專利名稱：一種流速儀法流量測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度評(píng)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水利電力行業(yè)數(shù)據(jù)測量及評(píng)定，具體說是一種流速儀法流量測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度評(píng)定方法。

背景技術(shù)：
測量流量，傳統(tǒng)經(jīng)典的流速儀法，方便實(shí)用的蝸殼差壓法和超聲波法。很顯然它們的流量測量值準(zhǔn)確度的估計(jì)方式是不一樣的。
流速儀法測量流量，對(duì)準(zhǔn)確度有影響的項(xiàng)目是流速儀率定準(zhǔn)確度fL、時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確度fT、測流斷面測量準(zhǔn)確度fM、測流斷面傾斜測量準(zhǔn)確度fX、流速儀安放傾斜角度引起的流速測量準(zhǔn)確度fA、堵塞引起的流量測量準(zhǔn)確度fD(當(dāng)堵塞總修正值δ在±2％～±6％時(shí)，fD＝±0.3δ％)流量準(zhǔn)確度fQS的計(jì)算有
式中，fM、fX、fA、fD是流速儀安裝時(shí)引起的，由人工計(jì)算輸入給效率測試系統(tǒng)，如果流速儀安裝工作正確，它們一般都很小。fT可忽略不計(jì)。根據(jù)以往效率試驗(yàn)的計(jì)算，流速儀法測量流量準(zhǔn)確度主要是受流速儀率定準(zhǔn)確度fL大小的影響。傳統(tǒng)的fL計(jì)算公式為
式中

即每部流速儀的率定極限誤差，⑩為每部流速儀的率定的均方差，它由水文率定部門給定。P為測點(diǎn)(流速儀)編號(hào)，此時(shí)作為加權(quán)因子。按平差理論，這樣的加權(quán)因子是缺乏依據(jù)的，隨意性太大。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種體系完善，實(shí)際應(yīng)用簡明可行的流速儀法流量測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度評(píng)定方法。
所述流速儀法流量測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度評(píng)定方法，由上位機(jī)收集下位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、計(jì)算、評(píng)定、顯示，由下位機(jī)分別完成數(shù)據(jù)采集和通訊，其特征是該方法依次按如下步驟進(jìn)行①、測定流速儀的安裝位置參數(shù)，②、采集流速儀測速數(shù)據(jù)，③、計(jì)算流量準(zhǔn)確度fQS，其中計(jì)算流量準(zhǔn)確度fQS中的數(shù)流速儀率定準(zhǔn)確度fL以如下數(shù)理模型計(jì)算 式中，Si為對(duì)應(yīng)流速儀的相對(duì)面積權(quán)，

為每部流速儀的率定極限誤差。
所述的安裝位置參數(shù)，對(duì)于圓形測流斷面，是指測流圓周的測流半徑、測流臂的數(shù)量M和測流斷面半徑R，對(duì)于矩形或梯形測流斷面，是指每條水平測臂的長度lk和垂直測臂的高度hk，每只流速儀到水平基準(zhǔn)邊壁的距離lk，i，到垂直基準(zhǔn)邊壁距離hk，i。
對(duì)于圓形測流斷面，其第n圈測流圓周上的流速儀所得到的相對(duì)面積權(quán)Sn由如下數(shù)學(xué)模型得到

其中m為測流圓周上的流速儀數(shù)，ri＊＝ri/R，ri是各測流圓周的相對(duì)半徑，R是測流斷面半徑；對(duì)于測流圓中心點(diǎn)的流速儀，它的權(quán)是S0 對(duì)于矩形或梯形測流斷面，布置在第j個(gè)水平測臂上第i個(gè)位置的流速儀來說，它控制的相對(duì)長度是Ai，j，相對(duì)高度是Bj，相對(duì)面積權(quán)即是Ai，j×Bj，其數(shù)學(xué)模型如下式
(i＝3，4，.....，n-2)， (j＝3，.....k-2) 其中，d為流速儀水平間隔的相對(duì)長度，z為流速儀垂直間隔的相對(duì)高度。
所述流速儀測速數(shù)據(jù)由下位機(jī)對(duì)流速儀測速數(shù)據(jù)采集后，通過上位機(jī)的EPP并行通訊接口控制，接受由通訊調(diào)度控制單片機(jī)傳送的開關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)。
工作原理及數(shù)理分析 依據(jù)誤差權(quán)的原理，按流速面積的數(shù)值積分法，分析每部流速儀在整個(gè)流量測量中的作用，既所占比例的大小，來確定每部流速儀的率定極限誤差，對(duì)流量測量準(zhǔn)確度的影響。
流速面積的數(shù)值積分法，分圓形測流斷面和矩形(或梯形)測流斷面。
圓形測流斷面計(jì)算如公式(1)，假定Vo是圓管中心流速，u1、u2......、un是沿圓周線的平均流速。測流斷面半徑為R，各圓周半徑為r1、r2、...、rn是逐次遞增的，各圓周的相對(duì)半徑為r1＊、r2＊、.....、rn＊，ri＊＝ri/R；測流斷面的平均流速V可用公式(1)計(jì)算


可發(fā)現(xiàn)每部流速儀測量的數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)測流斷面流量的影響，是由它所控制的相對(duì)面積大小決定的。在測流斷面上，各部流速儀的位置不同，所控制的相對(duì)面積也不同，這個(gè)相對(duì)面積值完全符合平差理論中作為加權(quán)的要求，即是本發(fā)明中的“相對(duì)面積權(quán)”。
圓形測流斷面相對(duì)面積權(quán)的具體計(jì)算 依公式(1)令系數(shù)

系數(shù)Si(i＝0，1，2，...，n)表示的含義是測流圓周上流速儀的平均流速占整個(gè)測流圓斷面平均流速比例的大小，也就是測流圓周所控制的相對(duì)面積大小。將Si作為流速儀率定準(zhǔn)確度的權(quán)，來估計(jì)流量測量的準(zhǔn)確度，是比較科學(xué)合理的。對(duì)于測流圓中心點(diǎn)的流速儀，它的權(quán)是S0；對(duì)于第i圈測流圓周上的流速儀，它的權(quán)是Si/M，M為測流圓周上的流速儀數(shù)，即測流圓的測臂數(shù)。
矩形(或梯形)測流斷面 此時(shí)的流速儀布置，在測流斷面中，按水平方向布置k條測流臂(k≥5)，每條水平測流臂布置n臺(tái)流速儀(n≥5)。
若第k只水平測臂在兩管壁之間的長度Lk，固定一側(cè)邊壁作為基準(zhǔn)，測流臂上的安裝n部流速儀，距基準(zhǔn)邊壁的距離為lk，i，將測流臂分隔為n+1個(gè)間隔，間隔的相對(duì)長度為dk，i，有 dk，1＝lk，1/Lk， dk，2＝(lk，2-lk，1)/Lk，......， dk，n＝(lk，n-lk，(n-1))/Lk， dk，(n+1)＝(Lk-l(n-1))/Lk。
此處，n為水平測線上的流速儀數(shù)； 設(shè)各水平測臂上的平均流速為uj，按(2)式計(jì)算




(j＝1，2，......，k) Vj，1、Vj，2、......、Vj，n為第j條水平測流臂上流速儀測量的點(diǎn)流速。
對(duì)于第j條水平測流臂，令


(i＝3，4，.....，n-2)

Aj，i即表示布置在第j水平測臂上第i個(gè)位置的流速儀所控制的相對(duì)長度。
同理，按鉛垂(高度)方向H為斷面的高度，以底部為基準(zhǔn)，每一測流臂分隔的相對(duì)高度z，k條水平測流臂將H高度分隔為k+1個(gè)區(qū)間。各區(qū)間的相對(duì)高度為 z1＝h1/H，z2＝(h2-h1)/H，......，zk＝(hk-h(k-1))/H， z(k+1)＝(H-h(k-1))/H。
沿?cái)嗝娴母叨确较?，同公?2)，矩形(或梯形)斷面單位面積平均流量V有公式(3)得


令
(j＝3，.....k-2)
Bj即表示布置在沿?cái)嗝娴母叨确较騤個(gè)位置的水平測流桿控制的相對(duì)高度。
對(duì)于布置在第j個(gè)水平測流桿上第i個(gè)位置的流速儀來說，它控制的相對(duì)長度是Ai，j，相對(duì)高度是Bj，相對(duì)面積為Ai，j乘以Bj，將Ai，j×Bj稱之相對(duì)面積權(quán)，作為該部流速儀率定準(zhǔn)確度的權(quán)，來估計(jì)流量測量準(zhǔn)確度的影響。
本發(fā)明利用相對(duì)面積權(quán)的概念，對(duì)流量準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)定計(jì)算并通過計(jì)算機(jī)實(shí)施，源于流速儀法流量測量計(jì)算公式的分析和必要的推導(dǎo)，理論上無瑕疵，實(shí)際運(yùn)用簡明可行；其要點(diǎn)是對(duì)于流速儀率定誤差對(duì)測量結(jié)果的影響，給出了符合誤差權(quán)理論的計(jì)算方法和符合實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算機(jī)評(píng)定方法，使得測量結(jié)果的準(zhǔn)確度評(píng)定合理、可信，避免了人為因素的影響。



圖1是本發(fā)明圓形測流斷面流速儀放置示意圖， 圖2是本發(fā)明矩形測流斷面流速儀放置示意圖， 圖3是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件模塊示意圖， 圖4是上位計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行框圖。
圖中1-測流圓周，2-測流臂，3-流速儀，4-測流半徑r1，5-測流半徑r2，6-測流半徑ri，7-測流斷面半徑R，8-水平基準(zhǔn)邊壁，9-水平測臂，10-垂直測臂，11-流速儀A，12-流速儀A距水平基準(zhǔn)邊壁距離lk，i，13-第k只水平測臂的長度lk，14-垂直基準(zhǔn)邊壁，15-第k只垂直測臂的高度hk，16-流速儀A距垂直基準(zhǔn)邊壁距離hk，i。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明如圖1、2中所示為流速儀測流斷面及流速儀3安裝位置示意圖。由于本發(fā)明提出的“相對(duì)面積權(quán)”的概念，使流速儀在測流斷面的安裝位置參數(shù)在本發(fā)明中起到重要作用。
其中圖1為圓形測流斷面流速儀放置示意圖，圖2是本發(fā)明矩形測流斷面流速儀放置示意圖，圓形和矩形測流斷面是最常用的流速儀測流斷面，按照如圖方式放置流速儀，并記錄安裝位置參數(shù)，所述的安裝位置參數(shù)，對(duì)于圓形測流斷面，是指測流圓周1的測流半徑4、5、6、測流臂2的數(shù)量M和測流斷面半徑R7，對(duì)于矩形或梯形測流斷面，是指每條水平測臂9的長度lk13和垂直測臂10的高度hk15，每只流速儀A11到水平基準(zhǔn)邊壁的距離lk，i12，到垂直基準(zhǔn)邊壁14距離hk，i16。
流速儀的輸出與下位機(jī)單片機(jī)采集系統(tǒng)的IO接口連接，圖3中表示的是三個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)組成的下位機(jī)數(shù)據(jù)采集、通訊系統(tǒng)，下位機(jī)是由三個(gè)單片機(jī)和相應(yīng)的控制電路、信號(hào)調(diào)理電路、隔離保護(hù)電路等組成；兩個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成物理量的采集，CPU1單片機(jī)用于采集128路開關(guān)量的數(shù)據(jù)，CPU2單片機(jī)用于采集16路模擬量數(shù)據(jù)，CPU3是下位機(jī)的控制與通訊用單片機(jī)。CPU1和CPU2組成下位機(jī)的采集部分，由CPU3根據(jù)上位機(jī)發(fā)來的指令，調(diào)度采集部分CPU進(jìn)行被測參量的記數(shù)、記時(shí)(脈沖量)和模數(shù)轉(zhuǎn)換(模擬量)，再由并行口高速上傳到上位機(jī)。
數(shù)據(jù)由一個(gè)專用的單片機(jī)系統(tǒng)作通訊，通訊接口使用了通訊協(xié)議簡便可靠的EPP并行口作高速數(shù)據(jù)傳輸，所有的采集值經(jīng)過相應(yīng)程序模塊的整理計(jì)算，再以數(shù)據(jù)、圖形、采樣過程線的方式顯示出來，保障實(shí)時(shí)測試過程盡在監(jiān)視控制之中。
圖4是上位機(jī)的程序框圖，在上位機(jī)中，輸入流速儀的相關(guān)安裝參數(shù)和傳感器的相關(guān)電氣參數(shù)，根據(jù)相對(duì)面積權(quán)的理論，完成對(duì)傳感器的率定，確定如下參數(shù)流速儀率定準(zhǔn)確度fL、時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確度fT、測流斷面測量準(zhǔn)確度fM、測流斷面傾斜測量準(zhǔn)確度fX、流速儀安放傾斜角度引起的流速測量準(zhǔn)確度fA、堵塞引起的流量測量準(zhǔn)確度fD(當(dāng)堵塞總修正值δ在±2％～±6％時(shí)，fD＝±0.3δ％)，利用數(shù)理模型

得到流量準(zhǔn)確度fQS。式中，fM、fX、fA、fD是流速儀安裝時(shí)引起的，由人工計(jì)算輸入給效率測試系統(tǒng)，如果流速儀安裝工作正確，它們一般都很小。fT可忽略不計(jì)。根據(jù)以往效率試驗(yàn)的計(jì)算，流速儀法測量流量準(zhǔn)確度主要是受流速儀率定準(zhǔn)確度fL大小的影響。
關(guān)鍵參數(shù)流速儀率定準(zhǔn)確度fL以如下數(shù)理模型計(jì)算 式中，Si為對(duì)應(yīng)流速儀的相對(duì)面積權(quán)，

為每部流速儀的率定極限誤差。式中

即每部流速儀的率定極限誤差，⑩為每部流速儀的率定的均方差，它由水文率定部門給定。
對(duì)于圓形測流斷面，將測量數(shù)據(jù)代入下面公式計(jì)算相對(duì)面積權(quán)

系數(shù)Si(i＝0，1，2，...，n)就是測流圓周所控制的相對(duì)面積權(quán)。對(duì)于測流圓中心點(diǎn)的流速儀，它的權(quán)是S0；對(duì)于第i圈測流圓周上的流速儀，它的權(quán)是Si/M，M為測流圓周上的流速儀數(shù)，即測流圓的測臂數(shù)。測流斷面半徑為R，各園周半徑為r1、r2、...、rn是逐次遞增的，各園周的相對(duì)半徑為r1＊、r2＊、.....、rn＊，ri＊＝ri/R。
對(duì)于矩形或梯形測流斷面，將測量數(shù)據(jù)代入下面公式計(jì)算相對(duì)面積權(quán)


(i＝3，4，.....，n-2)

Aj，i即表示布置在第j水平測臂上第i個(gè)位置的流速儀所控制的相對(duì)長度。在測流斷面中，按水平方向布置k條測流臂(k≥5)，每條水平測流臂布置n臺(tái)流速儀(n≥5)。
若第k只水平測臂在兩管壁之間的長度Lk，固定一側(cè)邊壁作為基準(zhǔn)，測流臂上的安裝n部流速儀，距基準(zhǔn)邊壁的距離為lk，i，將測流臂分隔為n+1個(gè)間隔，間隔的相對(duì)長度為dk，i，有 dk，1＝lk，1/Lk， dk，2＝(lk，2-lk，1)/Lk，......， dk，n＝(lk，n-lk，(n-1))/Lk， dk，(n+1)＝(Lk-l(n-1))/Lk。
此處，n為水平測線上的流速儀數(shù)； 按鉛垂(高度)方向H為斷面的高度，以底部為基準(zhǔn)，每一測流臂分隔的相對(duì)高度z，k條水平測流臂將H高度分隔為k+1個(gè)區(qū)間。各區(qū)間的相對(duì)高度為 z1＝h1/H，z2＝(h2-h1)/H，......，zk＝(hk-h(k-1))/H，z(k+1)＝(H-h(k-1))/H。此時(shí)

(j＝3，.....k-2)
Bj即表示布置在沿?cái)嗝娴母叨确较騤個(gè)位置的水平測流桿控制的相對(duì)高度。
對(duì)于布置在第j個(gè)水平測流桿上第i個(gè)位置的流速儀來說，它控制的相對(duì)長度是Ai，j，相對(duì)高度是Bj，相對(duì)面積為Ai，j乘以Bj，將Ai，j×Bj稱之矩形測流斷面的相對(duì)面積權(quán)， 下面給出實(shí)際測試數(shù)據(jù) 下表是漳河電站實(shí)際測試數(shù)據(jù)，圓形管道，管徑1.4米，安裝了四個(gè)測流臂，共十三部流速儀。表中fx是傳統(tǒng)方法計(jì)算的流速儀率定準(zhǔn)確度對(duì)流量測量準(zhǔn)確度大小的影響，fs是用相對(duì)面積權(quán)方法計(jì)算的流速儀率定準(zhǔn)確度對(duì)流量測量準(zhǔn)確度大小的影響。


由表中可見，按照序號(hào)權(quán)的算法，雖然人為給予精度較高的傳感器以較大的權(quán)，其準(zhǔn)確度仍然受到限制，而按照相對(duì)面積權(quán)方式可以得到更高的準(zhǔn)確度值。另外，若測量的準(zhǔn)確度要求較高，應(yīng)選用⑩較小的流速儀來測量流量，可顯著的提高流量測量值和效率值的準(zhǔn)確度，流量測量值和效率值的準(zhǔn)確度對(duì)于指導(dǎo)水利機(jī)組運(yùn)行相關(guān)參數(shù)的確定和相關(guān)方案的確定具有重要的意義。
權(quán)利要求
1.一種流速儀法流量測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度評(píng)定方法，用上位機(jī)收集下位機(jī)傳遞的數(shù)據(jù)，對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、計(jì)算、評(píng)定、顯示，由多個(gè)下位機(jī)分別完成數(shù)據(jù)采集和通訊，其特征是該方法依次按如下步驟進(jìn)行①、測定流速儀的安裝位置參數(shù)，②、采集流速儀測速數(shù)據(jù)，③、計(jì)算流量準(zhǔn)確度fQS，其中計(jì)算流量準(zhǔn)確度fQS中的數(shù)流速儀率定準(zhǔn)確度fL以如下數(shù)理模型計(jì)算
式中，Si為對(duì)應(yīng)流速儀的相對(duì)面積權(quán)，
為每部流速儀的率定極限誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流速儀法流量測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度評(píng)定方法，其特征是所述的安裝位置參數(shù)的測定，對(duì)于圓形測流斷面，是指測流圓周(1)的測流半徑(4、5、6)、測流臂(2)的數(shù)量M和測流斷面半徑R(7)；對(duì)于矩形或梯形測流斷面，是指每條水平測臂的長度lk(13)和垂直測臂的高度hk(15)，每只流速儀到水平基準(zhǔn)邊壁的距離lk，i(12)，到垂直基準(zhǔn)邊壁距離hk，i(16)。
3.根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的流速儀法流量測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度評(píng)定方法，其特征是對(duì)于圓形測流斷面，其第n圈測流圓周(1)上的流速儀所得到的相對(duì)面積權(quán)Sn由如下數(shù)學(xué)模型得到
其中m為測流圓周(1)上的流速儀數(shù)，ri＊＝ri/R，ri是各測流圓周(1)的相對(duì)半徑，R是測流斷面半徑(7)；對(duì)于測流圓中心點(diǎn)的流速儀，它的權(quán)是S0
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的流速儀法流量測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度評(píng)定方法，其特征是對(duì)于矩形或梯形測流斷面，布置在第j個(gè)水平測臂(9)上第i個(gè)位置的流速儀來說，它控制的相對(duì)長度是Ai，j，相對(duì)高度是Bj，相對(duì)面積權(quán)即是Ai，j×Bj，其數(shù)學(xué)模型如下式
(i＝3，4，.....，n-2)，
(j＝3，.....k-2)
其中，d為流速儀水平間隔的相對(duì)長度，z為流速儀垂直間隔的相對(duì)高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流速儀法流量測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度評(píng)定方法，其特征是所述流速儀測速數(shù)據(jù)由下位機(jī)對(duì)流速儀測速數(shù)據(jù)采集后，通過上位機(jī)的EPP并行通訊接口控制，接受由通訊調(diào)度控制單片機(jī)傳送的開關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種流速儀法流量測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度評(píng)定方法，其特征是該方法先后按①測定流速儀的安裝位置參數(shù)，②流速儀測速數(shù)據(jù)采集，③流量準(zhǔn)確度fQS的計(jì)算三大步驟實(shí)施，其中計(jì)算流量準(zhǔn)確度fQS的關(guān)鍵參數(shù)流速儀率定準(zhǔn)確度fL以如下數(shù)理模型計(jì)算fL＝(S1Δ1+S2Δ2+……+SnΔn)/(S1+S2+……+Sn)。式中，Si為對(duì)應(yīng)流速儀的相對(duì)面積權(quán)，為每部流速儀的率定極限誤差。本發(fā)明利用相對(duì)面積權(quán)的概念，對(duì)流量準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)定計(jì)算并通過計(jì)算機(jī)實(shí)施，源于流速儀法流量測量計(jì)算公式的分析和必要的推導(dǎo)，理論上無瑕疵，實(shí)際運(yùn)用簡明可行。使得測量結(jié)果的準(zhǔn)確度評(píng)定合理、可信，避免了人為因素的影響。
文檔編號(hào)G01F25/00GK101650212SQ20081004881
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2008年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月14日
發(fā)明者孫珞珈 申請(qǐng)人:湖北省電力試驗(yàn)研究院