泥沙含量测量系统校准
一、校准的目的与定位
泥沙含量测量系统用于连续或间歇测定水体中悬移质泥沙的质量浓度，输出量通常为含沙量，单位为千克每立方米或克每升。部分光学原理仪器先输出浊度，再按换算关系得到含沙量。系统长期运行后，光源衰减、光学窗口污染、换能器磨损、电子器件参数漂移，以及被测泥沙粒径、矿物成分、水温与流态的变化，都会使示值偏离真值。
校准的作用是建立仪器输出信号与含沙量标准值之间的定量关系，评定示值误差与测量不确定度，使测量结果具备可溯源性。按实施地点与对象可分为三类：
| 类型 | 实施条件 | 解决的问题 |
|---|---|---|
| 实验室校准 | 受控环境，使用已知含沙量标准样品 | 量值溯源与仪器自身性能评定 |
| 现场校准 | 仪器安装于原位，使用标准样品 | 安装条件与量程参数的适用性 |
| 现场比测校准 | 以同步取样、过滤、烘干、称重结果为参考 | 室内关系在特定断面水沙条件下的适用性 |
室内校准与现场比测的判定对象不同，二者不可互相替代。
二、适用范围与技术依据
本内容适用于基于光电（透射、散射）、超声波、振动、差压及质量体积法原理的在线式、便携式泥沙含量测量系统与自动监测仪。
主要技术依据包括：
JJF 2087—2023《光电式含沙量测量仪校准规范》，适用于测量范围 0.01～30 千克每立方米的光电式含沙量测量仪，规定零点漂移与校准曲线两项校准项目。
JJG（交通）166—2020《含沙量测定仪》，适用于 0.001～30 千克每立方米范围内仪器的首次检定、后续检定和使用中检查，规定最大允许误差为 ±10%，重复性不大于最大允许误差绝对值的 0.3 倍，检定周期一般不超过 1 年。
SL 233.13—2016《水工与河工模型试验常用仪器校验方法 第 13 部分：光电测沙仪》。
T/CHES 34—2020《光学含沙量测量仪率定规范》。
GB/T 50159—2015《河流悬移质泥沙测验规范》。
JJF（吉）110—2022《径流泥沙自动监测仪校准规范》，适用于质量体积法测量原理的径流泥沙自动监测仪。
上述文件规定的技术要求与产品说明书不一致时，按指标更严格者执行。
三、计量特性与术语
含沙量：单位体积浑水中所含干沙的质量，单位为千克每立方米或克每升。
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。相对误差为示值误差与标准含沙量的比值，以百分数表示。
重复性：在同一条件下对同一标准值重复测量所得结果的一致程度，按贝塞尔公式计算实验标准差。
零点漂移：仪器在零含沙量条件下规定时间内的示值变化量。
校准曲线：仪器输出信号与标准含沙量之间的拟合关系。线性关系用斜率与截距两个参数表示，即含沙量等于斜率乘以输出信号再加上截距。
四、校准条件
环境条件：温度 23 摄氏度 ±5 摄氏度，相对湿度不大于 85%，室内无强光直射、无强烈振动与空气对流。光学类仪器应避免环境光进入光路，超声波类仪器应避开振动与气泡干扰。
含沙量标准场：由动力搅拌装置使容器内纯净水与泥沙样品均匀混合、可配制已知含沙量标准值的装置。使用前需做均匀度试验，在容器内不同深度与水平位置取样不少于 6 个，计算最大值与最小值之差占两者之和的比例。均匀度不满足要求时不得用于校准。
标准器具：标准金属量器、电子天平（分度值满足称量要求）、烘干箱、过滤装置、温度计、湿度计及经有效检定的计量器具。
泥沙样品：选用被测水域代表性泥沙或标准砂，烘干后过筛、称重备用。样品粒径级配应覆盖实际被测水体的粒径范围。
五、校准前检查
检查仪器外壳有无破损、腐蚀，传感器探头有无泥沙淤积与磨损，线缆连接是否牢固。
清洗传感器：光学探头清洁光学窗口，超声波探头清理换能器表面，去除附着物与生物膜。
检查供电电压、数据采集终端与通信链路工作状态。
按说明书要求预热，启动自检功能，确认光源强度、超声信号强度等自检参数正常。
确认标准器具处于有效检定或校准周期内，校准记录表格已准备完毕。
六、校准实施步骤
6.1 零点校准
将传感器置于无悬浮颗粒的纯净水或澄清上清液中，确保探头表面无气泡、无污渍，待读数稳定后执行零点设定，使输出信号归零或达到说明书规定的基准值。若零点持续漂移，应清洁探头后重新设定。
6.2 标准点选取
按仪器量程均匀分布选取校准点，一般不少于 5 个点，并覆盖量程下限、常用工作区间与量程上限。JJG（交通）166—2020 要求在 1～5 千克每立方米、5～10 千克每立方米、10～15 千克每立方米、15～30 千克每立方米各区间内分别选取不少于 3 个含沙量测量值进行试验，并在 1 千克每立方米标准值下重复测量 10 次以上以评定重复性。
6.3 标准悬液配制
定容加沙法：用标准金属量器量取定量纯净水加入标准场容器，称取计算质量的干泥沙样品加入，启动搅拌装置使混合均匀，标准含沙量按干沙质量除以水体体积计算。
递增法：在最低校准点测量完成后，持续添加定量泥沙样品，依次将标准含沙量调整至各校准点附近，记录每次添加质量并重新计算实际标准值。
完成一个校准点后清洗容器，每个校准点重复测量不少于 3 次，取算术平均值为该点示值。
6.4 曲线拟合与参数写入
以标准含沙量为自变量、仪器输出量为因变量，按最小二乘法拟合校准曲线，计算相关系数与各点相对误差。将拟合参数写入仪器或数据采集系统。对超出线性范围的区段，可采用分段线性或多项式拟合，并明确标注各段的适用区间。
6.5 不同原理仪器的附加要求
| 原理类型 | 附加操作要点 |
|---|---|
| 光学透射、散射式 | 用无颗粒纯水做零点；校准前后清洁光学窗口；高含沙量区段需检查信号饱和与自吸收现象 |
| 超声波式 | 准确测量传感器收发端间距并写入转换器；按低、中、高三个浓度梯度做三点标定；记录信号值与化验值对应关系 |
| 质量体积式（称重式） | 在标称容积及标称容积 50% 附近分别校准；称量水样质量后按含沙量梯度加入定量泥沙，逐点读取示值 |
| 振动、差压式 | 检查安装固定状态与温度补偿参数，按说明书设定密度与浓度转换系数 |
七、数据处理与结果判定
剔除粗大误差采用 3 倍标准差准则：计算各点残差，绝对值超过 3 倍实验标准差的数据点予以剔除并补测。
分别计算各校准点的示值误差、相对误差与重复性，取相对误差绝对值的最大值为校准结果。
判定规则：示值误差不超过仪器规定的最大允许误差，重复性不大于最大允许误差绝对值的 0.3 倍，判定为合格。
校准结果应包含校准曲线方程、相关系数、各点误差数据、测量不确定度与有效期。
出具校准证书或校准记录，注明所用依据文件、标准器具编号与环境条件。
八、校准周期与期间核查
检定周期一般不超过 1 年。
常规使用条件下建议每 3 个月至半年用标准样品标定一次，或与人工取样结果对比修正。
下列情况应立即重新校准：长期停用后重新启用、传感器探头更换或维修、测量值出现单向持续漂移、被测水体泥沙粒径或矿物成分发生明显变化、汛期高含沙量过程结束后。
期间核查可采用单点核查方式：在常用工作浓度点测量 3 次，示值偏差超出规定范围时启动全面校准。
九、常见异常与处理
| 现象 | 主要原因 | 处理措施 |
|---|---|---|
| 读数持续偏高 | 光学窗口污染、生物附着 | 清洗探头后重新标定 |
| 读数无变化 | 光学窗口严重遮挡或损坏 | 清洁后仍异常则更换探头 |
| 数据跳变 | 水中气泡、漂浮物干扰或线缆接触不良 | 改变安装位置、加装消泡装置、重接线缆 |
| 高含沙量段信号饱和 | 超出线性范围或光源自吸收 | 稀释样品后测量，或采用分段曲线并标注上限 |
| 校准后现场仍偏差 | 室内样品与实际水体粒径、颜色差异 | 开展现场比测，按断面实际水沙条件重新率定 |
| 零点反复漂移 | 探头污染或电子元件老化 | 清洁并预热后复校，必要时返厂检修 |
十、不确定度来源
校准结果的不确定度主要来源于：标准悬液配制过程（称量、容积量取）、含沙量标准场均匀度、泥沙样品含水率与粒径代表性、仪器读数重复性、环境温度与水温波动、拟合模型残差、标准器具的溯源不确定度。各分量按 JJF 1059 系列规范合成，给出扩展不确定度与包含因子。
十一、记录与档案管理
校准记录应至少包含：仪器名称、型号、编号、安装位置；依据文件名称与编号；标准器具名称、编号与有效期；校准点设置与逐点数据；拟合曲线方程与相关系数；示值误差、重复性与不确定度；环境参数；校准结论与日期；操作人员签名。记录保存期限不少于两个校准周期，以备追溯与比对。
