声学多普勒流速仪计量检定的必要性和可行性分析

姜松燕 高 伟 张文韬 骆 工

(山东省水文仪器研制中心,山东 潍坊 261031)

二十世纪90年代,我国引进和试用声学多普勒类流速剖面仪开展长江口潮汐流量测验,开创了国内应用声学多普勒类仪器进行河道流量测验的先河。由于该类仪器的测流方法较常规仪器相比,具有操作方便,测验历时短,测速范围大,能实时取得测验数据,实现在线测流等特点,得到了测验工作者的一致认可。多普勒流速流量仪器在我国的使用范围逐步扩大,使用的种类有多普勒点流速仪、固定式多普勒流速剖面仪、走航式多普勒流速剖面仪等。

随着声学多普勒类仪器在国内水利和海洋系统的大量引进应用,有逐渐成为我国河流流量测验和水量计量主流仪器的趋势。我国地域辽阔,河流条件千差万别,测量不稳定流和受潮汐影响的流量是水文测验的技术难题,多变的流态也对测流时间、测流手段、测流方式和测量人员提出了更高的技术要求。但是,当前声学多普勒类仪器的使用条件还是有一定的局限性,河流的推移质、泥沙含量、漂浮物等都会对流量测量造成一定的影响。

目前,我国尚未制定出声学多普勒类仪器的检定规程,该类仪器作为计量仪器,在引进试验和推广使用过程中,始终还没有通过国内任何质检机构的计量检定,这不符合我国 《计量法》对计量检测器具使用的要求,由于没有质检机构的合法有效检定,仪器的准确性和可靠性得不到验证,这样造成仪器所测到的数据准确性就缺乏合法有效的技术支撑和科学的溯源依据。

1 必要性分析

1.1 计量仪器引进与使用必须进行计量检定

《中华人民共和国水法》第四十九条规定:“用水应当计量,并按照批准的用水计划用水。”“用水实行计量收费和超定额累进加价制度。”《中华人民共和国水文条例》第十九条规定 “水文监测所使用的专用技术装备应当符合国务院水行政主管部门规定的技术要求。”

目前声学多普勒流速仪主要依靠国外引进,国内许多科研机构也正致力于该类仪器的开发研究,但尚处在起步阶段,但也已经有国内产品投放市场的报道。因国内尚无该类仪器的计量检定手段,更没有相应的计量检定标准和计量检定规程,所以引进使用的仪器难免良莠不分。同时因为不了解该类仪器的应用条件和适用范围,也不免存在盲目引进和超范围使用的问题。如何辨别此类仪器的质量和准确度,建立此类仪器的计量检定规程,是保证水量计量准确性和建立国外仪器进口和国内仪器生产市场准入制度急需解决的问题。

1.2 是水文计量体系建设的需要

《中华人民共和国水文条例》规定“水文监测所使用的计量器具应当依法经检定合格。水文监测所使用的计量器具的检定规程,由国务院水行政主管部门制定,报国务院计量行政主管部门备案。”

水文标准计量体系不完善,水文监测的流速要素就无法依照溯源体系溯源到国家计量基准或行业标准,这不符合 《计量法》和 《水文条例》的对计量仪器的监管要求。完善水文计量体系是保证水文监测和水文数据的法制性、溯源性、准确性和一致性的需要。建立多普勒流速仪的检定规程和计量标准,进一步完善水文计量组织体系,对促进水利计量工作进一步发展具有重要意义。

1.3 是完善国家专业计量体系的重要组成部分

计量法律、法规体系具有鲜明的法制性、溯源性、准确性和一致性特点。完整的国家计量体系应包括以下三个主要组成部分,即:国家计量法律法规体系;国家计量行政管理体系;国家计量基准和拥有各级计量标准的技术机构所构成的量值溯源体系。国家专业计量站是国家计量体系的一个重要组成部分,其主要职责:负责研究建立专业计量项目的最高计量标准,进行量值传递,执行强制检定和法律规定的其他检定、测试任务,并承担有关计量科研测试,组织参与制定计量检定规程,检定方法,培训检定人员等任务。现在水利水文行业的专业计量站还没有建立,水文监测的重要参数不能溯源到国家基准 (或标准)。建立声学多普勒类流速仪的检定规程和计量标准,开展该类仪器计量检定工作,这对于完善国家计量标准体系有着重要的意义。

2 可行性分析

2.1 声学多普勒流速仪工作原理

声学多普勒仪器是利用多普勒频移原理测定水体流动速度。多普勒频移是由于声源与接受物体之间的相对运动而引起的。发射某频率的声波被一个移动的物体所反射,就会产生多普勒频移。声学多普勒剖面流速仪是利用声学多普勒效应原理测量水流速度剖面的仪器。可以测量距离仪器一定范围内许许多多点流速及该范围内的平均流速。

多普勒流速剖面仪的换能器发射某一固定频率的声波,被流动水体中的颗粒物反射,会产生多普勒频移。根据Fd=2Fs◦v/c计算得出水相对于仪器沿着声波方向移动的速度。

Fd=2Fs◦v/c

Fd——声学多普勒频移;

Fs—— 发射声波的频率;

V——颗粒物沿声波方向的移动速度;

C——声波在水中的传播速度。

2.2 声学多普勒仪器测量数值

声学多普勒流速仪分为:声学多普勒点流速仪、固定式声学多普勒流速剖面仪和走航式声学多普勒流速剖面仪。

(1)声学多普勒点流速仪,就是只采集水中某一点的流速。

(2)固定式声学多普勒流速剖面仪采集的是某一区域水深的平均流速,计算得出流量。

(3)走航式声学多普勒流速剖面仪是采集断面的流速,和断面不同位置的深度,计算得出断面流量。

走航式多普勒仪器为了计算流量,在测量时进行以下数据测量:的相对速度、船速、水深、船的航行轨迹。水流绝对速度,是由水的相对速度扣除船速可获得。

2.3 检定方法探讨

(1)声学多普勒点流速仪,只要检测装置内的水体能良好的反射声波,而且信号强度达到被检定仪器正常工作的范围,就能通过检定装置的不同速度点的稳定车速 (速度真值),同被检仪器采集到的流速值比较,验证检定出仪器的误差范围和性能。

(2)固定式多普勒流速剖面仪工作原理是通过水中杂质反射回的声波频率变化,计算出流速和深度,从而计算流量。此类仪器是固定使用,采集参数除了温度、水深和流速外,没有其他影响流量数值大小的计算参数。此类仪器的检定:流速参数检定参考多普勒点流速仪;水深参数依照超声波测深仪检定原理检定;其它水文参数可以在可调温度的水箱内检定,所以在检定固定式多普勒流速剖面仪是切实可行的。

(3)走航式声学多普勒流速剖面仪参与流量计算的参数:水跟踪 V水、底跟踪V船、水深H、航向和流向(偏角)。最终参与计算水的绝对流速V值是水跟踪和底跟踪等数值进行的矢量合成值,由此绝对流速和所测断面面积计算得出流量值。

在流速检装置能检测水跟踪值V水(水相对仪器的速度值),底跟踪值V船、航向和流向,所以就能在水槽内检定水的绝对流速V的准确性 。

在检定装置上安装通过检定的高精度罗经,用以判断仪器监测到的流向和仪器运行方向的准确性。

水深参数可以直接在水槽根据超声波测深仪检定原理检测定。

通过以上列举水跟踪、底跟踪、方向 (罗经方位角)和水深参数的检定,就能测定被检走航式仪器的准确度。

3 结 语

声学多普勒类剖面流速仪的使用与所有的计量器具一样,都是保障国家经济建设与公共安全不可或缺的技术手段。水量计量作为水利行业技术监督的重要组成部分,将成为调控 “水经济”的主要手段之一,开展声学多普勒类剖面流速仪计量检定标准的研究,全面提升水量的计量精度,保障测量量值的准确统一,提升水量计量的管理能力和计量标准设备的技术水平,这对更好的为防汛抗旱、水资源的合理配置、永续利用和科学管理,都具有重大的现实意义和深远的历史意义。

根据 《水文条例》、《水法》、《计量法》和经济飞速发展的要求,目前就迫切需要尽快出台该类仪器的计量检定规程,建立计量基准,研制开发检定标准装置,完善我国水利计量体系。