CN112924347A - 一种含沙量测定仪计量检定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含沙量测定仪计量检定装置及方法，计量检定装置，包括计量机构、含沙量标准场装置、抽滤机构和干燥箱。本发明具有溯源性，可保证动水环境下水体中含沙量测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及仪器计量检定技术领域，尤其涉及一种含沙量测定仪计量检定装置及方法。
背景技术
在水利和水运工程领域中，水体中含沙量(悬沙浓度)测量是水文监测中的重要参数，含沙量测量不准确会给港口建设、航道维护和通航安全造成重要影响。在进行水体中含沙量测量前，多采用自校的方法对含沙量测量设备进行标定，由于标定质量受多种因素影响，无法准确的评估和控制测量精度。
目前，市场上的含沙量测量设备缺少统一的计量检定装置和方法，观测数据质量存在较大隐患，无法通过检定校准的方式进行量值溯源，设备长期处于未经检定校准使用的状态。并且该设备无统一的数据比对规范，这样的设备管理方式严重影响到含沙量测量设备观测数据的可靠性、准确性及可信度，所获取的数据资料存在很大的质量隐患。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种具有溯源性的，可保证动水环境下水体中含沙量测量准确性的含沙量测定仪计量检定装置及方法。
本发明提供的一种含沙量测定仪计量检定装置，包括计量机构、含沙量标准场装置、抽滤机构和干燥箱；其中，
所述计量机构，用于计量泥沙样的质量和体积，以及纯水的体积；
所述含沙量标准场装置，包括含沙量标准场溶液、含沙量标准场容器、搅拌机构和取样机构；其中，
所述含沙量标准场溶液，用于提供具有一定不确定度的含沙量标准值；
所述含沙量标准场容器，用于盛装所述含沙量标准场溶液；
所述搅拌机构，通过支撑板固定设置于所述含沙量标准场容器的上方，并伸入所述含沙量标准场容器内设置，用于搅拌所述含沙量标准场溶液；
所述取样机构，与所述含沙量标准场容器连通设置，用于获取多组含沙量标准场溶液取样样品；
所述抽滤机构，用于过滤所述含沙量标准场溶液取样样品中的泥沙；
所述干燥箱，用于干燥所述泥沙。
优选的，所述取样机构包括大烧瓶、第一取样瓶、第二取样瓶、第三取样瓶、负压真空泵和水位测针；其中，
所述大烧瓶，为密闭的；
所述第一取样瓶，设置有N个，N为正整数，分别通过第一软管与所述大烧瓶连通设置，并分别通过第一橡胶取样管与所述含沙量标准场容器的上部均匀分布的连通设置；
所述第二取样瓶，设置有N个，分别通过第二软管与所述大烧瓶连通设置，并分别通过第二橡胶取样管与所述含沙量标准场容器的中部均匀分布的连通设置；
所述第三取样瓶，设置有N个，分别通过第三软管与所述大烧瓶连通设置，并分别通过第一橡胶取样管与所述含沙量标准场容器的下部均匀分布的连通设置；
所述负压真空泵，通过第四软管与所述大烧瓶连通设置，
所述水位测针，设置有N根，均匀的固定设置于所述含沙量标准场容器的内部。
优选的，所述搅拌机构包括固定设置于所述支撑板的顶面的微型交流减速电机，所述微型交流减速电机的输出端传动连接有伸入所述含沙量标准场容器内的转轴，所述转轴上等间距的固定设置有若干旋浆式桨叶，所述微型交流减速电机电连接有直流无刷驱动控制器。
优选的，所述计量机构包括电子天平和量筒套组。
优选的，所述抽滤机构包括四联抽滤装置，所述四联抽滤装置内设置有微孔滤膜，所述四联抽滤装置通过第一连接管连接有密闭的抽滤瓶，所述抽滤瓶通过第二连接管连接有无油隔膜真空泵。
优选的，所述含沙量标准场容器为透明的圆筒型，所述含沙量标准场容器的直径为40cm，高为100cm。
优选的，所述电子天平的准确度级别不低于Ⅱ级。
另，本发明还提供了一种含沙量测定仪计量检定方法，所述计量检定方法为采用上述的计量检定装置对含沙量测定仪进行计量检定的方法。
优选的，计量检定方法包括如下步骤：
步骤1：将含沙量测量范围划分为多个分段，在各分段范围内选取不少于4个含沙量测量值，并配制与其相应的含沙量标准场，按公式Sk＝mk/vk计算含沙量标准值，其中，Sk为第k个含沙量标准场的含沙量标准值，mk为配制第k个含沙量标准场需称量干泥沙的质量，vk为配制第k个含沙量标准场需称量纯水和干泥沙的总体积；
步骤2：将含沙量测定仪分别放入各含沙量标准场工作区域内，含沙量测定仪在每个沙量标准场中运行3min后，连续记录不少于30个电信号数据；
步骤3：采用3σ准则剔除所述电信号数据中的粗大误差，剔除粗大误差后的数据数量应不少于原数据数量的90％，若少于则重新测量和记录，取有效数据算术平均值作为该含沙量测定仪的输出电信号值；
步骤4：对电信号值与含沙量标准值进行线性拟合，按公式Sn＝ax+b计算含沙量测定仪的含沙量拟合值，其中，Sn为含沙量拟合值，x为含沙量测定仪输出电信号值；
步骤5：按公式Δ＝((Sn-S)/S)×100％计算含沙量测定仪在各分段范围内的相对示值误差，其中，Δ为相对示值误差，S含沙量标准值；
步骤6：取相对示值误差绝对值的最大值作为校准结果。
优选的，所述校准结果超出±10％范围的为不合格。
相对于现有技术而言，本发明的有益效果是：
本发明的计量检定装置设置有含沙量标准场容器、搅拌机构和取样机构，将泥沙样和纯水加入到含沙量标准场容器内，并通过搅拌机构进行搅拌可得到含沙量场，通过取样机构进行取样，检测含沙量场的均匀度，可得到含沙量标准场，用于含沙量测定仪的计量检定，确保含沙量测定仪量值的准确性。
本申请的计量检定方法是从复现可定量评估含沙量标准场的含沙量标准值的角度，提供了含沙量测定仪可向上溯源的含沙量标准场，可准确的评价含沙量测定仪进行含沙量测量过程的不确定度，实现了含沙量测定仪含沙量量值的有效溯源，确保了动水环境中含沙量测量的准确性。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为含沙量测定仪计量检定装置的结构示意图；
图2为含沙量标准场容器的俯视结构示意图；
图3为抽滤机构的结构示意图；
图4为[0.1～1]kg/m3 OBS300电压测量值与含沙量标准值拟合曲线；
图5为(1～5]kg/m3 OBS300电压测量值与含沙量标准值拟合曲线；
图6为(5～10]kg/m3 OBS300电压测量值与含沙量标准值拟合曲线。
图中标号：11、含沙量标准场容器；12、搅拌机构；13、取样机构；14、抽滤机构；
21、支撑板；22、微型交流减速电机；23、转轴；24、旋浆式桨叶；25、直流无刷驱动控制器；
31、大烧瓶；32、第一取样瓶；33、第二取样瓶；34、第三取样瓶；35、负压真空泵；36、水位测针；
321、第一软管；322、第一橡胶取样管；
331、第二软管；332、第二橡胶取样管；
341、第三软管；342、第一橡胶取样管；
351、第四软管；
41、四联抽滤装置；42、微孔滤膜；43、第一连接管；44、抽滤瓶；45、第二连接管；46、无油隔膜真空泵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
请参考图1～图3，本发明的实施例提供了一种含沙量测定仪计量检定装置，包括计量机构、含沙量标准场装置、抽滤机构14和干燥箱；其中，
计量机构，用于计量泥沙样的质量和体积，以及纯水的体积；
含沙量标准场装置包括含沙量标准场溶液、含沙量标准场容器11，搅拌机构12和取样机构13；
含沙量标准场溶液，用于提供具有一定不确定度的含沙量标准值；
含沙量标准场容器11，用于盛装含沙量标准场溶液；
搅拌机构12，通过支撑板21固定设置于含沙量标准场容器11的上方，并伸入含沙量标准场容器11内设置，用于搅拌含沙量场溶液；
取样机构13，与含沙量标准场容器11连通设置，用于获取多组含沙量标准场溶液取样样品；
抽滤机构14，用于过滤含沙量标准场溶液中取样样品中的泥沙；
干燥箱，用于干燥泥沙样。
在本实施例中，含沙量测定仪计量检定装置的各个机构或设备放置于实验室的检验台上，其中计量机构用于对形成含沙量场的泥沙样和纯水进行称量，称量好的泥沙样和纯水放入含沙量标准场容器11中混合，通过搅拌机构12进行搅拌，直至含沙量标准场容器11的底部无泥沙样沉淀，再通过取样机构13进行含沙量场溶液取样，得到多组含沙量场溶液取样样品，通过计量机构称量出各组取样样品的体积与质量；通过抽滤机构14分别对各组取样样品进行过滤，分别得到各取样样品中的泥沙，采用干燥箱分别对各组泥沙进行烘干处理，通过计量机构分别称量出各组泥沙的质量。按公式计算出每个取样样品的含沙量值Si，Si＝Mi/Vi，其中Si为第i个取样样品的含沙量值，Mi为第i个取样样品中泥沙的质量，Vi为第i个取样样品的体积。
通过公式Es＝(Smax-Smin)/S×100％计算出含沙量场溶液的均匀度Es，式中，Smax为取样样品中的含沙量值最大值，Smin为取样样品中的含沙量值最小值，S为含沙量标准值。若Es＞3.0％，则增大搅拌机构12的转速，重新进行取样及均匀度计算，若Es≤3.0％，则得到含沙量标准值为S的含沙量标准场。将含沙量测定仪放入含沙量标准场中进行计量检定，可实现含沙量量值的溯源性，确保水体含沙量测量的准确性。
在一优选实施例中，如图1和图2所示，取样机构13包括大烧瓶31、第一取样瓶32、第二取样瓶33、第三取样瓶34、负压真空泵35和水位测针36；其中，
大烧瓶31，为密闭的；
第一取样瓶32，设置有N个，N为正整数，分别通过第一软管321与大烧瓶31连通设置，并分别通过第一橡胶取样管322与含沙量标准场容器11的上部均匀分布的连通设置；
第二取样瓶33，设置有N个，分别通过第二软管331与大烧瓶31连通设置，并分别通过第二橡胶取样管332与含沙量标准场容器11的中部均匀分布的连通设置；
第三取样瓶34，设置有N个，分别通过第三软管341与大烧瓶31连通设置，并分别通过第一橡胶取样管342与含沙量标准场容器11的下部均匀分布的连通设置；
负压真空泵35，通过第四软管35与大烧瓶31连通设置，
水位测针36，设置有N根，均匀的固定设置于含沙量标准场容器11的内部。
在本实施例中，N优选为4。负压真空泵35将大烧瓶31抽成负压状态，大烧瓶31通过软管使各个取样瓶内均形成负压，各个取样瓶分别通过橡胶取样管在含沙量标准场容器11内的上部、中部和下部分别取样4组含沙量场溶液取样样品。水位测针36用作取样点位置的参照物，将橡胶取样管沿着水位测针36伸入含沙量标准场容器11内，可准确定位取样点的位置。
在一优选实施例中，如图1所示，搅拌机构12包括固定设置于支撑板21的顶面的微型交流减速电机22，微型交流减速电机22的输出端传动连接有伸入含沙量标准场容器11内的转轴23，转轴23上等间距的固定设置有若干旋浆式桨叶24，微型交流减速电机22电连接有直流无刷驱动控制器25。
在本实施例中，通过直流无刷驱动控制器25可调整微型交流减速电机22的输出功率，从而调整旋浆式桨叶24的转速，方便对含沙量场溶液的均匀度进行调整。
在一优选实施例中，计量机构包括电子天平和量筒套组。电子天平和量筒套组放置在检验台上，采用电子天平进行干泥沙的称重，采用量筒套组进行水样的体积称量。
在一优选实施例中，如图3所示，抽滤机构14包括四联抽滤装置41，四联抽滤装置41内设置有微孔滤膜42，四联抽滤装置41通过第一连接管43连接有密闭的抽滤瓶44，抽滤瓶44通过第二连接管45连接有无油隔膜真空泵46。经取样机构13得到的多组含沙量场溶液取样样品，分别放入四联抽滤装置41内进行过滤，从而获得取样样品中的泥沙，为含沙量场溶液的均匀度计算提供了基础。
在一优选实施例中，含沙量标准场容器11为透明的圆筒型，含沙量标准场容器11的直径为40cm，高为100cm。
在一优选实施例中，电子天平的准确度级别不低于Ⅱ级。
另，本申请的实施例还提供了一种含沙量测定仪计量检定方法，该计量检定方法为采用上述的计量检定装置对含沙量测定仪进行计量检定的方法。
包括如下步骤：
步骤1：将含沙量测量范围[0.1～20]kg/m3划分为[0.1～1]kg/m3、(1～5]kg/m3、(5～10]kg/m3、(10～15]kg/m3和(15～20]kg/m3多个分段，在各分段范围内选取不少于4个含沙量测量值，并配制与其相应的含沙量标准场，按公式Sk＝mk/vk计算含沙量标准值，其中，Sk为第k个含沙量标准场的含沙量标准值，mk为配制第k个含沙量标准场需称量干泥沙的质量，vk为配制第k个含沙量标准场需称量纯水和干泥沙的总体积；
步骤2：将含沙量测定仪分别放入各含沙量标准场工作区域内，含沙量测定仪在每个沙量标准场中运行3min后，连续记录不少于30个电信号数据，电信号为电流值或电压值；
步骤3：采用3σ准则剔除电信号数据中的粗大误差，剔除粗大误差后的数据数量应不少于原数据数量的90％，若少于则重新测量和记录，取有效数据算术平均值作为该含沙量测定仪的输出电信号值；
步骤4：对电流值或电压值与含沙量标准值进行线性拟合，按公式Sn＝ax+b计算含沙量测定量仪的含沙量拟合值，其中，Sn为含沙量拟合值，x为含沙量测定仪输出电信号值；
步骤5：按公式Δ＝((Sn-S)/S)×100％计算含沙量测量仪在各分段范围内的相对示值误差，其中，Δ为相对示值误差，S含沙量标准值；
步骤6：取相对示值误差绝对值的最大值作为校准结果，校准结果超出±10％范围的为不合格。
在一些实施例中，选取测量范围为[0～10]kg/m3的含沙量测量设备(OBS300)作为样机，样机的输出电信号为电压值，以人工沙作为泥沙样进行示值误差试验。
(1)在[0.1～1]kg/m3范围内选取8个含沙量标准值，并配制与其相应的含沙量标准场；
(2)将含沙量测量设备分别放入各个含沙量标准场工作区域内，运行3min后连续记录不少于30个电压信号值；
(3)采用3σ准则剔除粗大误差，剔除粗大误差后的数据数量应不少于原数据的90％，若少于应重新测量和记录，取有效数据平均值作为该含沙量测量设备输出的电压信号值；
(4)对电压信号值与含沙量标准值进行线性拟合，拟合结果如图4所示；
(5)按拟合公式Sn＝ax+b计算含沙量测量设备的含沙量拟合值，计算结果见表1；
(6)按公式Δj＝(Snj-Sj)/Sj×100％计算含沙量测量设备的相对误差，式中，Δj为第j个含沙量标准场中含沙量测量设备的相对误差，Snj为第j个含沙量标准场中含沙量测量设备的含沙量拟合值，Sj为第j个含沙量标准场中的含沙量标准值，计算结果见表1；
(7)按步骤(1)～(6)的方法，在含沙量(1～5]kg/m3范围内选取8个含沙量标准值，在(5～10]kg/m3范围内选取4个含沙量标准值，分别进行实验，拟合结果如图5和图6所示。记录实验数据见表1。
表1含沙量测量设备相对误差
依据国家标准GB/T 15966-2017水文仪器基本参数及通用技术条件，在野外应用验证时，含沙量随机误差(即Δj)不大于10％，系统误差(即Es)不大于3％。从测量和计量结果看，本发明提出的方法验证的结果和应用该方法对含沙量测量设备进行校准的结果完全符合国家标准的要求。确保了动水环境下水体中含沙量测量的准确性。
在本说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种含沙量测定仪计量检定装置，其特征在于，包括计量机构、含沙量标准场装置、抽滤机构和干燥箱；其中，
所述计量机构，用于计量泥沙样的质量和体积，以及纯水的体积；
所述含沙量标准场装置，包括含沙量标准场溶液、含沙量标准场容器、搅拌机构和取样机构；其中，
所述含沙量标准场溶液，用于提供具有一定不确定度的含沙量标准值；
所述含沙量标准场容器，用于盛装所述含沙量标准场溶液；
所述搅拌机构，通过支撑板固定设置于所述含沙量标准场容器的上方，并伸入所述含沙量标准场容器内设置，用于搅拌所述含沙量标准场溶液；
所述取样机构，与所述含沙量标准场容器连通设置，用于获取多组含沙量标准场溶液取样样品；
所述抽滤机构，用于过滤所述含沙量标准场溶液取样样品中的泥沙；
所述干燥箱，用于干燥所述泥沙。
2.根据权利要求1所述的计量检定装置，其特征在于，所述取样机构包括大烧瓶、第一取样瓶、第二取样瓶、第三取样瓶、负压真空泵和水位测针；其中，
所述大烧瓶，为密闭的；
所述第一取样瓶，设置有N个，N为正整数，分别通过第一软管与所述大烧瓶连通设置，并分别通过第一橡胶取样管与所述含沙量标准场容器的上部均匀分布的连通设置；
所述第二取样瓶，设置有N个，分别通过第二软管与所述大烧瓶连通设置，并分别通过第二橡胶取样管与所述含沙量标准场容器的中部均匀分布的连通设置；
所述第三取样瓶，设置有N个，分别通过第三软管与所述大烧瓶连通设置，并分别通过第一橡胶取样管与所述含沙量标准场容器的下部均匀分布的连通设置；
所述负压真空泵，通过第四软管与所述大烧瓶连通设置，
所述水位测针，设置有N根，均匀的固定设置于所述含沙量标准场容器的内部。
3.根据权利要求2所述的计量检定装置，其特征在于，所述搅拌机构包括固定设置于所述支撑板的顶面的微型交流减速电机，所述微型交流减速电机的输出端传动连接有伸入所述含沙量标准场容器内的转轴，所述转轴上等间距的固定设置有若干旋浆式桨叶，所述微型交流减速电机电连接有直流无刷驱动控制器。
4.根据权利要求3所述的计量检定装置，其特征在于，所述计量机构包括电子天平和量筒套组。
5.根据权利要求4所述的计量检定装置，其特征在于，所述抽滤机构包括四联抽滤装置，所述四联抽滤装置内设置有微孔滤膜，所述四联抽滤装置通过第一连接管连接有密闭的抽滤瓶，所述抽滤瓶通过第二连接管连接有无油隔膜真空泵。
6.根据权利要求5所述的计量检定装置，其特征在于，所述含沙量标准场容器为透明的圆筒型，所述含沙量标准场容器的直径为40cm，高为100cm。
7.根据权利要求6所述的计量检定装置，其特征在于，所述电子天平的准确度级别不低于Ⅱ级。
8.一种含沙量测定仪计量检定方法，其特征在于，所述计量检定方法为采用权利要求1-7任一项所述的计量检定装置对含沙量测定仪进行计量检定的方法。
9.根据权利要求8所述的计量检定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将含沙量测量范围划分为多个分段，在各分段范围内选取不少于4个含沙量测量值，并配制与其相应的含沙量标准场，按公式Sk＝mk/vk计算含沙量标准值，其中，Sk为第k个含沙量标准场的含沙量标准值，mk为配制第k个含沙量标准场需称量干泥沙的质量，vk为配制第k个含沙量标准场需称量纯水和干泥沙的总体积；
步骤2：将含沙量测定仪分别放入各含沙量标准场工作区域内，含沙量测定仪在每个沙量标准场中运行3min后，连续记录不少于30个电信号数据；
步骤3：采用3σ准则剔除所述电信号数据中的粗大误差，剔除粗大误差后的数据数量应不少于原数据数量的90％，若少于则重新测量和记录，取有效数据算术平均值作为该含沙量测定仪的输出电信号值；
步骤4：对电信号值与含沙量标准值进行线性拟合，按公式Sn＝ax+b计算含沙量测定仪的含沙量拟合值，其中，Sn为含沙量拟合值，x为含沙量测定仪输出电流值或电压值；
步骤5：按公式Δ＝((Sn-S)/S)×100％计算含沙量测定仪在各分段范围内的相对示值误差，其中，Δ为相对示值误差，S含沙量标准值；
步骤6：取相对示值误差绝对值的最大值作为校准结果。
10.根据权利要求9所述的计量检定方法，其特征在于，所述校准结果超出±10％范围的为不合格。
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