流量槽測量技術(shù)介紹

使用堰測量明渠流量一般含有雜物的液流時(shí)，在堰的上游側容易出現沉淀和淤積，而且液流在經(jīng)過(guò)堰時(shí)的流動(dòng)損失也比較大，所以在平坦的明渠流量測量和工廠(chǎng)排水的流量測量方面，流量槽的使用要比堰更廣泛。

如果使明渠的一部分收縮，那么液流經(jīng)過(guò)收縮節流處時(shí)，流速增大，同時(shí)液流液位下降，測量這個(gè)液位的下降量就可以求得流量，這種測量流量的裝置一般叫做文丘利水槽。水路的收縮節流方式有很多種，有的僅在側壁收縮，有的使水路底部隆起節流，也有兩者都采用的，由此產(chǎn)生了各種形狀的流量槽，應用得最廣泛的是巴歇爾水槽（P槽）和帕爾默一一一玻魯斯水槽（P-B槽）。

 

2 一般文丘里水槽的測量原理

 

文丘里水槽的形狀和文丘里管相似，測量原理也有類(lèi)似之處。在文丘里管測量流量時(shí)，管路中是充滿(mǎn)著(zhù)流體的，節流部分的壓力能變成了流速能，由此將產(chǎn)生壓力差，測量節流前后的壓力差可以計算出流量。而在文丘里水槽測量流量時(shí)，水路中是不滿(mǎn)水的，在這里節流使液位能變成了流速能，因而是通過(guò)測量節流產(chǎn)生的液位變化來(lái)計算流量。

如圖12-18所示的是截面為矩形的明渠渠道中設置的喉口截面同樣為矩形的文丘里水槽，取明渠的底面為基準面，對流經(jīng)文丘里水槽的液流在截面1和截面2應用伯努利方程，可得下式

式中Eg是比能量（單位質(zhì)量的水具有的總能量）；g是重力加速度；u₁、u₂和h1、h_z分別是截面1和截面2處液流速度及液位，t是水路底部隆起的高度。

 

在液流截面1和截面2處的截面積為A1和A2。將上式整理可得下述求流量的公式

所以，液流的流量為

由于A(yíng)₁=h₁B₁，A₂=h₂B₂，并且考慮到實(shí)際流體的粘滯力和表面張力等因素的影響用流量系數C_e對上式進(jìn)行修正，得

用式（12-42）求流量，必須同時(shí)測量h₁和h₂兩個(gè)參數，比較麻煩，而且由于下游側的液位會(huì )影響上游側液位，所以測量的精度不高。

一般而言，在坡度平緩的水路中，自然流動(dòng)的液流流速緩慢，而經(jīng)水面傳播的波的速度比液流的流速快，這種液流稱(chēng)穩定流。這種液流在經(jīng)過(guò)文丘里水槽時(shí)，被流的變化會(huì )產(chǎn)生波，向上游側傳播到很遠的地方，從而對上游側的液位產(chǎn)生影響。如果水路的坡度很陡，液流的流速比波的傳播速度快，這種液流稱(chēng)射流，射流在經(jīng)過(guò)水槽時(shí)，波無(wú)法向上游側傳播，就不會(huì )對上游的液位造成影響。也就是說(shuō)，如果，若使液流流經(jīng)文丘里水槽喉管的流速增加，使穩定流變成射流，這時(shí)，只要測量上游側的液位h₁就可以求流量q_v。

液流從穩定流變?yōu)樯淞鲿r(shí)的流動(dòng)叫做臨界流，臨界流處的水深叫做臨界水深。根據流體力學(xué)，矩形截面的水路中發(fā)生臨界流的條件為

式中，u_c是臨界流時(shí)的流速；它與波的傳播速度相等；h_c是臨界水深；g是重力加速度。

若臨界水深處的液流截面積為A_c，則得

臨界液流發(fā)生在截面2處的話(huà)，A_c=h_cB_c，取流量系數為Cc可得

根據式（12-45），流量q_v可根據臨界水深h_c求得。設法使液流在喉管處產(chǎn)生臨界流，并據此測量流量的槽叫做臨界流水槽。

可是，在大多數情況下，液流在流經(jīng)文丘里水槽時(shí)，發(fā)生臨界流的位置是隨著(zhù)液流的各種因素的變化而變化的，因此正確測定臨界水深是很困難的。但是如果我們可以保證在文丘里水槽喉管的某一位置必然發(fā)生臨界流的話(huà)，就可以由式（12-39）和式02-43）得到

如果水路的截面形狀固定，在式（12-47）右邊的幾個(gè)變量h_c、u₁和流量q_v之間有一定的函數關(guān)系，這樣h₁也是q_v的函數，所以式（12-47）又可表示為

這就是說(shuō)，在喉管發(fā)生了臨界流的文丘里水槽中，只要測定了上游側的液位h₁，就可以求得流量q_v。

雖然式（12-48）理論上可以求解，但在實(shí)際的水路中，對各種形狀的文丘里水槽，根據上游液位計算得到的流量的理論值與實(shí)測值有較大的偏差。因此，在實(shí)際文丘里水槽應用中使用的都是實(shí)驗關(guān)聯(lián)式。在IS01438-75標準中，對于矩形截面的文丘里水槽，給出了如下的實(shí)驗關(guān)聯(lián)式

上式中，C_u是取決于上游接近流速的流速系數，C_e是取決于摩擦和渦的流量系數，b是喉管的寬度，h₁是文丘里水槽上游側的測量液位。

將式（12-47）變形，代入式（12-45）可以得到臨界液位和測量液位之間的關(guān)系式

式中，h=h₁-t

C_u可由計算求得，比1稍大。C_e比1稍小。在IS01438中兩者都作為喉管和水路的各尺寸與液位的函數以表的形式給出。

 

3 巴歇爾水槽

 

1915年美國的V.M.Cone開(kāi)始對文丘里水槽進(jìn)行實(shí)驗研究，1922年美國的R.L.Parshall對最初的文丘里水槽進(jìn)行了很大的改進(jìn)，研究并且制造出了巴歇爾水槽。巴歇爾水槽的結構復雜，尺寸要求精確，造價(jià)要比堰高很多，但是具有流動(dòng)損失小，只有堰的四分之一，在測量農業(yè)用水、工業(yè)用水和上下水的流量測量方面得到了廣泛的應用，已經(jīng)形成一系列的標準，其制造材料也由金屬變?yōu)榛炷�土，又變�(yōu)椴Ａт摵托滦秃铣刹牧稀?/p>

1.巴歇爾水槽的構造

巴歇爾水槽的形狀如圖12-19所示。它是由三部分構成的：

喉道上游具有水平底面的均勻收縮段，具有下降坡度底面、側面寬度狹窄且互相平行的喉道段和喉道下游具有上升坡度底面的均勻擴散段，此外還有和水槽相連接的測量液位的小井。根據喉道的寬度，可以把巴歇爾水槽分為三種類(lèi)型：小型槽（W=0.075m、0.152m、0.228m）；標準型槽（W=0.25-2.40m）和大型槽（W=3.05-15.24m）。常用標準系列巴歇爾水槽的各部分尺寸如表12-3所示。

巴歇爾水槽的側壁全是與水平面垂直的，而且喉管部的兩側壁是相互平行的。收縮段底面和喉管部底面相交處叫做堰口。上游的水路的側面和槽的收縮段的側面是成弧形的光滑連接，或是45°角的直線(xiàn)連接。應該指出，各種不同尺寸的巴歇爾水槽的尺寸形狀并不完全是呈幾何相似，應按表中提供的標準制造。

流入水槽的液流在堰口部收縮加速，通過(guò)堰口時(shí)成為臨界流。因此和文丘里水槽一樣，測量上游側液位，就可以計算出流量。巴歇爾水槽的液位測量點(diǎn)在收縮段的入口二分之一處，這種水槽即使在下游側的液位相當高時(shí)也可以正確測量。

2.巴歇爾水槽中液位和流量的關(guān)系

嚴格地說(shuō)，巴歇爾水槽也是文丘利水槽的一種，所以巴歇爾水槽流量的理論計算公式和式（12-32）相同

式中，C_v是取決于上游接近流速的流速系數；C_e是取決于摩擦和渦流的系數；b是喉道，即圖12-19中W，（m）；h是巴歇爾水槽上游側的測量液位（m）。標準巴歇爾水槽的流量測量可以使用如下經(jīng)驗公式

q_v=0.372b(3.28h)^{1.559b 0.026} (12-52)

另外，圖12-20也給出了各種巴歇爾水槽的液位和流量的關(guān)系，我們還可以根據所測量的液位從圖中查出相應的流量。

3.巴歇爾水槽的安裝

巴歇爾水槽應安裝在明渠水路底面上，但要注意避免因位置太高而導致上下游落差太大或上游水面溢出；槽的中心線(xiàn)和明渠中心線(xiàn)重合；在巴歇爾水槽的上、下游應各不小于5倍于明渠寬度的直渠道。

4.巴歇爾水槽的尺寸選擇和測量精度

從圖12-20中我們可以看到，能夠測量同一流量的巴歇爾水槽有幾種，這就有一個(gè)如何根據實(shí)際需要選擇合適的型號的問(wèn)題。如果選用的量水槽太大，不僅價(jià)格昂貴，需要把水路拓得很寬，而且液位變化很小，測量精度較低；而如果選用量水槽太小，液流的流動(dòng)損失太大，上游側的液流有可能溢出。因此，選擇量水槽時(shí)，首先要使所選的量水槽在所測量的流量為最大值時(shí)的落差為該水路容許的流動(dòng)損失的兩倍左右，而且應使整個(gè)被測流量范圍內，水槽液位的變化范圍為100mm以下。

巴歇爾水槽測流量的精度和水槽的選擇、安裝以及其它測量條件等許多因素有關(guān)，從大多數的實(shí)驗數據來(lái)看，一般整個(gè)巴歇爾水槽測量系統的測量精度為3-5%左右。

5.淹沒(méi)流條件下的流量測量

前面介紹的巴歇爾水槽的流量計算是在自由流條件下使用的，這時(shí)流量由測量液位和水槽的型號尺寸決定。但是在水路中滿(mǎn)水而流動(dòng)無(wú)法產(chǎn)生足夠的上下游液位差時(shí)，或受到潮水漲落的影響使下游側的液位產(chǎn)生大幅度地變化時(shí)，就不得不在淹沒(méi)流條件下測量。

對于巴歇爾水槽而言，下游側的液位上升會(huì )使流經(jīng)量水槽的液流流量減少，當上下游的液位差小于一定值時(shí)，上游側的液位就會(huì )受到下游的液位變化的影響。我們將測量液位不受下游影響的流動(dòng)叫做自由流，受下游影響的流動(dòng)叫做淹沒(méi)流。下游水頭h_b和上游側液位h之比稱(chēng)為淹沒(méi)比σ=h_b/h。

標準巴歇爾水槽淹沒(méi)流流量q_vs可以按下式計算

式中q_v是自由流動(dòng)狀態(tài)下的流量；q_ve是淹沒(méi)流折減流量。

圖12-21給出了淹沒(méi)條件下游量計算過(guò)程。經(jīng)過(guò)修正的流量測量結果雖然比自由流下條件下的測量精度低，但還是能夠淹沒(méi)流條件下測量流量。

 

4 帕爾默?玻魯斯水槽（P-B槽）

 

大多數城市和工業(yè)污水的排放使用的是地下非滿(mǎn)水的管道，這種流動(dòng)和明渠的流體流動(dòng)非常相似，因此也可以看作是另一類(lèi)明渠。巴歇爾水槽是用于矩形截面的明渠流量測量的，對于大多數的圓形管道，比如埋在地下的下水管道來(lái)說(shuō)，使用就十分困難。美國的帕爾默和玻魯斯于1936年研制了適用于圓形管道的P-B槽，得到了廣泛應用。

如圖12-22所示，P- B槽其喉管段截面形狀一般是梯形，其流量測量的原理和前面介紹的文丘利水槽和巴歇爾水槽一樣，都將管道截流，使流體的流動(dòng)在喉管段產(chǎn)生臨界流，P-B槽上游液位和流量有一定的函數關(guān)系，測量P-B槽上游側液位(水頭)，就能夠計算出流經(jīng)P-B槽的流量。P-B槽的構造見(jiàn)圖12-23，P-B槽的尺寸見(jiàn)圖12-24，常用P-B槽的結構尺寸與可測量的最大流量見(jiàn)表12-4。

常用的P-B槽流量可以查圖12-25，也可以用如下經(jīng)驗公式計算：

式中，h是P-B槽上游的測量水頭；K是由管徑確定的常數。P-B槽的流動(dòng)損失很小，在通常情況下，使用這個(gè)公式計算流量的誤差在2%以?xún)取?/p>

P-B槽測量的是地下非滿(mǎn)水管道的流量，所以它安裝在探井里，安裝P-B槽的管道，其坡度應在2/100以下，上游側直管段長(cháng)度應為管徑的十倍以上，下游側不應有負坡度和閘閥。

P-B槽的液位測量有多種方法，但在以下水道、工業(yè)排水為測量對象，在地下探井條件下，超聲波液位計最適用，超聲波液位計可以作防水設計，即使被水淹沒(méi)后也能使用。

P-B槽的系統測量精度為3%。