泥沙自动监测仪校准

1概述

泥沙自动监测仪用于连续测定水体含沙量，其测量结果的准确性直接影响水文测验、泥沙输移计算、水库调度及工程安全评价。仪器在长期连续运行过程中，受传感器表面附着、电子元件参数变化、泥沙物理特性（粒径、颜色、矿物成分）改变、水温及流态变化等因素影响，示值会产生漂移。定期开展校准，可使仪器示值溯源至国家计量基准或公认的标准方法，并将测量误差控制在允许范围内。

校准分为实验室校准、现场校准与现场比测校准三类。实验室校准在受控条件下使用标准样品完成；现场校准在仪器安装位置使用标准样品完成；现场比测校准以国家标准方法（过滤烘干法）的同步测验结果为参考，对仪器示值进行修正。

2适用范围

本内容适用于基于光电（透射、散射）、超声波、振动、差压等原理的在线式与自记式泥沙自动监测仪的校准、首次检定、后续校准及使用中的期间核查。不同原理的仪器在传感器结构、安装方式和标准样品要求上存在差异，具体校准操作应结合仪器技术说明书执行。

3依据文件

校准应依据下列文件中的相关条款：

现行《河流泥沙测验规范》及相关水文测验技术标准；

水文仪器通用技术条件与相应检定规程、校准规范；

仪器制造单位提供的技术说明书与使用手册；

计量检定机构发布的校准规范（若有）。

上述文件中规定的技术要求与产品标准不一致时，按技术指标更严格者执行。

4术语与计量单位

含沙量：单位体积浑水中所含干沙的质量，常用单位为kg/m³或g/L。

量程：仪器能够保证规定测量误差的含沙量区间。

示值误差：仪器示值与标准含沙量之差，可用绝对误差或相对误差表示。

重复性：在同一条件下对同一标准样品进行多次测量所得结果之间的一致程度，用相对标准偏差表示。

稳定性：仪器在规定时间间隔内保持示值不变的能力，用零点漂移和量程漂移表示。

线性度：仪器示值与标准含沙量之间线性关系的符合程度，用相关系数或回归残差表示。

5校准条件

5.1环境条件

温度：15℃～35℃，校准过程中温度波动不超过±2℃；

相对湿度：不大于85%；

电源电压：额定值的±10%，频率额定值的±2%；

校准现场无强电磁干扰、无强光直射、无显著振动；

实验室校准应在清洁、通风、无腐蚀性气体的环境中进行。

5.2标准物质与器具

标准沙：优先采用监测断面采集并经处理的天然沙；无法获取时，可采用与现场泥沙粒径、颜色、矿物成分相近的替代沙样；

清水：采用蒸馏水或经0.45μm滤膜过滤的清水，用于零点校准与样品配制；

天平：分度值不大于0.1mg（用于称量干沙质量）或相应准确度等级；

容量器具：容量瓶、量筒、标准搅拌容器，准确度等级满足配制要求；

温度测量设备：分度值不大于0.1℃的标准温度计；

过滤烘干设备：微孔滤膜（孔径0.45μm）、烘箱（控温105℃～110℃）、干燥器、分析天平。

5.3辅助设备

机械搅拌器或循环搅拌装置，转速可调，能使泥沙在容器内均匀悬浮且不产生大量气泡；

标准样品容器，容积应大于仪器传感器测量所需最小淹没体积；

计时器、取样器具、清洗工具。

6标准样品制备

6.1沙样处理

从监测断面采集含沙水样，经自然沉降后分离出泥沙，置于烘箱中在105℃～110℃条件下烘干至恒重，取出后放入干燥器冷却至室温，研磨分散后备用。沙样的粒径级配、颜色与矿物成分应与监测断面日常泥沙特性一致，不得使用明显偏离现场条件的沙样。

6.2标准样品配制

采用质量法配制。按目标含沙量称取定量干沙，置于已知容积的容器中，加入清水至规定体积，配制成标准含沙量样品。标准含沙量等于所称取干沙的质量除以配制浑水的总体积，计算时质量单位换算为千克、体积单位换算为立方米。

6.3浓度点设置

标准样品浓度点应覆盖仪器量程，包括零点（清水）、量程下限附近、量程中值附近和量程上限附近，通常不少于5个浓度点（不含零点）。每个浓度点配制不少于3份平行样品。

6.4均匀性控制

配制后的标准样品须持续搅拌，使泥沙均匀悬浮，避免沉降；搅拌过程中不得引入大量气泡。样品配制后应在4h内完成测量，含沙量较高时应缩短放置时间。

7校准项目与方法

7.1外观与功能检查

检查仪器铭牌、型号、编号是否清晰完整；检查传感器表面有无破损、变形、附着物；检查电缆与接插件连接是否牢固、密封是否完好；通电后进行自检，确认显示、存储、传输、报警功能正常。

7.2零点校准

将传感器置于清洁的清水中，按仪器说明书要求进入零点校准状态，静置待示值稳定后记录零点示值。重复测量3次，取平均值作为零点值，按仪器操作程序完成零点置零。若仪器零点漂移超出说明书允许范围，应查找原因并处理后再继续校准。

7.3示值误差校准

依次将传感器置于由低到高各浓度点的标准样品中，每个浓度点待示值稳定后连续读取不少于3次数据，取算术平均值作为该点的仪器示值。

各浓度点示值误差按下列方式计算：绝对误差为仪器示值平均值减去标准样品含沙量；相对误差为上述差值除以标准样品含沙量，再乘以百分之百。计算时仪器示值与标准含沙量应采用相同单位。各浓度点示值误差均应满足规定的最大允许误差要求。

7.4重复性校准

选取量程中值附近的某一浓度点标准样品，在相同条件下连续重复测量不少于6次，记录各次示值。先计算各次测量的实验标准偏差与算术平均值，再用实验标准偏差除以算术平均值并乘以百分之百，得到相对标准偏差，作为重复性指标。

7.5稳定性校准

仪器连续通电运行4h（或按说明书规定的时间），在起始时刻和结束时刻分别测量零点与量程上限附近浓度点的示值，计算零点漂移与量程点示值变化量。稳定性以漂移量占量程上限的百分比表示。

7.6线性度校准

以各浓度点标准含沙量为横坐标、仪器示值平均值为纵坐标，进行一元线性回归，得到校准方程与相关系数。相关系数应满足规定要求；若仪器为非线性响应，应采用分段校准或多项式拟合，并在报告中给出拟合方程。

7.7响应时间

在量程中值浓度点，记录示值从阶跃变化开始到达稳定值90%所需的时间，该值应不大于说明书规定的响应时间。

7.8安全性能检查（必要时）

测量仪器带电部分与外壳之间的绝缘电阻，检查水下部件的密封性能，结果应符合相应产品标准。

8现场比测校准

现场比测校准以国家标准方法（过滤烘干法）测定的含沙量为参考值。校准步骤如下：

将自动监测仪传感器安装在具有代表性的测点位置，与人工取样点处于同一水深处，水平距离尽量接近；

同步进行人工取样，取样次数不少于30次，且涵盖低、中、高不同含沙量级，含沙量变幅宜覆盖仪器量程的20%～100%；

人工样品按规范方法进行过滤、烘干、称量，计算含沙量参考值；

建立仪器示值与参考值之间的回归关系，计算系统误差（平均相对偏差）与随机不确定度（标准差）；

若系统误差超出允许范围，应对仪器进行系数修正或重新标定，修正后须重新比测验证。

现场比测周期宜安排在汛期含沙量变化较大的时段，以检验仪器在实际含沙量变幅内的适用性。

9数据处理与结果判定

校准结果按下列原则判定（具体指标以产品标准或相应校准规范的规定为准，以下为通用参考值）：

示值误差：相对误差不超过±10%（中高含沙量段），低含沙量段可放宽至±15%；

重复性：相对标准偏差不大于5%；

稳定性：零点漂移与量程漂移均不超过量程上限的±2%；

线性度：相关系数不小于0.98；

现场比测：平均相对偏差不超过±15%，随机不确定度满足相应测验精度要求。

当某项指标超出允许范围时，应对仪器进行调整、维修或降级使用，调整后须重新校准。校准结果应给出测量不确定度评定，不确定度来源包括标准样品配制不确定度、称量不确定度、仪器示值重复性、环境条件变化等。

10校准周期与期间核查

10.1校准周期

首次使用前应校准；

后续校准周期一般不超过12个月；

汛前、汛后宜各进行一次校准或比测；

仪器经维修、更换传感器或关键部件、长期停用后重新启用、出现数据异常时，应及时校准。

10.2期间核查

在两次校准之间，使用标准样品或经烘干法标定的核查样品，对仪器零点与某一浓度点示值进行核查，核查频次根据使用环境与数据重要程度确定，一般每1～3个月一次。核查结果偏离上次校准值较大时，应提前安排校准。

11影响校准与测量结果的主要因素

泥沙粒径与级配：粒径变化会改变光学散射、超声衰减特性，导致示值偏差；

泥沙颜色与矿物成分：颜色深浅影响光电式仪器的响应灵敏度；

水温：水温变化引起水的密度、黏度及声速变化，影响测量信号；

气泡：样品中混入气泡会改变光学与声学传播路径，产生示值跳变；

絮凝与沉降：泥沙絮凝或沉降会造成局部浓度不均，使测量结果偏低或波动；

传感器污染：传感器表面附着泥沙、藻类、贝类或油污，会导致基线漂移和灵敏度下降；

流速与流态：流速过低导致泥沙沉降，流速过高卷入气泡，均会影响测量；

安装位置代表性：传感器安装位置不能反映断面平均含沙量时，比测结果会出现系统性差异；

电子漂移：长期连续运行后电路参数变化导致基线漂移。

12校准记录与证书

校准记录至少应包含以下内容：

仪器名称、型号、制造单位、出厂编号、安装位置；

校准日期、地点、环境条件（温度、湿度、电源）；

所用标准物质的名称、来源、制备方法及浓度值；

所用计量标准器具的名称、型号、编号、准确度等级及溯源信息；

各校准项目的原始数据、计算过程与结果；

校准曲线方程与相关系数；

测量不确定度评定结果；

校准结论、校准人员、核验人员、校准单位及有效期限。

校准完成后应出具校准报告或校准证书，校准证书中应注明校准所依据的技术文件、校准条件及结果的适用范围。

13注意事项

标准沙的粒径、颜色、矿物成分应与现场泥沙一致，否则校准结果不能直接用于现场测量；

配制标准样品时应使用质量法，避免体积法带来的配制误差；

测量过程中应持续搅拌，保证泥沙均匀悬浮，同时防止搅拌产生气泡；

传感器在更换样品前应清洗干净，避免样品交叉污染；

校准顺序应由低浓度到高浓度，避免高浓度残留影响低浓度测量；

现场校准时，容器尺寸应保证传感器周围流场不受容器壁影响；

使用烘干法比测时，滤膜恒重、烘干温度与烘干时间应严格执行规范；

校准用的天平、温度计、容量器具应在检定或校准有效期内；

仪器长期停用前应进行清洁和维护，再次启用前重新校准；

校准过程中如发现仪器存在故障、密封失效或数据异常，应终止校准并先行维修。