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關鍵詞 里氏硬度測量實驗箱；教育裝備；實訓

中圖分類號：G482 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）06-0032-03

Abstract This article mainly explains an educational equipment that can be used in colleges of science and technology in mental material hardness testing practical training： Leeb Hardness Testing Experi-mental Toolbox. Being differed from the traditional practical training device， it optimizes the design of which the desk type device’s large size and its uneasiness to move， and improves the design of which the portable device’s low electric quantity， small screen， unchan-geable probe， and the uneasiness to carry the parts. Having solved these inadequacies， Leeb Hardness Testing Experimental Toolbox has high-capacity batteries， bigger high-definition screen， chan-geable parts， the integration of its desk type and portability， and etc.

Key words leeb hardness testing experimental toolbox； educational equipment； practical training

1 前言

測量硬度有多種方法，里氏硬度計測量因其具有易攜帶、測量范圍寬、操作方便等優點，成為現場金屬部件硬度測量的首選方法[1]。里氏硬度測量實驗箱是一種以里氏硬度試驗為理論依據，針對理工科院校設計的用于金屬硬度測量實訓教學的教育裝備。該實驗箱將教與學中所需的部件集成在一個實驗箱中，方便在硬度測量實訓中的搬運和攜帶。實驗箱配有大屏顯示、多種探頭類型、快捷鍵、打印機、可更換電池、校準試塊等功能硬件，并搭載友好的人機交互系統，方便實驗人員操作。其設計面向教與學，對市場上出現的硬度計進行優化設計，使得設備為教學所用。

2 目前狀態與不足

傳統教學工作中，多采用臺式靜力試驗布氏硬度基準機等臺式硬度計。這些臺式硬度計不僅體積龐大不便移動，而且價格較高，實驗室配備很難達到學生人手一臺的水平，使得學生上機操作時間少、體驗不足。便攜式硬度計體積小且攜帶方便，可解決數量不足的問題。但是，目前市場上銷售的便攜式硬度計存在以下一些不足：

1）電池容量小，很容易造成連續教學使用時電量不足，在進行實驗準備時需要花費時間去充電；

2）LCD屏過小，顯示數據量過少，不便于測量和教學工作的開展；

3）零散附件太多，不便于攜帶和現場操作；

4）微型化的一體型硬度計，體積雖然小，但探頭不可更換，無法滿足實訓時需要不同探頭的要求；

5）維護困難，硬度計集成度高，若出現設備問題，需要返廠維修，花費的成本高、時間長。

并且在外采購的硬度計商業元素較重，采買、維護成本高，功能煩瑣且不適用。大多數院校為滿足課堂需要，需要支出大量資金、人力對硬件進行選購配備，費時費力。

3 實驗箱的設計

在調查相關用戶的基礎上，針對目前市場上銷售的里氏硬度測量儀的不足之處，專門為教學實訓工作設計一款里氏硬度測量實驗箱。實驗箱解決了現有臺式硬度測量儀器體積過大，一體式硬度計電池容量不足、顯示數據少、探頭不可更換，便攜式硬度計零散附件多、不便攜帶等諸多問題。設計時特別關注模塊化、標準化等內容，力求實現便于維修、便于使用的目標。

實驗所用的所有部件都裝配在防爆實驗箱中，如圖1所示。該實驗箱尺寸為400 mm（長）×300 mm（寬）×160 mm（高），箱子采買時選取有鎖扣、手持、肩背和現場放置的固定裝置。

在箱體上蓋開出一透明觀察窗口，在不打開箱蓋的情況下也可以觀察到儀器工作情況。箱體內部分上下篩鑾域：上層區域固定安裝儀表各部分，如編碼器、顯示器、鍵盤、電源、打印機等；下層區域用于存放儀表的附件和備件，如標準試塊、備用電池、沖擊裝置、備用打印紙、砂紙等。兩層使用鋁板隔開，配有拆裝手柄，方便拿取安放。

4 硬件設計

硬件組成

1）大屏幕顯示：屏幕選取7.3英寸、800*480高分辨率可觸摸彩色液晶屏。

2）多探頭和支撐環類型。材料不同、被測物曲面不同，應選取不同的探頭和支撐環。該實驗箱配備多種沖擊裝置（D、DL、G、C、E、D15等）和各類支撐環，滿足不同的測量需求，并且大大減少了教育裝備的選購成本。用戶選擇不同的沖擊裝置進行打值測量，免去因探頭種類不同而配置多種硬度計的成本問題。

3）多按鍵快捷鍵盤。快捷鍵盤是方便實驗人員進行快捷配置所設計的。多按鍵快捷鍵盤為4×6分布，覆蓋機器的所有操作方式。按鍵分布如圖2所示。快捷鍵盤是為滿足快速調整數值，顯示、更改配置所設置的快捷鍵。最左側的一列為一級菜單，可遍歷所有操作；第二列到第六列為常用快捷鍵，可快捷設置一些常用菜單的配置。

4）打印機。為解決打印機攜帶不方便、連接復雜問題，實驗箱將微型打印機嵌入其中。微型打印機選取的是市場上較常見的熱敏鑲嵌式微型打印機。

5）可更換大容量充電電池。普通的硬度計在連續教學時耗電量較大，很容易造成后續教學時電量不足，而實驗員在每次實驗準備時要花費大量的時間去給設備充電。本實驗箱使用兩節26650充電電池供電（總電量10 000 mAh），

并配備兩節備用電池，在教學活動中若出現電量不足等情況，可自行更換，不耽誤教學工作的進行。

硬件設計總圖 硬件設計總圖如圖3所示。

5 軟件設計

系統功能

1）顯示界面。該實驗箱設計四種顯示風格，分別是大數字、統計參數、柱狀圖、平均值，測量值超出限定范圍可顯示不同顏色的提示符號。同時，為滿足不同測試環境、光線的需求，可調節屏幕亮暗、背光時間等。

2）友好的人機操作方式。實驗中常用功能可以使用快捷鍵操作，全部功能都可以通過菜單進行操作。實驗箱具備多按鍵鍵盤和編碼轉輪，教學中可采用這兩種方式進行操作。

3）測量功能。在實際測量中因測試用的材料不同，會選擇不同的探頭類型、材料、硬度單位等配置信息。該實驗箱配置模擬、無線、數字的探頭信號，配置D/DL/D15/G/C/E等探頭類型，可選單位有HL/HRC/HRB/HB/HV/HS/HRA等。為滿足多裝置、多材料、不同單位的示數教學要求，該實驗箱內嵌入128個換算表，是目前相關產品中配備轉換表數量最多的，減少了實訓活動中查數據手持的麻煩。該表支持中華人民共和國國家標準GB/T 17394―1998《金屬材料 里氏硬度試驗》[2]及部分其他國家和地區的標準。

4）特色功能。實驗箱不僅可以精確測量硬度值、存儲數據，還具有強大的數據分析能力。該實驗箱自帶硬度轉換計算器，方便查詢轉換各種材料硬度值，以及查看不同類型沖擊裝置之間的換算關系，擁有強大的數據處理及分析功能，包括顯示平均值、標準差、最大值、最小值、粗大誤差的判斷、超限情況的判斷及報警提示等信息。單組具有統計分析能力，包括平均值、平均值置信范圍、最大值、最小值、極差、標準差、標準差置信范圍峰度系數、偏度系數、合格率、測量值分布直方圖、測量值正態分布檢驗、測量值均勻分布檢驗。還可以雙組進行對比分析，進行均值顯著性差異檢驗、標準差顯著性差異檢驗、合格率顯著性差異檢驗、分布顯著性差異檢驗。

5）校準。實驗箱設有測量計數功能，對測量次數進行累計。當打值超過1000～5000次（打值硬度不同，次數不同）后，需要對示數進行校準，這也是實驗教學的一部分。該實驗箱提供一點校準和兩點校準兩種校準方式，滿足大多數教學要求。而這兩種校準方式又可分為對單位和材料的獨立校準和聯合校準。同時，實驗箱配置低、中、高三種校準標準塊，方便實訓中的打值校準學習。

6）打印。該實驗箱配置微型打印機，可選擇自動打印平均值或每測數值，還可手動選取要打印的某一次的數值。打印的數據可作為本次實訓的實驗報告使用。

設計框架 在實地調查一些院校的硬度測量實訓后，將工廠、企業所用的硬度計的一些功能和模塊進行優化改良，在操作和軟件功能上力求設計一款適合教與學的硬度測量實驗箱。軟件功能總圖如圖4所示。

6 結束語

實驗箱擁有大屏幕顯示、編碼轉作、多按鍵數量的快捷鍵盤、打印機、充器、大容量電池，從而滿足操作便捷、功能完備、持續工作時間長等功能要求。整個儀表采用箱式設計，方便實驗員配置教學用具和對這些設備進行維護和管理，符合國家相關技術及安全標準。

參考文獻

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關鍵詞：顯微硬度自動測量程序；金相試驗；手動測量

顯微硬度試驗可用于化學熱處理的滲碳層、滲氮層，金屬擴散層以及鍍層的測定，還可用于熱處理材料表面顯微組織的顯微硬度試驗以及金屬表面淬火的硬化層等，除此之外，還可以研究整個過渡層的性能；對不同厚度的鋁帶（箔）、不銹鋼帶、紫銅帶、黃銅帶等和半成品測試顯微硬度；以及晶粒內部不均勻性研究等。隨著科技發展，材料生產能力提升，檢測試驗任務尤為重要，結構鋼真空熱處理后的表面顯微組織檢測、金屬擴散層及鍍層檢測，以及晶粒內部的不均勻性及質量問題分析和失效零部件硬度分析等越來越多，為了便于實際生產應用提高試驗效率，顯微硬度計的自動測試程序應用變得尤為重要。

顯微硬度分為維氏顯微硬度和努氏硬度。顯微硬度適用于HV8～2000的材料。顯微維氏硬度一般要求負荷加載的保持時間黑色金屬為10～15秒，有色金屬為30～35秒。顯微努氏硬度一般要求負荷加載的保持時間黑色金屬為5～15秒，有色金屬為30秒。

1 顯微硬度在金相檢測中的應用

顯微硬度在金相檢測中主要的應用有硬度曲線測定和平均硬度值測定。

1.1 滲層深度及表面顯微組織測定

滲層深度及表面顯微組織測定主要指化學熱處理的滲碳層、滲氮層，金屬擴散層以及鍍層，結構鋼保護氣氛熱處理后表面顯微組織的顯微硬度試驗以及金屬表面淬火的硬化層等，均可用硬度曲線的方法進行測定。另外硬度曲線除能直接測定滲碳層（硬化層）的硬度外，還可用以研究整個過渡層的性能。通過編制自動測量程序可從距表面規定距離處開始垂直試樣表面每隔固定距離測量一次硬度直至心部，進行多次測量，將測量結果繪制成一條硬度曲線，確定整個滲層深度。

表面顯微組織測定是用于測定某結構鋼保護氣氛熱處理后其表面質量（增碳、脫碳、增碳及晶間氧化等），即按要求載荷在試樣檢測面上沿垂直于表面方向打顯微硬度，硬度壓痕應答在垂直于表面的一條或多條平行線上。選取一真空熱處理隨爐試驗件進行表面顯微硬度測定，編制自動測量程序進行硬度曲線測定，得出相應的硬度曲線，試驗結果見表1、圖1。

1.2 平均硬度值測定

平均硬度值測定主要用于平時使用前的硬度計校準、晶粒內部的不均勻性測定及質量問題分析和失效零部件硬度分析等。通過編制自動測量程序可對材料選定范圍的硬度值按要求進行有規律測定并計算平均硬度值。例如在使用前進行硬度計校準，選取與檢測用載荷及硬度值相匹配的標準硬度塊進行測定，自動測量程序測定結果見表2。

2 自動測試程序和手動測試程序的比較

選取一塊HK0.5656的標準試塊采用自動測量程序和手動測試，并對比測試結果。

2.1 自動測試程序

2.2 手動測試

校準顯微硬度計后，進行手動測量，在標準試塊上選定5個點依次打顯微硬度。

d：是所測對角線的平均值μm；

ds：是標準壓痕報告給出的平均對角線長度μm。

自動測試程序的最大誤差大于手動測試，手動測試和自動測試的重復性和最大誤差均符合相關資料要求。

3 結束語

顯微硬度試驗自動測量程序硬度曲線測定可用于保護氣氛熱處理材料表面顯微組織的測定以及生產過程控制化學熱處理的滲碳層、滲氮層，金屬擴散層以及鍍層等。顯微硬度試驗自動測量程序平均硬度值測定可用于組織均勻性測定，質量問題分析和失效零部件硬度分析等。顯微硬度自動測量程序和手動測量的準確性和重復性均滿足相關資料要求，尤其是在硬度曲線測定時自動測量程序可以準確定位、快速測量，效率高于手動測量，推薦采用自動測量程序。根據金相檢測經驗，自動測試程序對試樣制備要求嚴格，必須嚴格控制加工硬化層及表面劃痕等制樣缺陷，以避免在自動測量過程中程序識別不清無法測定。

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光度學量

光通量這個物理量是用來說明在一個固定的立體角中所具有的全部光功率,在光度學中光通量常用大寫希臘字母Φ來表示,單位為流明(lumen,簡記作lm)。與此相關的另一個物理量是光強,即發光強度,一般用大寫拉丁字母I來表示,單位為燭光或坎德拉(candle,簡記作cd),光強是單位立體角內的光通量。

我們平常使用最多的光度學中的物理量是光照度,或簡稱照度,常用大寫拉丁字母E來表示,單位為勒克斯(lux或簡記作lx);照度是單位面積上通過的光通量,所以照度與光通量的單位之間的換算為1 lux = 1 lm/m2。光度學中的亮度常被稱為輝度,它是反映一個被光照射的物體對光反射的情況,一般用大寫拉丁字母L來表示,單位為尼特(nit,1 nit = 1 cd/m2);對于投影機來說,這個物理量的大小取決于投影幕的質量和反射光的效率。

圖1反映了上述這些物理量之間的關系,這是我們進行實際測量時的依據。一個具有4 cd發光強度的發光體在如圖所示的立體角中產生了4 lm的光通量,在距離該發光體1 m遠的地方,并恰好充滿在這個立體角中有一個1 m2的平面S1,則在S1上面產生的照度就應該是4 lux。在距離該發光體2 m遠,并也充滿該立體角的平面S2的面積顯然應該為4 m2,在S2上面產生的照度就是1 lux。所以,當投影幕越大,且離投影機越遠時,它上面的照度就越低。而我們則可以根據在投影幕處測量的照度值,用它乘以投影幕的面積,就能夠計算出該投影機光通量的流明數。

測量方法

在普通多媒體教室中測量投影機的實際光通量(即廠商說的投影機“亮度”)可采用下面的方法,測量時需要使用光照度計。第一步,打開投影機并預熱5分鐘以上;第二步,在投影幕上投出如圖2所示的純黑白圖像(使用Word或PowerPoint都可以);第三步,用照度計在圖像中白(實際為亮)的部分測出照度值Ew(單位:lux),在圖像中黑(實際為暗)的部分測出照度值Eb(單位:lux);第四步,根據投影幕的尺寸計算出其面積S(單位:m2,參考表1);第五步,利用關系式Φ= (Ew-Eb)×S計算出的數值Φ(單位:lm),即該投影機實際能夠產生的光通量,也就是投影機廠商所說的“亮度”的實際值。

如果在測量時是將圖像投影在普通的白色墻壁上,則可用關系式Φ= (Ew-Eb)×L×W來計算;其中L和W分別為投影面積的長度和寬度,單位是m(米)。例如:測得Ew= 3 600 lux,Eb= 600 lux,L = 1.2 m,W = 0.9 m;則Φ= (3 600 lux - 600 lux) × 1.2 m × 0.9 m = 3 240 lm(流明)。

測量原理

首先,應該認為對投影幕圖像上產生的光照度,除了投影機的貢獻外還有室內燈光和透過玻璃窗室外日光的共同作用,并且室內燈光和室外日光作用在銀幕上的光線是均勻分布的。投影幕上圖像中黑色部分沒有來自投影機的光線,因為這部分光線被投影機中光學系統的相關部分擋住了,只有室內燈光和室外日光的作用。而圖像中白色部分除了室內燈光和室外日光的作用外,主要還有來自投影機而產生最大照度的那些光線,所以(Ew - Eb)的數值就成為投影機在投影幕上產生的最大照度。用這個照度值乘以投影幕的總面積,就得出了投影機的實際光通量(即投影機的實際“亮度”)。這是因為投影機產生的全部光通量都作用而且僅作用在投影幕上的結果。

測量工具

測量時可使用市面上有售的數字式光照度計,例如:(a)深圳產LX-1010B數字式照度計(淘寶網上標價僅56元人民幣),(b)臺灣產TES-1330A數字式照度計(市場標價300元人民幣),(c)香港產AR813A數字式照度計(市場標價280元人民幣)。

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【關鍵詞】全站儀;懸高;測量;檢測

引言

工程勘測中,懸高測量是全站儀應用較多的特殊功能之一,全站型電子速測儀(簡稱全站儀)集光電測距儀、電子經緯儀和微處理機于一體,不僅能同時自動測角、測距,而且精度高、速度快,尤其是它提供的一些特殊測量功能如對邊測量(RDM)、懸高測量(REM)、三維導線測量、放樣測量等,給測量工作帶來了極大的方便。

1 測量原理

懸高測量:是測定某些不能達到的被測點時,可以先直接瞄準其下方的投影上的棱鏡,測量平距,然后瞄準懸高點,測量出高差。

1.1 傳統懸高測量原理

利用全站儀進行懸高測量的原理很簡單。所謂懸高測量,就是測定空中某點距離某個水平面(通常為下面的地面)的高度。首先把反射棱鏡設立在欲測目標點B的天底B'點(即過目標點B的鉛垂線與地面的交點),輸入反射棱鏡高V;然后照準反射棱鏡,測得水平距離D;再轉動望遠鏡照準目標點B,便能實時顯示出目標點B至地面的高度H。其大小由全站儀自身內存的計算程序計算而得:式中,D 為全站儀至反射棱鏡的平距;a1和a2分別為反射棱鏡和目標點的豎直角。

應當注意的問題是,要利用懸高測量功能測出目標點的正確高度,必須將反射棱鏡恰好安置在被測目標點的正下方的投影點,否則測出的結果將是不正確的【1】。假如棱鏡沒有準確立在懸高點B正下方的點B'而是立在了地面上的C'點,則水平距離為D',而不是D,則測出的高度為

則C點到其鉛垂線下地面的高度CC'的距離,不等于BB'的正確距離。在實際工作中測懸空點的高度時,應先投點再進行懸高測量,尤其是目標點離地面較高的情況。

1.2 特殊情況的懸高測量

要想利用懸高測量功能測出目標點的正確高度,必須將反射棱鏡恰好安置在被測目標點的投影點上,否則將無法準確的測出結果。

(1)偏置法

當測量點不能直接放棱鏡或者不能直接照準目標點,就應該通過設置偏置值的方法間接的測量出懸高點投影點坐標再根據懸高測量原理測出懸高點的高度,如圖2所示。

在A點架設儀器,由于不能直接在B點放置棱鏡,所以在C點放置棱鏡,然后在全站儀設偏值菜單里按要求輸入橫向分量s,垂直分量可以使儀器照準建筑物底部保持垂直微動不變,讓棱鏡與建筑物底部保持在同一水平面上將棱鏡高輸入0使用實時測量后,再將鏡頭轉回到建筑物底部,再照準D點,就可以測量出DB之間的距離。但在使用是應注意偏量數值的正負號【2】。

該方法的優點是可以方便直接的測算出懸高點的坐標其精度主要決定于C點相對B點分量的精度。在實際應用中如果對精度要求不高時使用較方便。

(2)公式法

實際工作中,如果即在投影處無法安置反射棱鏡(如懸空線路跨水塘)。又無法知道測量點相對于投影點的分量時可以使用公式法,如圖3所示。

欲測定懸高點的高度,可在遠離目標的A點處安置全站儀,在AC方向線上適當位置B點安置反射棱鏡,觀測A、B兩點間的平距DAB和高差hAB;同時轉動望遠鏡觀測至塔頂C點的豎直角a1。然后再將反射棱鏡立于塔基D點,測定A、D兩點間的高差hAD。接著將儀器安置于B點,觀測至塔頂C的豎直角 ,即可求得目標高度H= H1+H2。

2 懸高測量實際經常遇到的情況及解決措施

實際的測量工作中,經常會遇到已知高程點和懸高點不通視;懸高點的鉛垂投影點無法設置棱鏡,可能鉛垂投影點投影在水中或者無法直接觀測到懸高點的鉛垂投影點。實際應用中經常遇到以下情況:

2.1 在已知點無法設置測站,但棱鏡可以置于懸高點在地面的鉛垂投影點(即天底點)處【3】。

針對第一種情況,如下圖,測量懸高點的高程和懸高方法已知c點的高程,同時要測量懸高點E的懸高和高程。由于c, 兩點不通視,我們無法把儀器設置在C點直接觀測懸高點E,測出懸高點E的懸高和高程。這種情況,可以將儀器設置在同時能夠看到懸高點E和已知高程點c的A點,量取c點的棱鏡高 ,觀測 點到c點的斜距SAC及觀測c點的棱鏡的豎直角, 點與懸高點E的觀測方法,參照傳統的懸高測量原理。即可求出懸高和懸高點E的高程。

2.2 在已知點可以設置測站,但棱鏡無法置于懸高點在地面的鉛垂投影點(即天底點)處;

如圖5所示,已知A點的高程,將儀器設置在點A上,沿鉛垂線改變儀器的高度,并且在不同的高度上觀測懸高點的豎直角,從而使儀器點B,E和懸高點D在同一鉛垂面內構成交會三角形。根據儀器高度改變的鉛垂距離和觀測的豎直角可以求得一個儀器點與懸高點之間的斜距,再由斜距計算測站與懸高點的平距;同時,在視線BD的投影線之間選擇一點C,C點最好選在懸高的起算面上(如水面水涯線點、建筑物±O點),設置棱鏡,量取棱鏡和測站點A至立標點C之間水平距離,照準棱鏡F測豎直角,可求得儀器點曰和棱鏡點F之間的高差,由此可計算出懸高點口的懸高h和懸高點D的高程。然后保持儀器對中點A不變,將儀器高度由B點沿鉛垂線升高至E點升高的距離為L,接著再次照準D點第二次測得懸高點的豎直角為a2。顯然,A、B、C、D、E和F在同一豎直平面內,則懸高為:

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關鍵詞：連通管；橋梁；健康監測；彎曲布置；橋梁撓度

中圖分類號：TU973文獻標識碼：A

壓力場橋梁撓度監測系統監測橋梁結構的變形，連通管必然要嵌于橋梁結構上；根據系統結構的布置特點，布置在橋梁結構上的連通管與遠離基岸的基準水箱相連，而基準水桶與布置在橋頭的連通管存在數米的高差；當外面環境對兩者的直線連接存在干擾或者克服連通管與基準水箱高差時，連通管就不可避免的存在連續的彎曲布置。當水流流經彎頭時，由于離心慣性力的作用，外壁壓力升高，內壁壓力降低;外壁處的流速相應地較小，內壁處的流速則較大。這樣，靠近外壁產生擴散效應，內壁則產生收斂效應。又由于離心慣性力的作用，水流在彎管中力圖向外壁方向流動，因此加強了水流對內壁的脫離，在內壁附近形成渦流區，并作三維擴散，致使有效斷面減小。此外，由于離心慣性力和邊界層的作用，彎管中還會產生二次流，與主流相疊加形成螺旋流，并且在很長的距離上極緩慢地消失。彎管的阻力系數不僅與雷諾數有關，而且與彎管的幾何參數(如彎角、曲率半徑、進出口面積比等)有關。彎管本身段的損失僅是損失的一部分，應計入其后變勻段的能量損失。彎管內壓力降低在徑向最大，曲率半徑小的彎管尤為突出[1]；當壓力變送器布置在彎管紊流的影響范圍內，勢必對壓力場橋梁撓度監測系統的測量精度造成影響。因此，開展對壓力場橋梁撓度監測系統的彎曲管道紊流影響范圍的研究，避免該因素的影響，對提高壓力場橋梁撓度監測系統的測量精度是很有意義的。

1 ANSYS-FLOTRAN彎曲管道紊流分析基本原理

根據流體動力學的基本原理[2] ， Boussinesq假設（鮑辛涅斯克假設—流體的密度跟壓強和溫度有關，在低速流動中，流體壓強變化不大，主要是由于溫度的變化引起密度變化，因此忽略壓強變化引起的密度變化，只考慮溫度變化引起的密度變化）為：

（1-1）

上式各物理量均為時均值（為方便起見，此后，除脈動值是時均值外，其他時均值的符號均予以略去）。稱為紊流粘性系數，是脈動速度所造成的壓力，定義為：

（1-2）

為單位質量的紊動能，

這樣，在直角坐標系下雷諾時均方程的具體表達式如下：

（1-3）

上式中、、、為矩陣，其中：

（1-4）

式中，是流體的密度；是包括紊動能和離心力的折算壓力，即：，為轉動任一點角速度，為任一點相對于轉動軸線的半徑；為等效粘性系數，等于分子粘性系數和Boussinesq渦粘性系數之和，即。

計算紊流流動的關鍵就在于如何確定，最常用的是雙方程模型。

方程：

（1-5）

方程：

（1-6）

式中，，，上述兩方程中系數，，，，的取值為=1.44，=1.92，=0.09，=1.0，=1.3。

2彎曲連通管紊流壓力場模型試驗

2.1彎曲連通管

橋梁結構受到外界激勵的形式一般可以分為兩類，沖擊激勵和連續激勵。沖擊激勵可以分解為正階躍和負階躍過程，比如橋梁路面不平有障礙物，當有重車經過時會對梁體產生沖擊，造成梁體突然產生一個階躍下沉量，車經過后梁體又恢復變形。連續激勵如風載、車輛正常行駛等對梁體的激勵。由于壓力場橋梁撓度監測系統的連通管嵌于橋梁內部，勢必也會隨著橋梁振動，連通管內流體也會發生流動，由于壓力場橋梁撓度監測系統中存在連通管彎曲布置，流體流經彎曲管道產生的紊流會在流體前進方向上的很長的距離上極緩慢地消失。當監測系統中壓力變送器布置在此范圍內，必然會對該系統的測量精度產生影響[3,4]。

試驗設計一懸臂管道結構，并布置連續彎曲管道，以初位移激勵懸臂管道振動，以此引起管道內液體流動，模擬壓力連通管橋梁撓度監測系統的彎曲管道內的流體流動，并測量距離下端彎頭0.5m，上端彎頭0.5m，1.0m，1.5m處的壓力變化，試驗結果為彎曲連通管紊流壓力場的有限元模型計算提供實測的進口壓力，并通過對比各測點的實測值與計算值，進而分析誤差產生來源。

2.2試驗驗證

布置如圖2-1試驗裝置；試驗系統由基準水桶、連通管、引壓管組成。連通管采用直徑為0.05m的硬質塑料管，而在系統的一端連接是的硬質塑料桶，為保證液位在試驗過程中不發生變化，硬質塑料桶的內徑為0.35m，兩者截面面積的比值為49，可認為基準桶液位在試驗過程中不變化。試驗彎管分為上端直線段、兩彎曲段、過渡段和下端直線段三部分,下端直線段長度取為；中間過渡段長度取為由于紊流在彎曲段末端仍有較大的橫比降,在上端直線段持續較長的距離才能完全消失,為保證出口是充分發展的紊流,取上端直線段。為了模擬橋梁的振動狀態，試驗系統采用了懸臂的硬質塑料管，并在初值位移的激勵下產生間諧運動。

圖2-1 試驗系統示意及布置圖

Fig.2-1 The system layout schematic

試驗方法：以初位移（3cm）激勵懸臂梁懸臂端振動，采用羅斯蒙特3051CD型差壓變送器作為試驗的測量儀器，設置量程為0-0.12KPa，精度為0.284%，誤差為0.341Pa。壓力變送器分別測量1#（距離下端彎頭0.5m）、2#（距離上端彎頭0.5m）、3#（距離上端彎頭1.0m）、4#（距離上端彎頭1.5m）測點；為保證每個工況之間不產生相互影響，故在每個工況完成10min后再進行下一工況。

試驗結果如圖2-2~2-5：

圖2-2 1#測點壓力時程曲線圖2-3 2#測點壓力時程曲線

Fig 2-2 The pressure variation of 1# measuring point Fig 2-3 The pressure variation of 2# measuring point

圖2-4 3#測點壓力時程曲線 圖2-5 4#測點壓力時程曲線

Fig 2-4 The pressure variation of 3# measuring pointFig 2-5 The pressure variation of 4# measuring point

距離上端彎頭分別為0.5m（2#）、1.0m(3#)、1.5m(4#)壓力測點的壓力變化最大值分別為1.675Pa、0.575Pa、-0.06Pa，如下圖2-6所示。

表2-1 實測最大壓力變化

Table 2-1 The measured maximum pressure change

圖2-6 各測點壓力變化最大值

Figure 2-6 The maximum pressure change

由上圖可以看出，2#測點到4#測點由于流體流經彎曲圓管的壓力變化最大值衰減明顯，4#測點壓力變化最大值為-0.06Pa，可認為4#測點不受由于彎曲圓管引起的紊流對壓力測量的影響。

3計算模型驗證

模型的基本參數：連續900 彎管圓形截面的直徑為0.05cm,上端彎曲段內側壁面的曲率半徑為,外側壁面的曲率半徑為,則彎管的半徑比為,其中是曲率的平均半徑。計算區域內彎管分為上端直線段、兩彎曲段、過渡段和下端直線段三部分,下端直線段長度取為；中間過渡段長度取為，為保證出口是充分發展的紊流,取上端直線段。對上述計算區域進行網格劃分,彎曲段劃分細密一些,直線段劃分稀疏一些;劃分計算網格約1126個,計算節點約1247個，有限元模型見圖3-1。

圖3-1 網格劃分

Fig3-1 Meshing

選用FLUID141單元作二維分析。分析時假定進口壓力均勻，模型采用1#壓力測點的實測壓力值為模型的進口壓力，為。在所有壁面上施加無滑移邊界條件（即所有速度分量都為零）；假定流體不可壓縮，并且其性質為恒值。此情況下，壓力就可只考慮相對值，故在出口處施加的壓力邊界條件是相對壓力為零。

流體的介質為水，密度為，運動粘度；迭代次數為300次。

圖3-2 彎曲管道壓力分布圖

Fig3-2 Pressure distribution of the curved pipe

由上圖分析結果可得，流體流經彎曲圓管后1.382m處的壓力變化為0.354Pa，可認為該點處由于流體流經彎曲圓管引起的壓力不發生改變。

4 結論

本文主要探討了由于流體流經彎曲管道產生的壓力分布不均對液壓連通管測量精度的影響：

（1）闡述了有限元分析軟件ANSYS-FLOTRAN紊流分析的基本原理。

（2）建立了流體流經連續彎曲圓管引起的壓力分布不均的試驗模型，分別測量距離下端彎頭0.5m、上端彎頭0.5m、1.0m、1.5m的壓力變化，結果分別為1.675Pa、0.575Pa、-0.06Pa。

（3）以距離下端彎頭0.5m的實測壓力變化最大值10.675Pa為有限元模型的進口壓力，建立了ANSYS-FLOTRAN有限元模型，對實測值與計算值進行了對比，并通過對有限元模型進行分析，得出壓力變化的影響范圍為距上端彎頭1.382m，因此，在系統壓力變送器的實際布置中，應避免該因素對壓力場橋梁撓度監測系統精度的影響。

參考文獻：

[1] 郭曹虹.彎管阻力損失的理論及實驗研究[D].上海：華東理工大學,2012.

[2] 李心銘,流體動力學[M].北京：高等教育出版社.1996.

[3] 張曉東,泄洪洞高速水流三維數值模擬[D].北京：中國水利水電科學研究院水力學所,2004.

篇6

關鍵詞：準確度測量不確定度最大允許誤差

作為計量技術機構，日常在對測量儀器的檢定、校準過程中，我們常常遇到“準確度”與“不確定度”的表述和應用，以及對測量結果的不確定度進行評定的要求。因此，作為一名計量檢定員在從事測量儀器的檢定、校準過程中，正確理解“準確度”與“不確定度”的區別和兩者之間的相互關系，是保證測量儀器檢定、校準結果準確可靠的基本要求，否則就會直接影響到檢定、校準結果的可靠程度和量值溯源的準確可靠。本文結合學習測量不確定度和準確度有關知識和日常檢定、校準工作的實踐，談談個人對“準確度”與“測量不確定度”的區別和應用的一點體會。

一、“準確度”的概念和應用

首先，準確度有測量準確度與測量儀器的準確度。“測量準確度”其概念是：測量結果與被測量真值之間的一致程度。而“測量儀器的準確度”則是測量儀器給出接近于真值的響應能力。

可以看出,準確度主要是以真值為中心,即接近真值的“一致程度”或“響應能力”。由于測量結果的真值是不知道的,是一個理想概念,所以不能定量的確定準確度的值。 因此，準確度是一個定性的概念,可以用準確度高、低來定性地表示。

測量儀器的準確度是構成測量準確度的組成部分, 測量結果準確可靠的程度不僅與測量儀器準確度有關, 也取決于測量環境、人員、方法等因素。測量儀器檢定、校準的目的是保證其測量結果準確可靠, 必須依據其測量準確度判定。需要注意的是, 測量準確度是針對測量結果來講的,而測量儀器的準確度是針對測量儀器性能來講的。一些測量儀器說明書的技術指標中規定的準確度,實際上往往是該儀器的最大允許誤差或測量不確定度，因此通常在實際應用中，常常又以“測量不確定度”、“準確度等級”或“最大允許誤差”等來定量表達。

其中“準確度等級”的概念是：“符合一定的計量要求，使誤差保持在規定極限以內的測量儀器的等別、級別”。它也是測量儀器最具概括性的特征，綜合反映著測量儀器基本誤差和附加誤差的極限值以及其他影響測量準確度的特性值(如穩定度)。準確度等級通常按約定注以數字或符號，并稱為等級指標。

“最大允許誤差”的概念是：“對給定測量儀器，規范、規程等所允許的誤差極限值”。有時也稱為“測量儀器的允許誤差限”通常是用：最大允許誤差±0.5或±1%來表達。測量儀器的準確度“級”, 就是根據其最大允許誤差來劃分的。即在計量檢定、校準中最大示值誤差不得超過測量儀器技術規范、規程中等所給定測量儀器所允許的誤差極限值, 即最大允許誤差, 否則該測量儀表就不合格。例如：標稱值為1MW的電阻，注明允許誤差限為±1%，則該電阻的允許誤差上限為10k W ，下限為-10k W。 “等”則是根據測量不確定度來確定的，表明實際測量結果值的擴展不確定度的檔次。如：一等標準水銀溫度計，二等量塊等。

通過上述“準確度”的概念的認識，我們在對測量儀器的檢定、校準活動中, 不能說“某測量儀器準確度為:±0.1%” 只能說“該測量儀器準確度等級為0.1級或準確度高、低”等

二、“測量不確定度” 的概念和應用

“測量不確定度” 按照“測量不確定度評定與表示”(JJF1059-1999)其定義是：“表征合理地賦予被測量之值的分散性，與測量結果相聯系的參數”。根據其定義我們可以理解為：所謂測量不確定度是對表征被“被測量之值”所處量值范圍的一種評定。這里的“被測量之值”可以理解為相對于“真值”分散程度的一種評定。結合JJF1001-1998中對“測量結果”的定義為:“由測量所得到的賦予被測量的值”，將兩者進行比較可以發現這里的“被測量之值”似乎應該可以理解為“測量結果”，但它與我們通過測量所得到的“測量結果”還是有差別的。

在日常檢定校準中，我們在對測量儀器進行測量時，最后給出通常是一個測量結果，它是被測量的最佳估計值(可能是單次測量的結果，也可能是重復性條件下多次測量的平均值)。而這里“被測量之值”應理解為許多個測量結果，其中不僅包括通過測量得到的測量結果，還應包括測量中沒有得到但又是可能出現的測量結果。例如，游標卡尺對某一試樣的尺寸重復測量10次，則該10個讀數的平均值就是測量結果，還可以由它們得到測量結果的分散性。但“被測量之值”的分散性就不同了，它除了包括測量結果的分散性外，還應包括在受控范圍內改變測量條件(例如溫度)所可能得到的測量結果，當試樣的示值誤差在最大允許誤差范圍內變化時所可能得到的測量結果，以及所有系統效應對測量結果的影響。由于后者不可能在“測量結果的分散性”中出現，因此“被測量之值的分散性”應比“測量結果的分散性”大，也包含更多的內容。

根據定義，測量不確定度表示被測量之值的分散性，因此不確定度表示一個區間，即被測量之值可能的分布區間。這是測量不確定度和測量誤差的最根本的區別，測量誤差是一個測量結果與“真值”的差值，而測量不確定度是一個區間。在數軸上，誤差表示為一個“點”，而測量不確定度則表示為一個“區間”。

測量不確定度是指測量結果變化的范圍, 即用于表示測量結果中,合理賦予的、被測量值的一個分散性量值范圍，是對測量結果的不可信程度或對測量結果有效性的懷疑程度。測量結果的可用程度或其使用價值在很大程度上取決于其不確定度的大、小。測量不確定度是與給定條件下所得的測量結果密切相關的, 因此,應指明該測量條件,也可以泛指常用測量條件下,所得的測量結果的不確定度。即不確定度是對測量結果而言的,測量儀器本身沒有不確定度,儀器的測量不確定度是該儀器復現量值的測量不確定度。測量儀器準確度等級或最大允許誤差不是測量不確定度,但可以作為測量不確定度評定的分量之一。（注：測量不確定度的評定過程，本文略）

綜上所述，準確度是一個定性的概念, 只能對測量結果的準確程度表達為“高”或“低”,若需要用值來定量表示時，還應該掌握測量不確定度的評定方法和表述。例如, 甲測量儀器測量準確度低, 擴展不確定度為U=0.6，k=2；乙測量儀器測量準確度高, 其擴展不確定度為U=0.2，k=2。 因此，“準確度與測量確定度”兩個截然不同概念,不能相互混淆、以免造成檢定、校準工作的失誤。

參考文獻：

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【關鍵詞】聲波測溫系統；爐膛煙氣溫度；多接收器；發射器ASG；接收器ASR

浙江某電廠二期擴建工程2×1000MW超超臨界機組，鍋爐型號為：SG3091/27.56-M54X，引進的是Alstom-Power公司Boiler Gmbh的技術，超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐、一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼結構、全懸吊結構塔式布置。火力發電廠測量爐膛溫度（場），是提高生產率和降低成本的關鍵問題，是工業窯爐爐膛內分布溫度的監控手段和判別的依據。 PyroMetrix聲波測溫系統因為其安全穩定的優點，得到廣泛的認可，應用也越來越廣泛[1]。此測量系統在此電廠二期擴建工程#6鍋爐也進行了首次應用。

1、爐膛溫度（場）測量的重要性

（1）通過測量及時阻斷局部過熱現象的發生，并可以有效的降低NOX的生成，減少有害氣體的排放。同時，對于安裝有脫硝裝置的鍋爐，則可以有效降低運行資金的投入和維修成本[2]。（2）提高鍋爐的工作效率，提高生成效率。并可以有效的避免因局部過熱而發生流渣現象。（3）可以有效的避免安裝有汽包鍋爐發生重大事故（主要是由于不均等燃燒導致的汽包水位兩側發生偏差）。（4）改善爐水循環并提高運行效率。（5）防止對鍋爐設備的損害，尤其是在啟動的最初因溫度升高過快而導致嚴重燒壞處于無蒸汽流過的再熱器管。（6）可以有效的阻止不均衡燃燒現象的出現，及時阻止因溫差導致的一側水冷壁磨損、結焦。

2、爐膛溫度測量裝置存在的問題

該電廠一期工程為四臺60萬亞臨界燃煤火電機組，現場安裝的是屬于接觸式的煙溫探針，存在的明顯缺點一是探針深入爐膛很長，笨重、易變形卡澀，故障率高。二是探針受耐溫限制，一般的裝置只能僅在鍋爐啟動時伸入爐膛測量出口煙氣溫度，當煙溫達到一定值時，必須馬上退出爐膛，因此，其允許使用溫度范圍和作用也有限。為了解決上述問題，二期首次采用了技術先進的聲波測溫測溫系統。

3、PyroMetrix聲波測溫技術的基本原理

美國和日本專家就聲波測量爐膛煙氣溫度的研究表明聲波測量的原理是基于聲音的傳播速度直接隨介質溫度而變化。

4、聲波測溫技術的優點

（1）維護方便，維護費用相對較低。（2）具有較強的實用性和適用性，測量的靈敏度高。（3）具有很強的測量靈活性，除了可以測量平均溫度外，還可以確定爐膛溫度場的分布。（4）測量的結果相對穩定、精準度高，受到極少因素的極小影響。（5）使用范圍廣。

5、PyroMetrix聲波測溫系統介紹

PyroMetrix聲波測溫系統主要有下列核心技術：（1）精密小型接收器（ASR）。接收器只需在水冷壁管間的鰭片上開￠12.7mm小孔就可以監聽發生器發來的聲波，安裝方便。（2）多接收器處理技術。一個聲波發生器發出的聲波可以有多個接收器同時監聽。（3）高強度、前沿剛勁的聲波發生器（ASG）。Enertechnix公司開發的氣動聲波發生器能發出高強度（>170dB）的聲波，測量距離達30米，聲波前沿剛勁陡峭（

6、PyroMetrix聲波測溫系統的現場配置

PyroMetrix聲波測溫系統的現場配置是根據1000MW超超臨界塔式鍋爐爐膛布置和沿爐膛高度煙氣溫度分布情況來進行綜合考慮而配置的，根據經驗和實際情況，現場使用了單爐膛雙層測溫系統。在6號鍋爐水冷壁標高67m層以及51m層安裝了兩套超聲波測溫儀。超聲波測溫儀發生器前后墻布置。

為測量爐膛出口煙氣溫度分布，在屏底1-2米間布置第一層測溫儀，這樣可以啟動時，防止升溫太快和沖轉前溫度太高而燒壞再熱器；正常運行時，防止溫度太高，屏過等受熱面結焦，同時防止火焰偏斜帶來的一系列危害，控制適當的火焰高度和減溫噴水量。第二層布置在第五層爐膛燃燒最高溫區的燃燒器至下排過燃風口間適當高度上。此處溫度大約在1400℃-1500℃間，飛灰處于熔化狀態，也是NOX最容易生成的地區（煙溫達到1482℃以上時，NOX生成量將以指數級快速增加）。這樣可以監視防止火焰偏斜，防止局部過熱，防止水冷壁結焦，減少NOX生成。

7、PyroMetrix聲波測溫系統與DCS的接口

PyroMetrix聲波測溫系統與DCS的接口包括兩種形式：4—20mA硬接線接口和MODBUS/TCP標準通信接口。MODBUS/TCP標準通信接口可以與目前國內外幾乎所有DCS系統進行通訊。本現場DCS采用的是西門子T3000系統，與聲波測溫系統采用第一種方式連接。

8、PyroMetrix聲波測溫系統就地電源與氣源配置要求

本現場采用220V交流電源，氣源是儀用壓縮空氣，滿足廠家氣源5.5—5.9bar無油無水電廠儀用氣源，最低壓力不低于5bar的要求。

9、PyroMetrix聲波測溫系統安裝要求

（1）在水冷壁上開孔時，應避免割傷水冷壁。（2）為避免連接處漏氣，管路連接采用螺紋連接，在連接處加裝生塑帶。（3）為避免信號干擾，模擬信號和直流電源屏蔽電纜要和徹底交流電分開。

10、結論

經多次現場使用證實，PyroMetrix聲波測溫系統可以相對準確地測量爐膛溫度（場）。通過在鍋爐水冷壁、過熱器及再熱器系統安裝壁溫測點，實時監測這些系統的溫度，可以準確地判斷超溫的原因是由于鍋爐燃燒問題還是水動力問題，進而更好的調整鍋爐燃燒策略，系統的控制鍋爐熱偏差、金屬壁溫和蒸汽溫度，保障生產效率。此系統的安全性高、實際生產能力強，可確保生產的高效安全進行。

參考文獻

[1]陸磐谷.聲波測溫技術在大型焦化加熱爐溫度場監測系統上的應用[J].石油化工設備技術，2008.

[2]陳欽.1000MW超超臨界鍋爐聲波測溫技術的特點及應用[J].華電技術，2011.

篇8

[關鍵詞] 多元化測度 H指數法 熵測度法

要全面而科學地描述企業的多元化程度應該從三個維度進行衡量：一是企業所跨行業的的多少；二是企業業務在各個行業中分布的均勻度；三是企業各個業務之間的關聯度。

在學界，試圖衡量企業多元化程度與類型的方法大致有兩類:類型或戰略度量;基于美國監證會公布的標準行業分類碼(Standard Industrial Classification, SIC)的連續度量法。戰略測度法雖然提供了對多元化更加豐富、更加復雜的描述，但由于考慮因素較多,而且對企業做具體分類時，既需要利用定量數據，又要作定性分析，這使得其可靠性被質疑，而連續度量法來源于工業經濟類的文獻，是基于SIC代碼來度量企業多元化的一種較為客觀的方法。在現在的研究中，多元化程度一般常用赫芬達爾指數(Herfindahl Index)和熵值(Entropy)來衡量，研究者基于SIC代碼來確定公司的不同產品、業務在公司銷售額中的比重。

McVey(1972)提出用赫芬德爾指數(H指數)來衡量企業多元化程度，H指數是一種反映行業集中度的指數，可以用來反映一個單一SIC分類層面上的不同業務單位的相對重要性。其中，Pi表示i多元化企業的第 個業務單位在所處行業所占份額，多元化程度越高，H指數就越小。

H指數測度法能夠反映企業多元化行業數和均勻度，但是它不能滿足對多元化關聯度量化的要求，熵測度法的出現改進了這個不足。熵測度法運用通過概率論推導出的多樣性指數 和基于SIC代碼來測度企業多元化的程度。其中香農(Shannon)指數又叫熵指數，它來源于熱力學中的概念，是系統狀態不確定性的一種度量。

現有的基于熵指數的多元化熵測度模型對企業多元化的量化包括對企業總體多元化度DT(total diversification)、非相關多元化度DU(unrelated diversification)和相關多元化度DR(related diversification)的量化。在判別企業多元化類型時，多元化熵測度法使用了標準產業分類碼（SIC）。

先假設某企業的經營跨M個行業，其銷售額在各行業分布的比例為Pi，Pi＞0，，且 。設企業經營跨N個業務(N≥M)，其銷售額在各業務比例qj,qj＞0,,且,第i個行業內的第j個業務占企業業務總量的比例為pji，Ni表示第i個行業中業務的數量。

尹義省模型

在該模型中尹義省定義總體多元化度DT、非相關多元化度DU和相關多元化度DR的關系為。

;

;DU≠0

在相關多元化的定義上，尹義省認為相關多元化是總體多元化和非相關多元化的商，然而事實上這種人為的為三者之間設計數學關系的定義方法沒有從相關多元化的本質上把握問題。

Jacquemin-Berry模型

該模型定義相關多元化是企業各個行業熵的加權和。

;；

Jacquemin-Berry模型的改進之處是包含了業務層次的信息，模型試圖從本質上說明相關多元化，而考慮了所有可獲得的變量，具有最小的信息丟失，但它仍是從單一層次上去解釋多元化程度。

Raghunathan模型

該模型定義企業的總體多元化度為“業務分布尺度”與“業務數量”的乘積，相關多元化度和非相關多元化度也采用了相同的思想。其中，Raghunathan使用“相對熵”的概念來定義企業的“業務分布尺度”，“相對熵”被定義為企業的熵值與企業可能的最大熵值的比值。

；

其中， ，代表每個行業平均業務數。

Raghunathan模型是迄今為止多元化研究領域提出的第一個包含行業和業務兩個層次的測度方法，從理論上而言其測度效果應該是明顯好于其他模型的。

從前面的理論分析中，我們可以看出，由于H指數只是反映一個單一SIC分類層面上的行業集中度，H指數法只能反映企業總體的多元化程度，而熵指數測度法通過多樣性指數和SIC代碼構建的熵測度模型，不止能夠反映企業的總體多元化程度，還能很好地反映企業的相關多元化和不相關多元化程度，這是H指數法所不能體現的。在現有的各個熵指數測度模型中，Raghunathan模型在理論上就有優勢，而且實際數據處理結果也不錯。

在我國現有的有關多元化測度的文章中，多數人采用H指數法或直接用多樣化指數來測度企業多元化程度，這都是從總體多元化上量化，很少有分類測度非相關和相關多元化程度的，主要是因為我國上市公司年報批露的欠缺，而且采用熵測度模型工作量也比較大。但是，熵測度法由于其有效性，在多元化測度研究中倍受推崇，隨著研究的深入，重點是要發展更精確的模型和提高模型的實用性。

參考文獻:

[1]Rumelt, Strategy, structure and economic performance [M], Harvard Business Press, Cambridge, MA, 1974

[2]McVey, J.S.The industrial diversification of multi-establishment manufacturing firms: a developmental study [J].Canadian Statistical Review, 1972. 47, 112～117

[3]Jacquemin, A.P. & Berry, C.H., Entropy measure of diversification and corporate growth [J].Journal of Industrial Economics, 1979, 27, 359～369

篇9

目前國內的燃煤發電廠一般采用濕式石灰石-石膏法脫硫，吸收塔漿液的密度對脫硫系統的正常運行和脫硫效率有重要的影響，必須對漿液密度進行準確的測量。脫硫過程中石灰石漿液與煙氣接觸后的漿液中含有：有硫酸根、亞硫酸根、氯離子、氟離子，另外含有石膏結晶，對測量漿液密度的儀表產生腐蝕。 

1 概述 

我廠2臺300MW的循環流化床燃煤機組的脫硫裝置采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝，其吸收塔有3臺循環泵、攪拌系統采用脈沖懸浮攪拌方式，配置兩臺氧化風機。吸收塔漿液密度的測量使用科氏力密度計。在脈沖泵的出口母管旁引出1根支管，支管最后回到吸收塔。支管的水平段有4米長，科氏力密度計水平安裝這條支管上。在機組投產1年內，科氏力密度計的測量準確度較高，慢慢地出現測量不準，經檢查發現測量部件出現磨損。 

2 測量漿液密度的方法分析 

目前對于吸收塔石膏漿液密度的測量基本上有三種方法：一是放射性密度計，安裝方便，維護量小，但是，放射性密度計的缺點是測量信號與濃度不呈線性、管道內壁結垢及磨損將引起測量誤差，另外，對放射性儀表的管理要求嚴格，要定期測試周圍的輻射性、有問題要請專人來處理。二是采用科氏力密度計，測量精度高，由于該種形式的密度計對流量要求高，但實際現場由于流速高，磨損非常大；同時由于使用過程中逐步磨損，測量的零點會出現飄移，經常出現測量不準和備品備件頻繁損壞的現象，需要不斷的進行校驗和更換新的備品、維護成本極高。三是采用差壓法密度測量，優點是安裝調試容易，耐磨耐腐蝕，成本較低。存在以下問題： 

（1）代表性差，所測密度只是吸收塔內有限范圍內； 

（2）測量誤差大。攪拌器或脈沖泵和氧化風量等的干擾，引起兩個壓力測量值波動大，導致測量誤差大，采用濾波的方法來消除壓力變送器的輸出值的波動，測量出的密度值的準確度還是偏低。 

3 靜壓式密度測量裝置的設計 

為了減少石膏漿液對測量裝置的磨損，考慮利用吸收塔漿液自重產生的壓力將漿液引到塔外的測量筒里，然后用毛細管壓力變送器測出測量筒里的漿液產生的壓力。根據公式ρ=P/gh，只要把h固定，通過測量漿液產生的靜壓力P，就可以算出漿液的密度。經過分析，認為采用靜壓式密度測量裝置來測量會有較好的效果。 

設計的方案是： 

（1）將吸收塔內的漿液引到一個測量筒，再用壓力變送器在測量筒的底部測量整個測量筒里漿液產生的靜壓力。 

（2）增加一套自動沖水裝置，因為漿液在測量筒里容易引起堵塞。 

（3）使用氣液分離器來消除漿液里的氣泡。由于脫硫吸收塔內的漿液在循環泵、脈沖泵或攪拌器、氧化風機、吸收塔上部霧化區落下的漿液的影響，使得漿液有氣泡、波動大。在使用靜壓式測量要考慮消除漿液的氣泡和波動。用氣液分離器可以減少進入測量筒中漿液的氣泡，用緩沖管可以減輕脈沖泵或攪拌器對漿液產生的波動，提高毛細管壓力變送器測量的準確性。 

根據設計方案做出的靜壓式密度測量裝置如圖1所示。 

該裝置包括手動隔離門、入口電動門、沖洗電動門、測量筒、毛細管壓力變送器、氣液分離器、漿液入口流量手動調整門、漿液出口流量手動調整門。 

實際的施工方案：在脫硫吸收塔1米高的塔壁上開孔，安裝斜向連接管，按圖1所示，斜向連接管上連接設置吸收塔入口隔離門，連接斜向連接管的水平管段上安裝漿液入口電動門，入口電動門后安裝入口流量手動調整門，入口電動門和入口流量手動調整門之間的管道上垂直方向連接的管道上沖洗電動門，入口流量手動調整門后的管道連接小氣液分離器，小氣液分離器上、下連接緩沖管，上面的緩沖管接入測量筒上部的大氣液分離器，下面的緩沖管連接在一個三通接頭上，三通接頭的一端連接測量筒，另一端連接漿液出口流量手動調整門；測量筒上的氣液分離器的開孔，安裝排氣管，排氣管另一端通到集水坑；大氣液分離器的側面通溢流管，溢流管的另一端與出口流量手動調整門出口的管道的三通接頭連起來，三通接頭的另一端通到集水坑；測量筒的下端安裝毛細管壓力變送器。 

從吸收塔內排出的漿液可自流至集水坑，當集水坑內漿液液位達到一定高度時，再通過電泵輸送轉移回吸收塔，避免了漿液外排造成的污染。 

在脈沖泵或攪拌器工作時，漿液會產生氣泡，還有利用工藝水沖洗密度測量裝置時也會產生氣泡，氣泡對壓力測量的準確性有影響。氣液分離器的作用是減少進入測量筒中漿液的氣泡。先用小氣液分離器將進入測量筒的漿液的氣泡分離出來，氣泡進入大氣液分離器，最后通過排氣管排走。 

4 定期沖洗程序的設計 

由于漿液在測量裝置里會引起堵塞，所以要定期沖洗。通過在DCS系統上設置的自動沖洗程序，每1個小時沖洗一次，每次1分鐘。沖洗過程，先關閉入口電動門，同時保持現在漿液密度的測量值，打開沖洗電動門，1分鐘后關閉沖洗電動門，然后打開入口電動門，延時1分鐘后恢復漿液密度的測量值為實時值。 

5 修正值的確定 

使用密度測量裝置時，利用漿液入口流量手動調整門和漿液出口流量手動調整門的開度，使漿液充滿整個測量筒，然后從溢流管流出。由于是憑經驗來調整，漿液在大氣液分離器里的液面會有微小的偏差，那么所測量的液柱的高度就會有偏差，所以要進行修正。修正值的確定方法如下：在機組正常運行時，要求化學化驗人員每個小時從漿液出口流量手動調整門的排出口取樣一次，共取樣24次，將每次化驗出來的結果ρ1分別與DCS上對應時間的結果ρ2對比，利用公式Δ=ρ1—ρ2，分別算出24個Δ，將24個Δ加起來和除以24，得出的Δ'就是修正值，實測值加上修正值Δ'，就是吸收塔漿液的實時密度值。 

6 測量裝置材料的選用 

在以上的設計里，已有針對性的解決了管路的堵塞，要從材料上加強防腐功能。密度測量裝置所有管路、測量筒等使用碳鋼，并經過防腐處理，以減少吸收塔漿液的腐蝕。如果所有材料使用不銹鋼，那就最好，只是制造成本會提高。 

篇10

【關鍵詞】GPS水準；高程擬合；高程異常；正常高

l CPS高程測量原理

1.1 高程系統

1.1.1 大地高程系統

大地高是以橢球面為基準的高程，即由地面點沿通過該點的橢球面法線到橢球面的距離，以H84表示。利用GPS定位技術，可以直接測定測點在WGS―84中的大地高程。大地高是一個幾何量，不具有物理上的意義；它通過與水準測量資料、重力測量資料等相結合，來確定測點的正常高，具有重要的意義。

1.1.2 正高系統

由地面點并沿該點的鉛垂線至大地水準面的距離稱為正高，以Hg表示，正高具有重要的物理意義，但不能精確測定。

1.1.3 正常高系統

正常高系統是以似大地水準面為基準面的高程系統，通常以H正表示。具有重要的物理意義，并廣泛應用于工程建設中，而且可以精密地確定。正常高程系統為我國通用的高程系統，我國常用的1956年黃海高程系和1985國家高程基準，都是正常高系統。大地高與正常高的關系，其中，s 表示似大地水準面-橢球面之間的高差，即高程異常。顯然如果知道了各點的高程異常值，則不難由各GPS點的大地高H84求得各GPS點的正常高H正值。如果同時知道了各點的大地高H84和高程異常s ，則可以求得各點的正常高H正，關系式為：

H正H84-s或S=H84-H正（1）

由此可見，研究GPS高程的意義有兩方面。一是精確求定GPS點的正常高，一是求定高精度的似大地水準面。

用GPS和水準測量成果確定似大地水準面的方法為GPS水準。目前主要有GPS水準高程（簡稱GPS水準）、GPS重力高程和GPS三角高程等方法。在實際運用中主要采用GPS水準高程方法來確定似大地水準面。

所謂CPS水準就是在小區域的CPS網中，用水準測量的方法聯測網中若干CPS點的正常高（這些聯測點稱為公共點），那么根據各CPS點的大地高就可求得各公共點上的高程異常。然后由公共點的平面坐標和高程異常采用數值擬合計算方法，擬合出區域的似大地水準面，即可求出各點高程異常值，并由此求出各CPS點的正常高。因此，按CPS所測定的大地高，當已知正常高或正高時，可以確定高程異常或大地水準面高；反之，當已知高程異常或大地水準面高時，可以確定正常高或正高。

1.2 確定正常高的CPS高程法――多項式曲面擬合法

國內外CPS水準主要是采用純幾何的曲面擬合法，即根據區域內若干公共點上的高程異常值，構造某種曲面逼近似大地水準面，隨著所構造的曲面不同，計算方法也不一樣。其中，主要的方法有：繪等值線法、解析內差法（包括曲線內差法、樣條函數法）、曲面擬合法（包括平面擬合法、多項式曲面擬合法、多面函數擬合法等）。

在實際運用中，主要采用多項式曲面擬合法來確定似人地水準面，常用的擬合函數為二次曲面函數，其擬高程轉換方法的數學模型如下：

在一定范圍內，若正常重力的變化可以忽略不計時，相對于參考點P0，此區域高程異常的模型為：

ε=T0+？準0x0+η0y0+■？準′0x■■+■η′0y■■+θ′0x0y0+ε

令a1=T1，a1=？準0，a2=η0，a3=■？準′0，a4=■η′0，as=θ′0則可表達為：

ε=a0+a1x0+a2y0+a3x■■+a4y■■+asx0y0+ε（2）

式中a0――參考點的高程異常；

a1，a2――參考點在xy方向的垂線偏差；

a3，a4，as――垂線偏差的變化率；

x0，y0――各點與p0點的坐標差。

可見式（2）為一二次曲面模型，當職取a0，a1，a2，三項時，式（2）即變為平面擬合模型。在較小范圍內，且高異常變化平緩的地區，即當φ′0，η′0不大于0.1/KM，且x=Y≤1KM時，式（2）中的二次項才不大于1mm。因此，在精密CPS水準中，通常不宜以平面模型代替二次模型。

此外，從二次模型來看，如果PO點選擇離測區較遠，將有可能忽略各點到參考點沿線不同部位的垂線偏差異常處，降低模型的精度。另外，x，y之值相差很大，對未知參數的估算也是不利的。因此，PO點的選擇有可能影響模型的精度。

通常的工程控制，局限于較小范圍，所重視的是本測區范圍內的相對精度和成果的質量。因此，高程異常模型建立時，可選取測區內接近高程異常平均值的一個位于重心部位的點A1作為相對參考點。則容易列出測區內任意點i相對于A1參考點高程異常差值的二次模型。

在實際工作中，應根據測區地理條件的不同及范圍的大小等因素選擇合理的擬合參數，以使測點的擬合精度達到最高。聯測水準點的分布對于擬合效果有著至關重要的影響。首先根據當地的高程異常資料預測到大地水準面的形狀和特征點，通過對特征點聯測水準可以獲得很好的擬合效果。另外要注意水準聯測點的分布盡可能的均勻，在網的邊界上布設水準聯測點，這樣可以大大降低內插出的非聯測水準點的高程異常的不可靠性。

1.3 多項式曲面擬合法精度評定

為了能客觀地評定CPS水準計算的精度，在布設幾何水準聯測點時，適當多聯測幾個CPS點，其點位也應均勻的分布全網，以做外部檢核用。