一、引言
在流速測(cè)量中，流速儀測(cè)量某點(diǎn)流速的準(zhǔn)確度很高，檢定的均方差一般都在±2.0%以內(nèi)。同時(shí)，在明渠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，明渠大多為規(guī)則的矩形或梯形斷面，根據(jù)斷面流量測(cè)量原理，規(guī)則斷面帶來的斷面流量測(cè)量誤差很小。此外，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50179-1993《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》之4.1.1條的規(guī)定:“流速儀法的測(cè)量成果可作為率定或校核其他測(cè)流方法的標(biāo)準(zhǔn)”。因此，根據(jù)前述理論依據(jù)，采用流速儀對(duì)明渠流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)是可行的。
二、測(cè)流原理
流速儀廣泛用于河道、渠道的斷面流量測(cè)量，產(chǎn)品種類較多，包括旋槳式、旋杯式、電磁式、聲學(xué)多普勒式等多種類型。本文在明渠流量測(cè)量中采用的是旋槳式流速儀，其工作原理是當(dāng)水流作用到儀器的感應(yīng)元件即槳葉時(shí)，槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速和流速之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，如式(1)所示:
V=f(n)=k×n+c(1)
式中:V——流速，m/s；k——水力螺距，m；n——轉(zhuǎn)速，s-1(槳葉總轉(zhuǎn)數(shù)與經(jīng)歷的時(shí)間的比值)；c——儀器常數(shù)，m/s。
流速儀根據(jù)斷面中選擇的垂線數(shù)和測(cè)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行點(diǎn)流速的測(cè)量，從而得出垂線平均流速，進(jìn)而根據(jù)斷面分段面積獲得斷面流量大小。渠道斷面上的流速分布是不均勻的，以h代表水深、B代表水面寬，橫斷面上流速分布可用函數(shù)式V=f(h，B)表示，則通過全斷面的流量可用積分法求得:
式中:S——斷面面積。
用式(2)計(jì)算的流量，相當(dāng)于流量模型的總體積。因V=f(h，B)的關(guān)系比較復(fù)雜，一般很少用積分式推算流量。實(shí)際上是把積分式變成有限差的形式推算流量，將橫斷面分成n個(gè)平面，此平面上的液體流速可以通過平面兩側(cè)的垂線流速進(jìn)行計(jì)算，只要在各測(cè)速垂線上測(cè)深、測(cè)速，即可獲得該平面的平均流速，從而獲得該塊面積的流量Qi。全斷面的流量Q為
式中:Qi——第i部分?jǐn)嗝娴牧髁?，m3/s；n——橫斷面分割后的平面?zhèn)€數(shù)。
這就是流速儀法測(cè)流所用的基本方法。實(shí)際測(cè)流時(shí)不可能將部分面積分成無限多，而是分成有限個(gè)部分，所以實(shí)測(cè)流速只是接近真值；渠道測(cè)流需時(shí)較長，不能瞬時(shí)完成，因此，實(shí)測(cè)流量是時(shí)段的平均值。測(cè)流工作實(shí)質(zhì)上是測(cè)量橫斷面及流速兩部分工作的組合。
三、流速儀在明渠流量中的測(cè)流方案
1.測(cè)速垂線選擇方案
在斷面上布設(shè)測(cè)速垂線的多少，取決于所測(cè)流量的準(zhǔn)確度，此外還應(yīng)考慮節(jié)省人力和時(shí)間，合理的測(cè)速垂線數(shù)目應(yīng)為能充分反映橫斷面流速分布的最少的垂線數(shù)?？紤]到明渠流量中渠道一般具有規(guī)則性(矩形或梯形)，除去側(cè)邊的兩條垂線應(yīng)盡量靠邊以減少波形系數(shù)帶來的測(cè)量誤差外，其他垂線之間的距離應(yīng)均勻分布。
在斷面選擇上，通過試驗(yàn)得出選擇方案，如表1所示。
<CTSM>表1斷面上垂線選擇方案</CTSM>
2.垂線上測(cè)點(diǎn)選擇方案
流速測(cè)點(diǎn)的分布應(yīng)符合下列規(guī)定:一條垂線上相鄰兩測(cè)點(diǎn)的最小間距不宜小于流速儀旋槳的直徑；測(cè)水面流速時(shí)流速儀轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)部分不得露出水面；測(cè)渠底時(shí)應(yīng)將流速儀下放至0.9m水深以下并應(yīng)使儀器旋轉(zhuǎn)部分的邊緣離開渠底(2～5)cm。
垂線上測(cè)速點(diǎn)的數(shù)目多少，也是主要考慮準(zhǔn)確度要求、節(jié)省人力與時(shí)間等因素。測(cè)速垂線上測(cè)速點(diǎn)數(shù)目的選擇應(yīng)根據(jù)水深及流速儀的懸吊方式等條件而定。測(cè)速點(diǎn)的位置主要取決于垂線流速分布，當(dāng)渠道寬度不大時(shí)，采用懸桿懸吊的方式，其垂線上的點(diǎn)數(shù)選擇如表2所示，表2中測(cè)點(diǎn)位置的相對(duì)水深為儀器在水中的深度與垂線水深之比。
<CTSM>表2垂線上點(diǎn)數(shù)選擇方案</CTSM>
對(duì)于垂線的平均流速的計(jì)算如下:
11點(diǎn)法:
5點(diǎn)法:
3點(diǎn)法:
2點(diǎn)法:
1點(diǎn)法:Vm=V0.6
3.測(cè)速歷時(shí)選擇方案
由于流速脈動(dòng)的影響，流速儀在某測(cè)點(diǎn)上測(cè)速歷時(shí)愈長，實(shí)測(cè)時(shí)均流速愈接近真值。但歷時(shí)太長，當(dāng)斷面流量不穩(wěn)時(shí)，所測(cè)流量失去代表性，因此正確選擇測(cè)速歷時(shí)是非常重要的。在明渠測(cè)流試驗(yàn)中，由于明渠流量在一定時(shí)間段內(nèi)可以認(rèn)為控制得比較穩(wěn)定，因此，采用的測(cè)速歷時(shí)一般選擇為60s，如果該段時(shí)間流量穩(wěn)定且測(cè)點(diǎn)數(shù)目不多，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇更大的測(cè)速歷時(shí)。當(dāng)采用直讀瞬時(shí)流向儀的讀數(shù)不穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)等時(shí)距連續(xù)觀測(cè)3次，取其平均值。
四、測(cè)量不確定度的評(píng)定
在用流速儀對(duì)明渠渠道斷面測(cè)流時(shí)，其不確定度應(yīng)包括以下幾個(gè)方面:流速儀帶來的不確定度分量、測(cè)深和測(cè)寬帶來的不確定度分量、信號(hào)采集帶來的不確定度分量、測(cè)點(diǎn)數(shù)目不足帶來的不確定度分量、測(cè)線垂線數(shù)目帶來的不確定度分量、測(cè)速歷時(shí)帶來的不確定度分量。
在本次試驗(yàn)中，我們采用重慶水文儀器廠生產(chǎn)的LS25-1型旋槳式流速儀對(duì)重慶市一家污水處理廠的巴楔爾槽的渠道流量進(jìn)行測(cè)量，現(xiàn)根據(jù)試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件對(duì)各個(gè)分量進(jìn)行不確定度評(píng)定。
1.流速儀帶來的不確定度分量urel1
將流速儀在上一級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行檢測(cè)，其測(cè)量結(jié)果的不確定度為U=1.0%(k=2)。因此，流速儀本身帶來的相對(duì)不確定度為
2.測(cè)深誤差和測(cè)寬誤差帶來的不確定度分量urel2
測(cè)寬和測(cè)深采用鋼直尺，最小分度為1mm，對(duì)于渠道壁的粗糙性和渠底的不平整性，我們均放大讀數(shù)帶來的誤差，取測(cè)寬誤差為5mm，測(cè)深誤差為10mm。本次試驗(yàn)時(shí)所得測(cè)量寬度B為1.352m，水深h為1.007m。測(cè)深和測(cè)寬帶來的不確定度分量是影響斷面面積的主要分量，而斷面面積為S=Bh，誤差均勻分布
，因此測(cè)深和測(cè)寬帶來的相對(duì)不確定度為
3.信號(hào)采集帶來的不確定度分量urel3
試驗(yàn)用流速儀為旋槳式流速儀，槳葉初始和結(jié)束時(shí)分別可能產(chǎn)生采集誤差，估計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)為4轉(zhuǎn)。在本次試驗(yàn)中，測(cè)速歷時(shí)為60s，斷面平均流速為2.75m/s，流速儀的流速檢定公式為
V=0.2549×n+0.0094
則每秒所得槳葉轉(zhuǎn)數(shù)為
則測(cè)速歷時(shí)60s所得的槳葉總轉(zhuǎn)數(shù)為60n。誤差均勻分布
，則流量計(jì)算機(jī)信號(hào)接收帶來的相對(duì)不確定度為
4.測(cè)速歷時(shí)帶來的不確定度分量urel4
試驗(yàn)中，我們采用的測(cè)速歷時(shí)為60s，為了估計(jì)測(cè)速歷時(shí)導(dǎo)致的誤差，我們采取對(duì)一定時(shí)間段內(nèi)較穩(wěn)定的流量進(jìn)行某點(diǎn)的流速測(cè)量。通過讀取該段時(shí)間明渠流量顯示值，確定流量變化不超過1.0%。在該段時(shí)間內(nèi)，重復(fù)測(cè)量10次，測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。
<CTSM>表3測(cè)速歷時(shí)重復(fù)性試驗(yàn)</CTSM>
依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，單次試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為
則由測(cè)速歷時(shí)帶來的相對(duì)不確定度為
5.垂線上測(cè)點(diǎn)數(shù)目帶來的不確定度分量urel5
根據(jù)前述的設(shè)計(jì)方案，我們采用3點(diǎn)法對(duì)某一垂線進(jìn)行點(diǎn)速測(cè)量，根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算該垂線的平均流速，結(jié)果如表4所示。
<CTSM>表4垂線上流速測(cè)量試驗(yàn)</CTSM>
依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，垂線流速單次測(cè)量的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為
則由垂線上測(cè)點(diǎn)數(shù)目帶來的相對(duì)不確定度為
6.測(cè)速垂線帶來的不確定度urel6
依據(jù)表2及表3的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)斷面寬度選取5條測(cè)速垂線(測(cè)點(diǎn)數(shù)為3)，起點(diǎn)距分別為0.07m、0.37m、0.67m、0.97m、1.27m，分別進(jìn)行6次測(cè)量，并計(jì)算所得斷面流量，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)及不確定度分析如表5所示。
<CTSM>表5斷面平均流速測(cè)量試驗(yàn)</CTSM>
依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，斷面平均流速單次測(cè)量的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為
則斷面平均流速測(cè)量的相對(duì)不確定度為
由于各個(gè)不確定度分量都是單獨(dú)測(cè)定且相互沒有影響，可以看成是獨(dú)立的分量，因此，流速儀測(cè)量明渠渠道流量的總相對(duì)不確定度為
則擴(kuò)展相對(duì)不確定度為
Urel=k×urel=2×1.12%=2.24%(k=2)
五、結(jié)束語
根據(jù)JJG711-1990《明渠堰槽流量計(jì)》檢定規(guī)程的規(guī)定，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)，可以用流量不確定度小于或等于明渠流量計(jì)不確定度的流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)試驗(yàn)。同時(shí)，根據(jù)重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)DB50/139-2009《污水處理終端排放計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法》中的規(guī)定:明渠堰槽流量計(jì)污水排放計(jì)量系統(tǒng)的流量累積值最大允許誤差為±6.0%，重復(fù)性為3.0%。根據(jù)上述法律法規(guī)以及流速儀測(cè)量不確定度的分析，用流速儀進(jìn)行明渠流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)是切實(shí)可行的。
