水工與河工模型試驗計量技術標準對比分析

劉 彧，徐 紅，齊 瑩，盛春花，宋小艷

(中國水利水電科學研究院，北京 100038)

1 研究背景

伴隨著經濟全球化深入發展，中國作為世界水電大國和世界水電技術強國，參與到越來越多的水電行業國際合作項目中去，我國水電計量技術標準的國際化研究亟待加強。中國標準在國際上的影響力還不夠，技術標準已成為我國水電工作對外技術交流和參與國際市場競爭的主要瓶頸之一，中國水電計量標準體系同國際接軌成為迫切需要[1]。

模型試驗是科學試驗中一項重要的研究方法和技術。運用水力學及河流動力學原理，水工與河工模型試驗在解決水電工程實際問題及科研方面，可彌補數學分析方法的不足，能夠節約大量人力、物力及時間，有著不可替代的作用。為保證模型試驗結果的準確，保證試驗計量標準器具的量值準確可靠尤為重要，而相關計量標準、量值溯源體系不斷完善就顯得十分必要且迫切。我國相關領域已建立了相對完善的檢定規程/校準規范標準體系，但仍有些儀器設備檢定規程/校準規范處于空白，尤其是相應的現場檢定規程/校準方法。因此，需要解決目前相關領域計量技術標準中存在的問題，為今后水電行業計量技術標準的制(修)訂提供建議，從而推動中國水電計量技術標準國際化，提高中國水電技術的國際競爭力，為中國水電走向世界保駕護航。

2 水工與河工模型試驗計量技術標準對比分析

水工和河工模型試驗的內容涉及范圍較廣，常見的水工河工模型試驗涉及水位、波高、水壓、流速、流量和濃度(摻氣或挾沙)等。

2.1 主要儀器設備

常用的水工河工模型試驗儀器主要包括試驗用的水位計、波高儀、壓力計、流速儀、量水堰、流量計和濃度儀。

水位計：主要包括水尺(分為直立式、斜坡式、矮樁式三種)、電子水尺(分為觸點式和非觸點式電子水尺)、浮子式水位計(是我國應用最多的水位計，分為日記、月記、季記式)、壓力式水位計(分為壓阻式和氣泡式壓力水位計)、超聲波水位計(分為液介式和氣介式超聲水位計)、雷達水位計、激光水位計、遙測水位計(編碼水位計)、跟蹤水位儀。

波高儀：主要包括常用的波高儀。

壓力計：主要包括液體壓力計、壓力傳感器(靜態)、數字壓力計、浮球式壓力計、水壓力測量系統、拉壓力測量系統。

流速儀：主要包括轉子式流速儀(分為旋槳流速儀和旋杯流速儀)、電波流速儀、聲學流速儀(分為聲學時差法流速儀和聲學多普勒流速儀(ADV))、電磁點流速儀。

量水堰：主要包括常用的量水堰。

流量計：主要包括電磁流量計、超聲波流量計、差壓式流量計。

表1 我國現行有效水工及河工計量技術標準清單

濃度儀：主要包括摻氣儀(主要包括電阻式摻氣濃度儀)、含沙量測量儀(主要包括γ射線型摻氣濃度儀、光電測沙儀)。

2.2 主要計量技術標準現狀

共收集到我國現行有效的水工與河工計量技術標準15項(SL 233—2016系列標準13項算為1項)見表1。

收集的我國水工與河工模型試驗15項檢定規程及校驗方法標準中，均未在標準文本或“規范性引用文件(或標準)”中體現標準與國際標準、國外標準的等同采用或引用關系的情況[2]。標準類型分布見表2。

表2 水工與河工計量技術標準類型分布表

2.3 主要計量技術標準對比分析

由于水工與河工涉及到計量設備種類較多，適用范圍也不盡相同。現按照涉及到的儀器，可分為水位計、波高儀、壓力計、流速儀、量水堰、流量計和濃度儀這7大類，分別做一比較分析。

收集的標準涉及試驗規程及檢定規程(校驗方法)兩大類，其中，試驗規程標準僅在測量儀器具體章節對部分儀器的精度有一些要求，并未涉及具體的校驗方法。而檢定規程(校驗方法)標準則具體規定了儀器的技術要求、條件、方法、結果、周期、記錄格式及校驗證書等內容，對不同儀器的不同特性，提供了具體檢定或校驗方法的操作指南，可供使用者或獨立的試驗機構來進行儀器的檢定及校準。

2.3.1水位計計量技術標準現狀及分析

涉及水位計的標準有3項，詳見表3。3項標準中，除了儀器的計量性能要求、通用(一般)技術要求等常規規定外，針對不同儀器的特殊要求，對檢定/校準項目及方法做出了不同規定，如性能檢定中浮子式水位計檢定主要包括靈敏閾、測量誤差、回差、重復性誤差、再現性誤差和計時誤差，超聲波水位計檢定主要包括測量誤差、盲區和重復性誤差，跟蹤式水位儀校驗主要包括跟蹤速度、靈敏閾、測量相對誤差與重復性和示值穩定性。

2.3.2波高儀計量技術標準現狀及分析

涉及到波高儀的有1項標準。系列標準中SL 233.3—2016《水工與河工模型試驗常用儀器校驗方法第3部分：波高儀》標準中，除了對一般技術要求、校驗項目及性能要求、校驗器具等技術要求做出具體規定以外，還對波高儀的非線性度校驗、零點漂移校驗、靈敏度穩定性校驗和靈敏度(水)溫變校驗等校驗方法提供了具體的操作指南。

表3 水工與河工計量技術標準適用范圍情況表-水位計

表4 水工與河工計量技術標準適用范圍情況表-壓力計

2.3.3壓力計計量技術標準現狀及分析

涉及到壓力計的有6項標準。詳見表4。6項檢定規程及校驗方法標準具體對液體壓力計、壓力傳感器(靜態)、數字壓力計、浮球式壓力計以及水工河工模型試驗最常用的水壓力測量系統和拉壓力測量系統的校驗方法做出了說明。除了通用條款外，個性指標主要包括工作用液體壓力計的外觀檢查、密封性檢定、示指檢定和零位變動量檢定；壓力傳感器(靜態)的外觀檢查、檢定前準備、密封性檢查、絕緣電阻檢定、零點漂移檢定、輸出值檢定、壓力傳感器工作直線的計算、傳感器技術指標的計算、周期穩定性的檢定以及檢定幾種不同類型壓力傳感器的要求(差壓傳感器、非線性傳感器、壓電式壓力傳感器、定溫度點使用的壓力傳感器)等；數字壓力計的外觀檢查、絕緣電阻檢定、零位漂移、穩定性、示值誤差、回程誤差檢定、附加功能檢定等；浮球式壓力計的外觀檢查、砝碼和砝碼架檢查、浮球工作的穩定性檢查、垂直度檢定、浮球有效面積檢定、鑒別力檢定、氣源變化影響、專用砝碼及砝碼架(含浮球)質量檢定、浮球有效面積周期變化率檢定等；水壓力和拉壓力測量系統兩部分的非線性度與重復性校驗、零點漂移校驗、靈敏度穩定性校驗。

2.3.4流速儀計量技術標準現狀及分析

涉及到流速儀的有4項標準。詳見表5。除了通用條款外，個性指標主要包括轉子式流速儀的檢定/校準速度范圍、起轉速度、臨界速度、水利螺距、儀器常數、檢定/校準公式的a、b值、檢定/校準公式的使用范圍、全線相對均方差或各速度級相對誤差；旋槳流速儀的計數(計時)器誤差校驗、旋槳起轉流速校驗和測量相對誤差校驗等，聲學多普勒流速儀(ADV)的X向、Y向和Z向的測量相對誤差和重復性校驗等校驗方法。2項轉子流速儀相關規定部分有交叉重復。

2.3.5量水堰計量技術標準現狀及分析

涉及到量水堰的有1項標準。系列標準中SL 233.8—2016《水工與河工模型試驗常用儀器校驗方法第8部分：量水堰》標準中，除了對一般技術要求、校驗項目及性能要求、校驗器具等技術要求做出具體規定以外，還對量水堰的粗糙度校驗、尺寸校驗、水平度校驗、鉛直度與垂直度校驗以及流態檢查等校驗方法提供了具體的操作指南。

表5 水工與河工計量技術標準適用范圍情況表-流速儀

表6 水工與河工計量技術標準適用范圍情況表-流量計

2.3.6流量計計量技術標準現狀及分析

涉及到流量計的有8項標準，詳見表6。除了通用條款外，個性指標主要包括壓差式流量計的幾何檢測法、系數檢測法、示值誤差檢測法等校驗方法的具體要求；超聲流量計的外觀標識、密封性、流量計參數、示值誤差、重復性、流量計系數修正、雙向測量流量計、外夾式流量計、幾何參數、計時系統分辨力檢查、計時系統延時、流量計零流量實驗、流速計算功能檢查、積分方法檢查等檢定校準項目；電磁流量計的外觀標識、密封性、相對示值誤差(或引用誤差)、重復性校驗等項目及標準表法、電參數法等校驗方法。

2.3.7濃度儀計量技術標準現狀及分析

涉及到流量計的有3項標準，詳見表7。除了通用條款外，個性指標主要包括電阻式摻氣濃度儀的電極傳感器校驗、示值偏差校驗和零點漂移校驗等；γ射線型摻氣濃度儀和光電測沙儀的測量相對誤差校驗以及測量重復性校驗等。

3 結論與建議

我國水工與河工模型試驗相關計量檢定規程/校準規范存在有些標準交叉重復、制修訂滯后、標準質量有待進一步提高等標準化共性問題，具體體現在以下方面：

表7 水工與河工計量技術標準適用范圍情況表-濃度儀

(1)檢定/校準標準缺位

目前，我國水電行業已建立了相對完善的檢定規程/校準規范標準體系[3- 4]，但仍有些儀器設備檢定規程/校準規范處于空白，且未對水工和河工模型試驗中常用的儀器全范圍覆蓋，如部分常用儀器的相應的現場檢定規程/校準方法，導致有些儀器設備雖已頒布檢定規程/校準規范，仍無法滿足現場規程/校準的需求[5- 6]。目前有些水電行業使用的行業專用儀器設備的校驗規程仍存在標準缺位，導致其量值無法溯源至國家基準[7- 8]。建議制定的8項水工與河工模型試驗計量技術標準清單見表8。

表8 我國缺失水工與河工模型試驗計量技術標準清單

(2)標準交叉重復

少數水電計量檢定/校準標準存在標準間的交叉重復，且不同標準對檢定規程及校驗方法的要求深淺也有所不同[9]，如流速儀的檢定規程有JJG(水利)001—2009《轉子式流速儀》、GB/T 21699—2008《直線明槽中的轉子式流速儀檢定/校準方法》；流量計的檢定規程有超聲流量計JJG 1030—2007《超聲流量計檢定規程》、JJF 1358—2012《非實流法校準DN1000～DN15000液體超聲流量計校準規范》及SL 233.10—2016《水工與河工模型試驗常用儀器校驗方法第10部分：超聲流量計》，電磁流量計JJG 1033—2007《電磁流量計檢定規程》、CJ/T 364—2011《管道式電磁流量計在線校準要求》及SL 233.9—2016《水工與河工模型試驗常用儀器校驗方法第9部分：電磁流量計》。

(3)技術指標規定不明確

國家計量檢定規程是國家的計量技術法規，它的作用是規范和指導關系國計民生的計量檢定工作，其重要性不言而喻，因此，計量檢定規程在制定過程中應考慮全面[10]。現有部分計量標準對個別技術指標未作出具體規定，且有些計量標準在計量性能要求、計量標準器選擇以及檢定方法的選取等方面的規定與實際使用情況不太相符，導致計量標準的可操作性和實施效果不太理想。

在國內相關技術標準日臻完善和國外水工與河工模型試驗計量標準相對缺失的情況下，未來可對相關領域的標準的技術指標及缺失標準進行相應補充，為我國水電領域相關計量標準“走出去”奠定基礎。