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超声波流量计测定废水中流量的不确定度评定——以化工厂矩形堰为例

发布时间:2019-05-25 11:47:40 浏览:

1 引言

在实施排污许可证制度和总量控制中, 污染物浓度和污水排放量是计算污染物排放总量的两个主要监测指标, 要能够正确核算总量控制指标和正确评估污染物排放情况, 必须保证污染源浓度在线监测仪器和排放流量在线监测设备的准确可靠[1]。现就多年现场监测的工作经验, 对化工企业矩形堰使用超声波流量计测定废水中流量监测结果的不确定度进行评定。

2 测量仪器

废水中流量测量使用便携式超声波流量计, 其具有精度高、重复性好、灵敏度高等特点, 且便于安装和维护。本文所使用的是水流跟踪者手持式测速仪 (SonTek FlowTracker手持式ADV, 美国赛莱默仪器公司) 。

3 测量方法

在企业的废水排放口, 在矩形堰截面上选取3条测速垂线, 因为水深小于1 m, 所以每条垂线测试1个点, 就是水深的0.5倍处, 根据面积S和流速v计算实际流量Q=v·SS=d·h, 其中d为矩形堰宽度, h为液面高度, 故Q=v·d·hd由分度值为1 mm的钢卷尺重复9次测量液面垂线宽度, h由测杆标尺9次测量水深获得, v由超声波测速仪9次测量直接获得, 测量数据见表1。

4 不确定度的评定

4.1 不确定度的分类

不确定度主要有两类, A类不确定度和B类不确定度。A类不确定度主要是指用对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度, 此类不确定度主要用来评定由测量引起的随机误差。B类不确定度是指用不同于对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度, 此类不确定度主要用来评定由测量仪器示值或校准引入的误差[2]

宽度、水深和流速数据 导出到EXCEL


第n次
宽度d/mm 水深h/mm 流速v/ (m/s)

1
150.8 401.7 0.121

2
151.3 402.4 0.118

3
152.2 403.5 0.106

4
151.4 402.2 0.124

5
150.7 401.6 0.117

6
149.9 402.3 0.103

7
150.6 403.2 0.122

8
151.5 402.2 0.115

9
152.3 401.5 0.106

平均值
151.2 402.3 0.115

4.2 不确定度来源与分析

分析测量方法可知, 对流量Q的测量不确定度影响的因素有:水面宽度d, 液面高度h, 水流速度v的测量重复性引起的不确定度和钢卷尺、测杆标尺分辨率引起的不确定度。

4.3 不确定度的评定

4.3.1 宽度测量引入的标准不确定度评定

由于是重复性测量, 因此采用A类评定方法评定测量结果的不确定度。测量次数为9次, 较宜采用极差法。则u1(d)=RCn√u1(d)=RCn, 式中R为宽度测量最大值与最小值之差, C为极差系数, C9=2.97,u1(d)=2.42.979√=0.27C9=2.97,u1(d)=2.42.979=0.27mm, 自由度vd为6.8。

钢卷尺分辨率引入的标准不确定度u2 (d) 按矩形均匀分布估计, k=3√k=3, 则钢卷尺分辨率引入的相对标准不确定度u2(d)=123√=0.29u2(d)=123=0.29mm, 根据经验, B类不确定自由度估计u[u(xi)]u(xi)u[u(xi)]u(xi)为25%, 查表得v仪1为8。

则标准不确定度u(d)=[u1(d)2+u2(d)2]−−−−−−−−−−−−−√=(0.272+0.292)−−−−−−−−−−−−√=0.40u(d)=[u1(d)2+u2(d)2]=(0.272+0.292)=0.40mm。

故由宽度引起的流量标准不确定度分量为ud=∣∣∂Q∂d∣∣u(d)=0.07m3/hud=|∂Q∂d|u(d)=0.07m3/h

4.3.2 水深测量引入的标准不确定度评定

水深测量了9次, 同样采用极差法。则水深测量重复性引起的标准不确定度u1(h)=2.02.979√=0.22u1(h)=2.02.979=0.22mm, 自由度vh为6.8。

水深采用分辨率为1 mm的测杆标尺测量, 由其引入的标准不确定度u2(h)=123√=0.29u2(h)=123=0.29mm, 根据经验, B类不确定自由度估计u[u(xi)]u(xi)u[u(xi)]u(xi)为25%, 查表得v仪2为8。

则标准不确定度u(h)=[u1(h)2+u2(h)2]−−−−−−−−−−−−−√=(0.222+0.292)−−−−−−−−−−−−√=0.36u(h)=[u1(h)2+u2(h)2]=(0.222+0.292)=0.36mm。

由水深测量引起的流量标准不确定度分量为uh=∣∣∂Q∂h∣∣u(h)=0.02m3/huh=|∂Q∂h|u(h)=0.02m3/h

4.3.3 流速测量引入的标准不确定度评定

由于是重复性测量, 因此采用A类评定方法评定测量结果的不确定度。测量次数为9次, 采用极差法。

u1(v)=RCn√,u1(v)=0.0212.979√=0.0024m/su1(v)=RCn,u1(v)=0.0212.979=0.0024m/s, 自由度vv为6.8。

因为测速仪的分辨率为0.0001 m/s, 测速仪引入的标准不确定度u2(v)=0.000123√=0.29×10−4m/su2(v)=0.000123=0.29×10-4m/s, 对流量测定产生的影响极其小, 所以测速仪分辨率引起的标准不确定度可以忽略不计。

则由流速测量引起的流量标准不确定度分量为uv=∣∣∂Q∂v∣∣u(v)=0.52m3/huv=|∂Q∂v|u(v)=0.52m3/h

4.4 合成标准不确定度及扩展不确定度

因不确定分量uduhuv相互独立, 则流量的合成标准不确定度uq=(u2d+u2h+u2v)−−−−−−−−−−−−√=(0.072+0.022+0.522)−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√=0.52m3/huq=(ud2+uh2+uv2)=(0.072+0.022+0.522)=0.52m3/h, 依据v=uq4∑5i=1ui4viv=uq4∑i=15ui4vi=25.26计算其自由度得25, 取置信概率p=95%, 查《JJF1059.1-2012》附录B得到包含因子k为2.06[3], 则流量扩展不确定度U=k·uq=2.06×0.52=1.07 m3/h。

5 测量结果

(1) 用合成标准不确定度评定流量测量的不确定度结果为:

Q=25.18 m3/h, uq=0.52 m3/h, 自由度v=25。

(2) 用扩展不确定度评定流量测量的不确定度结果为:

Q= (25.18±1.07) m3/h, p=95%, v=25。