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

背景技術(shù)：
測量流量，傳統(tǒng)經(jīng)典的流速儀法，方便實用的蝸殼差壓法和超聲波法。很顯然它們的流量測量值準確度的估計方式是不一樣的。
流速儀法測量流量，對準確度有影響的項目是流速儀率定準確度fL、時標準確度fT、測流斷面測量準確度fM、測流斷面傾斜測量準確度fX、流速儀安放傾斜角度引起的流速測量準確度fA、堵塞引起的流量測量準確度fD(當堵塞總修正值δ在±2％～±6％時，fD＝±0.3δ％)流量準確度fQS的計算有
式中，fM、fX、fA、fD是流速儀安裝時引起的，由人工計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。根據(jù)以往效率試驗的計算，流速儀法測量流量準確度主要是受流速儀率定準確度fL大小的影響。傳統(tǒng)的fL計算公式為
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(流速儀)編號，此時作為加權(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，實際應用簡明可行的流速儀法流量測量數(shù)據(jù)準確度評定方法。
所述流速儀法流量測量數(shù)據(jù)準確度評定方法，由上位機收集下位機數(shù)據(jù)進行濾波、計算、評定、顯示，由下位機分別完成數(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、計算流量準確度fQS，其中計算流量準確度fQS中的數(shù)流速儀率定準確度fL以如下數(shù)理模型計算 式中，Si為對應流速儀的相對面積權(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邊壁的距離lk，i，到垂直基準邊壁距離hk，i。
對于圓形測流斷面，其第n圈測流圓周上的流速儀所得到的相對面積權(quán)Sn由如下數(shù)學模型得到

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半徑，R是測流斷面半徑；對于測流圓中心點的流速儀，它的權(quán)是S0 對于矩形或梯形測流斷面，布置在第j個水平測臂上第i個位置的流速儀來說，它控制的相對長度是Ai，j，相對高度是Bj，相對面積權(quán)即是Ai，j×Bj，其數(shù)學模型如下式
(i＝3，4，.....，n-2)， (j＝3，.....k-2) 其中，d為流速儀水平間隔的相對長度，z為流速儀垂直間隔的相對高度。
所述流速儀測速數(shù)據(jù)由下位機對流速儀測速數(shù)據(jù)采集后，通過上位機的EPP并行通訊接口控制，接受由通訊調(diào)度控制單片機傳送的開關(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，對流量測量準確度的影響。
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)計算


可發(fā)現(xiàn)每部流速儀測量的數(shù)據(jù)對整個測流斷面流量的影響，是由它所控制的相對面積大小決定的。在測流斷面上，各部流速儀的位置不同，所控制的相對面積也不同，這個相對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“相對面積權(quán)”。
圓形測流斷面相對面積權(quán)的具體計算 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面積大小。將Si作為流速儀率定準確度的權(quán)，來估計流量測量的準確度，是比較科學合理的。對于測流圓中心點的流速儀，它的權(quán)是S0；對于第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，測流臂上的安裝n部流速儀，距基準邊壁的距離為lk，i，將測流臂分隔為n+1個間隔，間隔的相對長度為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)； 設各水平測臂上的平均流速為uj，按(2)式計算




(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流速。
對于第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個位置的流速儀所控制的相對長度。
同理，按鉛垂(高度)方向H為斷面的高度，以底部為基準，每一測流臂分隔的相對高度z，k條水平測流臂將H高度分隔為k+1個區(qū)間。各區(qū)間的相對高度為 z1＝h1/H，z2＝(h2-h1)/H，......，zk＝(hk-h(k-1))/H， z(k+1)＝(H-h(k-1))/H。
沿斷面的高度方向，同公式(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即表示布置在沿斷面的高度方向j個位置的水平測流桿控制的相對高度。
對于布置在第j個水平測流桿上第i個位置的流速儀來說，它控制的相對長度是Ai，j，相對高度是Bj，相對面積為Ai，j乘以Bj，將Ai，j×Bj稱之相對面積權(quán)，作為該部流速儀率定準確度的權(quán)，來估計流量測量準確度的影響。
本發(fā)明利用相對面積權(quán)的概念，對流量準確度進行評定計算并通過計算機實施，源于流速儀法流量測量計算公式的分析和必要的推導，理論上無瑕疵，實際運用簡明可行；其要點是對于流速儀率定誤差對測量結(jié)果的影響，給出了符合誤差權(quán)理論的計算方法和符合實際應用的計算機評定方法，使得測量結(jié)果的準確度評定合理、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是計算機系統(tǒng)的硬件模塊示意圖， 圖4是上位計算機程序運行框圖。
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距水平基準邊壁距離lk，i，13-第k只水平測臂的長度lk，14-垂直基準邊壁，15-第k只垂直測臂的高度hk，16-流速儀A距垂直基準邊壁距離hk，i。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明如圖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到水平基準邊壁的距離lk，i12，到垂直基準邊壁14距離hk，i16。
流速儀的輸出與下位機單片機采集系統(tǒng)的IO接口連接，圖3中表示的是三個單片機系統(tǒng)組成的下位機數(shù)據(jù)采集、通訊系統(tǒng)，下位機是由三個單片機和相應的控制電路、信號調(diào)理電路、隔離保護電路等組成；兩個單片機系統(tǒng)構(gòu)成物理量的采集，CPU1單片機用于采集128路開關(guān)量的數(shù)據(jù)，CPU2單片機用于采集16路模擬量數(shù)據(jù)，CPU3是下位機的控制與通訊用單片機。CPU1和CPU2組成下位機的采集部分，由CPU3根據(jù)上位機發(fā)來的指令，調(diào)度采集部分CPU進行被測參量的記數(shù)、記時(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。
數(shù)據(jù)由一個專用的單片機系統(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)過相應程序模塊的整理計算，再以數(shù)據(jù)、圖形、采樣過程線的方式顯示出來，保障實時測試過程盡在監(jiān)視控制之中。
圖4是上位機的程序框圖，在上位機中，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)相對面積權(quán)的理論，完成對傳感器的率定，確定如下參數(shù)流速儀率定準確度fL、時標準確度fT、測流斷面測量準確度fM、測流斷面傾斜測量準確度fX、流速儀安放傾斜角度引起的流速測量準確度fA、堵塞引起的流量測量準確度fD(當堵塞總修正值δ在±2％～±6％時，fD＝±0.3δ％)，利用數(shù)理模型

得到流量準確度fQS。式中，fM、fX、fA、fD是流速儀安裝時引起的，由人工計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。根據(jù)以往效率試驗的計算，流速儀法測量流量準確度主要是受流速儀率定準確度fL大小的影響。
關(guān)鍵參數(shù)流速儀率定準確度fL以如下數(shù)理模型計算 式中，Si為對應流速儀的相對面積權(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。
對于圓形測流斷面，將測量數(shù)據(jù)代入下面公式計算相對面積權(quán)

系數(shù)Si(i＝0，1，2，...，n)就是測流圓周所控制的相對面積權(quán)。對于測流圓中心點的流速儀，它的權(quán)是S0；對于第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，各園周的相對半徑為r1＊、r2＊、.....、rn＊，ri＊＝ri/R。
對于矩形或梯形測流斷面，將測量數(shù)據(jù)代入下面公式計算相對面積權(quán)


(i＝3，4，.....，n-2)

Aj，i即表示布置在第j水平測臂上第i個位置的流速儀所控制的相對長度。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，測流臂上的安裝n部流速儀，距基準邊壁的距離為lk，i，將測流臂分隔為n+1個間隔，間隔的相對長度為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，每一測流臂分隔的相對高度z，k條水平測流臂將H高度分隔為k+1個區(qū)間。各區(qū)間的相對高度為 z1＝h1/H，z2＝(h2-h1)/H，......，zk＝(hk-h(k-1))/H，z(k+1)＝(H-h(k-1))/H。此時

(j＝3，.....k-2)
Bj即表示布置在沿斷面的高度方向j個位置的水平測流桿控制的相對高度。
對于布置在第j個水平測流桿上第i個位置的流速儀來說，它控制的相對長度是Ai，j，相對高度是Bj，相對面積為Ai，j乘以Bj，將Ai，j×Bj稱之矩形測流斷面的相對面積權(quán)， 下面給出實際測試數(shù)據(jù) 下表是漳河電站實際測試數(shù)據(jù)，圓形管道，管徑1.4米，安裝了四個測流臂，共十三部流速儀。表中fx是傳統(tǒng)方法計算的流速儀率定準確度對流量測量準確度大小的影響，fs是用相對面積權(quán)方法計算的流速儀率定準確度對流量測量準確度大小的影響。


由表中可見，按照序號權(quán)的算法，雖然人為給予精度較高的傳感器以較大的權(quán)，其準確度仍然受到限制，而按照相對面積權(quán)方式可以得到更高的準確度值。另外，若測量的準確度要求較高，應選用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確度，流量測量值和效率值的準確度對于指導水利機組運行相關(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)準確度評定方法，用上位機收集下位機傳遞的數(shù)據(jù)，對此數(shù)據(jù)進行濾波、計算、評定、顯示，由多個下位機分別完成數(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、計算流量準確度fQS，其中計算流量準確度fQS中的數(shù)流速儀率定準確度fL以如下數(shù)理模型計算
式中，Si為對應流速儀的相對面積權(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)準確度評定方法，其特征是所述的安裝位置參數(shù)的測定，對于圓形測流斷面，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邊壁的距離lk，i(12)，到垂直基準邊壁距離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)準確度評定方法，其特征是對于圓形測流斷面，其第n圈測流圓周(1)上的流速儀所得到的相對面積權(quán)Sn由如下數(shù)學模型得到
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)的相對半徑，R是測流斷面半徑(7)；對于測流圓中心點的流速儀，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)準確度評定方法，其特征是對于矩形或梯形測流斷面，布置在第j個水平測臂(9)上第i個位置的流速儀來說，它控制的相對長度是Ai，j，相對高度是Bj，相對面積權(quán)即是Ai，j×Bj，其數(shù)學模型如下式
(i＝3，4，.....，n-2)，
(j＝3，.....k-2)
其中，d為流速儀水平間隔的相對長度，z為流速儀垂直間隔的相對高度。
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)準確度評定方法，其特征是所述流速儀測速數(shù)據(jù)由下位機對流速儀測速數(shù)據(jù)采集后，通過上位機的EPP并行通訊接口控制，接受由通訊調(diào)度控制單片機傳送的開關(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)準確度評定方法，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流量準確度fQS的計算三大步驟實施，其中計算流量準確度fQS的關(guān)鍵參數(shù)流速儀率定準確度fL以如下數(shù)理模型計算fL＝(S1Δ1+S2Δ2+……+SnΔn)/(S1+S2+……+Sn)。式中，Si為對應流速儀的相對面積權(quán)，為每部流速儀的率定極限誤差。本發(fā)明利用相對面積權(quán)的概念，對流量準確度進行評定計算并通過計算機實施，源于流速儀法流量測量計算公式的分析和必要的推導，理論上無瑕疵，實際運用簡明可行。使得測量結(jié)果的準確度評定合理、可信，避免了人為因素的影響。
文檔編號G01F25/00GK101650212SQ20081004881
公開日2010年2月17日 申請日期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 申請人:湖北省電力試驗研究院