河道转子式流速仪计算流速的正确适用

沈燕峰，陶 悦

(苏州市环境监测中心，江苏 苏州 215004)

1 流速仪及流速计算

流速仪是流量测验的基本仪器，而其中的转子式流速仪是水文测验中的常规测速仪器，目前国内使用的流速仪主要以LS25- 1、LS25- 1A、LS25- 3、LS10和LS78型为主。流速仪校准测试报告上提供了检定公式，同时还提供了低速部分的(n，V)曲线图。因此，转子式流速仪计算流速的正确适用是计算河道流量的关键所在。

校准测试报告给出了起转速度，公式范围，还规定了低于一定的流速需查看曲线图。下面以一台常见的LS25- 1A流速仪来说明。这台流速仪的检定公式为：

V=0.0084+0.2535×n(n=N/T)

(1)

式中，V—流速，m/s；n—转子速率，即在单位测量时间内的转子数；T—测量时间；N—转子数，校准测试报告中注明了起转速度为0.05m/s，公式范围为0.1295～5m/s，还说明了“低于0.1295m/s请查看曲线图”。

2 高速部分计算流速的适用

校准测试报告中注明了公式范围为0.1295～5m/s，所以应在公式范围内使用报告中的检定公式。公式运用时，首先要确定公式使用的最小转子数N，也就是要得出一定时间T内最小转子数N。将公式范围的下限流速0.1295m/s代入公式，同时测量时间T一般取30s，求取最小转子数N，计算结果的小数位数进1到整数位，也就是取整数位数，也就得到了适用检定公式的最小转子数。经计算，最小转子数为15。也就是说在现场测量流速时，在测量时间30s内如果转子数低于15转时，不适用使用检定公式，此时需进入低速部分流速计算的适用。

3 用excel表格回归方法进行低速部分计算流速的适用

校准测试报告上提供了曲线图，这个曲线图就是n～V关系图，也就是转子速率和流速关系图，n位于曲线图上的x轴，V位于曲线图上的y轴。这个图只适用于流速的低速部分，通过曲线图和曲线图提供的数据来进行低速部分计算流速的适用。流速的适用可以通过手工划线查看曲线图，繁琐且误差大。而通过计算来实现流速适用的方法误差就非常小。进行计算的方法有2个，一个是通过科学计算器的统计功能进行回归计算，另一个简便的方法就是通过excel表格的线性回归方法来进行计算。

低速部分流速计算是一个很典型的线性拟合问题，具有很好的一元线性关联。在Excel表格中，可以采用先绘图再添加趋势线的方法来求得一元线性方程和相关系数。下面将校准测试报告中的低速部分的曲线图提供的数据为例来演示求取回归方程的方法。以excel表格(2003版)来说明。

3.1 excel表格中输入需要回归的数据对

由于公式范围为0.1295～5m/s，也就是说要在曲线图中提供的数据对中将V低于0.1295的数据对来进行回归计算。输入参与一元线性回归的两列数据(n，V)，自变量为n，应变量为V，n应在V的左侧。分别将数据对(0.1475，0.05)、(0.2686，0.08)、(0.3416，0.098)、(0.4271，0.1191)、(0.4742，0.1295)，输入excel表格。也就是在excel表格中左侧一列为n值，分别输入0.1475，0.2686，0.3416，0.4271，0.4742，右侧一列为V值，分别输入0.05，0.08，0.098，0.1191，0.1295。这时的V值是0.05～0.1295的一个范围(0.05就是流速仪的起转速度)。

3.2 生成数据对图表

选定刚才输入的数据对，在excel表格的“插入”菜单下选择“图表”，在“图表类型”中选择“xy散点”图，点击下一个直至生成图表。

3.3 添加趋势线

点击图表上的数据选定数据点，点击鼠标右键，选择“添加趋势线”，在“类型”中选择“线性”，完成添加趋势线。生成如图1。

图1 趋势线形成表

3.4 显示一元线性回归公式

选定趋势线，点击鼠标右键，进入“趋势线格式”菜单，在“选项”中勾选“显示公式”和“显示R平方值”二项。生成如图2。

图2 一元线性回归公式形成表

3.5 线性回归结果

图表上就会显示公式和R2的值。回归计算得到的一元线性公式为：

y=0.2445x+0.0142，R2=0.9998

(2)

式中，x—n值，n=N/T；y—V值，即流速。

式(2)表明线性回归的相关性很理想。

3.6 确定低速部分回归公式适用的最小转子数

将起转速度为0.05m/s代入回归公式(2)，同时一般取测量时间T为30s，求取最小转子数N，计算结果小数位数进1到整数位，也就是取整数位数，也就得到了适用回归公式的最小转子数为5。也就是说在测量时间30s内如果转子数低于5转的不适用使用回归公式，意味着流速低于0.05m/s无法实际测量。0.05m/s也就成为该台流速仪的检出限。

3.7 进行低速部分的流速计算

回归公式得到后，此时就可以运用excel表格的函数计算功能来进行计算。在excel表格中设置4列参数，第1列为N(转子数)，第2列为T(测量时间)，第3列为n(n=N/T)，第4列为V(V=a+b×n)，V也就是求得的回归公式。将回归公式代入excel表格来进行函数计算，根据一定的N和T值，就可以计算出相应的V值。

4 结果与讨论

通过对流速高速部分和低速部分的论述，对该台流速仪可以得到如下结果，见表1。

表1 修正前流速公式适用表

在一定时间内的转子数决定了是选择检定公式还是回归公式，也就决定了是适用高速部分还是低速部分。上文论述的均为30s整时计算而得的转子数，在实际测流中测量时间与30s总有偏差。此时需对最小转子数相对应的测量时间进行修正。

通过试算后，确定将T=31.2s，N=15代入高速部分的检定公式，计算出来的流速值刚好大于0.1295。就是说只要在31.2s内，转子数大于或等于15转，就适用式(1)。

通过试算后，确定将T=34s，N=5代入低速部分的回归公式，计算出来的流速值刚好大于0.05。就是说只要在34s内，转子数大于或等于5转，就适用回归公式。

修正后流速的实际适用见表2。

表2 修正后流速公式适用表

实际测流中，流速大时，最长测量时间为31.2s，流速小时，最短测量时间为34s。

5 结语

转子式流速仪计算流速的正确适用是计算河道流量的关键。首先是高速部分才适用检定公式，此时需先求得适用检定公式的最小转子数，高于此最小转子数才适用检定公式；其次是低速部分适用回归公式，回归公式的适用中需求得适用的最小转子数，高于此最小转子数才适用回归公式；再次是流速仪的低于起转速度时的转子数不应进行计算，此时的流速应以起转速度来进行统计，起转速度就成为流速仪的检出限。

实际测流中，根据仪器不同的检定报告，确定出低速部分的回归公式，根据测量时间的要求，进而合理确定适用检定公式或回归公式的测量时间，从而实现河道流量计算的正确适用。

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