水工与河工模型试验计量技术标准对比分析

刘 彧，徐 红，齐 莹，盛春花，宋小艳

(中国水利水电科学研究院，北京 100038)

1 研究背景

伴随着经济全球化深入发展，中国作为世界水电大国和世界水电技术强国，参与到越来越多的水电行业国际合作项目中去，我国水电计量技术标准的国际化研究亟待加强。中国标准在国际上的影响力还不够，技术标准已成为我国水电工作对外技术交流和参与国际市场竞争的主要瓶颈之一，中国水电计量标准体系同国际接轨成为迫切需要[1]。

模型试验是科学试验中一项重要的研究方法和技术。运用水力学及河流动力学原理，水工与河工模型试验在解决水电工程实际问题及科研方面，可弥补数学分析方法的不足，能够节约大量人力、物力及时间，有着不可替代的作用。为保证模型试验结果的准确，保证试验计量标准器具的量值准确可靠尤为重要，而相关计量标准、量值溯源体系不断完善就显得十分必要且迫切。我国相关领域已建立了相对完善的检定规程/校准规范标准体系，但仍有些仪器设备检定规程/校准规范处于空白，尤其是相应的现场检定规程/校准方法。因此，需要解决目前相关领域计量技术标准中存在的问题，为今后水电行业计量技术标准的制(修)订提供建议，从而推动中国水电计量技术标准国际化，提高中国水电技术的国际竞争力，为中国水电走向世界保驾护航。

2 水工与河工模型试验计量技术标准对比分析

水工和河工模型试验的内容涉及范围较广，常见的水工河工模型试验涉及水位、波高、水压、流速、流量和浓度(掺气或挟沙)等。

2.1 主要仪器设备

常用的水工河工模型试验仪器主要包括试验用的水位计、波高仪、压力计、流速仪、量水堰、流量计和浓度仪。

水位计：主要包括水尺(分为直立式、斜坡式、矮桩式三种)、电子水尺(分为触点式和非触点式电子水尺)、浮子式水位计(是我国应用最多的水位计，分为日记、月记、季记式)、压力式水位计(分为压阻式和气泡式压力水位计)、超声波水位计(分为液介式和气介式超声水位计)、雷达水位计、激光水位计、遥测水位计(编码水位计)、跟踪水位仪。

波高仪：主要包括常用的波高仪。

压力计：主要包括液体压力计、压力传感器(静态)、数字压力计、浮球式压力计、水压力测量系统、拉压力测量系统。

流速仪：主要包括转子式流速仪(分为旋桨流速仪和旋杯流速仪)、电波流速仪、声学流速仪(分为声学时差法流速仪和声学多普勒流速仪(ADV))、电磁点流速仪。

量水堰：主要包括常用的量水堰。

流量计：主要包括电磁流量计、超声波流量计、差压式流量计。

表1 我国现行有效水工及河工计量技术标准清单

浓度仪：主要包括掺气仪(主要包括电阻式掺气浓度仪)、含沙量测量仪(主要包括γ射线型掺气浓度仪、光电测沙仪)。

2.2 主要计量技术标准现状

共收集到我国现行有效的水工与河工计量技术标准15项(SL 233—2016系列标准13项算为1项)见表1。

收集的我国水工与河工模型试验15项检定规程及校验方法标准中，均未在标准文本或“规范性引用文件(或标准)”中体现标准与国际标准、国外标准的等同采用或引用关系的情况[2]。标准类型分布见表2。

表2 水工与河工计量技术标准类型分布表

2.3 主要计量技术标准对比分析

由于水工与河工涉及到计量设备种类较多，适用范围也不尽相同。现按照涉及到的仪器，可分为水位计、波高仪、压力计、流速仪、量水堰、流量计和浓度仪这7大类，分别做一比较分析。

收集的标准涉及试验规程及检定规程(校验方法)两大类，其中，试验规程标准仅在测量仪器具体章节对部分仪器的精度有一些要求，并未涉及具体的校验方法。而检定规程(校验方法)标准则具体规定了仪器的技术要求、条件、方法、结果、周期、记录格式及校验证书等内容，对不同仪器的不同特性，提供了具体检定或校验方法的操作指南，可供使用者或独立的试验机构来进行仪器的检定及校准。

2.3.1水位计计量技术标准现状及分析

涉及水位计的标准有3项，详见表3。3项标准中，除了仪器的计量性能要求、通用(一般)技术要求等常规规定外，针对不同仪器的特殊要求，对检定/校准项目及方法做出了不同规定，如性能检定中浮子式水位计检定主要包括灵敏阈、测量误差、回差、重复性误差、再现性误差和计时误差，超声波水位计检定主要包括测量误差、盲区和重复性误差，跟踪式水位仪校验主要包括跟踪速度、灵敏阈、测量相对误差与重复性和示值稳定性。

2.3.2波高仪计量技术标准现状及分析

涉及到波高仪的有1项标准。系列标准中SL 233.3—2016《水工与河工模型试验常用仪器校验方法第3部分：波高仪》标准中，除了对一般技术要求、校验项目及性能要求、校验器具等技术要求做出具体规定以外，还对波高仪的非线性度校验、零点漂移校验、灵敏度稳定性校验和灵敏度(水)温变校验等校验方法提供了具体的操作指南。

表3 水工与河工计量技术标准适用范围情况表-水位计

表4 水工与河工计量技术标准适用范围情况表-压力计

2.3.3压力计计量技术标准现状及分析

涉及到压力计的有6项标准。详见表4。6项检定规程及校验方法标准具体对液体压力计、压力传感器(静态)、数字压力计、浮球式压力计以及水工河工模型试验最常用的水压力测量系统和拉压力测量系统的校验方法做出了说明。除了通用条款外，个性指标主要包括工作用液体压力计的外观检查、密封性检定、示指检定和零位变动量检定；压力传感器(静态)的外观检查、检定前准备、密封性检查、绝缘电阻检定、零点漂移检定、输出值检定、压力传感器工作直线的计算、传感器技术指标的计算、周期稳定性的检定以及检定几种不同类型压力传感器的要求(差压传感器、非线性传感器、压电式压力传感器、定温度点使用的压力传感器)等；数字压力计的外观检查、绝缘电阻检定、零位漂移、稳定性、示值误差、回程误差检定、附加功能检定等；浮球式压力计的外观检查、砝码和砝码架检查、浮球工作的稳定性检查、垂直度检定、浮球有效面积检定、鉴别力检定、气源变化影响、专用砝码及砝码架(含浮球)质量检定、浮球有效面积周期变化率检定等；水压力和拉压力测量系统两部分的非线性度与重复性校验、零点漂移校验、灵敏度稳定性校验。

2.3.4流速仪计量技术标准现状及分析

涉及到流速仪的有4项标准。详见表5。除了通用条款外，个性指标主要包括转子式流速仪的检定/校准速度范围、起转速度、临界速度、水利螺距、仪器常数、检定/校准公式的a、b值、检定/校准公式的使用范围、全线相对均方差或各速度级相对误差；旋桨流速仪的计数(计时)器误差校验、旋桨起转流速校验和测量相对误差校验等，声学多普勒流速仪(ADV)的X向、Y向和Z向的测量相对误差和重复性校验等校验方法。2项转子流速仪相关规定部分有交叉重复。

2.3.5量水堰计量技术标准现状及分析

涉及到量水堰的有1项标准。系列标准中SL 233.8—2016《水工与河工模型试验常用仪器校验方法第8部分：量水堰》标准中，除了对一般技术要求、校验项目及性能要求、校验器具等技术要求做出具体规定以外，还对量水堰的粗糙度校验、尺寸校验、水平度校验、铅直度与垂直度校验以及流态检查等校验方法提供了具体的操作指南。

表5 水工与河工计量技术标准适用范围情况表-流速仪

表6 水工与河工计量技术标准适用范围情况表-流量计

2.3.6流量计计量技术标准现状及分析

涉及到流量计的有8项标准，详见表6。除了通用条款外，个性指标主要包括压差式流量计的几何检测法、系数检测法、示值误差检测法等校验方法的具体要求；超声流量计的外观标识、密封性、流量计参数、示值误差、重复性、流量计系数修正、双向测量流量计、外夹式流量计、几何参数、计时系统分辨力检查、计时系统延时、流量计零流量实验、流速计算功能检查、积分方法检查等检定校准项目；电磁流量计的外观标识、密封性、相对示值误差(或引用误差)、重复性校验等项目及标准表法、电参数法等校验方法。

2.3.7浓度仪计量技术标准现状及分析

涉及到流量计的有3项标准，详见表7。除了通用条款外，个性指标主要包括电阻式掺气浓度仪的电极传感器校验、示值偏差校验和零点漂移校验等；γ射线型掺气浓度仪和光电测沙仪的测量相对误差校验以及测量重复性校验等。

3 结论与建议

我国水工与河工模型试验相关计量检定规程/校准规范存在有些标准交叉重复、制修订滞后、标准质量有待进一步提高等标准化共性问题，具体体现在以下方面：

表7 水工与河工计量技术标准适用范围情况表-浓度仪

(1)检定/校准标准缺位

目前，我国水电行业已建立了相对完善的检定规程/校准规范标准体系[3- 4]，但仍有些仪器设备检定规程/校准规范处于空白，且未对水工和河工模型试验中常用的仪器全范围覆盖，如部分常用仪器的相应的现场检定规程/校准方法，导致有些仪器设备虽已颁布检定规程/校准规范，仍无法满足现场规程/校准的需求[5- 6]。目前有些水电行业使用的行业专用仪器设备的校验规程仍存在标准缺位，导致其量值无法溯源至国家基准[7- 8]。建议制定的8项水工与河工模型试验计量技术标准清单见表8。

表8 我国缺失水工与河工模型试验计量技术标准清单

(2)标准交叉重复

少数水电计量检定/校准标准存在标准间的交叉重复，且不同标准对检定规程及校验方法的要求深浅也有所不同[9]，如流速仪的检定规程有JJG(水利)001—2009《转子式流速仪》、GB/T 21699—2008《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》；流量计的检定规程有超声流量计JJG 1030—2007《超声流量计检定规程》、JJF 1358—2012《非实流法校准DN1000～DN15000液体超声流量计校准规范》及SL 233.10—2016《水工与河工模型试验常用仪器校验方法第10部分：超声流量计》，电磁流量计JJG 1033—2007《电磁流量计检定规程》、CJ/T 364—2011《管道式电磁流量计在线校准要求》及SL 233.9—2016《水工与河工模型试验常用仪器校验方法第9部分：电磁流量计》。

(3)技术指标规定不明确

国家计量检定规程是国家的计量技术法规，它的作用是规范和指导关系国计民生的计量检定工作，其重要性不言而喻，因此，计量检定规程在制定过程中应考虑全面[10]。现有部分计量标准对个别技术指标未作出具体规定，且有些计量标准在计量性能要求、计量标准器选择以及检定方法的选取等方面的规定与实际使用情况不太相符，导致计量标准的可操作性和实施效果不太理想。

在国内相关技术标准日臻完善和国外水工与河工模型试验计量标准相对缺失的情况下，未来可对相关领域的标准的技术指标及缺失标准进行相应补充，为我国水电领域相关计量标准“走出去”奠定基础。