基于明渠超聲波流量計的污水流量監測數據準確度的技術(shù)分析

0 引言

隨著(zhù)環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴重，我國對建立環(huán)境管理體系，加大環(huán)境監測力度提出了更高要求。目前，國內重點(diǎn)排污企業(yè)均安裝了污水自動(dòng)監測系統，保證污水排放的數據能夠實(shí)時(shí)上傳至市、省環(huán)境監測部門(mén)和國家環(huán)保主管部門(mén)。為了保證上傳數據的有效性，國家環(huán)保部發(fā)布了HJ/T355－2007《水污染源在線(xiàn)監測系統運行與考核技術(shù)規范》和HJ/T356－2007《水污染源在線(xiàn)監測數據有效性判別技術(shù)規范》等規范性文件。這些文件對有關(guān)水質(zhì)的監測數據（如化學(xué)需氧量CODcr、氨氮NH3－N、總磷TP、pH值）等，詳細規定了試驗項目和數據要求，但對如何保證水量的流量監測數據的準確，卻沒(méi)做要求。

隨著(zhù)主要污染物總量減排監測要求的提出，這種情況日益被發(fā)現和重視。2013年底環(huán)境監測部門(mén)已有人提出關(guān)于污水流量監測質(zhì)量監督檢查的技術(shù)和方法。但從流量計量專(zhuān)業(yè)的角度來(lái)看，環(huán)監部門(mén)提出的方法僅對相關(guān)計量檢定規程項目進(jìn)行了簡(jiǎn)化和重組，并沒(méi)有進(jìn)行深入的計量技術(shù)分析，無(wú)法保證現場(chǎng)流量數據的準確度。而本文則根據現場(chǎng)檢定明渠污水流量計的大量樣本數據，做出了一定的研究分析，為進(jìn)一步準確實(shí)現污水流量在線(xiàn)監測打下了一定的基礎。

1 污水流量測量

1.1 原理及組成

由于排污口標準化和視頻監控的需要，污水流量自動(dòng)監測系統以堰槽式明渠流量計為流量計量的主要方式。堰槽式明渠流量計的原理是在明渠中設置標準量水堰槽（如巴歇爾量水槽和矩形薄壁堰等），并按規定位置測量水位，則流過(guò)堰槽的流量與水位呈單值關(guān)系，根據相應流量公式或經(jīng)驗關(guān)系式，將測出的水位值換算成流量值。流量計由標準量水堰槽和液位流量轉換儀表（二次儀表）所組成。如圖1所示。

圖1 堰槽式明渠流量計系統示意圖

據統計，本次試驗污水流量自動(dòng)監測系統共計338臺堰槽式明渠流量計。其中，巴歇爾槽式占68.2%，矩形薄壁堰占14.5%，其他堰槽類(lèi)型占17.3%，本文以標準巴歇爾槽明渠流量計為例進(jìn)行分析。

1.2 標準巴歇爾槽明渠流量計算的數學(xué)模型

標準巴歇爾槽流量Q按下式計算：

    （1）

式中：C為流量系數；b為喉道寬度，m；ha為實(shí)測液位，m。

由標準巴歇爾槽明渠流量計的基本原理和流量計算公式可知，流量測量的準確度直接依賴(lài)于流量系數C的準確度、喉道寬度測量的準確度和實(shí)測液位的準確度。其中，實(shí)測液位的準確度評估又包含三個(gè)因素的影響：液位計測量的準確度、測量液位計零點(diǎn)的儀器的測量準確度和液面的擾動(dòng)情況。

2 現場(chǎng)流量測量準確度的影響因素

通過(guò)上述分析，我們可以總結出基于明渠流量計的污水在線(xiàn)監測系統中，影響流量測量準確度的主要因素有以下幾個(gè)方面：

1）堰槽的類(lèi)型，主要確定流量系數的測量準確度；

2）實(shí)測液位的準確度，主要取決于液位計測量的準確度和測量液位計零點(diǎn)的儀器的測量準確度；

3）液位測量的重復性，由液面的擾動(dòng)或平穩程度決定，主要影響多次液位測量讀數的平均值的測量準確度；

4）堰槽的幾何尺寸，主要取決于喉道寬度（或其他堰槽中的板、槽尺寸）的測量?jì)x器的準確度；

5）水位－流量轉換誤差，由流量計二次儀表的軟件產(chǎn)生。由于各種堰槽明渠流量計的流量計算公式涉及多個(gè)參數，流量計生產(chǎn)廠(chǎng)家在軟件系統進(jìn)行換算時(shí)，各個(gè)參數根據不同的設計尺寸范圍以數據庫函數的方式進(jìn)行存儲，由于存儲空間的限制造成無(wú)法足夠精確的設置參數，因此造成流量計顯示值的誤差。

2.1 堰槽的類(lèi)型

明渠流量計在進(jìn)行堰槽選擇時(shí)，現場(chǎng)主要考慮流量范圍和設計施工難度等因素。根據國家計量檢定規程JJG771－1990《明渠堰槽流量計試行檢定規程》和各種類(lèi)型堰槽的相關(guān)ISO國際標準，幾種常用堰槽的流量范圍和流量系數所引入的測量誤差如表1所示。

表1 幾種常用堰槽的參數表

通過(guò)表1可知，幾種堰槽的流量系數所引入的測量誤差相差不大，各種堰槽類(lèi)型在技術(shù)上并無(wú)高下之分。在綜合考慮流量適用范圍和現場(chǎng)設計施工難度后，巴歇爾槽和薄壁堰具有一定的優(yōu)勢。兩者相比，薄壁堰的優(yōu)點(diǎn)是制作方便，安裝簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是水頭損失較大，污水中的泥沙和懸浮物容易在堰前沉積使水位提高而影響測量的準確度。巴歇爾槽的優(yōu)點(diǎn)是測量范圍寬，水頭損失小，污水中懸浮物不易沉積，但加工和安裝較為復雜。

2.2 液位測量的準確度

明渠流量計中的實(shí)際液位測量涉及液位計零點(diǎn)（即液位零點(diǎn)）和液位計測量精度等兩個(gè)方面，早期的浮子式液位計由于測量精度太低已經(jīng)被淘汰，壓力式液位計由于易受污水腐蝕和沉積物覆蓋影響也較少使用，現在主要使用超聲波液位計。超聲波測液位為非接觸式測量，可以不受液體性質(zhì)的影響，但液體表面浮沫和固體漂浮物較多時(shí)也會(huì )受到影響。

本次試驗的明渠流量計全部采用的超聲波液位計，廠(chǎng)家標稱(chēng)的測量精度為不大于3mm，滿(mǎn)足環(huán)保行業(yè)標準HJ/T15－2007《環(huán)境保護產(chǎn)品技術(shù)要求超聲波明渠污水流量計》中對液位測量誤差的要求。但實(shí)際測量結果卻相差很大，具體數據如圖2所示。

圖2 液位測量結果圖

試驗發(fā)現，現場(chǎng)使用的超聲波液位計問(wèn)題很多。零點(diǎn)不準的原因主要在于液位計安裝時(shí)沒(méi)有做好零點(diǎn)的設置和校準。水位超差的原因一部分在于液位計安裝后沒(méi)有做好現場(chǎng)校準，另一部分在于液位計使用過(guò)程中傳感器探頭老化，測量精度不達標。

2.3 液位測量的重復性

明渠流量計液位測量的重復性主要取決于液面的穩定程度。液面平穩時(shí)，液位測量的重復性就容易達標；反之，水流不平穩，有大量漩渦、波浪、泡沫時(shí)，液位測量的重復性就不滿(mǎn)足要求。具體情況如圖3所示。

圖3 現場(chǎng)實(shí)測水面情況圖

上述水流不平穩的情況，主要原因是明渠流量計安裝位置前端的行進(jìn)渠道長(cháng)度不滿(mǎn)足要求。根據規程要求，巴歇爾槽的安裝條件為前端順直行進(jìn)渠道長(cháng)度應不小于5倍的行進(jìn)渠道寬度，而薄壁堰則要求為10倍。很多用戶(hù)受現場(chǎng)環(huán)境條件的限制，無(wú)法建造足夠長(cháng)度的行進(jìn)渠道進(jìn)行整流，造成流量計處的流場(chǎng)條件十分惡劣，無(wú)法滿(mǎn)足明渠流量計的正常使用。

針對這種情況，有兩種方式可以進(jìn)行改善。一種方式為：在流量計的前端增加整流格柵，減小水流的波動(dòng)，但通過(guò)現場(chǎng)試驗觀(guān)察，效果有限；另一種方式為：在渠道旁邊設置一靜水井，由連通管與渠道水流相通，靜水井底應低于渠道中最低水位150mm，連通管管底距井底至少300mm，靜水井頂面應大于預計最高水位300mm，這樣靜水井內的水位與渠道中水位相同，把渠道中的漩渦和水流的脈動(dòng)進(jìn)行了隔離，同時(shí)也能大大減少水面的泡沫�，F場(chǎng)試驗驗證，這種方式能夠有效改善液面不穩的情況，保證液位測量的重復性要求。

2.4 堰槽的幾何尺寸

堰槽幾何尺寸的誤差對測量結果準確度的影響主要有兩個(gè)方面：一是改變了流量計算的數學(xué)模型，造成流量計二次儀表計算的顯示值產(chǎn)生誤差，這種影響我們通過(guò)兩個(gè)實(shí)例可以看到。由表2可以看出，堰槽幾何尺寸誤差的增大可以造成流量測量誤差的增大，且影響量不斷遞增；二是影響到了水流經(jīng)過(guò)堰槽時(shí)的水位，從而對液位的測量產(chǎn)生附加誤差。

表2 堰槽幾何尺寸的誤差對流量測量準確度的影響量       %

造成堰槽幾何尺寸誤差的原因有三點(diǎn)：一是制造精度問(wèn)題，一些企業(yè)為了節省成本，自己加工堰板和槽體，由于條件所限無(wú)法保證加工精度，造成堰槽的實(shí)物與設計尺寸產(chǎn)生誤差；二是安裝技術(shù)問(wèn)題，一些流量計的堰板和槽體在安裝過(guò)程中，由于施工者的操作因素造成安裝尺寸誤差，或是施工經(jīng)驗和溫度原因影響，造成堰板和槽體受渠壁擠壓產(chǎn)生形變；三是用戶(hù)主觀(guān)因素，一些企業(yè)為了省事，在已建好的不規則的渠道中安裝明渠流量計，為了適應渠道，只能將標準的堰板或槽體進(jìn)行改造，造成幾何尺寸的偏差。

2.5 水位－流量轉換誤差

水位－流量轉換誤差直接影響流量計的顯示值，其產(chǎn)生的主要原因為：明渠流量計通過(guò)液位傳感器得到的是原始信號為液位信號，需通過(guò)二次儀表把液位信號轉換為流量值。由于明渠流量計的數學(xué)模型都比較復雜，儀表一般使用查表法把液位轉換成流量。即每測到一個(gè)液位，到存儲器內找對應液位點(diǎn)的流量替代。如果測到的液位在水位流量表中兩點(diǎn)液位之間，用線(xiàn)性插值法算出對應的流量。因此，設置水位－流量表的點(diǎn)數越多，轉換精度越高。

通過(guò)現場(chǎng)試驗，取兩個(gè)主要廠(chǎng)家軟件數據庫內的水位－流量表進(jìn)行驗證，具體數據如圖4所示。

圖4 廠(chǎng)家設置水位－流量轉換誤差比較圖

通過(guò)圖4可以看出：廠(chǎng)家一的軟件設置為30點(diǎn)對照，且液位點(diǎn)均勻分布，而廠(chǎng)家二設置為10點(diǎn)，不均勻分布，則廠(chǎng)家一顯示的水位流量轉換誤差明顯小于廠(chǎng)家二。

3 結論

污水流量監測數據的準確度，受到多方面因素的影響，在配套設施方面，需要保證行進(jìn)渠道的長(cháng)度，正確設立靜水井。在一次元件方面，需選擇合適的堰槽類(lèi)型，堰槽尺寸保證一定的加工精度，液位傳感器滿(mǎn)足相應精度要求；在二次儀表方面，需要正確的進(jìn)行軟件數據庫的設計，通過(guò)這些才能保證流量監測數據的準確有效。

通過(guò)上述分析，我們看到實(shí)現污水流量監測的堰槽式明渠流量計，不僅僅是一個(gè)計量器具，而且作為一個(gè)計量系統牽涉到選型、設計、加工、建筑、安裝、調試和設置，一旦建造成型，出現誤差后很難從根本上進(jìn)行糾正，并且在現場(chǎng)受到各種環(huán)境條件的影響，使用中需要經(jīng)常維護。因此，作為強制檢定的涉及環(huán)境保護的計量器具，我們計量部門(mén)不僅要按時(shí)周期檢定，更應該積極參與到環(huán)境監測部門(mén)對自動(dòng)監測設備驗收和日常核查等技術(shù)文件的制定中，從而保證環(huán)境監測數據的真實(shí)、準確和有效，為實(shí)現環(huán)境保護，減少污染做出應有的貢獻。