專利名稱：旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種旋槳流速儀低速性能檢定數(shù)據(jù)的處理方法和表達式，尤其是涉及一種旋槳流速儀的低速直線公式的設(shè)計方法，屬于江河水文測驗領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
流速儀是江河水文測驗常規(guī)儀器，為了保證儀器計量的準確，需要在使用前對流速儀性能進行檢測、檢定。目前旋槳流速儀低速性能檢測設(shè)備及其方法，各國都是根據(jù)國際標準ISO3455《直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定》規(guī)定的指導(dǎo)性原則，制定本國流速儀檢定標準，我國現(xiàn)有流速儀結(jié)構(gòu)、性能是按照GB11826《轉(zhuǎn)子流速儀》、SL/T150《直線明槽中轉(zhuǎn)子流速儀的檢定》標準技術(shù)要求制造、檢測、檢定。
目前流速儀檢定是基于物體相對運動理論，即把江河中水流假設(shè)為直線明槽中的靜水，流速儀安裝在檢定車測桿上，沒入一定水深處，檢定車沿直線明槽兩岸軌道以一系列速度Vt作直線勻速運動。假設(shè)Vt為恒穩(wěn)的標準輸入量V，檢測流速儀輸出轉(zhuǎn)速n，根據(jù)Vt、n繪制V～n曲線圖。美、英等國把儀器檢定曲線制成數(shù)表。德國A·OTT公司C-31型旋槳流速儀提供低速直線公式。
1、旋槳流速儀結(jié)構(gòu)、性能 圖1是旋槳流速儀主機結(jié)構(gòu)圖，如圖所示，旋槳流速儀由傳感部分旋槳1、旋轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)2、發(fā)信部件3、儀器座部件4組成的主機部分和尾翼、計數(shù)器及附屬部件等構(gòu)成。旋槳1安裝在旋轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)2上，位于儀器的正前方，感受水流速度V，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，其轉(zhuǎn)數(shù)N由發(fā)信部件3轉(zhuǎn)換為開關(guān)量電脈沖信號由電纜輸出至計數(shù)器。計數(shù)單元根據(jù)在測速歷時T內(nèi)獲得的轉(zhuǎn)數(shù)N，計算旋槳轉(zhuǎn)速n＝N/T，按下面的公式(1)計算水流速度V；低速曲線部分目前仍沿用傳統(tǒng)方法先計算出旋槳轉(zhuǎn)速n，然后從低速V～n曲線圖查讀水流速度V。
旋槳流速儀性能包括儀器起轉(zhuǎn)速V0、高速直線公式和低速曲線。
儀器起轉(zhuǎn)速V0測量是在檢定車從低速逐步加速過程中，由工作者目測初估，最后由檢定數(shù)據(jù)處理后確定。
高速直線公式是根據(jù)流速儀在水槽檢定流程中檢測的一系列數(shù)值測量段距離L、旋槳轉(zhuǎn)數(shù)N和相應(yīng)的歷時T。經(jīng)過算術(shù)運算，求得檢定車速度Vt＝L/T、旋槳流速儀旋槳轉(zhuǎn)速n＝N/T。通過對高速部分測點數(shù)據(jù)處理得到 V＝Kn+C(1) 式中V為高速區(qū)水流速度；K為高速區(qū)旋槳水力螺距；n為高速區(qū)旋槳轉(zhuǎn)速；C為儀器常數(shù)。
低速曲線原始數(shù)據(jù)檢測同上，計算結(jié)果可得一系列測點(V1、n1)1、(V1、n1)2、......(V1、n1)k。Vk為低速曲線過渡到高速直線拐點的水流速度。據(jù)此，在標準厘米格紙上繪制測點，并選擇適宜曲率的曲線板繪制V1～n1關(guān)系曲線，使用時進行查讀。國外多采用數(shù)表形式。國內(nèi)外水文學(xué)者曾研究用二次方程表示，但都因檢測復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理困難，無實用價值。
2、流速儀檢定原理 流速儀檢定其原理是基于物體相對運動理論。即把江河中直線運行的水流假設(shè)為直線明槽中靜止的水體，而測流時固定在測點位置上的流速儀則安裝在檢定車測桿上，置于水中，由檢定車驅(qū)駛在直線明槽兩岸軌道上，以一系列恒穩(wěn)速度Vt運行，由檢測、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成上述性能成果。
圖2為流速儀檢定水槽及儀器安裝示意圖，包括測速輪5、檢測裝置6、控制臺及數(shù)據(jù)處理裝置7和安裝儀器測桿8等檢定車部分；軌道9和槽體10等構(gòu)成的基建部分；弧形閘11、防浪板12和堆石塊13等構(gòu)成的防浪設(shè)備；被檢定旋槳流速儀14。檢定槽寬為1.5～5m，長為100～250m。檢定車由安裝在車上的電機驅(qū)動，電機裝機容量為4～364千瓦。車速為Vt，由于檢定中水體波動引起的槽壁效應(yīng)產(chǎn)生速度增量±ΔV，因此，實際作用在流速上的標準輸入量V＝Vt±ΔV。
3、流速儀檢定規(guī)程 世界各國流速儀檢定標準都是參照執(zhí)行國際標準ISO3455《明渠水流測量--直線明槽中轉(zhuǎn)子流速儀的檢定方法》規(guī)定的指導(dǎo)原則，按本國實際情況制定。上述檢定原理中假設(shè)①直線明槽中水體為靜止；②檢定車攜帶儀器與其作相對運動的車速Vt為作用在儀器旋槳上的標準輸入量V，即V＝Vt。實際檢定中，第一次可能滿足理論要求，然而，流速儀檢定需從低速0.03m/s到高速5m/s，共22個測速點。檢定過程中，儀器及其懸掛測桿和傳輸電纜等在狹窄水槽靜水中來回運行，勢必激起波浪，引起拌流，并在有限的槽壁內(nèi)反覆折射、疊加，產(chǎn)生一定的增量±ΔV，因此，標準輸入量應(yīng)為V＝Vt±ΔV，這種槽壁效應(yīng)是公認的。然而，測量隨機變量±ΔV是困難的。儀表靜態(tài)檢定原則規(guī)定“被檢定的儀表應(yīng)在相同或相近的工作條件下運行，以排除各種影響量的干擾，為此，必須規(guī)定一個共同的標準工作條件，即參比工作條件，使影響量為恒定，或為零。”鑒于這種情況，目前流速儀檢定成果達不到國家法定的精度等級，所謂檢定槽精度等級，實際上只表明該槽設(shè)備制造和安裝精度，并無法定的精度及其傳遞功能。為了滿足水文測驗工程實用精度，水文規(guī)范規(guī)定較寬松的檢定誤差要求。為了減小隨機變量±ΔV的影響，檢定槽寬度從最早的1.5m，逐漸增寬至5m，同時，在水槽兩端放置消浪裝置，如亂石或弧板，在水槽兩側(cè)布設(shè)消浪板，并作如下規(guī)定 (1)靜水時間在每個速度級行車前，檢定槽中水體應(yīng)處于相對靜止狀態(tài)，與下次檢定速度相比，其影響量可忽略時再行車檢定。推薦檢定車速V＝0.5、2.0、5.0m/s時，靜水時間t＝10、15、25min；低速檢定之前應(yīng)有12h以上的靜水時間。
(2)檢定成果誤差高速直線公式為±1.8％；低速曲線為±5％。
(3)檢定測點數(shù)目高速直線公式16個；低速曲線6個。
(4)粗大誤差點可舍去，舍去率高、低速均不大于20％。
(5)高速直線公式K、C值變幅ΔK＝±4％K；ΔC＝±0.003m/s。
4、存在問題 (1)檢定原理理論上假設(shè)水槽中水體為靜水，實際不然，由此導(dǎo)致檢定中水體的參比工作條件迥然不同，影響量懸殊，檢定成果存在一定的隨機誤差。
(2)靜水時間缺少明確的技術(shù)指標和相應(yīng)的檢測手段。檢定規(guī)程中規(guī)定的推薦性技術(shù)指標，實際中很難嚴格執(zhí)行，特別是大批量檢定尤為突出。而小型流速儀檢定槽檢定質(zhì)量更需要關(guān)注。
(3)起轉(zhuǎn)速V0測量首先駕車人員得從座位起立、轉(zhuǎn)身、彎腰、俯首、窺測深水中儀器運行狀態(tài)，并不斷加速，特別是夜晚，不方便又累；其次，計算人員在計算機進行數(shù)據(jù)處理，確定V0值。如達不到要求，需對儀器進行拆卸、調(diào)整、清洗、加油、安裝，重新檢定，工序繁，勞動強度大。
(4)檢定工時低速部分測速量程僅占總量程的2％，檢定時間卻占一半，耗時多。
(5)檢定質(zhì)量為急于完成任務(wù)，低速部分檢定時的靜水時間不充分，直接影響低速檢定成果，并進一步影響高速直線公式精度；反之亦然。
(6)檢定運營檢定工作流程長，費工、費時、費力、費電、費油，包括清洗儀器高標號汽油和儀表油，工作人員多，設(shè)備復(fù)雜，占地面積大，投資和運營管理費用高，效益低。
(7)數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)、使用低速V1～n1關(guān)系曲線圖紙，既費工又費時，特別是在野外惡劣工作環(huán)境中測流，長時間使用容易損壞，查讀不便，不便于數(shù)字化處理。
(8)系統(tǒng)誤差，缺少技術(shù)指標加于限制。
(9)粗大誤差，定義不明確，舍點因人而異，帶有經(jīng)驗色彩，影響曲線形狀。
長期以來，傳統(tǒng)的流速儀槽檢法深受水體波動所困擾，存在如上問題，一直無法解決。
旋槳流速儀性能儀器起轉(zhuǎn)速V0、高速直線公式和低速曲線三者為互相關(guān)聯(lián)的一整體，前二者的研究本發(fā)明人已獲專利中國專利ZL02263174.7，名稱旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速檢測設(shè)備，
公開日2003.08.06；中國專利ZL02137974.2，名稱確定旋槳流速儀槳葉水力螺距K值的方法及其設(shè)備，
公開日2003.01.08。目前，對于低速部分，人們還是使用低速曲線查讀，精度差，不方便。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明將補充、完善旋槳流速儀檢定工作和檢定成果的處理方法。


發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法。上述旋槳流速儀低速檢定中靜水時間、數(shù)據(jù)處理、低速檢定曲線的制造和使用，以及檢定誤差等在生產(chǎn)、使用中存在的諸多問題，可用本發(fā)明來解決，達到檢定規(guī)程精簡、數(shù)據(jù)處理便捷，確保儀器使用精度，同時，提高工效，節(jié)省人力、物力、電力，降低運營管理費用；用戶在水文測站使用本發(fā)明成果也十分簡便，并確保儀器測量精度。
本發(fā)明實施的總體方案是以理論為指導(dǎo)，以實驗為基礎(chǔ)，建立以拐點速度Vk以上直線公式為基準的標準修訂值低速直線公式。實施技術(shù)路線是利用低速直線公式，把檢定旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速V0的流體動力學(xué)槽檢法，用摩阻力矩儀機械測定法取而代之。這樣不僅可較為準確地確定儀器裝配質(zhì)量、內(nèi)摩阻特性和低速直線公式起點，更重要的是，儀器無須再下水槽檢定，從而免除傳統(tǒng)槽檢法每架儀器下水檢定，由此引發(fā)的上述諸多弊端。
為達到上述目的，本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的 一種旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟以高速直線公式V＝Kn+C為基礎(chǔ)，用一割線取代低速曲線，所述的割線公式為V1＝K1n1+C1；在高速直線與低速曲線的拐點，VK＝KnK+C，將其代入割線公式，可得K1＝(VK-C1)/nK；將C1＝C+ΔC代入，可得K1＝[VK-(C+ΔC)]/nK；將拐點公式VK＝KnK+C代入可得K1＝K-(ΔC/nK)；令ΔK＝ΔC/nK，則有K1＝K-ΔK；將其代入可得低速直線公式V1＝(K-ΔK)n1+(C+ΔC)；將高、低速直線公式統(tǒng)計均值K＝0.19718m，K1＝0.18497m，C＝0.0070m/s，C1＝0.0151m/s代入可得ΔK＝0.0122，ΔC＝0.0081，代入低速直線公式可得旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式V1＝(K-0.0122)n1+(C+0.0081)；式中V為高速區(qū)水流速度，V1為低速區(qū)水流速度，K為高速區(qū)旋槳水力螺距，K1為低速區(qū)旋槳水力螺距，C為儀器常數(shù)，C1為附加常數(shù)，n為高速區(qū)旋槳轉(zhuǎn)速，n1為低速區(qū)旋槳轉(zhuǎn)速，VK為拐點水流速度，nK為拐點旋槳轉(zhuǎn)速，ΔK、ΔC為差值。
前述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于所述的高、低速直線公式統(tǒng)計均值是從大批量生產(chǎn)檢定中的旋槳流速儀檢定成果中優(yōu)選所得。
前述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于所述的優(yōu)選，其優(yōu)選資料的條件為①5m寬大型流速儀檢定槽，一級精度；②檢定中靜水條件好；③低速V1-n1曲線符合旋槳運行機理；④儀器起轉(zhuǎn)速V0擬合誤差??；⑤檢定成果全線擬合誤差小。
前述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于所述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的起點，即儀器起轉(zhuǎn)速V0預(yù)先用旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速檢測設(shè)備檢測達標。
前述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于所述的儀器常數(shù)C采用標準值，取C＝0.0070m/s。
前述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于可簡化計算方法，用直讀流速計數(shù)器按高速直線公式自動計算，加下表的訂正值e 。
前述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于所述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式與高速直線公式的差角為0.68°。
通過本發(fā)明，可以實現(xiàn)旋槳流速儀的干式檢定用旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速檢測設(shè)備檢測起轉(zhuǎn)速、確定高速水力螺距K值和儀器常數(shù)C值、直接套用旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式。這樣可以根據(jù)旋槳轉(zhuǎn)速直接得出流速。
本發(fā)明的設(shè)計原理為 1、標準修訂值設(shè)計、擬合驗證 (1)設(shè)計資料來源，優(yōu)選大型流速儀檢定槽運行、檢測設(shè)備精度高，檢定中靜水條件好的大批量生產(chǎn)儀器資料，以期標準修訂值具有較好的精度和代表性。
(2)驗證儀器包括大批量生產(chǎn)儀器、標準儀器和修理儀器。
(3)驗證檢定水槽有大、中、小型水槽，共11座。
其中檢定槽寬(m)×長(m)為№1為50×80天然湖泊；№2為5×250；№3為5×220；№4為4×150；№5為3.5×150；№6為3.5×147；№7為3×180；№8為3×160；№9為3×140；№14為2×100；№15為1.9×114；№16為1.8×93。
2、旋槳流速儀工作機理 旋槳是旋槳流速儀速度傳感元件，它把水流直線速度V轉(zhuǎn)換為其自身角速度n。設(shè)儀器工作無摩阻，旋槳運行與工作原理相同的計量器具--螺旋測微器，俗稱千分尺螺桿一樣，按一定的螺旋角A，沿著既定的螺旋線運動，每旋轉(zhuǎn)一周N，前進一個幾何螺距H，螺旋測微器螺桿或旋槳直線移動距離L為 L＝2πRtgAN (2) 式中R為旋槳或螺桿平均旋轉(zhuǎn)半徑，2πRtgA＝H，則 L＝HNm(3) 上式為一螺桿沿螺旋角A，幾何螺距H，通過坐標原點的簡單幾何學(xué)關(guān)系。旋槳運行涉及速度和力，是動力學(xué)范疇，式(3)兩邊引進時間參數(shù)t，通過實驗建立的式(1)運動方程式和低速V～n曲線，反映了旋槳流速儀旋槳在運動過程中克服儀器內(nèi)、外摩阻所需要的功。因此，式(1)不再通過坐標原點，而有一截距C，它表征克服儀器內(nèi)摩阻的力；同時，旋槳旋轉(zhuǎn)一圈距離，即K值較H增大，用旋槳水力螺距K代替，關(guān)系為 K＝BH (4) B為旋槳旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù)，表明旋槳運轉(zhuǎn)過程中受阻程度，在高速直線公式(1)中，B為常數(shù)，K也是常數(shù)；臨界速度Vk以下低速區(qū)，隨速度，即水動力的減小，旋槳運轉(zhuǎn)受阻程度相對加大，產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)，并隨速度降低而增大，因此，低速部分B，即K并非常數(shù)，在低速區(qū)旋槳運轉(zhuǎn)可用二次方程式表示 V1＝a+bn1+cn12(5) 式中V1、n1表示低速區(qū)水流速度、旋槳轉(zhuǎn)速；a、b、c為常數(shù)，表征曲線截距、斜率和曲線彎曲程度。下面通過旋槳運行機理的理論分析和大量實驗來說明本發(fā)明專利的可行性。支配旋槳運動的主要力為作用在旋槳的水動力和儀器自身的內(nèi)摩阻力，影響旋槳運動的力主要是檢定中水體波動引起的附加作用力±ΔV。
(1)旋槳水動力學(xué)特性 根據(jù)流體力學(xué)愛菲爾經(jīng)驗公式，作用在旋槳上的水流動力矩P為 P＝(1/2)ζρV2ΩR (6) 式中ζ為旋槳在與水流相互作用過程中呈現(xiàn)的阻力系數(shù)，包括形狀阻力和表面摩阻力；ρ為水密度；V為水流速度；Ω為旋槳迎水流的正投影面積；R為旋槳平均轉(zhuǎn)動半徑。
目前旋槳制品是采用具有優(yōu)異性能的PC工程塑料注射成型，塑料收縮率小，熱穩(wěn)定性好；注射設(shè)備及其制造工藝等都相當(dāng)先進，完全可保證同一付模具批量生產(chǎn)的制品，在旋槳結(jié)構(gòu)形狀、幾何尺寸、表面光潔度等的一致性。通過對多年批量生產(chǎn)的旋槳制品測量，表征旋槳結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的螺旋角A，其變化量ΔA僅為±0.4°，幾何尺寸精確、穩(wěn)定，特別是旋槳表面光潔度完全相同，從流體力學(xué)相似理論和工程實用精度來看，可認為式(6)中系數(shù)ζ、ρ、Ω、R為一常數(shù)。
令ψ＝(1/2)ζρΩR 則P＝ψV2(7) 由上式可見，推動旋槳旋轉(zhuǎn)運動的水流動力矩P與流速V平方成正比，比例系數(shù)ψ是一穩(wěn)定的常數(shù)。
(2)儀器內(nèi)摩阻力矩M 儀器內(nèi)摩阻力矩M主要是由一對精密儀表微型球軸承組成的旋轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)決定，其量值為0.8～1.0g.cm。
對旋槳流速儀而言，可認為是一小而穩(wěn)定的常數(shù)。
(3)儀器起轉(zhuǎn)速V0 水流速度V為起轉(zhuǎn)速V0時，水流動力矩為P0，當(dāng)其量值等于、大于儀器內(nèi)摩阻時，旋槳開始勻速地運轉(zhuǎn)。用M0取代式(7)中P，則可求得儀器起轉(zhuǎn)V0 V0＝(M0/ψ)0.5(8) 令μ＝(1/ψ)0.5 則V0＝μ(M0)0.5(9) 根據(jù)本設(shè)計人專利ZL02263174.7“旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速檢測設(shè)備”可測出M0值，同時，在流速儀檢定水槽靜水條件下，對旋槳流速儀進行檢測，可繪制V0＝f(M0)關(guān)系曲線，同時，可在力矩儀刻度盤直接標出起轉(zhuǎn)速V0值。之后，使用力矩儀可快捷、準確地確定V0值，也即低速V1～n1關(guān)系曲線的起點。
(4)附加作用力 附加作用力±ΔV目前尚難測定，只能按照統(tǒng)計學(xué)理論原則要求，通過大量的實驗資料統(tǒng)計、分析，采用平均值以減少其影響量。
(5)標準修訂值 上述專利ZL02263174.7在推廣應(yīng)用中，及時地發(fā)現(xiàn)槽檢法的檢定成果普遍存有一定數(shù)量誤檢，并予于更正，證明式(4)正確。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明將式(5)低速二次方程用一線性方程取代，并將式(4)改為 K1＝λH (10) 式中K1為低速區(qū)旋槳水力螺距；λ為低速區(qū)旋槳旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù)；H為旋槳幾何螺距，物理意義同式(4)。通過實驗可求得K1與K關(guān)系 K1＝K-ΔK (11) 式中ΔK為高、低速旋槳水力螺距差。
同樣，實驗可求得低速直線公式附加常數(shù)C1與高速直線公式儀器常數(shù)C的關(guān)系 C1＝C+ΔC (12) 根據(jù)式(11)、(12)便可組合成標準修訂值低速直線公式 V1＝(K-ΔK)n1+(C+ΔC)(13) 本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過對旋槳流速儀傳感元件旋槳結(jié)構(gòu)性能水動力學(xué)特性和以精密儀表微軸承為主體的支承系統(tǒng)內(nèi)摩阻特性及其間關(guān)系的理論分析，以及多年來的生產(chǎn)檢測表明，旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，幾何尺寸和表面光潔度精度高，一致性好，儀器內(nèi)摩阻小而穩(wěn)定，實驗表明，在低速區(qū)，旋槳運動遵循滑轉(zhuǎn)運行機理，V1～n1曲線曲率小而穩(wěn)定，用一直線表示仍有很好的實用精度。它與目前檢定，特別是大批量生產(chǎn)檢定中，水體波動引起的誤差比較要小很多。本發(fā)明標準修訂值是通過理論推導(dǎo)，并在大型流速儀檢定槽好的靜水條件下大量實驗檢定驗證。同時，通過常規(guī)水槽生產(chǎn)檢定驗證和多個檢定槽的修理儀器、標準儀器低速資料擬合驗證，成果可靠，精度高，且可避免目前低速檢定成果中普通存在的系統(tǒng)偏差，而它目前尚未得到重視。本發(fā)明在生產(chǎn)時，儀器無須下水檢定，只要用旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速檢測設(shè)備檢測達標，用標準修訂值將高速直線公式修訂成低速直線公式；用戶測量時，可實現(xiàn)流速直讀，十分方便。
本發(fā)明在大批量生產(chǎn)中有益效果如表1。
表1 本發(fā)明有益效果與現(xiàn)有技術(shù)比較

由上表可見，本發(fā)明具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟和社會效益。



圖1是旋槳流速儀主機結(jié)構(gòu)圖； 圖2是流速儀檢定水槽及儀器安裝示意圖； 圖3a-3e是旋槳流速儀低速檢定信號波形圖； 圖4a是旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速檢測設(shè)備示意圖； 圖4b為圖4a的左視圖； 圖5是旋槳流速儀內(nèi)摩阻特性圖； 圖6是旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速與儀器內(nèi)摩阻關(guān)系圖； 圖7是旋槳流速儀低速V1～n1關(guān)系曲線夸大圖； 圖8是旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式設(shè)計原理圖； 圖9是旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式設(shè)計圖； 圖10是旋槳流速儀低速曲線線性度； 圖11是№2槽批量檢定的低速資料用標準修訂值擬合低速直線公式全線平均誤差頻率密度； 圖12是№8槽批量檢定的低速資料用標準修訂值擬合低速直線公式全線平均誤差頻率密度； 圖13是№14槽批量檢定的低速資料用標準修訂值擬合低速直線公式全線平均誤差頻率密度； 圖14是№2槽批量檢定的低速資料用標準修訂值擬合低速直線公式速度級誤差絕對值平均曲線； 圖15是№2槽批量檢定的低速資料用標準修訂值擬合低速直線公式速度級平均相對誤差曲線； 圖16是№2檢定槽批量檢定的優(yōu)選設(shè)計低速資料，用標準修訂值擬合的低速直線公式全線擬合誤差絕對值平均散點圖； 圖17是№2檢定槽批量檢定的優(yōu)選設(shè)計低速資料用標準修訂值擬合的低速直線公式全線擬合平均相對誤差散點圖； 圖18是№2檢定槽批量檢定的優(yōu)選設(shè)計低速資料用標準修訂值擬合的低速直線公式起轉(zhuǎn)速相對誤差散點圖； 圖19、20、21是№2檢定槽批量檢定的低速資料用標準修訂值擬合的低速直線公式全線擬合誤差絕對值平均和平均相對誤差，以及起轉(zhuǎn)速相對誤差散點圖； 圖22、23、24是№8檢定槽批量檢定的低速資料用標準修訂值擬合的低速直線公式全線擬合誤差絕對值平均和平均相對誤差，以及起轉(zhuǎn)速相對誤差散點圖； 圖25、26、27是№14檢定槽批量檢定的低速資料用標準修訂值擬合的低速直線公式全線擬合誤差絕對值平均和平均相對誤差，以及起轉(zhuǎn)速相對誤差散點圖； 圖28是檢定中旋槳轉(zhuǎn)速系統(tǒng)偏快擬合曲線； 圖29是檢定中旋槳轉(zhuǎn)速系統(tǒng)偏慢擬合曲線； 圖30是檢定中旋槳轉(zhuǎn)速系統(tǒng)開始偏快，上段偏慢擬合曲線； 圖31是高速直線公式K、C值對標準修訂值低速直線公式影響誤差分析圖； 圖32、33分別是№3、14水槽檢定的旋槳水力螺距K值離散性誤差σ頻率密度P； 圖34是旋槳水力螺距K值在水槽檢定中的穩(wěn)定性。

具體實施例方式 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作具體的介紹。
1.簡介 (1)流速儀檢定信號波形分析 圖3a-3e所示為旋槳流速儀在水槽中的低速檢定信號波形圖。共有V0、V1......VK等5個速度級，每個速度級含時間信號T、距離信號L和旋槳低速轉(zhuǎn)數(shù)N1等3個參數(shù)，粗實線為正脈沖波形，據(jù)此，可算出檢定車速度Vt＝L/T；旋槳轉(zhuǎn)速n＝N1/T。旋槳理想轉(zhuǎn)數(shù)N為細實線負脈沖，表示旋槳運轉(zhuǎn)過程中無滑轉(zhuǎn)。N1與N信號距差Q即為旋槳運轉(zhuǎn)過程的滑動量。圖3a中n1-0＝0.135轉(zhuǎn)/秒，n0＝0.167轉(zhuǎn)/秒，V0＝0.04米/秒；圖3b中n1-1＝0.243轉(zhuǎn)/秒，n1＝0.269轉(zhuǎn)/秒，V1＝0.06米/秒；圖3c中n1-2＝0.350轉(zhuǎn)/秒，n2＝0.370轉(zhuǎn)/秒，V2＝0.08米/秒；圖3d中n1-3＝0.459轉(zhuǎn)/秒，n3＝0.472轉(zhuǎn)/秒，V3＝0.10米/秒；圖3e中n1-k＝0.621轉(zhuǎn)/秒，nk＝0.621轉(zhuǎn)/秒，Vk＝0.13米/秒. 由圖3a-3e可見，在速度級V0時，滑動量Q0最大，隨著流速增加，滑動量Q逐漸減小，直至VK及以上則為零，即18.0％、12.2％、5.2％、2.7％、0.0％。據(jù)此，可繪制出旋槳流速儀在靜水條件下檢定的低速V1～n1關(guān)系曲線圖。
(2)旋槳流速儀內(nèi)摩阻力矩儀 a.摩擦力矩儀結(jié)構(gòu)、原理 圖4a所示為旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速檢測設(shè)備示意圖，包括底座41、圓水泡42、指針43、砝碼44、支架45、開關(guān)46、3W微電機47、傳動齒輪49、調(diào)平螺帽48等和被檢定旋槳流速儀10。當(dāng)開動3W微電機47旋轉(zhuǎn)時，傳動齒輪49即帶動旋槳流速儀10支承部分球軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，同時，其上鋼球通過摩擦力帶動旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)，但被安裝在其上的砝碼44平衡。根據(jù)指針43旋轉(zhuǎn)角度Φ及指針43旋轉(zhuǎn)半徑L、砝碼44重量P，即可計算內(nèi)摩阻力矩M＝PLSinΦ。圖4b為圖4a的左視圖，為內(nèi)摩阻力矩M和通過水槽實驗得到的起轉(zhuǎn)速V0刻度。
b.旋槳流速儀內(nèi)摩阻特性 圖5所示為旋槳流速儀內(nèi)摩阻特性圖，它精確地顯示旋槳流速儀在20轉(zhuǎn)為一個周期內(nèi)摩阻力距瞬時值、平均摩擦力矩Mmean、信號開關(guān)摩擦力矩MKmax、摩擦大點Mmax，特別是摩擦大點，它指明球軸承等清洗不干凈或裝配存在問題，需要重新拆洗、調(diào)整、加油，從而保證儀器裝配質(zhì)量。
c.旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速V0與儀器內(nèi)摩阻關(guān)系 圖6所示為旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速與儀器內(nèi)摩阻關(guān)系曲線圖，它是通過圖4a中的設(shè)備檢測的內(nèi)摩阻力矩M和在流速儀檢定槽靜水條件下測試的起轉(zhuǎn)速V0繪制的。據(jù)此，只要測出旋槳流速儀內(nèi)摩阻力矩M，便可得到相應(yīng)的起轉(zhuǎn)速V0。
2.旋槳流速儀滑轉(zhuǎn)運行機理 圖7所示為旋槳流速儀低速V1～n1關(guān)系曲線夸大圖。包括高速直線公式V＝Kn+C；低速V1～n1曲線。低速曲線有啟動流速Vc、起轉(zhuǎn)速V0和臨界速Vk等特征流速及其相應(yīng)的特征轉(zhuǎn)速nc、n′0、n0和nk。高速直線公式下沿線交于縱坐標V，其交點為高速直線公式的截距C。高速直線公式作為分析旋槳在低速區(qū)運行理論基準。當(dāng)流速為Vc時，旋槳吸收的水動力矩與儀器內(nèi)摩阻力矩相當(dāng)，在外力干擾下，旋槳時轉(zhuǎn)時停，滑轉(zhuǎn)時間較長，曲線彎度較大；至起轉(zhuǎn)速V0時，旋槳獲得水流動能略大于儀器內(nèi)摩阻，旋槳開始正常運轉(zhuǎn)，但仍存在一定程度的滑轉(zhuǎn)，曲線彎度略??；隨著流速的增大，旋槳獲得的動量增大，其滑轉(zhuǎn)逐漸減小，直至臨界速Vk，滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象停止，從Vk以上便為一直線公式。從低速曲線可計算出旋槳運轉(zhuǎn)過程各速度級的滑動量Q＝(n0-n′0)/n0，進而繪出低速V1～n1曲線圖。
3.標準修訂值低速直線公式設(shè)計原理 圖8所示為旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式設(shè)計原理圖，它是將圖7中的低速V1～n1曲線用一割線取代，并下延至縱坐標V軸，交于C1點。低速直線公式為 V1＝K1n1+C1 (14) 式中參數(shù)物理意義同式(1)，加注下標1以區(qū)別。將Vk以上高速直線公式下延至縱坐標軸，交于C點。以式(1)斜率K和截距C作為低速直線公式設(shè)計的基準。由圖8三角學(xué)關(guān)系求低速公式斜率K1 K1＝(Vk-C1)/nk (15) 低速直線公式截C1為 C1＝C+ΔC (16) 把C1代入式(15)，得 K1＝[Vk-(C+ΔC)]/nk(17) 當(dāng)V＝Vk時，Vk處高速直線公式為Vk＝Knk+C，代入式(17)，則 K1＝K-(ΔC/nk)(18) 令ΔK＝ΔC/nk 則K1＝K-ΔK(19) 把式(16)、(19)代入式(13)便可得到標準修訂值低速直線公式V1＝(K-ΔK)n1+(C+ΔC)。
4.標準修訂值設(shè)計與計算 圖9所示為旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式設(shè)計圖，其設(shè)計數(shù)據(jù)是從大批量生產(chǎn)檢定的旋槳流速儀檢定成果中優(yōu)選，條件是①5m寬大型流速儀檢定槽，一級精度；②檢定中靜水條件好；③低速V1～n1曲線符合旋槳運行機理；④儀器起轉(zhuǎn)速V0擬合誤差??；⑤檢定成果全線擬合誤差小。
設(shè)計數(shù)據(jù)詳見表2。
表2 №02大型流速儀檢定水槽檢定旋槳流速儀高/低速資料及其標準修訂值低速直線公式擬合成果
注1.Vo＝0.04m/s 2.№02大型流速儀檢定水槽寬5m×長250m 3.標準修訂值ΔK＝K-K1＝0.1972-0.1850＝0.0122m；ΔC＝C1-Co＝0.0151-0.007＝0.0081m/s 4.各架次低速檢定資料用標準修訂值ΔK、ΔC擬合的低速直線公式計算全線擬合誤差絕對平均σ＝0.87％； 偏差方向0.00％起轉(zhuǎn)速Vo誤差絕對值σ＝1.45％ 偏差方向1.80％ 將高、低速直線公式計算統(tǒng)計均值高速區(qū)旋槳水力螺距K＝0.1972m，低速區(qū)旋槳水力螺距K1＝0.1850m；儀器常數(shù)C采用標準值，取C＝0.0070m/s，附加常數(shù)C1＝0.0151m/s，分別代入式(16)、(19)，求得 把式(20)代入式(13)，得到實用的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式通式 V1＝(K-0.0122)n1+(C+0.0081)(21) 通式(21)起點，即起轉(zhuǎn)速V0值必須預(yù)先用旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速檢測設(shè)備檢測達標。差角γ＝A-β＝11.16°-10.48°＝0.68°(式中11.16由表中11.155四舍五入所得)，表示該型號旋槳流速儀在低速區(qū)運轉(zhuǎn)過程中，旋槳受水流阻力和儀器內(nèi)摩阻力所制約，產(chǎn)生滯后，低速直線公式相對于高速直線產(chǎn)生一滑轉(zhuǎn)角。
圖9是按通常使用習(xí)慣將縱坐標放大5倍繪制高速直線公式為V＝0.1972n+0.0070cm/s，標準修訂值低速直線公式為V1＝0.1850n1+0.0151，斜率角度分別為A＝44.59°、β＝42.76°，差角γ＝1.83°。
5.旋槳流速儀低速曲線線性度驗證 圖10所示為旋槳流速儀低速曲線線性度，它是用同一組低速檢定資料，分別用一、二次和標準修訂值低速直線公式擬合，三條曲線互相都很接近，幾乎重合。這表明①低速V1～n1曲線具有較好的線性度，可用直線代替；②標準修訂值低速直線公式可取代低速V1～n1曲線。它們擬合誤差如表3所示。
表3 旋槳流速儀低速一、二次和標準公式擬合誤差
設(shè)以二次曲線擬合誤差|σ2|＝0.32％為標準，則一次曲線擬合誤差|σ1|＝0.46％和標準修訂值低速直線公式擬合誤差|σ0|＝0.60％對其偏差，分別為0.14％和0.28％。遠小于國標規(guī)定的5％，因此，根據(jù)水文測驗實際工程精度和使用方便考慮，可用標準修訂值低速直線公式取代低速V1～n1曲線。
上述三個公式及其擬合誤差 ①低速曲線公式IIV1＝0.0156+0.1807n1+0.0089n21，|σ2|＝0.32％； ②一次低速直線公式IIIV1＝0.0146+0.1875n1，|σ1|＝0.46％； ③標準修訂值低速直線公式IV1＝0.0151+0.1872n1，|σ0|＝0.60％。
從②、③式可見，主參數(shù)斜率K10.1875、0.1872m和截距C10.0146、0.0151m/s都很接近。①、③式雖有一些差別，但仍在誤差允許范圍內(nèi)。下面檢定成果將證明，其誤差遠小于因水體波動引起的檢定誤差。圖中IV為高速直線公式V＝0.0070+0.1994n。
6.批量生產(chǎn)檢定成果統(tǒng)計 圖11、12、13所示分別為№2、8、14槽批量檢定的低速資料用標準修訂值擬合低速直線公式全線平均誤差頻率密度。表4為其統(tǒng)計值。
表4 標準修訂值在批量檢定中的擬合成果
檢定成果誤差頻率密度圖11為№2大型水槽，基本屬正態(tài)分布；圖12、13為№8、№14小型水槽，誤差分布較亂，對稱度差，峰值低而平，誤差頻率密度分布基本上也屬正態(tài)，這說明其檢定中，水體波動產(chǎn)生的誤差，以隨機為主，伴有系統(tǒng)成份，十分復(fù)雜，尤其是№14小型槽檢定成果。№2大型水槽其槽壁效應(yīng)較小，成果較好。
7.標準修訂值低速直線公式擬合速度級平均誤差 (1)速度級平均誤差 圖14所示為標準修訂值擬合低速直線公式速度級誤差絕對值平均曲線，這是№2大型水槽檢定105架旋槳流速儀的低速資料擬合成果。誤差分布為2.5％～0.75％，總平均為1.55％。
(2)速度平均相對誤差 圖15所示為標準修訂值低速直線公式擬合速度級平均相對誤差曲線。同上，總平均誤差為1.15％，偏差為-0.19％。
8.標準修訂值擬合誤差綜合分析 圖16～33所示為№2、№8、№14檢定槽批量檢定，№3等各檢定槽對標準儀器、修理儀器、高速直線公式對標準修訂值影響實驗檢定的低速資料，用標準修訂值擬合的低速直線公式全線擬合誤差絕對值平均和平均相對偏差，以及起轉(zhuǎn)速V0相對偏差散點圖，計算資料詳見表5～14。
表5 №2大型流速儀檢定水槽上午檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
表6 №02大型流速儀檢定水槽下午檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
表7 №02大型流速儀檢定水槽晚上成批檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
表8 №8流速儀檢定槽成批檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
表8續(xù)-1 №8流速儀檢定槽成批檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
表8續(xù)-2 №8流速儀檢定槽成批檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
表8續(xù)-3 №8流速儀檢定槽成批檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
表8續(xù)-4 №8流速儀檢定槽成批檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
注1.Vo＝0.04-0.05m/s 2.標準公式擬合用標修訂值ΔK＝0.0122m；ΔC＝0.0081m/s將高速直線公式修訂成低速直線公式v1＝K1n1+c1后，用水槽檢定實測轉(zhuǎn)速點代入該公式，計算擬合誤差 表9 №14流速儀檢定水槽成批檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
表9續(xù)-1 №14流速儀檢定水槽成批檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
表9續(xù)-2 №14流速儀檢定水槽成批檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
表9續(xù)-3 №14流速儀檢定水槽成批檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線二公式擬合成果
注1.起轉(zhuǎn)速vo＝0.04m/s；2.№14流速儀檢定水槽；槽寬2m×100m；3.用標準砂修訂值Δk＝0.0122m，Δ＝0.0081m/s將高速直線公式K、c值修訂成低速直線公式Vl＝K1n1+C1后，用水槽檢定實測點代入該公式，計算全線平均擬合誤差 表10 №75103標準旋槳流速儀在全國部分流速儀檢定槽檢定的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
表10續(xù)-1 一標準旋獎流速儀在全國部分流速儀檢定槽檢定的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
注1.儀器號碼前二位為流速儀檢定永槽號；2.標準修訂值ΔK＝0.0122m；ΔC＝0.081m/s3.流速儀檢定水槽寬(m)×長(m)地2為5×250；№3為5×220；№4為4×150；№5為3.5×150；№6為3.5×147；№7為3×180；№8為3×160；№9為3×140；№14為2×100；№15為1.9×114；№1為湖泊50×80 表11 修理儀器在№3大型流速儀檢定槽檢定的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
表12 修理儀器在№7、№16小型流速儀檢定槽檢定的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合成果
表13 №02大型流速儀檢定水槽檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合速度級誤差
表13續(xù)-1 №02大型流速儀檢定水槽檢定旋槳流速儀的低速資料用標準修訂值低速直線公式擬合速度級誤差
表14 高速直線公式K、C值對標準修訂值低速直線公式擬合的影響成果表
注1.儀器編號前二位為流速儀檢定水槽№02為大槽；№16為小槽；2.全線擬合誤差為絕對值平均；3.A、B為同一儀器，高速直線公式檢定系數(shù)K、C值A(chǔ)采用多次檢定平均值；B為一次檢定 表15為其擬合誤差綜合表。

(1)旋槳流速儀低速曲線平均線性度 在批量生產(chǎn)檢定中，同一組低速檢定資料同時用二次和一次方程進行擬合，全線平均擬合誤差絕對值總平均分別為|σ2|＝0.96％、|σ1|＝1.16％。之間偏差Δ1-2＝0.33％。遠小于標準規(guī)定的5％，說明該型號儀器低速特性具有良好線性度。實用中可用直線公式取代。
(2)標準修訂值設(shè)計正確性驗證 測點在標準修訂值擬合曲線上分布是否對稱，表明標準修訂值設(shè)計的正確性。從表5可見，№2槽在檢定中靜水條件較好的設(shè)計資料、上午批量檢定成果，全線誤差偏差均為0.00％，如圖17，表明標準修訂值是適中、正確的。同樣的水槽、設(shè)備、檢定規(guī)程，下午和晚上則稍差下午為-0.30％、晚上為-0.44％。小水槽大批量檢定，成果更差，如№14槽，為2.32％，說明小槽的槽壁效應(yīng)大，旋槳轉(zhuǎn)動受側(cè)面力遏制，轉(zhuǎn)速偏慢。從總體看，標準修訂值擬合低速直線公式總平均σ＝0.72％，表明標準修訂值設(shè)計正確。
(3)檢定成果偏差綜合統(tǒng)計 檢定中水體波動產(chǎn)生的影響雖然是隨機的，但有時具有一定連續(xù)性，即一組檢定資料中其誤差呈系統(tǒng)性，通常繪制的低速V1～n1曲線，即二次曲線，是按實測點計算或繪制，擬合成果存在一定系統(tǒng)偏差，上述各種檢定成果綜合統(tǒng)計，總平均|σ2|＝0.96％，與標準公式擬合誤差總平均|σ0|＝2.21％有一定的偏差，平均Δ0-2＝1.26％。其中，№8、14小槽偏差較大，分別為2.45％、2.33％。后者較小是因其二次曲線測點較散亂，擬合誤差較大之故。
(4)標準儀器檢定資料擬合成果統(tǒng)計 一標準儀器用郵寄方式寄至全國各檢定槽，按該槽檢定規(guī)程檢定。各槽大小、設(shè)備精度、檢定規(guī)程、特性、靜水時間等都有一定差異。共11個檢定槽83架次檢定結(jié)果，總平均|σ0|＝1.85％；|σ2|＝0.97％，偏差Δ0-2＝0.88％。誤差范圍|σ0|＝0.98％～1.98％，滿足標準要求。表明本發(fā)明具有廣泛推廣的實用性。
(5)修理儀器檢定資料擬合成果統(tǒng)計 對№3大水槽，№7、№16小水槽低速檢定成果抽樣，用標準修訂值擬合低速直線公式計算擬合誤差，總平均№3水槽，|σ0|＝1.82％，|σ2|＝0.84％，Δ0-2＝0.98％；№7水槽，|σ0|＝1.80％，|σ2|＝0.96％，Δ0-2＝0.84％；№16水槽，|σ0|＝2.93％，|σ2|＝1.19％，Δ0-2＝-1.74％。均滿足標準技術(shù)要求。說明標準修訂值低速直線公式在檢修檢定修理儀器也實用。
(6)起轉(zhuǎn)速V0擬合誤差統(tǒng)計 起轉(zhuǎn)速V0是擬合曲線起點，其誤差直接影響擬合精度，從圖18～27可見，標準修訂值低速直線公式擬合誤差絕對值平均|σ0|、最大值|σ0|max和偏差σ，其分布基本上與起轉(zhuǎn)速V0的擬合誤差一致。這是因為儀器靈敏度高，對水體波動產(chǎn)生的干擾十分敏感，特別是小型水槽進行大批量檢定更是如此。旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速檢測設(shè)備其起轉(zhuǎn)速V0與儀器內(nèi)摩阻力矩關(guān)系是在大型檢定槽靜水條件下標定的，故具有較好的測量精度。
(7)隨機誤差分析 由于檢定中靜水工況，缺少嚴謹?shù)募夹g(shù)指標和相應(yīng)的檢測手段，故很難嚴格控制，參比工作條件各不相同，影響量±ΔV是隨機的，誤差分布散亂，即使同一標準儀器多次重復(fù)檢定，成果各不相同，見上述各圖。誤差大小及其方向通常與檢定槽大小，特性和靜水時間等條件有關(guān)。小水槽在檢定中遏制槽壁效應(yīng)能力差，尤其是大批量生產(chǎn)時，為完成任務(wù)，靜水時間短或無，大誤差頻頻出現(xiàn)，難以遏制；而靜水條件好的大水槽也很難完全避免，如表5、圖11～13所示。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)理論，減小隨機誤差的方法是增加檢定次數(shù)、采用算術(shù)平均值，對于常規(guī)生產(chǎn)這是不可能的。本發(fā)明根據(jù)旋槳運動機理，儀器零、部件在生產(chǎn)中制造精度的檢測分析，提出旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式，其修訂值是較多測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計均值，故相對于檢定中影響量無法遏制的單獨一次檢定，其計算精度較高。
(8)系統(tǒng)誤差分析 系統(tǒng)誤差是目前檢定中普遍存在的問題，尤其是小水槽大批量檢定中，靜水時間不充分所致，而標準缺少技術(shù)指標，這類誤差被忽視。
a.系統(tǒng)負偏差 圖28所示為檢定中旋槳轉(zhuǎn)速系統(tǒng)偏快擬合曲線，標準修訂值擬合的低速直線公式為負偏差，平均-5.50％，最大-11.47％，見表16。有的廠家使用高速直線公式下沿線作為低速直線公式計算，其誤差與表16相近，0.04m/s速度級達12.5％。
表16 低速檢定系統(tǒng)偏差成果
上表是№2大型流速儀檢定槽于深夜加班檢定的成果。經(jīng)一天的繁忙檢定，水體波動激烈，具有較強的規(guī)律性，檢定結(jié)果的V1～n1曲線顯示測點分布有序，對稱，相對誤差一、二次曲線分別為0.09％、0.02％，線性好，靈敏度高，誤差小，而從V1～n1曲線圖查讀為0.45％，屬“優(yōu)質(zhì)品”。
b.系統(tǒng)正差 圖29所示為檢定中旋槳轉(zhuǎn)速系統(tǒng)偏慢擬合曲線，標準修訂值擬合的低速直線公式為正偏差，相對誤差平均為-8.03％，最大為18.85％，見表17。產(chǎn)品提供的低速V1～n1曲線圖按實測點繪制，曲線光滑，誤差僅1.94％，仍屬“優(yōu)質(zhì)品”。
表17 低速檢定系統(tǒng)偏差成果
c.系統(tǒng)正、負偏差 圖30所示為檢定中旋槳轉(zhuǎn)速系統(tǒng)開始偏快，上段系統(tǒng)偏慢擬合曲線。下段偏快誤差平均為-6.83％，最大為-7.48％，見表18；上段偏慢誤差平均為6.69％，最大為8.27％，產(chǎn)品出廠V1～n1曲線誤差為3.04％。
表18 低速檢定系統(tǒng)偏差成果
(9)高速直線公式對修訂值低速直線公式的影響 a.實驗檢定擬合成果比較 圖31所示為高速直線公式K、C值對標準修訂值低速直線公式影響誤差分析。
標準修訂值低速公式為V1＝(K-ΔK)n1+(C+ΔC)，顯然，當(dāng)ΔK、ΔC確定后，K、C值精度直接影響V1。實驗檢定共20架儀器。A為一架儀器重復(fù)檢定多次，計算K、C均值，作為標準修訂值修訂、擬合基礎(chǔ)，計算V1A，為曲線A；曲線B為同一儀器，用隨機檢定的K、C值修訂、擬合、計算的V1B，為曲線B。兩者全線擬合平均誤差偏差總平均達1.87％，表明K、C值對修訂值低速直線公式有重要影響。
b.旋槳水力螺距K值檢定精度分析 圖32、33分別為№3、№14水槽檢定的旋槳水力螺距K值離散性誤差σ頻率密度P。圖32表明，№3槽σ3分布符合高斯正態(tài)分布曲線，峰值高而瘦，兩邊對稱，具有較好的檢定精度，按σ3＝±0.50％計，頻率為92.7％。即該型號儀器在№3大型水槽檢定精度可達0.5級。
№14小型水槽檢定的旋槳水力螺距K值誤差σ14頻率分布疏散，誤差大，對稱度差。上述№14槽低速檢定成果本身誤差就大，再加上修訂的K值誤差，因此，總誤差很大。
注圖32、33是用上述專利2L02137974.2技術(shù)檢測。
c.旋槳水力螺距K值在水槽檢定中的穩(wěn)定性 圖34所示為旋槳水力螺距在水槽檢定中的穩(wěn)定性，它是在№3大型流速儀檢定槽對一標準儀器重復(fù)檢定55次統(tǒng)計的K值相對誤差。該槽檢定、檢測設(shè)備精度為一級。槽寬5m，檢定中靜水條件較好，槽壁效應(yīng)較小?？偲骄鄬φ`差σ＝0.19％，最大σmax＝0.71％。由此可見，對于№14等小水槽在大批量檢定靜水條件差時，K值誤差將更大，如圖33所示。因此，對低速檢定成果有很大影響，如表5所示。
(10)簡化計算方法 標準修訂值低速直線公式通式(21)與高速直線公式差角Z＝0.68°，按速度級計算，相對偏差與訂正值，如表7。
表7 訂正值表 用直讀流速計數(shù)器按高速直線公式計算，加表5修訂值e。
本發(fā)明通過對旋槳運動機理的分析，在較好靜水條件下實驗檢定，求得旋槳運動規(guī)律與儀器結(jié)構(gòu)關(guān)系，并建立數(shù)學(xué)關(guān)系式，據(jù)此，將流體動力學(xué)槽檢法轉(zhuǎn)換為機械測定法，從而可嚴格地滿足儀表靜態(tài)檢定有關(guān)原則規(guī)定，使檢定中參比工作條件相似或相同，影響量為零或接近于零，標準輸入為恒穩(wěn)常量，這些在目前技術(shù)上都很容易做到，而且工作輕松、簡便，測量重復(fù)性好，確保檢測精度。這是流速儀檢定技術(shù)發(fā)展方向。
上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟以高速直線公式V＝Kn+C為基礎(chǔ)，用一割線取代低速曲線，所述的割線公式為V1＝K1n1+C1；在高速直線與低速曲線的拐點，Vk＝KnK+C，將其代入割線公式，可得K1＝(VK-C1)/nK；將C1＝C+ΔC代入，可得K1＝[VK-(C+ΔC)]/nK；將拐點公式VK＝KnK+C代入可得K1＝K-(ΔC/nK)；令ΔK＝ΔC/nK，則有K1＝K-ΔK；將其代入可得低速直線公式V1＝(K-ΔK)n1+(C+ΔC)；將高、低速直線公式統(tǒng)計均值K＝0.19718m，K1＝0.18497m，C＝0.0070m/s，C1＝0.0151m/s代入可得ΔK＝0.0122，ΔC＝0.0081，代入低速直線公式可得旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式V1＝(K-0.0122)n1+(C+0.0081)；式中V為高速區(qū)水流速度，V1為低速區(qū)水流速度，K為高速區(qū)旋槳水力螺距，K1為低速區(qū)旋槳水力螺距，C為儀器常數(shù)，C1為附加常數(shù)，n為高速區(qū)旋槳轉(zhuǎn)速，n1為低速區(qū)旋槳轉(zhuǎn)速，VK為拐點水流速度，nK為拐點旋槳轉(zhuǎn)速，ΔK、ΔC為差值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于所述的高、低速直線公式統(tǒng)計均值是從大批量生產(chǎn)檢定中的旋槳流速儀檢定成果中優(yōu)選所得。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于所述的優(yōu)選，其優(yōu)選資料的條件為①5m寬大型流速儀檢定槽，一級精度；②檢定中靜水條件好；③低速V1-n1曲線符合旋槳運行機理；④儀器起轉(zhuǎn)速V0擬合誤差??；⑤檢定成果全線擬合誤差小。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于所述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的起點，即儀器起轉(zhuǎn)速V0預(yù)先用旋槳流速儀起轉(zhuǎn)速檢測設(shè)備檢測達標。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于所述的儀器常數(shù)C采用標準值，取C＝0.0070m/s。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于可簡化計算方法，用直讀流速計數(shù)器按高速直線公式自動計算，加下表的訂正值e
。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于所述的旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式與高速直線公式的差角為0.68°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種旋槳流速儀標準修訂值低速直線公式的設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟以高速直線公式V＝Kn+C為基礎(chǔ)，用一割線取代低速曲線，所述的割線公式為V1＝K1n1+C1；拐點公式VK＝KnK+C，令C1＝C+ΔC，ΔK＝ΔC/nK，代入低速直線公式可得V1＝(K-ΔK)n1+(C+ΔC)；據(jù)高、低速直線公式統(tǒng)計均值得ΔK＝0.0122，ΔC＝0.0081，代入可得V1＝(K-0.0122)n1+(C+0.0081)。本發(fā)明在生產(chǎn)時，儀器無須下水檢定，只要起轉(zhuǎn)速檢測達標，用標準修訂值將高速直線公式修訂成低速直線公式；用戶測量時，可實現(xiàn)流速直讀，十分方便，具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟、社會效益。
文檔編號G01P21/00GK101251548SQ20081002320
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月2日
發(fā)明者楊漢塘 申請人:水利部南京水利水文自動化研究所