转子式流速仪精简检定方法研究

□李晓璐 胡跃华

转子式流速仪因其结构简单、可靠性高、价格低廉、适于水质环境复杂的河流，备受水文工作者的青睐，而被广泛应用于明渠河道流速的测定计算中；但转子式流速仪使用频繁且应用环境较为恶劣，为保障测量误差满足测量要求，转子式流速仪需定期被送到水文仪器计量检定部门进行检定/校准，合格后方能继续使用。

1.研究目的及意义

依据《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》（GB/T 21699-2008）标准规定，拟合流速仪直线公式需要的测点数一般共计12～16 个。当前转子式流速仪检定测点多、检定过程冗杂，若遇到因检定不合格需多次维修重新检定的情况，检定效率更会降低，因此寻求简化转子式流速仪的检定方法来提高检定工作效率、满足检定需求是十分紧迫和必要的。

2.研究内容及技术路线

依据《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》（GB/T 21699-2008）标准规定，在全部测速适用范围内，用一个直线方程作为检定/校准结果。华北水文仪器检测中心经过研究，探索性地提出是否能够采用较少的检定测点数，拟合出满足流速仪性能参数的直线方程，同时使测验精度达到规范要求，进而极大提高流速仪检定效率。

研究技术路线：一是标准流速仪用于标准检定水槽及各检定水槽之间的相互比对，因不用于其他用途，具备仪器工艺稳定、工装完善、质量可靠的特点。华北水文仪器检测中心采用旋桨式（LS25-1 型）标准流速仪为典型样本对检定/校准资料进行分析计算，得出最优精简的点数。二是精简检定结论由旋桨式流速仪（LS25-1 型）推广到旋杯式流速仪（LS68 型），并进行分析验证。三是对同一架流速仪在不同时间、不同水槽中的检定结果进行精简和未精简的参数对比，分析精简后参数计算的可靠性。

接下来主要从选取确定精简后的检测点数、精简后不同方法比较、验证最优方法的推广性等3 方面进行研究。

2.1 选取精简检测点数

采用枚举法进行点数精简。针对精简为哪几个点，首先为较大程度上解决相邻点位数据相关性大所造成的拟合普遍性低的问题，采用按照速度级别同时分别精简的方式，将所有待精简的数据按速度高低分成3 个级别;其次，考虑到“一点法”和“两点法”在确定直线过程中必然会出现拟合问题，导致直线并不能准确代表测点的实际趋势，故将最低精简数量考虑为3 个;最后，考虑到原始检定测点数普遍为14 个左右，且各速度级测点数较为平均，为4～5 个，故精简至各速度级的测点数也平均分配，按照每个速度级取小于4 个点的3个、2 个和1 个逐级进行精简分析，使测点各速度级代表性一致，不会产生直线方程偏向某一速度级的问题。

2.2“九点法”“六点法”和“三点法”综合比较

“九点法”“六点法”和“三点法”意即精简后的点数为9 个、6 个和3 个，即流速仪一次检定结果在每个速度级取3 个、2 个和1 个，即可由12～16 个计算点精简为最终目标9 个、6 个和3 个。将各种取点方式在各个速度级进行全排列后，“九点法”取点组合共320 组，“六点法”取点组合共540 组，“三点法”取点组合共96 组。最后，对取点进行最小二乘法拟合出相应数量直线方程的参数a、b，并分别计算这些a、b 值所产生的全线相对均方差m 值。

其中检定公式为：

式中：

v—流速；

a—仪器常数；

b—水力螺距；

n—转子转率（转子总转数N 与相应测速历时T 之比，即n=N/T）。此公式同样为转子式流速仪应用中的现实流速计算公式。

用检定点（vi，ni)拟合检定公式时，要采用最小二乘法计算a、b 值，即

式中：

N—计算点数。

全线相对均方差用m 表示，计算公式如下：

式中：

v—流速仪实测转率n 代入检定公式“v=a+bn”计算的速度；

vi—流速仪检定车车速；

N—计算点数。

选择型号为LS25-1 型，仪器编号为“730714”检定过的一组合格数据进行数据分析。

通过“三点法”计算出的水力螺距b最大值为0.259，最小值为0.251，均符合《JJG(水利)001-2009 转子式流速仪检定规程》要求。仪器常数a 介于0.004～0.010 之间的有67 组，占所有数据的70%。全线相对均方差m 最大值为±3.49%，最小值为±1.04%，其中介于±1.5%之间的有81 组，占比84%。其中仪器常数a 符合要求的数组，全线相对均方差m 全部符合要求。

通过“六点法”计算出的水力螺距b最大值为0.257，最小值为0.253，均符合《JJG(水利)001-2009 转子式流速仪检定规程》要求。仪器常数a 介于0.004～0.010 之间的有536 组，占所有数据的99.3%。全线相对均方差m 最大值为±1.38%，最小值为±0.91%，全部介于±1.5%之间。

通过“九点法”计算出的水力螺距b最大值为0.256，最小值为0.254，均符合《JJG(水利)001-2009、转子式流速仪检定规程》要求。仪器常数a 全部介于0.004～0.010 之间。全线相对均方差m最大值为±1.66%，最小值为±0.80%，其中 介 于±1.5% 之 间 的 有276 组，占 比86%。其中仪器常数a 符合要求的数组，全线相对均方差m 全部符合要求。

分别计算最优精简点位的误差，结果：“九点法”在1.05%左右，“六点法”在1.10%左右，“三点法”则在1.25%左右。均符合流速仪比测时其检定/校准值允许误差≤1.5%的要求。转子式流速仪在检定/校准时，完全可以在满足标准要求时进行测点的精简，但为最大程度提高工作效率，采用“三点法”为宜。

2.3 验证“三点法”的可推广性、可靠性、实用性

鉴于转子式流速仪包括旋桨式流速仪和旋杯式流速仪，该研究将“三点法”检定由旋桨式流速仪代表（LS25-1型）推广至旋杯式流速仪代表（LS68型）进行分析验证。

通过对同一架流速仪在不同时间、不同水槽中的检定精简和未精简情况下所得参数b 进行对比，以标准流速仪多次检定后的b 值允许误差不大于1.5%作为参考依据，验证“三点法”检定拟合出的直线公式是否可用。

在华北水文仪器检测中心、南京东部水文仪器检测中心和西部水文仪器检测中心随机选取了若干架LS25 型流速仪进行了144 次精简检定，选取了若干架LS68 型流速仪进行了73 次精简检定，并分析了这共计217 次精简后拟合出的参数b 与精简前直线公式中参数b的误差，结果均小于1.5%，说明了转子式流速仪“三点法”检定法具备可推广性、可靠性和实用性。

3.结论及建议

华北水文仪器检测中心经摸索实验和大量数据分析，选定了转子式流速仪检定测点数简化为3 个，按照最小二乘法拟合检定公式中仪器常数a、水力螺距b 两个参数，再结合全线相对均方差m 确定了取点位置。“三点法”检定在南京东部水文仪器检测中心和西部水文仪器检测中心也进行了试应用，精简后参数b 误差均小于1.5%，结论可信，具有推广价值。

后续经进一步实验，可以申请修订检测标准，改变检测方法，有望大幅提升转子式流速仪的检测效率，并取得显著的社会效益和经济效益。□