控制模式包括定位、定速。定速模式中加速時間t為

利用 2.4 G發射機和 MODEL：CK-RM04型 4通道接收機通過不同頻率和脈寬信號遠程遙控檢定車的運行狀態，有效距離100 m。

圖4 控制界面Fig.4 Control interface

測距傳感器在定位模式中形成PID閉環系統，實時反饋數據并糾正運行位置，在定速模式中采用開環運行，實時比較并記錄當前速度。

2.2.3 流速儀溯源設計

溯源指通過一條具有規定不確定度的不間斷的比較鏈，使測量結果或計量標準的值能夠與規定的參考標準，通常是國家計量基（標）準或國際計量基（標）準聯系起來的特性。這種特性使所有的同種量值，都可以按這條比較鏈通過校準向測量的源頭追溯，即溯源到同一個測量基準（國家基準或國際基準）具有可比性、可重復性和可復現性。流速儀計量檢定裝置中流速儀溯源是通過已由國家檢定計量過的SS7300通用計數器和二級鋼卷尺，采用間接計量檢定方法完成流速儀在相同測量條件下，重復測量同一個數據，根據計量標準提供相近示值[5]。

通過二級鋼卷尺在水槽軌道旁定距離（2m）安裝定位點，總計40個。SS7300通用計數器通過外圍電路光柵槽經過定位點后產生脈沖信號，重復性計算、保存兩個定位點之間所需時間，通過v=s/t計算當前速度。利用單次測量結果yi的實驗標準差s（yi），通過對被檢定或被校準的流速儀進行n次獨立重復測量：

式中：yˉ為n次測量結果的算術平均值；n為重復測量次數（減去加速度段和減速段次數）。

利用經國家計量檢定的通用計數器和二級鋼卷尺，更進一步精確完成流速儀溯源，減小傳統流速儀計量檢定所帶來的誤差。

3 軟件設計

計量檢定車控制系統軟件分上位機操作和下位機邏輯執行。上位機采用PLC200觸摸屏顯示。下位機通過PLC 200 CPU邏輯執行。

3.1 上位機操作

上位機操作包括設備工作狀態實時監測、系統控制方式和模式、參數設置和手動操作等功能：操作權限登錄；監測各設備運行狀態及數據，實時顯示速度趨勢線；系統控制方式和模式切換。控制方式分遠程和本地；控制模式分定速和定位運行；設置定位或定速模式情況下距離或速度數值；手動打開各供電接口和控制檢定車和計量架運行；實時記錄、驗證檢定車速度和測距計算速度。

3.2 下位機邏輯執行

下位機邏輯執行程序采用STEP7-Micro/WIN編制。通過外部傳輸數據及操作指令執行相應運行狀態，使檢定車和計量架運行工作。運行流出流程如圖5所示。

另外，防止程序受外界干擾，各采集信號進行以下處理：遠程控制信號數據放大10倍，通過數據變化速率判斷是否受外界干擾；測距單元數據實時記錄，對突變數據進行屏蔽，防止干擾驅動單元；驅動單元對其它設備電力擾動，在其總電源增加抗電源干擾模塊。

4 結語

流速儀計量檢定裝置利用步進電機、無線遙控等設備應用于流速儀溯源，解決傳統流速儀計量檢定裝置產生誤差大、操作麻煩等問題。同時采用新式通用計數器等國家計量檢定設備溯源流速儀，進一步提高數據精度和工作效率。目前，國家水運工程檢測設備計量站依托于本裝置，為國家流速儀的計量建標提供有力的技術支撐[6]。

圖5 程序流程Fig.5 Program execution state flow chart

參考文獻：

[1] 徐紅，鄧湘漢，王建文.水量量測設備計量檢定/校準標準現狀及需求分析[J].中國水利水電科學研究院學報，2014，12（1）：81-85.

[2] 智永明，邵軍，唐躍平，等.ADCP流速儀檢定拖車驅動方案探討[J].中國測試，2016，42（11）：79-83.

[3] 劉洋.基于智能控制算法的流速儀檢定車調速系統的設計與研究[D].沈陽：東北大學，2013

[4] 李磊.流速儀檢定系統研究與設計[D].南京：東南大學，2009.

[5] 陳立華，鄧芳芳，鄭應成.流速儀檢定車數據采集與處理系統研發與應用[J].水電與抽水蓄能，2017，3（1）：82-86.

[6] 王亮.水槽式流速儀檢定系統的可靠性研究[D].南京：東南大學，2012.