CN101650212B - 一种流速仪法流量测量数据准确度评定方法 - Google Patents

Abstract

一种流速仪法流量测量数据准确度评定方法，其特征是：该方法先后按：①、测定流速仪的安装位置参数，②、流速仪测速数据采集，③、流量准确度f_QS的计算三大步骤实施，其中计算流量准确度f_QS的关键参数流速仪率定准确度f_L以如下数理模型计算：

式中，S_i为对应流速仪的相对面积权，Δ为每部流速仪的率定极限误差。本发明利用相对面积权的概念，对流量准确度进行评定计算并通过计算机实施，源于流速仪法流量测量计算公式的分析和必要的推导，理论上无瑕疵，实际运用简明可行。使得测量结果的准确度评定合理、可信，避免了人为因素的影响。

Description

一种流速仪法流量测量数据准确度评定方法

技术领域

本发明涉及水利电力行业数据测量及评定，具体说是一种流速仪法流量测量数据准确度评定方法。 

背景技术

测量流量，传统经典的流速仪法，方便实用的蜗壳差压法和超声波法。很显然它们的流量测量值准确度的估计方式是不一样的。 

流速仪法测量流量，对准确度有影响的项目是流速仪率定准确度f_L、时标准确度f_T、测流断面测量准确度f_M、测流断面倾斜测量准确度f_X、流速仪安放倾斜角度引起的流速测量准确度f_A、堵塞引起的流量测量准确度f_D(当堵塞总修正值δ在±2％～±6％时，f_D＝±0.3δ％)流量准确度f_QS的计算有 

$f_{\mathrm{QS}}=\sqrt{.{f_L}^2+{f_T}^2+{f_M}^2+{f_X}^2+{f_A}^2+{f_D}^2}$

式中，f_M、f_X、f_A、f_D是流速仪安装时引起的，由人工计算输入给效率测试系统，如果流速仪安装工作正确，它们一般都很小。f_T可忽略不计。根据以往效率试验的计算，流速仪法测量流量准确度主要是受流速仪率定准确度f_L大小的影响。传统的f_L计算公式为： 

$f_L=\frac{P_1{\mathrm{\Δ}}_1+P_2{\mathrm{\Δ}}_2+......+P_n{\mathrm{\Δ}}_n}{P_1+P_2+......+P_n}(\%)$

式中Δ＝2σ即每部流速仪的率定极限误差，σ为每部流速仪的率定的均方差，它由水文率定部门给定。P为测点(流速仪)编号，此时作为加权因子。按平差理论，这样的加权因子是缺乏依据的，随意性太大。 

发明内容

本发明的目的是提供一种体系完善，实际应用简明可行的流速仪法流量测量数据准确度评定方法。 

所述流速仪法流量测量数据准确度评定方法，用上位机收集下位机传递的数据，对此数据进行滤波、计算、评定、显示，由多个下位机分别完成数据采集和通讯，其特征是：该方法依次按如下步骤进行：①、测定流速仪的安装位置参数，②、采集流速仪测速数据，③、计算流量准确度f_QS，其中计算流量准确度f_QS中的流速仪率定准确度f_L以如下数理模型计算： 

$f_L=\frac{S_1{\mathrm{\Δ}}_1+S_2{\mathrm{\Δ}}_2+......+S_n{\mathrm{\Δ}}_n}{S_1+S_2+......+S_n}$

式中，S_n为对应流速仪的相对面积权，Δ为每部流速仪的率定极限误差； 

所述的安装位置参数的测定，对于圆形测流断面，是指测流圆周(1)的测流半径(4、5、6)、测流臂(2)的数量M和测流断面半径R(7)；对于矩形或梯形测流断面，是指每条水平测臂的长度l_k(13)和垂直测臂的高度h_k(15)，每只流速仪到水平基准边壁的距离l_k，i(12)，到垂直基准边壁距离h_k，i(16)； 

对于圆形测流断面，其第n圈测流圆周(1)上的流速仪所得到的相对面积权S_n由如下数学模型得到： 

其中m为测流圆周(1)上的流速仪数，r_i ^＊＝r_i/R，r_i是各测流圆周(1)的相对半径，R是测流断面半径(7)；对于测流圆中心点的流速仪，它的权是S₀： 

$S_0=(-\frac{1}{12}{r_2}^{*2}+\frac{5}{12}{r_1}^{*2}+\frac{1}{12}{r_1}^{*3}/{r_2}^{*});$

对于矩形或梯形测流断面，其数学模型如下式： 

(i＝3，4，.....，n-2)； 

$B_1=(\frac{m}{m+1}{z}_1+\frac{1}{12m}{z_2}^2/z_1+\frac{7}{12}{z}_2-\frac{1}{12}{z}_3);$

$B_2=(\frac{1}{2}{z}_2+\frac{7}{12}{z}_3-\frac{1}{12}{z}_4);$

$B_j=(\frac{7}{12}(z_{(j+1)}+z_j)-\frac{1}{12}(z_{(j+2)}+z_{(j-1)})),$

(j＝3，.....k-2)； 

$B_{(k-1)}=(\frac{1}{2}{z}_k+\frac{7}{12}{z}_{(k-1)}-\frac{1}{12}{z}_{(k-2)})$

$B_k=(\frac{m}{m+1}{z}_{(k+1)}+\frac{1}{12m}{z_k}^2{z}_{(k-1)}+\frac{7}{12}{z}_k-\frac{1}{12}{z}_{(k-1)})$

A_j，i即表示布置在第j水平测臂上第i个位置的流速仪所控制的相对长度，在测流断面中，按水平方向布置k条测流臂，k≥5，每条水平测流臂布置n台流速仪，n≥5，相对高度是B_j，相对面积权即是A_j，i×B_j，d_j，i是指第j条测臂上第i个流速仪与第i-1个流速仪之间的间隔相对长度；Z_k是指第k条测臂与第k-1条测臂之间的相对高度。 

所述流速仪测速数据由下位机对流速仪测速数据采集后，通过上位机的EPP并行通讯接口控制，接受由通讯调度控制单片机传送的开关量、模拟量数据。 

所述流速仪测速数据由下位机对流速仪测速数据采集后，通过上位机的EPP并行通讯接口控制，接受由通讯调度控制单片机传送的开关量、模拟量数据。 

工作原理及数理分析 

依据误差权的原理，按流速面积的数值积分法，分析每部流速仪在整个流量测量中的作用，既所占比例的大小，来确定每部流速仪的率定极限误差，对流量测量准确度的影响。 

流速面积的数值积分法，分圆形测流断面和矩形(或梯形)测流断面。 

圆形测流断面计算如公式(1)，假定V。是圆管中心流速，u₁、u₂......、u_n是沿圆周线的平均流速。测流断面半径为R，各圆周半径为r₁、r₂、...、r_n是逐次递增的，各圆周的相对半径为r₁ ^＊、r ₂ ^＊、.....、r_n ^＊，r_i ^＊＝r_i/R；测流断面的平均流速

可用公式(1)计算： 

可发现每部流速仪测量的数据对整个测流断面流量的影响，是由它所控制的相对面积大小决定的。在测流断面上，各部流速仪的位置不同，所控制的相对面积也不同，这个相对面积值完全符合平差理论中作为加权的要求，即是本发明中的“相对面积权”。 

圆形测流断面相对面积权的具体计算： 

依公式(1)令系数 

$S_0=(-\frac{1}{12}{r_2}^{*2}+\frac{5}{12}{r_1}^{*2}+\frac{1}{12}{r_1}^{*3}/{r_2}^{*})$

$S_1=(\frac{1}{6}{r_1}^{*2}+\frac{2}{3}{r_2}^{*2}-\frac{1}{12}{r_3}^{*2})$

${S_1}^{\′}=(-\frac{1}{12}{r_1}^{*3}/{r_2}^{*}-\frac{2}{3}{r_1}^{*2}+\frac{1}{12}{r_2}^{*2}+\frac{1}{2}{r_3}^{*2})$

$......$

$S_{(n-1)}=(\frac{1}{2}{r_n}^{*2}+\frac{1}{12}{r_{(i-1)}}^{*2}-\frac{2}{3}{r_{(i-2)}}^{*2}+\frac{1}{12}{r_{(i-3)}}^{*2})$

系数S_i(i＝0，1，2，...，n)表示的含义是测流圆周上流速仪的平均流速占整个测流圆断面平均流速比例的大小，也就是测流圆周所控制的相对面积大小。将S_i作为流速仪率定准确度的权，来估计流量测量的准确度，是比较科学合理的。对于测流圆中心点的流速仪，它的权是S₀；对于第i圈测流圆周上的流速仪，它的权是S_i/M，M为测流圆周上的流速仪数，即测流圆的测臂数。 

矩形(或梯形)测流断面： 

此时的流速仪布置，在测流断面中，按水平方向布置k条测流臂(k≥5)，每条水平测流臂布置n台流速仪(n≥5)。 

若第k只水平测臂在两管壁之间的长度L_k，固定一侧边壁作为基准，测流臂上的安装n部流速仪，距基准边壁的距离为l_k，i，将测流臂分隔为n+1个间隔，间隔的相对长度为d_k，i，有 

d_k，1＝l_k，1/L_k， 

d_k，2＝(l_k，2-l_k，1)/L_k，......， 

d_k，n＝(l_k，n-l_k，(n-1))/L_k， 

d_k，(n+1)＝(L_k-l_(n-1))/L_k。 

此处，n为水平测线上的流速仪数； 

设各水平测臂上的平均流速为u_j，按(2)式计算： 

(j＝1，2，......，k) 

V_j，1、V_j，2、......、V_j，n为第j条水平测流臂上流速仪测量的点流速。 

对于第j条水平测流臂，令： 

(i＝3，4，.....，n-2) 

A_j，i即表示布置在第j水平测臂上第i个位置的流速仪所控制的相对长度。 

同理，按铅垂(高度)方向：H为断面的高度，以底部为基准，每一测流臂分隔的相对高度z，k条水平测流臂将H高度分隔为k+1个区间。各区间的相对高度为： 

z₁＝h₁/H，z₂＝(h₂-h₁)/H，......，z_k＝(h_k-h_(k-1))/H， 

z_(k+1)＝(H-h_(k-1))/H。 

沿断面的高度方向，同公式(2)，矩形(或梯形)断面单位面积平均流量 

有公式(3)得： 

$\stackrel{\‾}{V}=u_1(\frac{m}{m+1}{z}_1+\frac{1}{12m}{z_2}^2/z_1+\frac{7}{12}{z}_2-\frac{1}{12}{z}_3)$

$+u_2=(\frac{1}{2}{z}_2+\frac{7}{12}{z}_3-\frac{1}{12}{z}_4)$

$+\underset{j=3}{\overset{k-2}{\mathrm{\Σ}}}{u}_j(\frac{7}{12}(z_{(i+1)}+z_i)-\frac{1}{12}(z_{(i+2)}+z_{(i-1)}))$

$+u_{(k-1)}(\frac{1}{2}{z}_k+\frac{7}{12}{z}_{(k-1)}-\frac{1}{12}{z}_{(i-2)})$

$+u_k(\frac{m}{m+1}{z}_{(k+1)}+\frac{1}{12m}{z_k}^2/z_{(k-1)}+\frac{7}{12}{z}_k-\frac{1}{12}{z}_{(k-1)})---\left(3\right)$

令 $B_1=(\frac{m}{m+1}{z}_1+\frac{1}{12m}{z_2}^2/z_1+\frac{7}{12}{z}_2-\frac{1}{12}{z}_3)$

$B_2=(\frac{1}{2}{z}_2+\frac{7}{12}{z}_3-\frac{1}{12}{z}_4)$

$B_j=(\frac{7}{12}(z_{(i+1)}+z_i)-\frac{1}{12}(z_{(i+2)}+z_{(i-1)}))$

(j＝3，.....k-2) 

$B_{(k-1)}=(\frac{1}{2}{z}_k+\frac{7}{12}{z}_{(k-1)}-\frac{1}{12}{z}_{(i-2)})$

$B_k=(\frac{m}{m+1}{z}_{(k+1)}+\frac{1}{12m}{z_k}^2/z_{(k-1)}+\frac{7}{12}{z}_k-\frac{1}{12}{z}_{(k-1)})$

B_j即表示布置在沿断面的高度方向j个位置的水平测流杆控制的相对高度。 

对于布置在第j个水平测流杆上第i个位置的流速仪来说，它控制的相对长度是A_i，j，相对高度是B_j，相对面积为A_i，j乘以B_j，将A_i，j×B_j称之相对面积权，作为该部流速仪率定准确度的权，来估计流量测量准确度的影响。 

本发明利用相对面积权的概念，对流量准确度进行评定计算并通过计算机实施，源于流速仪法流量测量计算公式的分析和必要的推导，理论上无瑕疵，实际运用简明可行；其要点是对于流速仪率定误差对测量结果的影响，给出了符合误差权理论的计算方法和符合实际应用的计算机评定方法，使得测量结果的准确度评定合理、可信，避免了人为因素的影响。 

附图说明

图1是本发明圆形测流断面流速仪放置示意图， 

图2是本发明矩形测流断面流速仪放置示意图， 

图3是计算机系统的硬件模块示意图， 

图4是上位计算机程序运行框图。 

图中：1-测流圆周，2-测流臂，3-流速仪，4-测流半径r₁，5-测流半径r₂，6-测流半径r_i，7-测流断面半径R，8-水平基准边壁，9-水平测臂，10-垂直测臂，11-流速仪A，12-流速仪A距水平基准边壁距离l_k，i，13-第k只水平测臂的长度l_k，14-垂直基准边壁，15-第k只垂直测臂的高度h_k，16-流速仪A距垂直基准边壁距离h_k，i。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：如图1、2中所示为流速仪测流断面及流速仪3安装位置示意图。由于本发明提出的“相对面积权”的概念，使流速仪在测流断面的安装位置参数在本发明中起到重要作用。 

其中图1为圆形测流断面流速仪放置示意图，图2是本发明矩形测流断面流速仪放置示意图，圆形和矩形测流断面是最常用的流速仪测流断面，按照如图方式放置流速仪，并记录安装位置参数，所述的安装位置参数，对于圆形测流断面，是指测流圆周1的测流半径4、5、6、测流臂2的数量M和测流断面半径R7，对于矩形或梯形测流断面，是指每条水平测臂9的长度l_k13和垂直测臂10的高度h_k15，每只流速仪A11到水平基准边壁的距离l_k，i12，到垂直基准边壁14距离h_k，i16。 

流速仪的输出与下位机单片机采集系统的IO接口连接，图3中表示的是三个单片机系统组成的下位机数据采集、通讯系统，下位机是由三个单片机和相应的控制电路、信号调理电路、隔离保护电路等组成；两个单片机系统构成物理量的采集，CPU1单片机用于采集128路开关量的数据，CPU2单片机用于采集16路模拟量数据，CPU3是下位机的控制与通讯用单片机。CPU1和CPU2组成下位机的采集部分，由CPU3根据上位机发来的指令，调度采集部分CPU进行被测参量的记数、记时(脉冲量)和模数转换(模拟量)，再由并行口高速上传到上位机。 

数据由一个专用的单片机系统作通讯，通讯接口使用了通讯协议简便可靠的EPP并行口作高速数据传输，所有的采集值经过相应程序模块的整理计算，再以数据、图形、采样过程线的方式显示出来，保障实时测试过程尽在监视控制之中。 

图4是上位机的程序框图，在上位机中，输入流速仪的相关安装参数和传感器的相关电气参数，根据相对面积权的理论，完成对传感器的率定，确定如下参数：流速仪率定准确度f_L、时标准确度f_T、测流断面测量准确度f_M、测流断面倾斜测量准确度f_X、流速仪安放 倾斜角度引起的流速测量准确度f_A、堵塞引起的流量测量准确度f_D(当堵塞总修正值δ在±2％～±6％时，f_D＝±0.3δ％)，利用数理模型： 

得到流量准确度f_QS。式中，f_M、f_X、f_A、f_D是流速仪安装时引起的，由人工计算输入给效率测试系统，如果流速仪安装工作正确，它们一般都很小。f_T可忽略不计。根据以往效率试验的计算，流速仪法测量流量准确度主要是受流速仪率定准确度f_L大小的影响。 

关键参数流速仪率定准确度f_L以如下数理模型计算： 

$f_L=\frac{S_1{\mathrm{\Δ}}_1+S_2{\mathrm{\Δ}}_2+......+S_n{\mathrm{\Δ}}_n}{S_1+S_2+......+S_n}$

式中，S_i为对应流速仪的相对面积权，Δ为每部流速仪的率定极限误差。式中Δ＝2σ即每部流速仪的率定极限误差，σ为每部流速仪的率定的均方差，它由水文率定部门给定。 

对于圆形测流断面，将测量数据代入下面公式计算相对面积权： 

$S_0=(-\frac{1}{12}{r_2}^{*2}+\frac{5}{12}{r_1}^{*2}+\frac{1}{12}{r_1}^{*3}/{r_2}^{*})$

$S_1=(\frac{1}{6}{r_1}^{*2}+\frac{2}{3}{r_2}^{*2}-\frac{1}{12}{r_3}^{*2})$

${S_2}^{\′}=(-\frac{1}{12}{r_1}^{*3}/{r_2}^{*}-\frac{2}{3}{r_1}^{*2}+\frac{1}{12}{r_2}^{*2}+\frac{1}{2}{r_3}^{*2})$

$......$

$S_{(n-1)}=(\frac{1}{2}{r_n}^{*2}+\frac{1}{12}{r_{(i-1)}}^{*2}-\frac{2}{3}{r_{(i-2)}}^{*2}+\frac{1}{12}{r_{(i-3)}}^{*2})$

系数S_i(i＝0，1，2，...，n)就是测流圆周所控制的相对面积权。对于测流圆中心点的流速仪，它的权是S₀；对于第i圈测流圆周上的流速仪，它的权是S_i/M，M为测流圆周上的流速仪数，即测流圆的测臂数。测流断面半径为R，各园周半径为r₁、r₂、...、r_n是逐次递增的，各园周的相对半径为r₁ ^＊、r₂ ^＊、.....、r_n ^＊，r_i ^＊＝r_i/R。 

对于矩形或梯形测流断面，将测量数据代入下面公式计算相对面积权： 

(i＝3，4，.....，n-2) 

A_j，i即表示布置在第j水平测臂上第i个位置的流速仪所控制的相对长度。在测流断面中，按水平方向布置k条测流臂(k≥5)，每条水平测流臂布置n台流速仪(n≥5)。 

若第k只水平测臂在两管壁之间的长度Lk，固定一侧边壁作为基准，测流臂上的安装n部流速仪，距基准边壁的距离为lk，i，将测流臂分隔为n+1个间隔，间隔的相对长度为dk，i，有 

d_k，1＝l_k，1/L_k， 

d_k，2＝(l_k，2-l_k，1)/L_k，......， 

d_k，n＝(l_k，n-l_k，(n-1))/L_k， 

d_k，(n+1)＝(L_k-l_(n-1))/L_k。 

此处，n为水平测线上的流速仪数； 

按铅垂(高度)方向：H为断面的高度，以底部为基准，每一测流臂分隔的相对高度z，k条水平测流臂将H高度分隔为k+1个区间。各区间的相对高度为： 

z₁＝h₁/H，z₂＝(h₂-h₁)/H，......，z_k＝(h_k-h_(k-1))/H， z_(k+1)＝(H-h_(k-1))/H。此时： 

$B_1=(\frac{m}{m+1}{z}_1+\frac{1}{12m}{z_2}^2/z_1+\frac{7}{12}{z}_2-\frac{1}{12}{z}_3)$

$B_2=(\frac{1}{2}{z}_2+\frac{7}{12}{z}_3-\frac{1}{12}{z}_4)$

$B_j=(\frac{7}{12}(z_{(i+1)}+z_i)-\frac{1}{12}(z_{(i+2)}+z_{(i-1)}))$

(j＝3，.....k-2) 

$B_{(k-1)}=(\frac{1}{2}{z}_k+\frac{7}{12}{z}_{(k-1)}-\frac{1}{12}{z}_{(i-2)})$

$B_k=(\frac{m}{m+1}{z}_{(k+1)}+\frac{1}{12m}{z_k}^2/z_{(k-1)}+\frac{7}{12}{z}_k-\frac{1}{12}{z}_{(k-1)})$

B_j即表示布置在沿断面的高度方向j个位置的水平测流杆控制的相对高度。 

对于布置在第j个水平测流杆上第i个位置的流速仪来说，它控制的相对长度是A_i，j，相对高度是B_j，相对面积为A_i，j乘以B_j，将A_i，j×B_j称之矩形测流断面的相对面积权， 

下面给出实际测试数据： 

下表是漳河电站实际测试数据，圆形管道，管径1.4米，安装了四个测流臂，共十三部流速仪。表中f_x是传统方法计算的流速仪率定准确度对流量测量准确度大小的影响，f_s是用相对面积权方法计算的流速仪率定准确度对流量测量准确度大小的影响。 

由表中可见，按照序号权的算法，虽然人为给予精度较高的传感器以较大的权，其准确度仍然受到限制，而按照相对面积权方式可以得到更高的准确度值。另外，若测量的准确度要求较高，应选用σ较小的流速仪来测量流量，可显著的提高流量测量值和效率值的准确度，流量测量值和效率值的准确度对于指导水利机组运行相关参数的确定和相关方案的确定具有重要的意义。 

Claims (2)

1.一种流速仪法流量测量数据准确度评定方法，用上位机收集下位机传递的数据，对此数据进行滤波、计算、评定、显示，由多个下位机分别完成数据采集和通讯，其特征是：该方法依次按如下步骤进行：①、测定流速仪的安装位置参数，②、采集流速仪测速数据，③、计算流量准确度f_QS，其中计算流量准确度f_QS中的流速仪率定准确度f_L以如下数理模型计算：

$f_L=\frac{S_1{\mathrm{\Δ}}_1+S_2{\mathrm{\Δ}}_2+......+S_n{\mathrm{\Δ}}_n}{S_1+S_2+......+S_n}$

式中，S_n为对应流速仪的相对面积权，Δ为每部流速仪的率定极限误差；

所述的安装位置参数的测定，对于圆形测流断面，是指测流圆周(1)的测流半径(4、5、6)、测流臂(2)的数量M和测流断面半径R(7)；对于矩形或梯形测流断面，是指每条水平测臂的长度l_k(13)和垂直测臂的高度h_k(15)，每只流速仪到水平基准边壁的距离l_k，i(12)，到垂直基准边壁距离h_k，i(16)；

对于圆形测流断面，其第n圈测流圆周(1)上的流速仪所得到的相对面积权S_n由如下数学模型得到：

其中m为测流圆周(1)上的流速仪数，r_i ^＊＝r_i/R，r_i是各测流圆周(1)的相对半径，R是测流断面半径(7)；对于测流圆中心点的流速仪，它的权是S₀：

$S_0=(-\frac{1}{12}{r_2}^{*2}+\frac{5}{12}{r_1}^{*2}+\frac{1}{12}{r_1}^{*3}/{r_2}^{*});$

对于矩形或梯形测流断面，其数学模型如下式：

(i＝3，4，.....，n-2)；

$B_1=(\frac{m}{m+1}{z}_1+\frac{1}{12m}{z_2}^2/z_1+\frac{7}{12}{z}_2-\frac{1}{12}{z}_3);$

$B_2=(\frac{1}{2}{z}_2+\frac{7}{12}{z}_3-\frac{1}{12}{z}_4);$

$B_j=(\frac{7}{12}(z_{(j+1)}+z_j)-\frac{1}{12}(z_{(j+2)}+z_{(j-1)})),$

(j＝3，.....k-2)；

$B_{(k-1)}=(\frac{1}{2}{z}_k+\frac{7}{12}{z}_{(k-1)}-\frac{1}{12}{z}_{(k-2)})$

$B_k=(\frac{m}{m+1}{z}_{(k+1)}+\frac{1}{12m}{z_k}^2{z}_{(k-1)}+\frac{7}{12}{z}_k-\frac{1}{12}{z}_{(k-1)})$

A_j，i即表示布置在第j水平测臂上第i个位置的流速仪所控制的相对长度，在测流断面中，按水平方向布置k条测流臂，k≥5，每条水平测流臂布置n台流速仪，n≥5，相对高度是B_j，相对面积权即是A_j，i×B_j，d_j，i是指第j条测臂上第i个流速仪与第i-1个流速仪之间的间隔相对长度；Z_k是指第k条测臂与第k-1条测臂之间的相对高度。

2.根据权利要求1所述的流速仪法流量测量数据准确度评定方法，其特征是：所述流速仪测速数据由下位机对流速仪测速数据采集后，通过上位机的EPP并行通讯接口控制，接受由通讯调度控制单片机传送的开关量、模拟量数据。

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