CN102207513A - 转子流速仪的检定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转子流速仪的检定方法，包括：①检测内摩阻力矩；②内摩阻力矩达标后，确定起转速，检定公式常数C采用标准值；③安装转子流速仪；④设置优化检定速度为0.8m／s；⑤启动检定车，进入稳定运转的优化检定速度；⑥转子旋转至发信号位置处，输出一个脉冲信号，打开测距轮信号门，计数器工作；当转子旋转一周，又到达发信位置处时，再次输出一个脉冲信号，关闭测距轮信号门，计数器读数即为检定公式主参数水力螺距K值；⑦返车至起点处；⑧更换仪器；⑨静水，第二架仪器检定。本发明检定方法其成果误差小，精度高，且大幅度地简化了检定程序，提高了检定效率，检定一架仪器约3min，改善了工作条件，节约能源。

Description

转子流速仪的检定方法

技术领域

本发明涉及一种江河水文测验流速仪的检定方法，具体讲是涉及一种转子流速仪的检定方法，属于水利水文技术领域。

背景技术

流速仪是江河水文测验仪器，按国家计量法规定，仪器出厂时必须对仪器性能进行检定。我国现有的流速仪检定方法、规程是按照国家标准GB/T150《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》。

1.检定原理

流速仪检定原理是应用物体相对运动理论，即假设水体静止，仪器与其作相对直线运动，从而获得流速V，检测流速仪转子转速n，建立V～n关系式：

V＝Kn+C                        (1)

式中V是流速，n是转子转速，K为转子的水力螺距，C为检定系数。

2.检定设备

据上述原理设计检定设备，包括：a、直线明槽；b、轨道；c、检定车；d、测杆及信号电缆传输；e、数据采集系统；f、数据处理系统等六部分。运作：流速仪安装在测杆下端，没入水中测点处，固定在检定车上确定的方位上；工作者调控检定车操作盘，以规定的速度级，在直线明槽两侧的轨道上运行。

3.数据处理

由数据采集系统采集检定车行驶直线距离L、仪器输出信号N，以及相应的时间t；数据处理系统进行数据处理，得V＝L/t、n＝N/t，共16组数据，用最小二乘法进行数据处理，求解式(1)。可以得到K值和C值，确定仪器的V～n关系式。

为得到式(1)的检定成果符合标准规定的精度，GB/T150规定：

(1)测速范围：0.13～5m/s，共16个测点；

(2)仪器安装：轴线偏角＜2.5°

(3)静水时间：a、直线明槽中水体应处于相对静止状态，与下一次检定速度相比，其扰动状态可忽略时，再行车检定；b、连续加速行车、逐级采样可不设静水时间；

(4)检定公式均方差：m≤±1.8％。

4.目前流速仪检定存在的问题

(1)检定理论

按上述流速仪检定理论假设，水体应为静水；据仪器静态检定原则：标准输入量为恒稳量，检定工况相同；牛顿第二定律：作用力与反作用力大小相等，方向相反。根据这些理论要求，对流速仪检定过程分析如下：

流速仪及其安装测杆和传输电缆在水中运动过程中，频频地激起波浪，经四周槽壁多次反射，作用到仪器转子，随着速度增大，次数的增多，波浪迭加，其量值和方向都极其复杂，也无从测量。特别是小型检定槽在大批量生产检定时，为急于完成任务，加班加点的检定情况，与上述理论相悖。因此，检定成果难以保证。只有在大型检定槽科研实验研究检定时，有充分的静水时间，检定中水体相对静止情况下，基本符合检定理论要求时，才能获得较高的检定成果。GB/T150规定的静水时间不太明确。当今是高速度、快节奏市场的社会，时间就是金钱，为追求高效益，又要满足好的检定精度，存在着现实的矛盾。

(2)仪器安装定向

检定时仪器轴线应与检定槽中心线平行，目前仪器安装时没有确定的基准线作为参照，都是凭工作者经验目测仪器轴向与直线明槽中心线大致平行，缺少明确的基准线，不好测量，各人经验均有一定的差异，故准确性较差，特别是返车检定时，急急忙忙地运作，更不易对准，因此，存在一定的定向误差。

(3)生产效率

每架仪器检定需检定16个测速点，水体波动大，高速检定后，需等待水体平静后再检定低速，生产效率低。

(4)劳动强度

为按时完成生产定额，工作者不停地驾车检定，没有休息时间，精神疲惫，体力欠佳，特别是加班至深夜，高速行车，因直线明槽长度有限，刹车段短，高速检定行车，时有撞车危险，精神紧张。

(5)检定车组

通常检定车组重量0.3～11吨，电力功率4～～364千瓦；高、低速为5～0.01m/s，速度差大，调速系统复杂，稳定性较差，能耗大。

(6)维护费用

检定车高速行车机械磨损大，需经常维护、检修，以防撞车事故。

(7)运营成本

由于检定程序复杂，测点多，检定速度高，设备维护频繁，任务重，静水时间长，工作人员多，效率低，能耗大，管理运营费用大，成本高。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新的转子流速仪的检定方法。新的检定方法将大幅度简化现有技术中检定方法的程序与步骤，提高检定效率，改善工作条件。具体说，本发明所要解决的技术问题有：

1.确保检定成果精度；

2.遏制检定中水体波动，以减少速度增量，避免可能产生较大的误差和系统误差；

3.优化检定速度级；

4.简化检定程序以减少工作量，达到减人增效和节能目的；

5.简化检定公式计算程序；

6.减轻工作者劳动强度及精神负担。

为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

求解式(1)采用分项检定方法，其中检定系数C采用标准值；K值求解，是在本所已有发明专利技术基础上，进一步创新。

一种转子流速仪的检定方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)用旋桨流速仪起转速检测设备检测仪器内摩阻力矩M；

(2)上述仪器内摩阻力矩M检测达标后，确定仪器起转速，检定系数C采用标准C值；

(3)将转子流速仪安装在测杆下端，轻轻地没入水中测点位置，并固定在检定车上确定的方位上；

(4)设置优化检定速度为0.8m/s；

(5)启动检定车，转子流速仪从起转速进入稳定运转的优化检定速度，转子稳定运转；

(6)转子流速仪转子旋转至发信号位置处，信号输出部件输出一个脉冲信号，打开测距轮信号门，计数器工作；当转子流速仪转子旋转一周，再次到达发信位置处时，信号输出部件再次输出一个脉冲信号，关闭测距轮信号门，计数器读数即为检定的转子流速仪的水力螺距K值，无须计算；

(7)根据转子流速仪特性，可检测10个信号，进行算术平均；

(8)返车运行至起点；

(9)更换仪器，静水后，进行第2架转子流速仪的检定。

前述的转子流速仪的检定方法，其特征在于测距轮的工作周长为1000dmm，光电编码器分度为1000，每分度为1dmm。

前述的转子流速仪的检定方法，其特征在于检定系数C和水力螺距K分开检定。

前述的转子流速仪的检定方法，其特征在于在所述的步骤9中，静水的时间为2分钟。

前述的转子流速仪的检定方法，其特征在于在转子流速仪的安装系统中设有轴线自动定向系统。

前述的转子流速仪的检定方法，其特征在于所述的测杆为流线型，转子流速仪带有流线型尾锥，信号传输电缆布设于测杆内部。

前述的转子流速仪的检定方法，其特征在于返车速度为0.15m/s。

本发明的有益效果是：本发明转子流速仪转子的检定方法和本所的另一发明专利：ZL200810023206.0“旋桨流速仪标准修订值低速直线公式的设计方法”、实用新型专利：ZL02263174.7“旋桨流速仪起转速检测设备”配套使用，可较精确地确定旋桨流速仪起转速V₀、低速直线公式和本发明的中、高速直线公式：V＝Kn+C。在大批量生产，以及检定、修理仪器中非常的方便、精确。本发明的检定方法误差小，精度高，大幅度简化了检定程序，提高了检定效率，改善了工作条件。

具体实施方式

1.检定系数C

检定系数C决定于转子流速仪传感部分转子结构特性和仪器内摩阻力矩。对于大批量生产的定型仪器传感器部分，转子部件在制造上可达到很高的几何精度和运动精度，因而可认为是一稳定的常数；仪器内摩阻力矩小而稳定，也可视为一常数，根据本所以前申请的实用新型专利ZL02263174.7，公开日为2003年8月6日，名称为“旋桨流速仪起转速检测设备”的检测设备，可测量仪器内摩阻，确保仪器应有的力矩值。因此，可采用50多年来的标准C值，即C＝0.007m/s。

2.旋桨转子的水力螺距K

设仪器无内摩阻，据流体力学理论可推导出旋桨流速仪旋桨运动方程：

$\frac{V}{n}=\mathrm{\πD}[(1+\frac{C_x}{C_y}{\mathrm{tg}}^{2}A)/\mathrm{tgA}(1-\frac{C_x}{C_y})]---\left(2\right)$

式中V为流速；n为转子转速；D为旋桨回转直径；Cx、Cy分别为旋桨形状和表面阻力系数；A为旋桨叶片螺旋角。令上式右边为K，并加以整理得：

$K=[\frac{C_y}{(C_y-C_x){\mathrm{tg}}^{2}A}+\frac{C_x}{C_y-C_x}]\mathrm{\πDtgA}---\left(3\right)$

把式(3)代入式(2)，则：

V＝Kn            (4)

上式为不考虑仪器内摩阻时，旋桨流速仪静态特性曲线，K为直线公式斜率，或为转子的水力螺距。

式(3)方括号中为旋桨阻力系数，用B表示：

$B=\frac{C_y}{(C_y-C_x){\mathrm{tg}}^{2}A}+\frac{C_x}{C_Y-C_x}---\left(5\right)$

B不仅与C_x、C_y有关，还与旋桨叶片螺旋角正切平方成倒数关系。

式(3)右边旋桨几何螺距用H表示：

H＝πDtgA                           (6)

则K＝BH                             (7)

式(7)表示流速仪转子的水力螺距K与几何螺距H的关系，属于几何学范畴，而式(1)则是流体动力学关系式，显然，式(7)在检测和求解程序上要简捷得多。然而，对于一个螺旋线或一个测速点能否代表式(1)一次一项式。该式按GB/T150规定，需用16个测点拟合。下面证明式(7)可行性。

a.采用本所发明专利ZL02137974.2，公开日为2003年1月8日，名称为“确定旋桨流速仪桨叶水力螺距K值的方法及其设备”，对式(7)可行性经全国水文系统5座流速仪检定槽，共8批，900架仪器检定验证；

b.采用本所发明专利ZL03113096.8，公开日为2004年2月11日，名称为“流速仪的检定方法及其检定安装设备”，经全国水文系统16座流速仪检定槽，共667架次检定、计算验证；

c.全国水文系统标准流速仪检定水槽检定的式(1)，流速为0.13～5m/s，全线均方差m＝±0.11％，表明通用型流速仪具有很好的线性度；

d.数学原理：一次一项式斜率上任一点为一常数。

本发明根据上述验证和数学原理，确定实施的方法和步骤。

本发明检定方法：

1.定义

转子流速仪转子水力螺距定义：转子旋转一周，水流质量移动距离b。在流速仪检定槽检定时，即检定车运行距离L，则式(7)为：

K＝L                           (8)

据此，水槽检定时，只要测量转子旋转一周，检定车行驶距离L，便可得到K值。

2.检测系统

式(4)检定采用的检测系统：

(1)现规程，分别检测V和n两参数，即预先设定检测距离L和转子流速仪转子转数N，分别检测相应的时间t₁、t₂参数，由于时间不同、距离不同，转子运行的工况也不尽相同，因此必然产生误差；

(2)本发明，令检测的V和n两参数中的时间参数t₁＝t₂＝t，则式(4)两边各乘以t，当N＝1时，也可得到式(8)，同时还可消除上述由于距离不同步产生的误差。

3.优化检定速度级

通用型流速仪检定公式使用范围为0.13～5m/s，如何在其中选择一最佳速度级，分析如下：

(1)速度＜0.3m/s时，由于仪器灵敏度高，容易受水体波动干扰和检定车振动的影响，以及仪器内摩阻和检定车低速特性，使低速运行稳定性均较差，不利于仪器检定精度的提高。

(2)速度＞1.0m/s时，虽然检定效率高，但检定过程引起的水体波动较大，流速增量大，并经四周槽壁多次反射、迭加，方向复杂，因此，容易产生较大误差；

(3)综合分析和实验表明，最佳速度约为0.8m/s。

4.仪器起转速

仪器起转速表征仪器灵敏度、装配质量、轴承清洗洁净度、球轴承摩阻特性、信号工作压力以及仪器运动精度等综合指标。这些综合性能在流速仪检定槽是无法给予检测的。使用本所名称为“旋桨流速仪起转速检测设备”，专利号ZL02263174.7的检测设备检测，可得到槽检法无法达到的良好效果。

5.流速仪定向

流速仪安装定向直接影响仪器的检定精度，在本发明的仪器安装系统中设计自动定向系统。

6.测杆

测杆及仪器尾部形状等，都可扰动水体。本发明设计流线型测杆和仪器尾锥，信号传输电缆布设于测杆内部，总的来讲，引起水体波动较小。

7.静水时间

通过实验，确定各工序的工作时间。

8.检定公式常系数检定方式

检定常系数分项检定，可把握住检定精度的核心，即可确保仪器检定公式的K值的精度。因为仪器内摩阻是一稳定的常数，将C值采用标准值可避免对K值产生影响。

本发明运作步骤：

(1)用旋桨流速仪起转速检测设备检测流速仪内摩阻力矩M；

(2)上述M值检测达标后，确定仪器起转速V₀，并将检定公式常数C采用标准值；

(3)将转子流速仪安装测杆下端，轻轻地没入水中测点固定位置，固定在检定车上确定的方位上；

(4)设置优化检定速度0.8m/s；

(5)启动检定车，约运行1m距离，流速仪从起转速进入稳定运转的优化检定速度，转子稳定运转；

(6)转子流速仪的转子旋转至发信号位置处，仪器信号输出部件输出一脉冲信号，打开测距轮信号门，计数器工作。测距轮工作周长为1000dmm，光电编码器分度为1000，即每分度为1dmm。当转子流速仪的转子旋转一周，又到发信位置处，信号输出部件再次输出一脉冲信号，关闭测距轮信号门，计数器读数即为检定的K值，无须计算。根据仪器特性，可检测10个信号，进行算术平均。

(7)检定车以0.15m/s速度返车运行至起点，1架仪器检定工作完成；

(8)更换仪器，停留2min，使水体静止，进行第2架仪器检定。

本发明特点：

1.本发明检定原理、运作方法、步骤，充分体现转子流速仪运行机理；

2.优化速度符合统筹法；

3.起转速检测方法充分体现转子运行的力学关系，将影响运动的主要力——仪器内摩阻力用精密力矩仪精确测定、描述，从而，对仪器装配缺陷可得到及时的改正，确保仪器正常运转；

4.仪器精确的定向机构动作简捷、精确、确保仪器检定精度；

5.测杆等外形设计尽可能满足流体动力学要求，以减少水体波动的影响；

6.严格的静水时间，以确保水体平静，符合流速仪检定原理和仪表静态检定原则，这也是仪表静态检定精度的基础；

7.检定公式常系数分项检定，常数C采用标准值，按数理统计具有较好的精度，并可避免影响K值，故本发明总体分析具有较高有精度。本发明和现有技术相比的结果见表1。

表1本发明有益效果与现有技术比较

实用验证

①比测检定标准

根据GB/T150《转子式流速仪的检定》规定，新建流速仪检定槽技术验收鉴定，最重要的技术指标是：①标准仪器进行比测检定，重复检定3次，平均K值偏差σ≤1.0％；②标准仪器重复检定3次，稳定性δ≤1.0％；③检定公式均方差：m≤±1.8％。

②标准仪器

标准仪器是在大型流速仪标准检定槽精密检定3次，取均值作为标准公式，用以评定新检定槽检定成果是否符合标准要求。本发明所用的标准仪器分别检定27～57架次均值，故精度高。

③标准仪器比测检定偏差

用以上所述的10架标准转子流速仪，在本发明模拟实验检定槽中，按本发明专利检定方法，分别检定10架次，共100架次。计算转子水力螺距K值偏差，总平均σ＝0.60％，见表2～11。10架标准转子流速仪当中，检定次数最多、成果最好的一架仪器：No75103，共检定57架次平均K＝0.2548m，本发明检定结果，10架次平均K＝0.25482m，偏差σ＝0.10％；

④稳定性

No75103标准仪器，检定57架次稳定性δ＝0.28％。本发明检定结果，10架次，稳定性δ＝0.17％。

注：本发明目前模拟实验检定槽体积为，宽0.5m×深0.5×长3m，比正式检定槽：宽6m×深1m×长10m，要小很多，正式槽检定成果将更好。

⑤结论

本发明检定结果精度高于GB/T150《转子式流速仪的检定》规定。

检定成果与水体波动有关，表2～5为不等波，快速倒车，表6～11为慢速倒车，检定成果较好。

表2标准流速仪转子水力螺距比测检定成果表

仪器号码№.76101标准流速仪转子水力螺距b＝0.2446m 28架次平均值

注：①光电编码器每圈输出1000个信号，每个信号为0.000203m，每次检测流速仪转子转数为4转，光电编码器读数为L，故流速仪转子每转，即水力螺距K＝(L×0.000203)/4，1m＝10000dmm，与正式设计略有差别；

②K值偏差δ＝(K_i-b)/b；

③K值稳定性σ＝(K_i-K₀)/K₀，K₀为K值平均。

表3标准流速仪转子水力螺距比测检定成果表

仪器号码№.76102标准流速仪转子水力螺距b＝0.2448m 28架次平均值

表4标准流速仪转子水力螺距比测检定成果表

仪器号码№.76103标准流速仪转子水力螺距b＝0.2445m 27架次平均值

表5标准流速仪转子水力螺距比测检定成果表

仪器号码№.76104标准流速仪转子水力螺距b＝0.2429m  27架次平均值

表6标准流速仪转子水力螺距比测检定成果表

仪器号码№.76105标准流速仪转子水力螺距b＝0.2478m  27架次平均值

表7标准流速仪转子水力螺距比测检定成果表

仪器号码№.76106标准流速仪转子水力螺距b＝0.2458m  27架次平均值

表8标准流速仪转子水力螺距比测检定成果表

仪器号码№.76107标准流速仪转子水力螺距b＝0.2455m 27架次平均值

表9标准流速仪转子水力螺距比测检定成果表

仪器号码№.75103标准流速仪转子水力螺距b＝0.2548m 57架次平均值

表10标准流速仪转子水力螺距比测检定成果表

仪器号码№.76109标准流速仪转子水力螺距b＝0.2454m  27架次平均值

表11标准流速仪转子水力螺距比测检定成果表

仪器号码№.76110标准流速仪转子水力螺距b＝0.2445m 27架次平均值

本发明总结了我国50多年来的经验，各种型号转子式流速仪检定成果表明，直线公式均具有良好的线性度。根据本所发明专利ZL02137974.2“确定旋桨流速仪桨叶水力螺距K值的方法及其设备”、ZL03113096.8“流速仪的检定方法及其检定安装设备”，理论分析和多年来大量的实践表明，只要测得旋桨一具有代表性半径的螺旋角，或优选一速度级便可确定转子流速仪主参数K值。由于检定程序精简，可节约大量时间，因此，便有足够充分的静水时间，以满足流速仪槽检法检定原理和仪表静态检定原则所必需的静水，确保仪器检定成果精度。

本发明进一步改革创新，直接用转子的转数信号控制，检测转子每转检定车运行的距离L，即为转子的水力螺距K，并在计数器直接显示，无须通过繁杂的数据处理，从而把复杂的流体动力学实验转化为简单的几何学检测，使流速仪检定工作，及其相应的设备都大为简化，检定时间大幅度减少，检定一架仪器只需5分钟，从而具有充分的静水时间，以确保检定成果精度。

对于通用型旋桨流速仪低速曲线的检定，只要使用本所以前的实用新型专利：ZL02263174.7“旋桨流速仪起转速检测设备”，对仪器内摩阻检测达标，便可使用本所以前的发明专利ZL200810023206.0“旋桨流速仪标准修订值低速直线公式的设计方法”(公开日2008年8月27日)确定低速直线公式，仪器无须下水检定，本发明具有一定的科学意义和社会、经济效益。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种转子流速仪的检定方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）用旋桨流速仪起转速检测设备检测仪器内摩阻力矩M；

（2）上述仪器内摩阻力矩M检测达标后，确定仪器起转速，检定系数C采用标准C值；

（3）将转子流速仪安装在测杆下端，轻轻地没入水中测点位置，固定在检定车上确定的方位上；

（4）设置优化检定速度为0.8m／s；

（5）启动检定车，转子流速仪从起转速进入稳定运转的优化检定速度，转子稳定运转；

（6）转子流速仪转子旋转至发信号位置处，信号输出部件输出一个脉冲信号，打开测距轮信号门，计数器工作；当转子流速仪转子旋转一周，又到达发信位置处时，信号输出部件再次输出一个脉冲信号，关闭测距轮信号门，计数器读数即为检定的转子流速仪的水力螺距K值，无须计算；

（7）根据转子流速仪特性，检测10个信号，进行算术平均；

（8）返车运行至起点；

（9）更换新仪器，静水后，进行第2架仪器检定。

2.根据权利要求1所述的转子流速仪的检定方法，其特征在于测距轮的工作周长为1000dmm，光电编码器分度为1000，每分度为1dmm。

3.根据权利要求1所述的转子流速仪的检定方法，其特征在于检定系数C和水力螺距K分开检定。

4.根据权利要求1所述的转子流速仪的检定方法，其特征在于在所述的步骤9中，静水的时间为2分钟。

5.根据权利要求1所述的转子流速仪的检定方法，其特征在于在转子流速仪的安装系统中设有轴线自动定向系统。

6.根据权利要求1所述的转子流速仪的检定方法，其特征在于所述的测杆为流线型，转子流速仪带有流线型尾锥，信号传输电缆布设于测杆内部。

7.根据权利要求1所述的转子流速仪的检定方法，其特征在于返车速度为0.15 m／s。