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 流量计介绍

  明渠流量仪表
1. 概 述
 

    
非满管状态流动的水路称作明渠(open channeI),测量明渠中水流流量的仪表称作明渠流量计。明渠流通剖面除圆形外,还有U形、梯形、矩形等多种形状。
    
水路按其形态分类,各形态如图.1所示。ISO通常称满水管为封闭管道,流动是在水泵压力或高位槽位能作用下的强迫流动。明渠流则是靠水路本身坡度形成的自由表面流动。
    明渠流量计应用场所有城市供水引水渠、火电厂冷却水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工矿企业废水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。本文重点讨论前面几种工业和公用事业适用的流量测量方法和仪表,不包括较大型的水利工程和农业灌溉用的流量测量方法。
    
国外有人估计,1995年全球工业和公用事业用明渠流量计销售台数约占流量仪表整体的1.6%,约3.5万台;若包括较简易的堰等使用者可自行制造未向市场采购的仪表,实际装用还要多些。国内应用尚无估计数据。
 
2、 类 型
 
    工业和公用事业常用的明渠流量仪表按测量原理大体可分为堰法、测流槽法、流速-水位计算法和电磁流量计法。
    1
)堰(weir)法 在明渠适当位置装一挡板,水流被阻断,水位升到档板上端堰(缺)口,便从堰口流出。水流刚流出的流量小于渠道中原来的流量,水位继续上升,流出流量随之增加,直到流出量等于渠道原流量,水位便稳定在某一高度,测出水位高度便可求取流量。
    2
)测流槽(flume,简称槽)法 缩小渠道一段通道断面成喉道部,喉道因面积缩小而流速增加,其上游水位被抬高,以增加流速所需动能(即增加的动能由所抬高水位位能转变过来),测量抬高水位求取流量。
    3
) 流速-水位计算法(简称流速-水位法) 测出流通通道某局部(点、线或小面积)流速,代表平均流速,再测量水位求得流通面积,乘局部流速与平均流速间的系数,经演算求取流量。
    4
)电磁流量计法 又分为潜水式电磁流量计和非满管电磁流量计两类,后者目前国内尚未开发。
    
潜水式电磁流量计是在渠道中置一挡板截流,挡板近底部开孔并装潜水电磁流量传感器,水流从流量传感器流过从而测出其流量。
    
非满管电磁流量计的传感器直接在管道装上同口径圆形暗渠,测量流速的原理与传统电磁流量计的相同,但还具备测量仪表内水位的功能,电极、磁路和测量电路则有较大差别。
3、 原理与特点
 
31 堰式流量计

 
  堰式流量计由堰和相应的液位计组成,薄壁堰的测量原理如图2所示,流量Q按式(1)计算。     1 式中 K--------流量系数;
     h----------
堰顶水头,即离堰口水位高度;
      n ----------
取决于堰缺口形状的指数,为5/2 3/2
    常用薄壁堰按缺口形状分为三角堰、矩形堰和等宽堰,它们的尺寸范围和流量范围分别如表1所示。堰口尺寸和表面粗糙度要求可查阅标准或规程ISO 1438-1CJ/T3008.1CJ/T3008.2JJG771,均有具体规定。若迎流侧堰口长期使用后磨损成园角以及迎流侧堰壁粗糙变化均会产生测量误差。堰式流量计除堰板部分外,还包括相应液位计以及堰板上游足够长的直渠段和整流段等。 1 常用薄壁堰适用范围
堰名称和形状 流量公式 适用范围/m 典型流量范围
宽度BB×b/m 水头范围/m 流量范围/(m3/h)
Q=Kh5/2 B=0.44~1.0
h =0.04~0.12
D=0.1~0.13
0.45 0.04~0.120 1.08~15.6
Q=Kh5/2 B=0.5~1.2
h=0.07~0.26<B/2
D=0.1~ 0.75
0.6~0.8 0.07~00.260 6.6~174
Q=Kbh3/2 B= 0.5~6.3
b=0.15~5.0
D=0.15~3.5
0.06
h=0.03~0.45
(0.9×0.36)~
(1.2
×0.48)
0.03~0.312 12.6~540
Q=Kbh3/2 B0.5
D=0.3~2.5
h=0.03~D
(
但,h0.8以下且为B/4以下)
0.6~8 h.0 0.03~0.8 21.6~40260
     注: Q为流量;K为流量系数;h为堰的水头;B为渠宽度;b为缺口宽度;D为从渠底面到缺口下缘的高度。
    
堰式流量计的特点;
    1
) 结构简单,一般情况下价格便宜,测量精度和可靠性好;
    2
) 因水头损失大,不能用于接近平坦地面的渠道;
    3
) 堰上游易堆积固形物,要定期清理。

3.2 槽式流量计

    
槽式流量计的常用测流槽有多种形式。在渠道中收缩其中一段截面积,收缩部分液位低于其上游液位,测量其液位差以求流量的测量槽,一般称作文丘里槽。还有适用于矩形明渠的巴歇尔槽(ParshaII fIume,简称P),适用于圆形暗渠的帕尔默.鲍鲁斯槽(PaImer BowIus fIume,简称PB)。在欧洲文丘里槽用的较多,在我国则以P槽和PB槽居多。
    
1 P
    P
槽外形如图3所示,喉道宽从25mm15m,已有定性尺寸。流量Q和喉道上游液位ha间的关系式中,系数C和指数n均因规格而异。P槽可以用钢板或木版制成,也可以在现场用混凝土现浇。国内已有用聚氯乙烯塑料或玻璃钢制成的定型商品。对表面粗糙度和尺寸公差ISO 9826CJ/T 3008.3JJG 711均提出了要求。
    原理上喉道存在流量上限,喉道液位hb与收缩段液位ha的比值(hb/ha称作淹没比)应小于规定直,否则便成为淹没流,且喉道应规定最高水位。
     
P槽下游侧水位显著上升(例如涨潮,汇合支流流量剧增)会产生测量误差,有时甚至无法测量,此时可在测量扩散段水位hb后,参照JJG 711 7.1.4~7.1.6所列图表计算流量。
    P
槽流量计的特点是;
    1
) 水中固态物质几乎不沉积,随水流排出;
    2
) 水位抬高比堰小,仅为1/4,适用于不允许有大落差的渠道。
    
2 PB
     P
槽不能用于圆形暗渠,PB槽为圆形暗渠专用。PB槽原理如图4所示,圆形断面收缩成倒梯形喉道,喉道部产生射流(平均流速比水面传播的水波速度快的流动),测量上游侧水位ha,求取流量Q
   2     式中系数C和指数n是取决于PB槽口径和各构件形状尺寸的常数。倒梯形喉道的PB槽,n大约为2
    PB
槽公称口径从2503000mm,与混凝土管尺寸相对应,其长度是公称口径的2~4倍(小口径段为4倍,大口径段为2倍)。最大流量范围通常如表2所示,但国内若干型号产品常为其较小直,达到最高允许水位的范围度标准值为30:1
2 PB槽口径和最大流量范围
口径/mm 最大流量范围/(m3/h) 口径/mm 最大流量范围/(m3/h) 口径/mm 最大流量范围/(m3/h)
250
300
350
400
450
500
600
50~125
80~200
100~290
150~385
200~680
250~680
400~1080
700
800
900
1000
1100
1200
1350
600~1600
800~2240
2300~3020
2900~3940
3600~5790
4500~6250
6000~9660
1500
1650
1800
2000
2200
8000~12570
10000~15950
12000~19830
16000~25810
20000~32750
 
    注:1350 mm以上为参考值。
    PB
槽的特点是;
    1
) 在维持自由水面流的管渠内,管壁粗糙度等条件变化会导致流量值变化,而PB槽几乎不受管壁粗糙度等条件变化的影响,测量值的长期变化小;
    2
PB槽的水头损失在非满管流仪表中属于较小的,喉道部槽顶(crest)自清洗效果显著,几乎不必担忧固体物的沉淀和堆积;
    3
) 作为渠道不发生射流的条件,PB槽上游暗渠坡度必须在20/1000以下,然而实际渠道几乎没有会超过该坡度者;
    4
) 渠道下游侧水深必须小于上游侧水深的85%,不能满足条件,测量精度会下降,有时甚至无法测量。

33 流速-水位流量计

    
5所示是传播时间法超声流速计和超声液位计组成的流速-水位流量计一例,所测流速是线平均流速,水位是测量水位和超声液位传感器之间的距离间接求得。也有以测量点流速或局部小面积平均流速(例如多普勒法超声流速计)和测量实际水位(例如压力式液位计)组成的流速-水位流量计。
    流速计除超声式外还可用电磁式流速计以及现在用的较少的旋杯式流速计和旋浆式流速计。
    
5所示流速传感器的位置相距渠床高度Y通常为0.1B(B为渠宽)ISO 6418附录A则规定了3~300m声道长度范围内最小的Y值。
    
6所示是流速-水位流量计信号系统和运算框图,vL是流速计实测的平均流速,vL乘上线流速修正系数KL求得流通面积A的平均流速,=KLūL.流量Q
     3 式中 Kq-----流量系数, Kq=AKL. Kq的值取决于流通面积形状(矩形、倒梯形、圆形或U形)和渠壁粗糙度。图中水深度判断部是判断水位是否低于流速传感器,若低于流速传感器则保持在此之前的流速信号,使之能继续运算。
    
测量“点流速”的流速-水位流量计要引入点修正系数Kp,即实测点流速与流通截面积平均流速之比。图7和图8分别是矩形渠和圆形渠的点修正系数例,图中Yp是流速检测位置离渠床的高度,B为矩形渠宽幅,D为圆形渠内径,H为水深,n为渠壁粗糙度。
    流速-水位流量计的特点:
    1
) 渠道截面形状不限于矩形,圆形、倒梯形或U形均适用,流量范围度宽。
    2
) 水位离渠床距离从接近零到满位均能测量。暗渠即使达到满管,压力显著增加时还能测量。
    3
) 由于从流速和水位二个信号求取流量,即使在受背压状态下流动,也能测量;同样也可测逆向流(多普勒法流速计则应注意,因型号而异)。
    4
) 几乎不会发生固形物堆积现象。超声流速计和超声液位计不会阻碍流路,其他型式流速传感器和液位传感器尺寸亦相对较小,对流路阻碍也很小。
    5
) 对于已有渠道安装容易,不需改造渠道工程。
    6
) 易受来流流速分布影响,测量场所上下游要有足够长的直渠渠道。

34 潜水式电磁流量计
潜水式电磁流量计需在渠道中置一挡板截流,在挡板底部装上潜水电磁流量传感器,如图9所示。挡板截住渠道,迫使水流只能从流量传感器中流过,以较原来高的流速通向下游,从而抬高档板上游的水位,产生挡板上下游水位差h,此水位差的势能转变为流速υ的动能,即
3 式中 K-----系数;g-------重力加速度。
    潜水式电磁流量计工作时,液体流动状况属于淹没孔口流,孔口流出速度与孔口在自由表面下的沉没深度无关,仅取决于上下游的水位差。也就是说,流量测量值与流量传感器(或分流模型)安装位置无关,但要求尽可能低,使之运行过程中始终处于淹没流状态。
通过流量传感器的流速一般为2~3.5m/s, 上游抬高水位在100~300mm之间。
    
在流量较大而又不能用较大口径流量传感器时,为了避免水位差过大,可以用如图10所示分流模型来扩大流通能力。分流模型的流通通道形状尺寸与流量传感器完全一样。n个分流模型和一台传感器一起安装在挡板上并用,实际总流量即为传感器实测流量乘上(n+1)倍。不同流量和允许水位差条件下流量传感器口径和分流模型台数选配如表3所示。
    通过流量传感器的流速一般为2 ~3.5m/s,上游抬高水位在100~300mm之间。
    
在流量较大而又不能用较大口径流量传感器时,为了避免水位差过大,可以用如图10所示分流模型来扩大流通能力。分流模型的流通通道形状尺寸与流量传感器完全一样。n个分流模型和一台传感器一起安装在挡板上并用,实际总流量即为传感器实测流量乘上(n+1)倍。不同流量和允许水位差条件下流量传感器口径和分流模型台数选配如表3所示。
3 潜水式电磁流量传感器和分流模型选择
最大流量
/(m3/h)
10 50 100 200 300 500 800 1000 2000 5000
允许水位差/mm 可选流量传感器口径和分流模型台数/mm×n
500 50×1 100×1 100×1 100×3
200
×1
100×4
200
×1
200×2 200×3
400
×1
200×3
400
×1
200×6
400
×2
400×4
400 50×1 100×1 100×2 100×3
200
×1
100×4
200
×1
200×2 200×3
400
×1
200×3
400
×1
200×6
400
×2
400×4
300 50×1 100×1 100×2 100×3
200
×1
200×2 200×2 200×4
400
×1
200×4
400
×1
400×2 400×5
200 50×1 100×1 100×2 100×4
200
×1
200×2 200×3
400
×1
200×5
400
×2
200×5
400
×2
400×3 400×5
100 50×1 100×2 100×3
200
×1
200×2 200×2 200×3
400
×1
200×5
400
×2
200×6
400
×2
400×3 -
 
潜水式电磁流量计的特点:
    1
) 无活动件,可测量含有固体颗粒或悬浮体的液体。
    2
) 可使用于受潮水等形成下游侧水位变化的渠道。
    3
) 因设置挡板截流,测量与渠道形状和上游直渠道状况无关。
    4
) 水头损失比较大,流量传感器内必须保持满管流。
    5
) 挡板前会有一定程度固形物堆积,要定期清理。
 
    
  吹气式液位计如图12所示,将一根吹气管插入堰槽等上游水位测量位置的渠内,以略大于最大流量时水头的空气压力,连续以恒定流量60~100L/h)送入空气,吹出气泡,空气压力随水位而变,测得空气压力即可求的得水位。
本仪表安装简便,适用于较污脏液体。但需要铺设供气管道和日常供气气源,带来不便。
    
超声液位计是测量超声波从超声传感器(换能器)以一定的速度发射经气-液界面反射回到换能器的时间,以求取水位的液位计,称之气介式液位计,图5所示即为其使用安装例。用于明渠流量测量的超声液位计除气介式外,还有如图13所示在液体中传送超声波经液-气界面反射的液介式液位计,超声传感器置于水中。气介式为非接触液体测量,适用于有污浊物和腐蚀性液体,但液位存有泡沫等会影响液位测量值;液介式不适用于含有固相杂质的液体,但比气介式受温度变化影响小,超声波波长为气介式的1/5,分辨力和测量精度较高。
4. 选用考虑要点
 

41 概述

    
针对城市供水引水渠、工业引水和排水渠、污水治理渠道等流量测量特点,应考虑以下因素选择合适的测量方法。
    1
) 水路大小和形状,流速范围,最大流量和最小流量;
    2
) 测量精确度要求;
    3
) 流量计设置场所和环境条件;
    4
) 液体状况,洁净程度,含有固相浓度,腐蚀性;
    5
) 现场允许落差(或升高水位)和渠道坡度;
    6
) 与液体接触的仪表零部件材料;
    7
) 选用超声流速计和电磁流速计时要分别对液体浊度或电导率作调查,其要求可参照超声流量计和电磁流量计要求。  

42 估算渠道流量和抬高水位

    
对于新建单位可通过工艺流程计算渠道流量与拟安装位置,再选定仪表规格。对于老企业添置仪表要估计既有渠道流量和确认仪表上游允许升高水位;即确定流量仪表规格和流量范围,要取决于渠道峰流量和允许升高水位两个因素。
    
1)估计峰流量
    
通常有投浮子法和日排放量估算法两种方法。
    1
) 投浮子法 既有明渠可采用投浮子法测定和估算流量。选定在最大流量时,两人距离L(20~50m)立于直渠道旁,上游一人投放浮子(一般是木制圆片),下游一人在投放木片的瞬间启动计时,当浮子到达时停止计时,得时间t,求出渠道表面流速υ m/s(υ=L/t) 。再测出渠道流通截面积Am2,便可从式(5)估算流量Q
    7 式中 K---------修正系数,因表面流速大于平均流速,一般取0.84~0.90.
    2)
从日排放量Qd估算峰流量Qp 在没有条件用投浮子法或新建系统,可采用实际(或设计)的排放量来估计峰流量,估算公式如式(6)或(7
6
   
7
式中 Ku------不均匀系数,如为均匀连续排放,可取1.1~1.2
H -------
每天集中排放累计小时数,如为不均匀连续排放,则按集中排放小时计算。
    
2) 确定抬高水位
除流速-水位流量计和非满管电磁流量计外,渠道安装流量计后其上游均要抬高水位。对于新设计的渠系可按测量流量范围和周边环境条件全面考虑确定升高水位高度。对于现有渠道在选定流量计时,要考虑上游渠系水位抬高后的影响(如水位是否会漫溢出渠道),然后再按确定的水位升高高度和峰流量值选定仪表规格。

43 渠用流量仪表适用范围和性能比较

    
常用渠用流量仪表适用范围和性能比较归纳如表4
4 渠用流量仪表性能比较
测量方法 比较项目 堰法(薄壁堰) P槽法 PB槽法 流速-水位法 潜水电磁法
适用渠道
类型
明渠 明渠 圆形暗渠 明渠、暗渠 明渠、暗渠
流量检测
结构特征
渠道要截流,检测件结构简单 渠道一段要装入槽,检测件结构较复杂 渠道一段要装入槽,检测件结构较复杂 不必改动渠道,流量检测要用流速计 渠道要截流,检测件为本体,分流模型扩大流量
检测仪表 液位计 液位计 液位计 流速计+液位计 本仪表直接测量
渠宽、喉宽或口径 渠宽:
450-8000
喉宽:25-240
(15200)
口径:150-1800
(3000)
渠宽:300-1000
口径:300-500
口径:500-400
(600)
流量或流速范围 15-40000m3/h
三角堰 小流量
矩形堰 中流量
等宽堰 大流量
30-15000
(33000)m3/h
20-12000
(4200)m3/h
流速:0-20m/s 10-5000m3/h
测量精确度误差/(%FS) 1-3 3-5 3-5 3-5 单独传感器:1.5
带分流模型:2.5
流量范围度 (10-20):1 (20-30):1 (20-30):1 (20-100):1 10:1
抬高水位/mm 200(120)-80 75-200 口径的
(1/20-1/30)
100-500
上游侧固态物是否沉积和排泄程度 会沉积,不会排泄,要定期清除 不会沉积,随物排泄 不会沉积,随流排泄 不会沉积,随流排泄 会沉积,能部分随流排泄
上游直渠段长度要求/mm 1500-24000(其中整流流部690-12000) 300-20000 上游侧:≥(5-10)倍的口径
下游侧:≥2倍口径
上游侧:≥(10-15)倍渠道(或口径)
下游侧:≥5倍渠宽(或口径)
 
对液体的
要求
无特殊要求 无特殊要求 无特殊要求 传播时间法超声流速计;浊度≤5000mg/L多普勒法超声流速计:浊度60-5000mg/L 液体导电率≥10-4s/cm测量废水、下水不存在问题
    各类仪表的特点前文已有所论述,现在做综合比较。
    1
)水头损失或上游侧抬高水位 流速-水位法没有因测量带来水头损失,其余几种方法渠道均要被截流或装入一段流量检测件段,抬高上游水位。潜水电磁流量计由于可装分流模型,升高水位可比较灵活地选择。
    2
) 安装方便性 流量检测件本身和安装以槽最为复杂,堰和潜水电磁流量传感器相对简单。
    
对已有渠道改造,安装流量检测件时挖掘工程量大,特别是暗渠要设置检查井(阴井),往往成为否定选用方案的原因。
    
除潜水电磁法外,其他各类方法均有直渠道要求,这给选择测量点位置带来许多制约条件。
5、 安装注意事项
 
    本节仅就堰式、槽式和流速-水位式流量检测件的安装要求做些说明,各种液位计、压力传感器和潜水电磁流量传感器则参阅有关资料。

51 堰式流量计

    
堰板上游水路要设置整流段、整流装置段和导流段,尺寸要求如图14所示。若不设置整流装置,则整流段的长度L1应为渠宽(B10倍以上。
画图
14 堰上游整流装置水路
    
导流段的储水容量应尽可能大,导流段的宽度和深度可以比整流段大些,导流段的侧壁高度应比整流段侧壁高些,以防止水位上涨溢出。整流装置段的宽度和整流段相等,侧壁高度则与导流段相等。
    
整流段底部水平面要求与侧面垂直,充满水后不变形;轴线应为直线,宽度要大体一致。
画图
15堰板安装位置
    
堰板应按图15所示垂直安装在支板上游侧面,为防止下游侧支板干扰水舌正确流动,支板必须低于堰口与水平线向下成450角的平面以下。
画图
16 下游侧水面影响

    
为防止下游侧水面影响,堰板下游水位应低于零水位(即堰缺口)150mm,如图16所示。若下游水位上升要影响自然落下的水流,就不能准确测量流量。因此要事先调查下游侧水位。
    
须为清除堰板上游堆积物提供条件。用于下水道或污水排放时,液体中沉淀物堆积改变尺寸D(见图14)从而影响流量系数,且堵塞整流装置,破坏正常流速分布,因此须为清除堆积物提供条件。

52 P槽流量计

    
流入侧水路的流速分布要影响测量精度,因此要注意以下各点。
    1
) 要有一段截面积不变的直渠道。在急弯道或与支路汇合产生局部混合流动时,至少要有5~10倍喉宽长度的直渠道,尽可能更长些。
    2
) 渠道与槽本体连接部位底平面要有14斜率,侧壁要有曲率半径为2倍以上最大流量水位高度的曲面,或与中心线成450倾斜的平面。
    3
) 如渠道某处产生水力学水跃现象时,槽体应远离该处,至少应装在有30倍最大流量水位高度距离的下游。
    4
) 为改善流动条件,可在水位测量点上游10倍最大流量水位高度的距离设置整流板。
    5
) 设置槽体后渠道上游水位升高,注意防止水溢出渠道,必要时按现场条件挖深渠道或加高渠侧壁。
    
流出侧水路要注意勿使其产生淹没流或逆向流,注意清除堆积物。
    
槽本体内流动状态要注意以下两点。
    1
) 喉道处的流动必须是临界流。为满足喉道段水位hb和收缩部水位ha的比值(即淹没比)符合规定直,槽顶要有一定高度。并且停止流动时流出端水位不超过槽顶。
    2
) 要检查和确认安装后状态和尺寸;
  
• 收缩部底面(即槽顶)的水平;
    
• 喉道两侧平行度和垂直度;
    
• 渠道中心线和槽本体流动方向中心的一致性。
    
液位计安装要注意以下各点;
    1
) 直线测量 水位测量位置应在槽本体中心线和导水口垂直交点,安装时液位计应尽量接近该点。
    2
) 间接测量 间接测量需设静水井和导水管,应注意以下事项:
    
• 静水井应尽可能靠近槽本体垂直安装,静水井底部应低于槽顶;
    
• 为清除静水井底部沉积物,应设排污阀和冲洗用水管;
    
• 导水管内径原则上为20~50mm,导水管距离较长时应选择较大内径。
    3
) 零点设置 液位计的零点应以槽顶为设定零点。

53 PB槽流量计

    PB
槽流量计安装在圆形暗渠检查井内时。安装和维护应注意以下事项。
    1
) 下井安装时要充分考虑缺氧和有害气体,采取必要措施。
    2
) 安装槽本体时喉部槽顶(即底面)要保持水平位置,倾斜安装会影响测量精度;
    3
) 上游侧至少要有5~10倍槽名义口径的直管段。
    4
) 若下游侧有阻碍物或涨落潮会形成逆流时,PB槽槽顶高度应高于下游侧水位高度。
    5
) 槽体和暗管连接处用环氧系材料等充填,勿使泄漏。
    6
) 若槽进口部有砂土等固形物堆积时,应及时清理。

54 流速-水位流量计计

    
5所示为传播时间法超声流速计和超声液位计组成的流速-水位流量计按装例。流速传感器的检测位置通常离渠底距离为0.1BB为槽宽)。流量计安装位置应避免选择在临近流速分布扰动源的下游,要求有足够长度直渠段。
 
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