明渠流量計在線校準方法及可行性分析

婁鑫鑫

（遵義市產品質量檢驗檢測院，貴州 遵義 563000）

1 背景

明渠流量計作為一種監測水實時流量的計量器具，廣泛應用于所有城市供水引水渠、火電廠冷卻飲水河排水渠、污水治理流入和排放渠、工業企業廢水排放以及水利工程和農業灌溉用渠道、生態流量監測等方面，近年來隨著各單位對計量工作的越發重視，因此校準明渠流量計成為一個趨勢，在JJG 711-1990《明渠堰槽流量計檢定規程》中提到，檢定明渠流量計需要用到標準水槽，而幾乎所有的明渠流量計使用方均無標準水槽不滿足規程提到的檢定條件，同時也沒有其他相關的測量方法可以參照，因此無法確保明渠流量計的量值準確。

現有的明渠流量計主要有三種類型：超聲波明渠流量計、多普勒明渠流量計和多聲道明渠流量計。超聲波明渠流量計將傳感器安裝在液位上方，多普勒明渠流量計將傳感器安裝在渠道底部，多聲道明渠流量計將多個傳感器安裝在槽側壁，其基本原理均為通過超聲波發射與接收的頻率對液體流速進行測量，在這三種類型的明渠流量計中，超聲波明渠流量計的測量方法最為簡單，也最為實用。

1- 轉換儀表；2- 流量、液位傳感器探頭；3- 明渠堰槽。明渠流量計的安裝方式通常如圖1 所示，在安裝好以后，由于使用方需要實時監測流量大小，無法停產，儀器內部參數已經設置好，重新安裝可能會導致測量結果有所差異，并且轉換儀表與傳感器之間的線路已經埋好，重新取出成本很高，所以只能通過在線校準的方法來確保明渠流量計的后續使用情況。

圖1 超聲波明渠流量計的安裝方式

目前我國無相關的明渠流量計在線校準規范，而在線校準的影響因素很多，比如溫度、堰槽表面不平整、流速不可控、流動狀態不平緩等因素，不確定度評定的結果不能滿足按照明渠流量計溯源的標準，即測量結果的不確定度小于或等于被測流量計準確度等級的三分之一。在經過反復實驗和對國家環境部門發布的相關流量標準進行研究后，發現可以通過改進液位高度的測量方法來減小測量結果的不確定度，以此來滿足要求。

2 超聲明渠流量計校準裝置現場校準過程改進

在校準時需要提前對槽的尺寸以及液位高度進行測量并計算出截面積，通過查閱許多文獻后發現，大家對測量液位的方法普遍采用液位計進行測量，如果在被測堰槽旁邊建一座靜水井，用液位計測量得到的值可信，在實際測量時周邊無靜水井，水是流動的，如果用一些截面積比較大的計量器具，如液位計、塔尺等進行測量，會對被測液體流動形成一個阻力，而這個阻力勢必會導致液位升高，進而導致液位測量結果出現偏差，所以在液位測量時，應選擇鋼直尺或者測深鋼卷尺作為計量器具，并且將其放置的位置平行于液體流動方向，這樣可以有效地解決因為阻力導致液位高度升高的問題。

由于用肉眼讀取液位值不方便，所以應在第一次下尺后，確定液位的大致位置，在其上下100mm 范圍內涂抹試油膏或者試水膏，重新在相同位置緩慢下尺，在進行測量時應盡量保證標尺的位置與槽底垂直，拿起標尺后直接讀取該點液位值，重復上述方法進行測量，保證測量結果之間的差值不大于1mm，此時即可認定液位高度的測量結果可信。

對于一些不方便直接用鋼直尺測量液位的渠道，應選擇測深鋼卷尺測量液位高度，在使用測深鋼卷尺時還需注意一個問題，就是重錘也會因為液體流動而發生偏移，根據此情況，本文設計了一個結構（見圖2），保證液位高度測量結果準確。

圖2 液位測量底座結構

1- 底座支柱，2- 剛性伸縮桿，3- 凹槽，4- 底板。如圖所示，底板的前端，也就是圓弧端的朝向應為液體流動方向的反方向，這樣在將底座放入液面后可以減小液體流動帶來的阻力，使其更順利的放入堰槽底部，另外，底座支柱的長度應一致，并且其長度大于或等于測深鋼卷尺重錘長度，如果大于重錘長度，需用量塊測量當重錘垂直向上靠攏底板時，重錘底部距底板下方平面的距離，由于剛性伸縮桿是垂直于底板的，因此在下尺后，可以確定測深鋼卷尺的尺帶是否垂直于堰槽底部。

通過設計該結構后，測量液位的方法為：將測深鋼卷尺的尺帶穿過凹槽，然后把測深鋼卷尺重錘與液位測量底座一起放入明渠底部，在將底座放入液面下放后注意用一定的拉力拉扯測深鋼卷尺并緩慢放入，再根據前文提到的液位高度測量方法，將液位值讀出，再加上重錘距底面的距離和測深鋼卷尺的修正值，得到標準液位值，在通過該裝置測量液位高度后，能夠很好的提高液位高度的準確度，解決之前提到的液位測量不準的問題，同時也可以減小最終流量測量結果的重復性，從而減小測量結果的不確定度。

3 明渠堰槽流量計在線校準測量不確定度評定

3.1 概述

3.1.1 測量依據：JJF（浙）1080-2012《明渠流量計在線校準規范》。

3.1.2 環境條件：溫度10℃，相對濕度61%。

3.1.3 測量對象：明渠流量計。

3.1.4 測量標準：測深鋼卷尺，測量范圍（0～5）m，準確度等級：I 級；鋼直尺：測量范圍(0-1)m；超聲明渠流量計校準裝置，測量范圍（0-40）m3/s，準確度等級：1 級。

3.2 相關計算公式

3.2.1 數學模型

流量示值誤差的測量模型：

式中：Eq- 流量示值誤差，%；q- 明渠堰槽流量計的流量示值誤差，m3/h；qs- 明渠流量計校準裝置瞬時測量結果，m3/h。其中，qs=S×V，S- 液體流經明渠流量計測量點截面積，V- 液體流速。液體流經明渠流量計測量點截面積是通過測量堰槽寬度與液位高度的測量結果得到的。

3.2.2 不確定度分量計算

3.2.2.1 液位測量誤差引入的不確定度ur(h)

液位傳感器的不確定度主要是測量重復性引入的。在某明渠流量計應用現場，對某一流量點，重復測量6 次，分別得到液位高度 h 為：1534mm、1533mm、1531mm、1531mm、1533mm、1532mm。根據貝塞爾公式計算實驗標準偏差：

實際測量中以6 次測量的平均值作為測量結果，因此液位測量誤差引入的不確定度為：

3.2.2.2 測深鋼卷尺最大允許誤差引入的標準不確定度ur1（h）

測深鋼卷尺在1500mm 處的最大允許誤差為±2mm，按均勻分布，標準不確定度分量為：

3.2.2.3 測深鋼卷尺分辨力引入的標準不確定度分量ur2(h)

測深鋼卷尺的分度值為1mm，按均勻分布，引入的不確定度分量為：

3.2.2.4 測深鋼卷尺與液面不垂直引入的標準不確定度分量u（l）

在測量時測深鋼卷尺不可能與液面完全垂直，根據經驗判斷，可能引起1mm 左右的誤差，按均勻分布，其區間半寬度為0.5mm，因此引入的不確定度為：

3.2.2.5 鋼直尺測量堰槽寬度引入的標準不確定度分量u（l1）

鋼直尺的最大允許誤差為±0.2mm，對同一位置的堰槽寬度進行多次測量，發現其測量結果l 均為512.2mm，因此鋼直尺對堰槽寬度的測量結果不確定度由其最大允許誤差引入，按均勻分布：

3.2.2.6 流量示值誤差測量不確定度分量ur(q)

超聲明渠流量計校準裝置引入的不確定度主要是測量重復性引入的。在某明渠堰槽流量計應用現場，在規定流量點條件下，重復測量10 次，分別得到瞬時流量為：605m3/h、608m3/h、612m3/h、608m3/h、602m3/h、600m3/h、595m3/h、604m3/h、610m3/h、614m3/h。根據貝塞爾公式計算實驗標準偏差：

實際測量中取10 次測量結果的平均值，因此測量重復性引入的相對標準不確定度分量為：

3.2.2.7 明渠堰槽底部不平整引入的標準不確定度分量ur(s)

根據實際測量經驗，堰槽底部在測量范圍內的不平整度為2mm，則引入的標準不確定度分量為：

3.2.2.8 超聲明渠流量計校準裝置準確度等級引入的標準不確定度分量ur(qs)

超聲明渠流量計校準裝置的準確度等級為1 級，其區間半寬度為1%，按均勻分布，則其引入的不確定度分量為:

3.2.2.9 相對標準不確定度分量匯總表（表1）。

表1 流量示值誤差各個輸入量的標準不確定度分量匯總表

3.2.2.10 合成標準不確定度的評定

相對合成標準不確定度：

4 在線校準流量計可行性分析

根據不確定度評定結果可以看出，對于在線校準明渠流量計，如果嚴格按照計量中量值傳遞的要求進行校準，按照三分之一原則，只能校準準確度等級4 級以下的明渠流量計，因為測量原理簡單，目前市面上安裝的明渠流量計準確度等級至少為2 級，因此不能按照明渠流量計的等級進行溯源，但是對于使用明渠流量計的單位來說，在線校準對于他們的意義更多的是確定被校流量計與標準復現量值的關系，對使用的明渠流量計等級要求反而不高，在國家環境保護局發布的行業標準《HJ 15-2019 超聲波明渠污水流量計技術要求及檢測方法》中提到，對液位誤差的測量要求為±3mm，對流量測量誤差的要求為±5%，因此，在進行在線校準明渠流量計工作時，應對被測明渠流量計的示值誤差指標適當放寬，在線校準的主要目的是確保被測明渠流量計的示值誤差在±5%以內。根據前文提到的測量方法以及不確定度的評定結果，可以認定明渠流量計的測量結果可以滿足對±5%的指標進行溯源，因此在進行在線校準明渠流量計工作時，采用準確度等級為1 級的超聲明渠流量計校準裝置可以滿足國家環境保護局對流量誤差的要求。

5 結論

明渠流量計廣泛應用于各行各業，近年來各部門對明渠流量是否達到要求越發重視，由于不便拆卸的原因，加上國家未出臺相應的在線校準規范，導致其溯源成為一個問題，本文根據作者對超聲明渠流量計校準裝置的長期使用經驗，借鑒浙江省發布的地方校準規范，對明渠流量計的在線校準提出了自己的看法，并通過設計改進了明渠流量計液位測量結果不準的問題，最后通過評定測量結果不確定度分析在線校準明渠流量計的可行性，為下一步起草明渠流量計在線校準規范做鋪墊。