YRCC.NKG-2800型激光粒度仪在黄河上游测区适用性研究.pdf

第4期2023年8 月D0I:10.19364/j.1674-9405.2023.04.010YRCC.NKG-2800测区适用性研究水利信息化Water Resources Informatization型激光粒度仪在黄河上游NO.4Aug.2023高翔（黄河水利委员会上游水文水资源局，甘肃兰州7 30 0 30)摘要：为使国产YRCC.NKG-2800型激光粒度仪很好地应用于黄河泥沙颗粒分析，以SL422010河流泥沙颗粒分析规程为依据，对基础参数进行适用性优化，开展重复性、平行性、准确性等误差检验及成果精度分析，对国产YRCC.NKG-2800型激光粒度仪与英国的马尔文激光粒度分析仪进行比测分析，提出2 种颗粒分析方法级配成果互换的思路和方法，建立“过滤”前、后的2 种相关关系。试验结果表明：国产YRCC.NKG-2800型激光粒度仪各项试验指标均符合河流泥沙分析规程中规定的允许误差，仪器性能稳定可靠，可应用于黄河上游测区悬移质泥沙颗粒级配分析。关键词：激光粒度仪；NGK粒度仪；适用性；精度测试；比测试验；相关关系分析；黄河上游测区中图分类号：P3350引言河流泥沙颗粒分析为泥沙测验项目，泥沙颗粒级配的断面分布和变化过程资料对河道河床演变分析、水利工程设计、水库库容计算和防洪灌溉等至关重要。激光粒度仪作为一种以激光为探测光源的新型粒度测试仪器，因具有测试速度快、测试范围宽、操作简单和重复性好等优点，广泛应用于河流泥沙颗粒分析。随着国产高科技设备的发展，国产激光粒度仪性能已经成熟稳定，研发的河流泥沙激光粒度分析仪已通过科技成果认定。为更好地满足水文行业泥沙分析需求，对国产YRCC.NKG-2800型激光粒度仪（以下简称NGK粒度仪）在黄河上游测区进行适用性研究，并将NGK粒度仪与英国的马尔文激光粒度分析仪（以下简称MS粒度仪）进行对比试验、一致性相关分析，为开展国产激光粒度仪的推广应用提供支撑。1NKG粒度仪介绍1.1测量原理NKG粒度仪是双镜头、斜入射式、激光图像粒度粒形分析仪，主要包括主机、进样器和测量软件等组件，采用米氏散射理论工作。米氏散射理论指出，光收稿日期：2 0 2 2-0 6-2 7作者简介：高翔（19 8 7 一），女，陕西宝鸡人，工程师，主要从事水文资料整汇编及泥沙颗粒分析工作。E-mail：516 9 50 49 6 q q.c o m。文献标识码：A文章编号：16 7 4-9 40 5(2 0 2 3)0 4-0 0 54-0 5照射粒子时，光的衍射和散射方向与光的波长和粒子尺度有关。当用固定波长的激光作光源时，波长的影响可消除，从而基本由粒子尺度确定光的衍射、散射方向能力2-4。按测量原理进行设计，建立由偏振光源（激光光源）、粒子通路和检测系统构成的激光粒度分析仪光路系统。当激光照射到粒子时，粒子大小不同产生不同角度的散射光，由分立的光检测器将接收到的光强电信号经过计算机的统计、分析、计算，转化成粒子的分布信息。NKG粒度仪光路设计特点为：通过正反傅立叶结合光路，结合前向、侧向和后向散射技术，以及倾斜样品池技术，实现全角度测量，扩大测量范围，提高细颗粒端的测量精度及分辨力。光路设计如图1所示。侧向探测器主探测器激光器样品池后向探测器图1光路设计第4期进样器采用自动循环分散与测试技术设计，主要包括防干烧超声波分散器、离心循环泵、自动进水系统、自动排水和溢水系统等组件，适用于所有样品，可保证样品充分分散，保证测试的准确性和重复性。1.2参数优化率定参数率定是指对测试条件参数进行范围优化和确定最佳值，目的是保障测试精度和一致性。根据SL42一2 0 10 河流泥沙颗粒分析规程要求，确定对测试结果产生影响的参数后，对参数进行优化率定。影响NKG粒度仪分析成果的参数主要有分散时间、超声（有打开和关闭2 种状态）、搅拌器泵速、采样次数、遮光率、颗粒吸收率（Ni，N2，,N)。通过参数优化率定可确定NKG粒度仪测试条件的参数值或范围5。样品分散时间/min类型合适范围细沙25中沙14粗沙252测试精度试验分析2.1重复性试验重复性试验，即用选取的细沙、中沙和粗沙（一般统计8 个粒径级，即2,4,8，16,31,6 2，12 5,2 50 m)分别进行测试，每种试样同一人取样1次分别用NKG粒度仪重复测试10 次，重复性试验标准差统计如表2 所示。从表2 可以看出：细沙、中沙、粗沙标准差的最大值分别为0.4，0.4，0.9，各级小于某粒径体积百分数的标准差均满足SL42一2 0 10 河流泥沙颗粒分析规程小于2 的要求6 43-4,，表明NKG粒度仪的重复性精度很高。表2 泥沙重复性试验标准差统计表样品粒径级/um类型248163162125250细沙0.10.20.30.40.40.3 0.00.0中沙0.10.1 0.20.30.40.40.10.0粗沙0.10.20.20.30.30.40.40.22.2平行性试验平行性指在改变测量条件的情况下，对同一被测高翔：YRCC.NKG-2800型激光粒度仪在黄河上游测区适用性研究表1NKG粒度仪测试条件参数优化率定表泵速/(rmin)超声，选用值合适范围3打开60012002打开80025003打开12002.500中值粒平均粒径D50径DB.40.10.30.30.40.60.955按照中值粒径D5o的大小选取具有代表性且特征组成稳定的泥沙样品，其中，Dso0.025mm的泥沙为细沙，0.0 2 5mmDs0.050mm的泥沙为中沙，中型Dso0.050mm的泥沙为粗沙。对某个泥沙样品率定参数N,时，将参数Ni在允许取值范围内分成若干档进行测量，获取一系列粒度级配数据。在同一坐标系分析这个系列数据的级配曲线，选取曲线基本重合且小于某粒径沙量百分数的互差不大于2 所对应的参数范围作为这个参数的合适取值范围。率定参数N2时，对率定后的N,取合适取值范围的中值，其余（i一2）个参数分别取厂商提供的经验值完成率定过程，选取参数N的合适取值范围。按此步骤依次开展剩余参数的率定，全部率定出参数的合适取值范围如表1所示。遮光率/%选用值合适范围800815160010202.0001525量的测量结果之间的一致性。平行性试验，即用选取的细沙、中沙和粗沙分别进行测试，每种试样平行测试10 次，平行性试验标准差统计如表3所示，计算的标准差最大值均值为0.45。各级小于某粒径体积百分数的标准差完全满足SL42一2 0 10 河流泥沙颗粒分析规程有关平行性标准差小于3的要求6 44,表明该仪器平行性满足要求。表3泥沙平行性试验标准差统计表样品名称各粒径级标准差最大值1号(细沙)0.32号(中沙)0.43号（粗沙）0.7因黄河上游测区泥沙以中、细沙为主，结合实际情况，选取细沙和中沙分别进行人员对比试验。此次试验，1人自检测试2 次各粒径级级配的差值，细沙和中沙的最大差值均为0.5；多人互检测试各粒径级级配的差值，细沙和中沙的最大差值分别为0.8 和0.3。1人自检与多人互检分析时，各粒径级级配的互差符合河流泥沙颗粒分析规程小于3的要求。采样次数/次选用值合适范围101001501515020020150200备注同一人，分别取样10 次同一人，分别取样10 次2个人，分别取样5次选用值100150200562.3准确性试验准确性是指激光粒度仪测定的泥沙级配结果与真实颗粒级配结果的差值，差值愈小，表明准确性愈高7。本次分析试验以棕刚玉标准值作为真值（即以2 0 15年MS粒度仪校准后的第1次测量结果作为真值)，D1o,Dso,Dgo真值分别为2 4.8，41.6,6 9.6 m，用棕刚玉标准值对MS和NKG2种粒度仪进行比对试验，误差统计（3次平均值）如表4所示。从表4可以看出：相对误差小于3%，符合规范要求6 44,表明仪器精度高。表42 种粒度仪比对试验误差统计表仪器名称DioMS粒度仪-1.7NKG粒度仪2.93上比测站点及样品分析3.1比测站点概况为适应上游测区泥沙特性，本次用于比测试验分析的泥沙样品采集自黄河上游的唐乃亥、循化、民和、兰州和小川等水文站。3.2比测样品分析本次用于比测试验分析的泥沙样品为自然取样样品，取样按测站日常取样同步实测，加倍取样，保证足够的泥沙量。每个样品经沉淀后，用分样器二等分，再对NKG和MS2种粒度仪进行分析对比，比测试验用沙样情况如表5所示。对NKG粒度仪进行误差检验，细沙使用兰州水文站泥沙样品（悬移质），中沙使用小川水文站泥沙样品（悬移质），因黄河上游测区泥沙组成主要以中、细沙为主，考虑泥沙样品粗细的代表性，收集了黄河花园口站的粗沙（床沙质）作为比测样品。沙样序号站名数量/个1兰州152小川133唐乃亥4民和105循化水利信息化2020年黄河上游出现了3次较大的洪水过程，其中唐乃亥水文站主要受源区降雨影响，出现了2 次编号洪水。进入6 月以来，黄河源区持续降雨，受此影响，龙羊峡、刘家峡水库加大泄洪流量，兰州水文站经历了2 0 2 0 年黄河1，2，4号编号洪峰过程。6 一9 月，黄河上游唐乃亥水文站以上各站含沙量普遍较小，最大单位含沙量为2.2 1kg/m，于6 月18 日出现在军功水文站；支流站最大单位含沙量为37.1kg/m，于8月2 2 日出现在民和水文站。6 一9 月，黄河上游测区共测输沙率7 9 次，其中唐乃亥水文站输沙率测了10次，实测最大输沙率为4.0 2 t/s，各站悬移质颗粒级%配分析测次布置均完整地控制了含沙量的变化过程。D50Do0-0.9-0.51.3-2.5表5比测试验用沙样情况表流量变化类别取样时间跨度悬移质2020年1一12 月悬移质2020年411月11悬移质2020年412 月悬移质2020年1一12 月9悬移质2020年510 月2023(4)综上所述，2 0 2 0 年的泥沙过程符合黄河上游测区的水文泥沙特性，具有代表性。4比测试验及成果分析4.1比测试验4.1.1试验依据按照SL42一2 0 10 河流泥沙颗粒分析规程第2.1.2 条，根据条件变化和需要，可改变颗粒分析方法或主要技术要求。当分析方法或主要技术要求改变时，应用标准方法或样品进行试验检验，试验统计误差结果，应达到小于某粒径沙量百分数的系统偏差的绝对值在级配9 0%以上部分小于2,在9 0%以下部分小于4的要求；小于某粒径沙量百分数的随机不确定度应小于10，检验方法可按7.1.4条的规定实施。也可按附录B规定的方法6 150-54,建立2 种颗粒分析方法级配成果的互换关系。4.1.2试验原则1）重复性原则。对同一试样，同一人一次性加样，重复测量。2）平行性原则。通过改变测试者，对同一被测量试样分别取样进行测试。含沙量变化范围/(ms)范围/(kgm)36236400.009 43.214331600.0013.6222829500.0002.11204550.00437.111332100.0005.83中值粒径D50变化范围/mm0.0050.2300.0060.0300.007 0.0210.0040.0270.0030.010第4 期3）合理性原则。根据测量数据和计算数据的拟合程度，判断检测质量。4.1.3试验内容比测试验分析的泥沙样品共有58 个，分别用NKG和MS粒度仪进行分析对比。比测试验按照试验原则中的要求，同一试样，同一人一次性加样。4.2比测成果4.2.1相关关系分析按照SL42一2 0 10 河流泥沙颗粒分析规程附录B相关规定 6 150-54,将NKG粒度仪测量级配值系列定义为X,MS粒度仪测量级配值系列定义为Y。用Excel软件的图表功能，先作X,Y散点图，将远离点带趋势点的试样数据判为不合群或错误数据予以剔除，有时考虑到系统误差，应将某一泥沙试样的数据点全部剔除；X，Y 散点点带明晰后，分别作二(一、三)次方多项式的趋势线，拟合Y=f(X)方程，比较相关系数R值，选取R值较大且曲线走势与点群贴合一致且合理的方程。用通用公式J=Y3的计算值分别作多项式拟合方程曲线的对应外包线，剔除外包线之外的数据点（用