电波流速仪实验比测与使用方法研究

高 伟，窦英伟，姜松燕

（山东省水文仪器研制中心，山东 潍坊 261031）

电波流速仪作为一种常用于野外巡测和发生洪水、溃坝、决口、泥石流等特殊水情时的应急测流设备，对水情复杂、水流急、含沙量大、水中有大量漂浮物，一般流速仪无法下水的情况下，具有特殊的优越性，在水文测验工作中得到越来越多的应用。

1 国内外技术现状

随着进口电波流速仪在国内的推广应用，国产电波流速仪技术不断成熟。研究发现，两者的区别主要在于产品的软硬件和集成度。软件方面，数据处理的计算方法不同；硬件方面，雷达探头的测量范围和准确度等级不同；集成度方面，进口电波流速仪经过多年的推广和实际应用，已经将雷达探头、数据处理软件以及显示设备等部分集成为一体，俗称“雷达枪”，小巧轻便。而国产电波流速仪的研究由于起步较晚，技术方面目前尚专注于数据准确度的提高，集成技术与国外差距比较大，通常为在线测流形式。

2 实验过程

本次实验在华东水文仪器检测中心检定水槽室温条件下进行，选择两款不同品牌的进口电波流速仪和一款国产电波流速仪（以下分别简称为进口1、进口2和国产3）进行检测。在横断面均匀一致的直线静水槽中，检定车以设定的若干稳定速度载着电波流速仪在轨道上行驶，检定车速度连续可调，按照由低速到高速的顺序运行。为避免电波流速仪之间互相影响，每台仪器独立进行实验。不考虑室外环境因素对测量数据的影响，从2015年7月6日开始，至2015年7月17日结束。

2.1 检测点取点原则

各速度级检测点按照低速密、高速稀的原则取点，具体选定了18级速度，从0.20 m/s到3.50 m/s。

2.2 检测数据的选取、记录与处理

为减小测量过程中的随机误差，每一台电波流速仪在同一速度下收集10个速度值，取其算术平均值作为被检仪器示值，同时记录检定车的平均速度，对这两组数据进行比较，计算每台被检仪器的全线相对误差，以此数值的大小表征其准确度的高低，计算公式如下：

式中：m为全线相对误差，%；vt为被检仪器速度值的算术平均值，m/s；vs为检定车的平均速度，m/s；N为所有参与计算的测点数目。

3 实验情况分析

3.1 测流方式对测量准确度的影响

实验一：电波流速仪可选择手持测流或固定安装在三角架上进行测流。由于国产3为在线测流系统，不方便进行手持测流，故选择进口1和进口2进行实验。实验条件：调整各仪器并保持其垂直角为45°，水平角为0°，探头与水面垂直距离为200 cm。实验过程：首先各仪器分别进行手持测流，每台仪器独立进行5次重复实验，取全线相对误差的平均值作为最终全线相对误差。手持测流实验完成后，分别将各仪器固定安装在三角架上，按照相同的程序进行固定式测流实验。实验结果见表1。

表1 实验一数据统计

3.2 垂直角对测量准确度的影响

实验二：垂直角即雷达探头与水平面形成的锐角，对进口1、进口2和国产3分别在垂直角为35°、45°和 55°的情况下进行实验。实验条件：将各仪器固定安装，保持其水平角为0°，探头与水面垂直距离为200 cm。实验过程：首先保持各仪器垂直角为35°，每台仪器独立进行5次重复实验，取全线相对误差的平均值作为最终全线相对误差结果。以相同方式分别求得各仪器在垂直角为45°和55°情况下的全线相对误差。实验结果见表2。

3.3 水平角对测量准确度的影响

实验三：水平角即雷达探头与检定车运行方向（野外测流时为水流方向）形成的锐角，对进口1、进口2和国产3分别在水平角为0°、15°和30°的情况下进行实验。实验条件：将各仪器固定安装，保持其垂直角为45°，探头与水面垂直距离为200 cm。实验过程：首先保持各仪器水平角为0°，每台仪器独立进行5次重复实验，取全线相对误差的平均值作为最终全线相对误差。在进行水平角为15°和30°实验时，首先要分别调节各仪器上对应的水平角度补偿，然后以相同方式分别求得各仪器在水平角为15°和30°情况下的全线相对误差。实验结果见表3。

3.4 雷达探头与水面垂距对测量准确度的影响

实验四：通过调节三角架或安装支架的高度来探讨雷达探头与水面垂直距离对测量准确度的影响。对进口1、进口2和国产3分别在雷达探头与水面垂直距离为170 cm、200 cm、250 cm的情况下进行实验。实验条件：将各仪器固定安装，保持其垂直角为45°，水平角为0°。实验过程：首先保持各仪器雷达探头与水面垂直距离为170 cm，每台仪器独立进行5次重复实验，取全线相对误差的平均值作为最终全线相对误差。以相同方式分别求得各仪器在雷达探头与水面垂直距离为200 cm和250 cm情况下的全线相对误差。实验结果见表4。

表2 实验二数据统计

表3 实验三数据统计

表4 实验四数据统计

4 结论

通过以上4个实验可以得出以下结论：

1）从实验一可以看出，在相同实验条件下，固定式测流效果优于手持式测流效果。

2）从实验二可以看出，在相同实验条件下，45°垂直角测流的全线相对误差相对于35°垂直角、55°垂直角小。

3）从实验三可以看出，在相同实验条件下，0°水平角测流的全线相对误差最小。当有一定的水平角时，若不考虑水平角度补偿，余弦效应会导致电波流速仪显示的速度低于实际水面速度，随着水平角度增加，显示的速度将减小。虽然电波流速仪内置水平角度补偿，补偿算法的介入可能会影响测流准确度。

4）从实验四可以看出，雷达探头与水面垂直距离在170~250 cm之间变化时，对测流准确度的影响很小。通常野外测流时，雷达探头与水面垂直距离往往从数米到十几米甚至几十米不等，基于实验室空间有限，无法满足如此大幅度的高度变化，本实验有一定的局限性。

基于以上结论，建议水文工作者在使用电波流速仪时，测流方向应尽量平行于水流方向，保持雷达探头相对固定，垂直角保持在45°左右，并且尽量减少外部环境等因素的影响。

5 结语

随着国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要中提出要加强水利和防灾减灾体系建设，国家加大了对水利水文行业的资金投入，一些老旧的水文仪器和设施得以更新，电波流速仪作为应急测流设备也得到了大幅度地推广应用，越来越多的电波流速仪承担了水量计量的重要工作，如何判别此类仪器的质量及其计量性能的优劣，是全面提升水量计量准确度的重要途径，也为合理开发、保护、利用水资源提供技术支撑。为此建议：1）国内电波流速仪生产单位要重视在技术上与国外的差距，抓住发展机遇，加大科研开发力度，打造中国品牌；2）水行政主管部门应尽快研究声、光、电磁学等流速类仪器检测方法，建立专门实验室，制定相关国家标准和计量检定规程，并以此为依据对该类仪器进行技术监督和计量管理，尽快结束长期存在的监管缺失的局面；3）水文工作者应根据测流条件选择电波流速仪，并与不同类型的测流仪器进行一定的数据比对，而且应要求供应商提供证明其产品性能的相关技术性材料；4）在使用电波流速仪测流时，要尽量减少使用方法、外部环境等因素对测量准确度产生的影响。