明渠流量计在线校准方法及可行性分析

娄鑫鑫

（遵义市产品质量检验检测院，贵州 遵义 563000）

1 背景

明渠流量计作为一种监测水实时流量的计量器具，广泛应用于所有城市供水引水渠、火电厂冷却饮水河排水渠、污水治理流入和排放渠、工业企业废水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道、生态流量监测等方面，近年来随着各单位对计量工作的越发重视，因此校准明渠流量计成为一个趋势，在JJG 711-1990《明渠堰槽流量计检定规程》中提到，检定明渠流量计需要用到标准水槽，而几乎所有的明渠流量计使用方均无标准水槽不满足规程提到的检定条件，同时也没有其他相关的测量方法可以参照，因此无法确保明渠流量计的量值准确。

现有的明渠流量计主要有三种类型：超声波明渠流量计、多普勒明渠流量计和多声道明渠流量计。超声波明渠流量计将传感器安装在液位上方，多普勒明渠流量计将传感器安装在渠道底部，多声道明渠流量计将多个传感器安装在槽侧壁，其基本原理均为通过超声波发射与接收的频率对液体流速进行测量，在这三种类型的明渠流量计中，超声波明渠流量计的测量方法最为简单，也最为实用。

1- 转换仪表；2- 流量、液位传感器探头；3- 明渠堰槽。明渠流量计的安装方式通常如图1 所示，在安装好以后，由于使用方需要实时监测流量大小，无法停产，仪器内部参数已经设置好，重新安装可能会导致测量结果有所差异，并且转换仪表与传感器之间的线路已经埋好，重新取出成本很高，所以只能通过在线校准的方法来确保明渠流量计的后续使用情况。

图1 超声波明渠流量计的安装方式

目前我国无相关的明渠流量计在线校准规范，而在线校准的影响因素很多，比如温度、堰槽表面不平整、流速不可控、流动状态不平缓等因素，不确定度评定的结果不能满足按照明渠流量计溯源的标准，即测量结果的不确定度小于或等于被测流量计准确度等级的三分之一。在经过反复实验和对国家环境部门发布的相关流量标准进行研究后，发现可以通过改进液位高度的测量方法来减小测量结果的不确定度，以此来满足要求。

2 超声明渠流量计校准装置现场校准过程改进

在校准时需要提前对槽的尺寸以及液位高度进行测量并计算出截面积，通过查阅许多文献后发现，大家对测量液位的方法普遍采用液位计进行测量，如果在被测堰槽旁边建一座静水井，用液位计测量得到的值可信，在实际测量时周边无静水井，水是流动的，如果用一些截面积比较大的计量器具，如液位计、塔尺等进行测量，会对被测液体流动形成一个阻力，而这个阻力势必会导致液位升高，进而导致液位测量结果出现偏差，所以在液位测量时，应选择钢直尺或者测深钢卷尺作为计量器具，并且将其放置的位置平行于液体流动方向，这样可以有效地解决因为阻力导致液位高度升高的问题。

由于用肉眼读取液位值不方便，所以应在第一次下尺后，确定液位的大致位置，在其上下100mm 范围内涂抹试油膏或者试水膏，重新在相同位置缓慢下尺，在进行测量时应尽量保证标尺的位置与槽底垂直，拿起标尺后直接读取该点液位值，重复上述方法进行测量，保证测量结果之间的差值不大于1mm，此时即可认定液位高度的测量结果可信。

对于一些不方便直接用钢直尺测量液位的渠道，应选择测深钢卷尺测量液位高度，在使用测深钢卷尺时还需注意一个问题，就是重锤也会因为液体流动而发生偏移，根据此情况，本文设计了一个结构（见图2），保证液位高度测量结果准确。

图2 液位测量底座结构

1- 底座支柱，2- 刚性伸缩杆，3- 凹槽，4- 底板。如图所示，底板的前端，也就是圆弧端的朝向应为液体流动方向的反方向，这样在将底座放入液面后可以减小液体流动带来的阻力，使其更顺利的放入堰槽底部，另外，底座支柱的长度应一致，并且其长度大于或等于测深钢卷尺重锤长度，如果大于重锤长度，需用量块测量当重锤垂直向上靠拢底板时，重锤底部距底板下方平面的距离，由于刚性伸缩杆是垂直于底板的，因此在下尺后，可以确定测深钢卷尺的尺带是否垂直于堰槽底部。

通过设计该结构后，测量液位的方法为：将测深钢卷尺的尺带穿过凹槽，然后把测深钢卷尺重锤与液位测量底座一起放入明渠底部，在将底座放入液面下放后注意用一定的拉力拉扯测深钢卷尺并缓慢放入，再根据前文提到的液位高度测量方法，将液位值读出，再加上重锤距底面的距离和测深钢卷尺的修正值，得到标准液位值，在通过该装置测量液位高度后，能够很好的提高液位高度的准确度，解决之前提到的液位测量不准的问题，同时也可以减小最终流量测量结果的重复性，从而减小测量结果的不确定度。

3 明渠堰槽流量计在线校准测量不确定度评定

3.1 概述

3.1.1 测量依据：JJF（浙）1080-2012《明渠流量计在线校准规范》。

3.1.2 环境条件：温度10℃，相对湿度61%。

3.1.3 测量对象：明渠流量计。

3.1.4 测量标准：测深钢卷尺，测量范围（0～5）m，准确度等级：I 级；钢直尺：测量范围(0-1)m；超声明渠流量计校准装置，测量范围（0-40）m3/s，准确度等级：1 级。

3.2 相关计算公式

3.2.1 数学模型

流量示值误差的测量模型：

式中：Eq- 流量示值误差，%；q- 明渠堰槽流量计的流量示值误差，m3/h；qs- 明渠流量计校准装置瞬时测量结果，m3/h。其中，qs=S×V，S- 液体流经明渠流量计测量点截面积，V- 液体流速。液体流经明渠流量计测量点截面积是通过测量堰槽宽度与液位高度的测量结果得到的。

3.2.2 不确定度分量计算

3.2.2.1 液位测量误差引入的不确定度ur(h)

液位传感器的不确定度主要是测量重复性引入的。在某明渠流量计应用现场，对某一流量点，重复测量6 次，分别得到液位高度 h 为：1534mm、1533mm、1531mm、1531mm、1533mm、1532mm。根据贝塞尔公式计算实验标准偏差：

实际测量中以6 次测量的平均值作为测量结果，因此液位测量误差引入的不确定度为：

3.2.2.2 测深钢卷尺最大允许误差引入的标准不确定度ur1（h）

测深钢卷尺在1500mm 处的最大允许误差为±2mm，按均匀分布，标准不确定度分量为：

3.2.2.3 测深钢卷尺分辨力引入的标准不确定度分量ur2(h)

测深钢卷尺的分度值为1mm，按均匀分布，引入的不确定度分量为：

3.2.2.4 测深钢卷尺与液面不垂直引入的标准不确定度分量u（l）

在测量时测深钢卷尺不可能与液面完全垂直，根据经验判断，可能引起1mm 左右的误差，按均匀分布，其区间半宽度为0.5mm，因此引入的不确定度为：

3.2.2.5 钢直尺测量堰槽宽度引入的标准不确定度分量u（l1）

钢直尺的最大允许误差为±0.2mm，对同一位置的堰槽宽度进行多次测量，发现其测量结果l 均为512.2mm，因此钢直尺对堰槽宽度的测量结果不确定度由其最大允许误差引入，按均匀分布：

3.2.2.6 流量示值误差测量不确定度分量ur(q)

超声明渠流量计校准装置引入的不确定度主要是测量重复性引入的。在某明渠堰槽流量计应用现场，在规定流量点条件下，重复测量10 次，分别得到瞬时流量为：605m3/h、608m3/h、612m3/h、608m3/h、602m3/h、600m3/h、595m3/h、604m3/h、610m3/h、614m3/h。根据贝塞尔公式计算实验标准偏差：

实际测量中取10 次测量结果的平均值，因此测量重复性引入的相对标准不确定度分量为：

3.2.2.7 明渠堰槽底部不平整引入的标准不确定度分量ur(s)

根据实际测量经验，堰槽底部在测量范围内的不平整度为2mm，则引入的标准不确定度分量为：

3.2.2.8 超声明渠流量计校准装置准确度等级引入的标准不确定度分量ur(qs)

超声明渠流量计校准装置的准确度等级为1 级，其区间半宽度为1%，按均匀分布，则其引入的不确定度分量为:

3.2.2.9 相对标准不确定度分量汇总表（表1）。

表1 流量示值误差各个输入量的标准不确定度分量汇总表

3.2.2.10 合成标准不确定度的评定

相对合成标准不确定度：

4 在线校准流量计可行性分析

根据不确定度评定结果可以看出，对于在线校准明渠流量计，如果严格按照计量中量值传递的要求进行校准，按照三分之一原则，只能校准准确度等级4 级以下的明渠流量计，因为测量原理简单，目前市面上安装的明渠流量计准确度等级至少为2 级，因此不能按照明渠流量计的等级进行溯源，但是对于使用明渠流量计的单位来说，在线校准对于他们的意义更多的是确定被校流量计与标准复现量值的关系，对使用的明渠流量计等级要求反而不高，在国家环境保护局发布的行业标准《HJ 15-2019 超声波明渠污水流量计技术要求及检测方法》中提到，对液位误差的测量要求为±3mm，对流量测量误差的要求为±5%，因此，在进行在线校准明渠流量计工作时，应对被测明渠流量计的示值误差指标适当放宽，在线校准的主要目的是确保被测明渠流量计的示值误差在±5%以内。根据前文提到的测量方法以及不确定度的评定结果，可以认定明渠流量计的测量结果可以满足对±5%的指标进行溯源，因此在进行在线校准明渠流量计工作时，采用准确度等级为1 级的超声明渠流量计校准装置可以满足国家环境保护局对流量误差的要求。

5 结论

明渠流量计广泛应用于各行各业，近年来各部门对明渠流量是否达到要求越发重视，由于不便拆卸的原因，加上国家未出台相应的在线校准规范，导致其溯源成为一个问题，本文根据作者对超声明渠流量计校准装置的长期使用经验，借鉴浙江省发布的地方校准规范，对明渠流量计的在线校准提出了自己的看法，并通过设计改进了明渠流量计液位测量结果不准的问题，最后通过评定测量结果不确定度分析在线校准明渠流量计的可行性，为下一步起草明渠流量计在线校准规范做铺垫。