流速监测仪器计量装置设计研究

文/高 伟，余国倩，窦英伟

流速监测仪器除广泛应用于海洋、环保、地质、市政等行业外，也是水文测量的重要设备，在水资源管理中的作用举足轻重，其精度直接关系到水资源的合理分配和使用，同时对防洪安全等有重要影响。

由于水文信息测量环境复杂、恶劣，仪器精度易受到影响，加之引用计量标准不统一，影响了水量计量的准确度。随着经济社会发展对水量计量工作提出了更高要求，亟须研究一套适用于新形势下的流速监测仪器计量装置，以解决建造标准和技术装备水平低、检测能力不足等问题。

流速监测仪器计量管理与装置现状

根据工作原理不同，流速监测仪器可分为转子式流速仪和声光电类流速仪。目前水利行业虽已出台《JJG（水利）001—2009转子式流速仪计量检定规程》，但是可依据该规程开展检定工作的转子式流速仪只有LS251—1、LS20B、LS78等9种型号；转子式直读流速仪如BH系列、FP系列等没有可以参照的检定规程；声光电类流速仪，如声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、声学多普勒流速仪（ADV）等多为进口仪器，目前仍没有建立相关的计量技术法规作为检定或校准依据。

自2011年国家启动中小河流和大江大河水文监测系统建设工程以来，全国各省（自治区、直辖市）采购了大量声光电类流速仪，迫切需要建立一套完善的计量管理体系和科学的计量装置来确保仪器的准确度。

流速监测仪器计量装置主要应用于水文和海洋行业的流速检定工作，用于分析评价流速监测仪器的技术性能和准确度。装置可分为动水槽和静水槽，本研究依托静水槽，对流速监测仪器计量装置的设计展开探讨。

根据原水利部水文局关于全国水文系统仪器设备检定/校准职能的划分，目前共有华东、西部、西北、华北、中南、华南、西南、东部8家水文仪器检测中心，各自负责本区域范围内水文、水利及其他行业流速监测仪器的校准和检测工作。现有水槽大部分始建于20世纪八九十年代，水槽尺寸和速度范围各不相同，具体设计也无统一技术标准，只有水利部原水文局2006年公布的《全国水文系统流速仪检定/校准水槽技术鉴定与质量监督实施细则》提出了相关要求，《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法（GBT 216991—2008）》对轨道安装精确度和检定车速变化率提出了明确要求。目前仅华东、中南、华北和西部4个中心通过了国家认监委资质认证，取得地方质检部门计量授权的只有华东1家。各中心计量装置的规模和技术参差不齐，技术升级周期较长，大部分只在转子式流速仪方面具备检测能力，在声光电类流速仪方面还不具备检测条件。

海洋系统虽下设北海、东海、南海3个标准计量中心，但只有东海中心建有水槽，其余中心辖区内的仪器大部分要送往水文系统的水槽进行检测。环保、地质等部门也均没有水槽，所用仪器需前往就近水文系统的水槽进行检测。

流速监测仪器计量装置设计

2016年9月，山东省大江大河水文监测系统建设工程省水文仪器检定中心建设项目取得了立项批文，山东省水文局成为《全国水文基础设施建设规划（2013）》实施以来第一家成功立项的水文单位。该项目投资3500余万元，建设流速、水位、降水量、流向等计量装置，计划2019年1月竣工。流速监测计量装置在保证转子式流速仪的检定精度之外，针对声光电类流速仪，增加了吸声装置、微纳米气泡发生装置等配套设施。

检定车

1.检定车主要功能

检定车是计量装置的核心部分，结合流速实验室集成测控大数据应用平台和三维虚拟仿真等技术，实现检定过程的精细化、自动化控制，主要功能如下：

①智能控制功能，包括智能行驶控制和智能制动两部分，满足被检仪器不同速度条件下的安全制动需求；

②多种被检仪器搭载功能，满足不同原理、不同类型仪器的悬挂、换向、二维运动、翻转及安装拆卸等需求；

③被检仪器信息采集功能，通过信号收集、处理及传输，达到仪器检定目的。

2.检定车组成

检定车长5.3m、宽6.1m、高1m，外罩采用玻璃钢浇筑工艺打造、流线型设计，通过交流同步伺服电机四轮驱动提供动力，设计速度为0.005～10m/s。车体主要包括检定车组件、拖动与调速系统、滑线系统、车载测控系统电源、车速和绝对位置测量、流速仪悬挂与转向机构、检定车安全系统、中心控制系统、信号检测单元（图1）。

3.检定车智能控制

检定车电控系统的选取根据现场环境、驱动设备和数据采集等方面的要求，采用双PLC控制方案，主PLC实现检定车控制系统整体架构建设、数据采集、车辆运行控制、网络通信等功能，副PLC完成检测设备运行控制。鉴于检定车对行驶速度和行驶位置有较高要求，本装置采用双闭环控制模式（速度闭环+位置闭环）。

智能化控制主要从计量检定装置加减速曲线分析、自动检测模型构建、通信技术研究等方面着手。在不增加功率的前提下，通过改进交流伺服技术提高检定装置运行的稳定性；利用所提取的要素信息，结合实测数据，构建自动检测控制模型；针对模型的参数特点，并结合机器学习，研究参数的率定方法；通过有线、无线通信系统，从而实现整个检测过程的智能化。

图1 检定车系统结构

直线明槽

1.槽体

槽体总长160m、宽5m、深4m，设计水深3.5m，其中南端设有长度为6.2m的检修槽，其余为检测槽。槽体内配Φ18mm和Φ20mm HRB400E抗震钢筋，间距150mm，内置双层双向钢筋网，采用C30抗渗P6混凝土浇筑，混凝土均加引气剂，抗冻等级F150。长度方向上等间距设有6道伸缩缝，伸缩缝部位钢筋通长，并设1.5mm厚的紫铜止水板，加铺聚乙烯闭孔泡沫塑料板，最后以聚硫密封胶封缝，施工缝处设置3mm厚的镀锌钢板止水带。槽体底板厚800mm，侧壁变截面600～800mm，槽体中央100m检测段部分加腋。流速实验室外侧建有水泵房，通过水槽进水口注水，水槽底板在长度方向上两侧高中间低，最低水位处设计在中段的出水口位置，便于水槽换水（图2）。

2.轨道

单线长度160m，采用25m的P50热轧钢轨无缝焊接而成，接缝处不平度设计要求不大于0.1mm。结构形式为无砟轨道，采用C30混凝土垫块对轨道进行多方向调整，设计行车速度40km/h。施工参照《铁路轨道工程施工质量验收标准》（TB 10413—2003）、《铁路混凝土工程施工验收标准》（TB 10424—2010），确保安装精确度符合《直线明槽中的转子式流速仪检定-校准方法》（GBT 21699—2008）要求。

图2 槽体设计示意图（单位：mm）

直线明槽配套设施

为满足声光电类流速仪器的检测需求，经多方调研后设计配套了以下装置：

1.消波系统

消波系统主要是为了降低槽体内水体波动，为仪器检定提供一个较为稳定的环境条件，主要包括弧形消波装置和喷淋消波装置。弧形消波装置由不锈钢材质焊接而成，其弧面按一定间距密布多条横梁，当波浪进入消波装置时，波浪在弧面处的起落会促使波滚发生破碎，从而在水平方向和竖直方向上同时消耗波浪动能。喷淋消波装置由管道、增压泵、阀门和喷头等组成，喷头按照一定间距分布于水槽长度方向上，通过增压泵使抽取的水压保持在2.5MPa以上，以保证喷射出的水流能较好地起到消波作用。

2.声压声强测量系统

声压声强测量系统用于声学多普勒类流速流量仪器声学性能测试，主要检测换能器的接收灵敏度、发送响应（电压、电流、功率）、大功率阻抗、指向性等技术指标，以判断被检测仪器换能器性能是否发生变化。

声压声强测量系统整体框架由标准水听器、前置信号处理和数据采集器构成。标准水听器布置在水槽中，通过监听水槽内换能器的信息，经前置放大、滤波处理后，由数据采集器采集信号，经处理后的数据传送到计算机（图3）。

3.吸声装置

吸声装置设计主要采用在水槽两面侧壁铺设吸声模块的方式，通过吸收水池内声波减少声波反射，以达到提高声学多普勒类仪器测量准确度的目的。

采用A-801-1吸声尖劈，单块尺寸500mm×500mm×10mm，扯断强度（MPa）≥5.0，扯断永久变形（%）≤50，平均吸声系数≥90%，安装前需经中国科学院声学计量测试站检测合格。吸声尖劈与池壁的粘合需要应用配套底漆、W-1粘合剂和W-2粘合剂进行粘接。配套底漆用于水泥池壁底涂；W-1粘合剂作为配套底漆的底涂使用；W-2粘合剂作为W-1粘合剂和吸声尖劈面涂使用。

图3 声压声强测量系统结构示意图

4.微纳米气泡发生装置

微纳米气泡发生装置采用旋回涡流式气液高速切割产生微纳米气泡，通过管道和均匀排列的曝气头进入水体。微纳米气泡在水中的溶解率高达85%～95%，溶解氧浓度可达到饱和浓度以上，且气泡可长时间存留在水中，可提高水体中声波反射微粒，满足声学多普勒类流速仪器的检测需求。

检测方法分析

检测工作主要是依据或者参照现有水量计量规程以及自制检测方法来开展。常规转子式流速仪主要以《JJG（水利）001—2009转子式流速仪计量检定规程》为依据进行检定或者校准其a、b、m值。对于测深仪的检测，可利用水槽水体长度模拟水深，依据《JJG（水利）003—2009超声波测深仪水量计量规程》对测量误差、重复性误差及盲区进行表示，但是槽体宽度、槽壁材料、水体深度、水平方向上槽体长度以及被测仪器声波发射角度大小会对实际检测范围产生影响。其余大多数流速监测仪器属于直读式，主要是通过仪器示值与车速值比较的方式，参照《JJG 628—1989 SLC9型直读式海流计水量计量规程》或自制检测方法对其流速误差进行表示。

流速监测仪器计量装置溯源方法探讨

轨道校准

轨道安装精确度等级分为一级和二级，分别对各测量点水平面高度偏差和对基准线距离偏差提出了具体要求，高度偏差和距离偏差测量可通过水准仪或全站仪进行溯源。

车速校准

车速校准是本装置技术性能的重要指标，车速直接影响被测仪器检定结果的准确度。《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》（GBT 21699—2008）检定车速变化率只是对检定车行进方向上（轴向）不同速度级提出了要求，然而在检定车实际运行过程中，横向和垂向都会产生速度分量，相关技术标准中对其提出明确要求并纳入检测范围。另外轴向车速的稳定性和重复性也应在相关技术标准中提出明确要求。

目前常用的车速测量工具是带编码器的测速轮，南京水利水文自动化研究所就是采用这种方式对水文系统的水槽进行校准，但测速轮在不同速度下存在动态直径差异，需要对其进行动态校准。激光跟踪仪也可用于水槽车速校准，中国计量科学研究院曾利用此方式对华东水文仪器检测中心的计量装置进行过校准，但校准前也需对激光跟踪仪速度测量的系统偏差进行校准并修正。本装置采用沿程位置触发计时的方式测量检定车速度，具体方法是沿轨道方向按照指定间隔布置若干触发结构，精确测定这些距离间隔，然后利用检定车上安装的传感器触发脉冲信号，通过距离间隔与脉冲信号计时得到车速。

下一步，还需根据检定车控制系统的结构，从软硬件两方面着手优化系统，提高系统性能，使之更适应于水量计量工作。当前，流速监测仪器市场保有量巨大，而能面向社会开展服务的计量装置则较为稀缺。流速监测仪器计量装置的成功研制，将打造一个高水平的基础理论和研究平台，为高质量科学研究提供精准试验数据，极大提升其行业影响力。