计量是测量及其应用的科学，是数据之源，是智能智慧的基础。计量数据的准确可靠是保证智能智慧系统发挥功能的根本。传统的量值传递与溯源方法采用静态测量方式，在实验室进行离线检定或校准，只能获得计量仪器的基本误差，不能获得在现场应用中产生的附加误差。《计量仪器远程量值传递与溯源相关技术研究》针对这一测量中的**难题，探讨如何实现远程量值传递与溯源方法。《计量仪器远程量值传递与溯源相关技术研究》共有?6?章，内容包括远程量值传递与溯源方法研究现状及可实现途径、基于卫星共视的静态电参数远程量值传递与溯源技术研究、基于无线通信的静态电参数远程量值传递与溯源技术研究、静态几何参数远程量值传递与溯源技术研究、动态流动参数计量准确性的相关问题研究，以及未来发展趋势。

目录
前言
第1章 远程量值传递与溯源方法研究现状及可实现途径 1
1.1 远程量值传递与溯源概述 1
1.2 研究现状 2
1.2.1 远程计量校准国外研究现状 3
1.2.2 远程计量校准国内研究现状 4
1.3 实现途径 6
1.3.1 传递标准器法 6
1.3.2 标准器置于现场法 7
1.3.3 标准器置于实验室法 8
参考文献 9
第2章 基于卫星共视的静态电参数远程量值传递与溯源技术研究 12
2.1 直流电参数远程量值传递与溯源方法研究 12
2.1.1 传统直流电压示值误差计量校准方法 12
2.1.2 时间与频率标准远程计量校准方法 12
2.1.3 直流电压源远程计量模型框架 14
2.1.4 直流电压源远程计量方案 15
2.2 直流电参数远程量值传递与溯源系统构建 16
2.2.1 基于卫星共视的直流电参数远程计量装置硬件系统 16
2.2.2 基于卫星共视的直流电参数远程计量装置软件系统 24
2.3 直流电参数远程量值传递与溯源系统实验研究及一致性评价 26
2.3.1 基于卫星共视的直流电参数远程计量实验与分析 26
2.3.2 远程计量方法与传统计量方法校准结果一致性评价研究 45
参考文献 58
第3章 基于无线通信的静态电参数远程量值传递与溯源技术研究 59
3.1 基于无线通信的电参数远程量值传递与溯源方法研究 59
3.1.1 基于无线通信的远程校准系统设计理论依据 59
3.1.2 基于无线通信的电压源远程校准方法 61
3.2 基于无线通信的电参数远程量值传递与溯源系统构建 62
3.2.1 基于无线通信的电参数远程量值传递与溯源系统硬件设计 62
3.2.2 基于无线通信的电参数远程量值传递与溯源系统上位机及算法设计 67
3.3 基于无线通信的电参数远程量值传递与溯源系统实验研究 73
3.3.1 基于无线通信的电参数远程量值传递与溯源系统实验设计 73
3.3.2 基于无线通信的电参数远程量值传递与溯源系统实验 74
3.3.3 系统不确定度评定 77
参考文献 80
第4章 静态几何参数远程量值传递与溯源技术研究 81
4.1 基于光学干涉原理的长度量值传递与溯源方法研究 81
4.1.1 光纤耦合效率 81
4.1.2 光的干涉原理 82
4.1.3 低相干干涉 83
4.1.4 干涉条纹在光纤中的传输机理 84
4.2 基于光学干涉原理的长度量值传递与溯源系统构建 87
4.2.1 系统总体设计 87
4.2.2 各组成部分设计与选型 88
4.2.3 上位机软件设计 91
4.3 基于光学干涉原理的长度量值传递与溯源系统测试及分析 96
4.3.1 基于光纤的长度量值传递与溯源系统实验 96
4.3.2 实验数据测量点 107
4.3.3 测量不确定度分析 117
参考文献 119
第5章 动态流动参数计量准确性的相关问题研究 120
5.1 动态参数量值传递与溯源难点分析 120
5.2 原级测量理论及方法 120
5.2.1 便携式多声道超声管道测量系统理论与方法 121
5.2.2 便携式多声道超声管道测量系统构建 123
5.2.3 系统测试及结果分析 137
5.3 非稳态流量计量装置及研究 141
5.3.1 基于速度场测量的单相流动非稳态计量标准装置 141
5.3.2 基于速度场测量的气液两相流动参数计量及溯源 147
5.3.3 基于主动活塞的单相流非稳态流量标准装置 177
参考文献 194
第6章 未来发展趋势 196
6.1 关于静态量的远程量值传递与溯源发展趋势 196
6.2 关于动态量的远程量值传递与溯源发展趋势 197
6.2.1 原级标准测量 198
6.2.2 计量仪器动态装置研究 198
6.2.3 基于数字孪生技术与虚拟现实技术的测量现场环境模拟 199
参考文献 200
彩图

第1章 远程量值传递与溯源方法研究现状及可实现途径
　　1.1 远程量值传递与溯源概述
　　工业4.0的发展推动着当今制造业的革新，在科技高速发展的趋势下，各领域对产品质量的要求越来越高，高技术产品的生产流程越来越复杂，工业上对生产设备及生产环境等的把控也越来越严格，而这些都需要靠计量来保证。计量是关于测量及其应用的科学，是实现单位统一、保证量值准确可靠的活动。计量仪器的量值传递与溯源是通过计量检定及校准实现的。工业4.0对计量的发展有了新的要求：时间与成本效率、易于操作、实时执行、自动化和高速[1，2]。
　　现行*普遍的仪器计量校准方式是实验室校准或现场校准，因为被校仪器需要和标准器进行物理连接，所以在计量校准工作开始前，需通过物流方式将被校仪器传递到上级计量实验室或计量技术机构，或者将计量实验室或计量技术机构的标准器通过物流方式传递到被校仪器所在的工业现场，由计量工作人员基于标准器对仪器进行校准，并出具相应的检定校准证书。
　　然而，这种传统的计量校准方式存在诸多问题：①被校仪器或标准器需要通过物流方式进行传递运输，传统计量校准方式只能得到被校仪器的基本误差，而无法得到仪器在工业应用现场中的附加误差，也无法避免标准器被运送到被校现场而引入的附加误差；仪器的误差一般分为基本误差和附加误差两个部分，基本误差指仪器在规定的参比工作条件下（如校准实验室）*大误差；附加误差指仪器在非规定的参比工作条件下（如工业应用现场）使用时产生的额外误差；②传统计量校准方式需要较高的人力及物流成本，另外，将工业现场的仪器卸下运至实验室或将实验室的标准器运至被校现场，这种离线方式会影响仪器或标准器的正常工作，甚至造成损坏等，风险成本高，而计量工作效率低；③传统计量校准的结果和数据需要人为地记录或录入系统，不易做到及时存储和获取，同时限制了异地数据随时共享的实现。可见这种计量校准方式已相对滞后于现代计量的需要。
　　随着计算机网络技术和物联网技术的迅速发展，各类仪器设备都趋于智能化，远程计量校准技术成为计量学未来发展的热点方向。远程计量校准是为实现简化校准可溯源性所需的步骤和流程，以减小计量校准的时间和成本，在工业4.0的背景下，远程计量的发展可为制造业带来重大的改进。1999年国际仪器与测量技术会议*次提出了远程校准的概念[3]。远程计量校准技术的研究开始于英国国家物理实验室（National Physical Laboratory，NPL），从2001年起，NPL对英国国家测量系统的基础设施进行了建设，将基于互联网的远程计量技术作为研究重点之一。
　　远程计量校准技术代表了用互联网提升计量校准技术水平的一种新的发展趋势，与传统计量校准方式相比较，有诸多优点，主要包括：①被校仪器或标准器无须通过物流方式进行传递，可在工业应用现场实现被校仪器的量值对各级计量技术机构标准的可溯源性，可以解决无法得到被校仪器在工业应用现场中附加误差的问题，也可避免标准器被运送到被校现场而引入的附加误差，保证计量数据的准确性和有效性；②校准所用标准器置于实验室或计量技术机构，计量技术人员在实验室或计量机构通过网络即可完成远端工业现场仪器设备的校准，可大幅度地降低校准成本，降低计量校准过程对被校仪器或标准器的损耗风险，提高计量校准工作的效率和便捷性；③远程实时校准数据和校准结果等都存储在实验室或计量技术机构的数据库中，可根据实际需要随时获取，且其在国际比对、实验室认可等方面也具有重要意义。
　　传统计量校准方式与远程计量校准方式的对比如表1-1所示。
　　综合以上描述可知，研究计量仪器远程量值传递与溯源方法，建立基于网络通信技术的远程计量校准系统，构建准确有效的远程计量校准模型，不仅能更好地保证计量校准的准确性和溯源性，还能提高校准的效率和便捷性，降低校准所需成本，提高校准过程的智能化和自动化水平，为智慧计量的发展及仪器设备的智能应用奠定基础。
　　1.2研究现状
　　20世纪末以来，国内外研究者在远程计量校准方面开展了许多研究，并取得了一些阶段性的成果，接下来，对远程计量校准国内外研究现状分别进行论述分析。
　　1.2.1远程计量校准国外研究现状
　　针对多种校准对象，国际上多家计量实验室和机构采用多种技术手段的校准方法，进行远程计量技术研究。在远程量值传递与溯源的过程中，需要通过某种方式进行标准的传递，已经实现的远程计量校准方案，按照传递标准的形式，大致可以分为实物标准型传递方式和非实物标准型传递方式两种。
　　建立在以实物标准传递为基础上的远程计量校准，即校准所用标准器需通过物流方式传递到被校准现场，这种远程校准方式目前在电学、光学及力学等领域已经有所应用。
　　Raouf等[4]提出了一种全自动电阻远程校准系统，可以通过互联网远程控制，实现对低精度电阻的远程校准。Nakutis等[5]提出了一种对功率计的远程校准方法，将远程被校功率计和标准功率计连接到同一电网并配备数据通信通道，可实现远程校准，并通过对采集的功率样本求平均值来降低注入负载功率的不确定性。Rietveld[6]提出了一种新的校准方法，可实现在用户现场保持电气校准器的校准状态，减少人机交互和仪器停机时间，使用自校准技术和远程互联网控制技术，可实时连续监测校准器的校准状态，并可通过互联网查看仪器监测与校准的数据和分析结果。
　　Danelyan等[7]使用光学循环器，通过频率方法对长度量进行校准，可实现对远距离实验室中的长度量进行远程比较。Conlin等[8]开发了一款基于Python的软件应用程序，用于校准和校正在美国沿海地区运行的摄像头图像，该程序利用机载激光雷达观测，实现对地面控制点的远程提取，实现了远程相机校准和后续图像校正[8]。
　　Kobata等[9]基于互联网传递标准的方式，开发了一种用于传播压力标准的远程校准技术。Hidalgo等[10]提出了一种基于虚拟垂直大气探测技术来校准远程气压计的方法，该方法具有较强的可推广性。Ishibashi和Morioka[11]对气流标准系统进行了升级，使其具备了远程校准功能。
　　Dudley和Ridler[12]介绍了通过互联网对矢量网络分析仪（vectornetwork analyzer，VNA）提供高效且具有成本效益的校准服务，通过互联网直接访问微波频率为45MHz～110GHz的主要国家测量标准和程序，实现了对两台VNA的远程校准。diVimercati等[13]介绍了移动代理技术在远程测量应用中的一些初步探索，对远程校准和测量过程中存在的资源消耗、网络可用性和客户端-服务器通信链路的问题，提供了有效的解决方案。Sand等[14]论述了互联网计量和校准中使用的不同网络拓扑结构。Knyva等[15]探讨了基于物联网基础设施模型实现油箱校准的自动化过程，分析了物联网和云技术对远程计量校准的数据收集、存储和处理的优势。
　　建立在以非实物标准传递为基础上的远程计量校准，即校准所用标准器不需要通过物流方式传递到校准现场，标准器在实验室通过量值远程传递或共同观测同一基准信号实现远程传递。基于非实物标准传递的远程计量校准不涉及实物标准的传输和物理连接，校准周期更短，因此，更加便捷和高效。时间频率标准可以使用电磁波作为载体进行远距离广播和传输，不需要直接逐级传输。特别是，全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）的广泛应用使将GNSS作为时间频率标准参考和传输介质以校准本地时间频率标准或仪器成为可能。国际上许多国家计量机构，如美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）、NPL、法国国家计量研究院、澳大利亚国家计量研究院（National Measurement Institute Australia，NMIA）和日本国家计量研究院（National Metrology Institute of Japan，NMIJ）都运用GNSS卫星共视技术开展了时间频率校准工作[16-19]。
　　此外，在计量校准相关的模型和算法的研究方面，Zelenkova和Skripka[20]讨论了利用现有数字电信网络基于测量缩减理论进行远程校准的可行性，设计了用于测量数据处理的优化算法和模型，并将其应用于复杂轮廓表面测量仪器的校准和一致性远程评估。Douglas等[21]提出了一种新的非白噪声不确定性分析方法和模型，并用于评估铷原子时钟的时间和频率在远程校准中的可溯源能力，通过蒙特卡罗模拟构建模型，提高了新方法的可靠性和经济性。
　　1.2.2远程计量校准国内研究现状
　　2002年，殳伟群[22]在《走近网络化校准—远程校准技术初探（之一）》一文中介绍了远程校准的概念及国外研究者开展的关于远程校准技术的研究情况，并对我国开展远程计量校准研究的必要性和可行性提出了观点。此后相继有许多科研院所、计量机构、企业和高校开始开展远程计量校准技术的研究，并取得了初步的研究成果。同样，可以按照传递标准的形式，将远程计量校准方式分为实物标准型传递方式和非实物标准型传递方式两种。
　　建立在以实物标准传递为基础上的远程计量校准方式在电磁计量、能源计量、力学计量等领域应用广泛。
　　Wang等[23]提出了一种结合边缘智能的远程校准设备，以便在几乎没有人为干预的情况下完成电力系统设施的校准，通过蓝牙识别、视频监测、基于人工智能的智能抄表方法，利用微型相机识别校准仪表图像，进行智能文本检测与仪表数据识别，再通过数据回传完成远程校准工作，提高了远程校准的智能性。广东电网有限责任公司计量中心设计了一种电能计量装置的远程校准和在线监测系统，该系统将多通道同步远程校准、多维度监测、检测校准回路智能切换、检测单元自检等方式整合为一体，与主站管理平台配合，实现对电能计量设备的远程校准、在线监测、故障诊断和状态评估[24]。国家电网黑龙江电力有限公司开发了一种基于云技术、无线通信技术和自动控制技术的交流电表标准装置远程自动检测方法，实现了电表标准装置的远程自动检测，提高了大型交流电表检定的工作效率，节省了人工校准的成本[25]。郭景涛和金志刚[26]提出了一种基于互联网的通用远程校准平台。吴静等[27]提出了基于数据采集板、电参量、多功能互联网校准器的校准方法。
　　Lu等[28]提出了一种新的地下摄像机模型和校准算法，可以提高地下视觉测量系统的精度和可靠性。Xu[29]提出了一种基于遥感卫星微型相机的恒星通量校准方法，通过程序将作为标准的恒星通量传输到遥感相机，可实现对恒星和地面交替观测，进行精确的交叉校准。荆根强等[30]提出了一种基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法。
　　特别地，北京航空航天大学梁志国和孙璟宇[31]提出了远程校准的核心是实现量值的远程无实物传递的观点。
　　建立在以非实物标准传递为基础上的远程计量校准，即校准所用标准器不需要通过物流方式传递到校准现场，标准器在实验室通过量值远程传递或共同观测同一基准信号实现。与国外相同的是，国内的研究者也在致力于基于GNSS卫星共视技术时频远程校准的研究。
　　张越等[32]、高小珣等[33]总结了时间频率远距离高精度量值传递的全球定位系统（global positioning system，GPS）共视法原理及共视法标准数据格式中各参数的实现方法。左建生等[34]基于GPS共视法设计了一套时频远程校准系统，对大型或长期不间断工作的频标进行了远程校准。陈瑞琼等[35]提出了一种改进的卫星共视法，实现了时间频率的连续比对，并利用改进的卫星共视法研制了一套高精度远程时间频率校准系统。Zhang等[36]研究了基于不同电离层扰动的远程GPS共视精确时间传递方法。这种远程计量校准方式是更理想的方式，然而，由于现有技术水平的限制，基于