水污染源在線(xiàn)明渠超聲波流量計對比確認方法的探討

　　0　引言

　　隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展,水污染源流量測量逐漸由不定期瞬時(shí)監測轉變?yōu)檫B續在線(xiàn)監測,與其他污染物(如,CODCr,NH3-N)在線(xiàn)監測儀器相配套,滿(mǎn)足了國家對排污源主要污染物總量控制的要求。目前,廣泛使用、方便、準確可靠的污水排放計量手段是非接觸測量方式的超聲波明渠流量計。超聲波的特征是頻率高、波長(cháng)短、衍射現象小、方向性好、在液體和固體中衰減小、穿透率大、遇到雜質(zhì)或分界面有顯著(zhù)的反射[1]。根據計量要求,對污水排放企業(yè)安裝的在線(xiàn)設備必須進(jìn)行對比監測。完成該項工作的單位主要為省、市級環(huán)境保護監測站,且以市級環(huán)境監測站為主。對于污染物在線(xiàn)監測設備的對比,一般采集平行樣,1個(gè)樣品在線(xiàn)儀器分析,另1個(gè)樣品送到化驗室分析,然后進(jìn)行2個(gè)數據對比,確定污染物在線(xiàn)監測設備是否合格。對于流量的監測目前還比較困難,因為大部分市級站的流量計是旋槳轉子流量計,與超聲波流量計配套的主要是溢流堰或槽,這些堰或槽不具備轉子流量計測量條件。因此,必須采用全新的思路對明渠超聲波在線(xiàn)流量?jì)x進(jìn)行比對。筆者是通過(guò)確認明渠超聲波流量計是否正確安裝,對應水頭高度與相應的流量是否吻合來(lái)比對確認在線(xiàn)超聲波明渠流量計的。

　　1　比對測量的原理

　　目前,運城市排污企業(yè)安裝的超聲波流量計主要是北京九波聲迪科技有限公司生產(chǎn)的WL-1A型超聲波明渠流量計,常用的量水堰槽有直角三角堰、矩形堰和巴歇爾槽(見(jiàn)圖1)。其中,大部分企業(yè)安裝的是巴歇爾槽,只有極少數企業(yè)安裝的是三角堰、矩形堰。巴歇爾槽的水位—流量關(guān)系由實(shí)驗室標定,且對于上游行進(jìn)渠槽條件要求較弱。由于三角堰和矩形堰的水位—流量關(guān)系來(lái)源于理論計算,因此容易忽略一些使用條件帶來(lái)附加誤差。

　　WL-1A儀表直接測量的物理量是液位。用于明渠測流量時(shí),在明渠上安裝量水堰槽。量水堰槽把明渠內流量的大小轉成液位的高低。儀表測量量水堰槽內的水位,再按相應量水堰槽的水位—流量關(guān)系反算出流量。

　　1.1　測量水堰槽測流量的原理

　　渠內的流量越大,液位越高;流量越小,液位越低(見(jiàn)圖2)。

　　一般渠道,液位與流量沒(méi)有確定的對應關(guān)系,因為同樣的水深,流量的大小還與渠道的橫截面積、坡度、粗糙度有關(guān)。在渠道內安裝測量的水堰槽,由于堰的缺口或槽的縮口橫截面積比渠道的小,所以渠道上游水位與流量的對應關(guān)系主要取決于堰槽的幾何尺寸。同樣的測量水堰槽放在不同的渠道上,相同的液位對應相同的流量。量水堰槽的作用就是把流量轉成液位。量水堰槽的水位—流量關(guān)系可以從JJG 711—90明渠堰槽流量計中查到。

　　1.2　超聲波測液位的原理

　　超聲波測液位采原則見(jiàn)圖3。

　　超聲波測液位采用超聲波回聲測距法,探頭固定安裝在量水堰槽水位觀(guān)測點(diǎn)的上方,對準水面發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)過(guò)t1時(shí)間,走過(guò)E1距離,碰到校正棒。一部分超聲波能量被校正棒反射,并被探頭接收(儀表在顯示器上“校波”的指示位置出現“▲”提示符)。儀表記錄這段時(shí)長(cháng)t1。超聲波的另一部分能量繞過(guò)校正棒,經(jīng)過(guò)t2時(shí)到達水面。這部分能量被水面反射后,被探頭接收(儀表在顯示器上“回波”的指示位置出現“▲”提示符)。儀表記下這段時(shí)長(cháng)t2。校正棒的長(cháng)度E1是固定的。儀表根據t1與t2的比例,再乘以E1,求出水面到探頭的距離D。

　　根據北京九波生迪科技有限公司編寫(xiě)的《WLA-1A型超聲波明渠流量計使用說(shuō)明書(shū)(2007)》安裝儀表時(shí),通過(guò)按鍵已向儀表的存儲器內設置了探頭(法蘭盤(pán)位置)到水位等于0的距離L。儀表從內存讀取參數L。用L減去D,求出液位H,再根據堰槽類(lèi)型,計算出水頭高度。

　　儀表的作用就是控制探頭發(fā)射和接收超聲波得到液位數據,計算得到相應的測量值,把液位轉成流量。

　　詳細操作參看儀表說(shuō)明書(shū)。

　　2　安裝要求

　　堰或槽一般由正規廠(chǎng)家設計安裝,筆者只簡(jiǎn)單介紹傳感器的安裝。

　　堰式流量計的超聲波或靜壓液位傳感器安裝在上游距堰板最大水頭的3倍~4倍處。研究發(fā)現置于3.5倍最大水頭處,將渠底進(jìn)行整平,保證測量時(shí)流量計固定不動(dòng),測量精度更高[2]。槽式流量計的巴歇爾槽和無(wú)喉道槽配接的超聲波或靜壓液位傳感器安裝在距喉道2/3收縮段長(cháng)度的位置。

　　安裝超聲波液位傳感器注意事項是,a)超聲波液位傳感器發(fā)射聲波面要垂直對準水面;b)超聲波液位傳感器的安裝高度不要過(guò)高,安裝高度稍大于最高水位加上盲區(此距離不能用于測量)的距離即可;c)超聲波液位傳感器有波束角,安裝時(shí)要使其聲波傳播路徑上沒(méi)有其他反射面[2]。

　　3　實(shí)際應用

　　3.1　測量前的準備

　　實(shí)際工作中,監測人員帶上卷尺或測量尺(要求精確到0.001 m)和裝有Excel文件的手提電腦即可。在現場(chǎng)監測人員觀(guān)察堰槽形狀,檢查設備安裝位置合格,設備完善后,測量堰槽的各種參數,如,三角堰的角度及水頭高度,矩形堰測量渠寬、堰開(kāi)口寬度及水頭高度,巴歇爾槽測量喉口的寬度和喉口上游水深,最后根據堰槽的各種參數確定應使用的公式。

　　3.2　測量位置

　　矩形堰或三角堰水頭的測量位置位于出水口的上游緊靠渠壁的位置,測量水深H減去P值,得到水頭高度h值(見(jiàn)圖4)。巴歇爾槽測量位置位于緊靠近喉口的上游靠渠壁的位置。注意測量設備不能緊貼超聲波傳感器,防止對其形成干擾,同時(shí)測量器具要細且有一定的機械強度,如,測量巴歇爾槽水深時(shí),水流比較急測量工具容易變形,一些小尺寸的巴歇爾槽如果測量工具粗笨會(huì )使水面高度提高。

　　3.3　計算公式

　　每個(gè)企業(yè)的在線(xiàn)監測設施都有驗收報告。根據報告提供的計算公式計算流量,也可根據在線(xiàn)流量計說(shuō)明書(shū)提供的計算公式計算流量。

　　3.4　方法應用

　　對比監測時(shí),首先把計算公式輸入計算機的Excel文件,設計好最快捷的計算方法,一般要用到Power函數,然后開(kāi)始測量深度或水頭高度,每讀取1個(gè)數值,立即輸入該數值,同時(shí)記錄在線(xiàn)流量計的數值。每次連續測量5個(gè)數值計算平均值,作為觀(guān)測結果。

　　只要堰槽安裝規范且儀表參數設定準確,均能滿(mǎn)足對比測量的要求。

　　3.5　實(shí)際應用中發(fā)現的一些問(wèn)題

　　實(shí)際工作中發(fā)現即使流量計本身不存在問(wèn)題,也會(huì )因安裝位置不對,參數設置或渠道地面等問(wèn)題導致測量失敗[3]。通常的問(wèn)題包括:

　　a)部分企業(yè)堰槽不符合設計要求,如,溢流口0.75 m的矩形堰,溢流口加寬到0.8 m;巴歇爾槽喉口上寬下窄,會(huì )造成計量結果偏低。工作中發(fā)現,有些企業(yè)為了掩蓋排污總量故意把儀表設置成低于正常流量值的固定數值;

　　b)污水處理公司常常把進(jìn)出口在線(xiàn)流量計儀表的參數設置錯誤,致使處理量比實(shí)際明顯偏大,主要是為了完成當地政府下達的減排目標,弄虛作假;

　　c)有些企業(yè)排污口在線(xiàn)流量監測設施儀表位置安裝不規范,如,在線(xiàn)測量?jì)x表沒(méi)有校正棒或測量?jì)x表固定支架用軟鐵皮制成,有風(fēng)的情況下亂晃動(dòng)等等;

　　d)有的污水處理廠(chǎng)巴歇爾槽的上端緊靠水流的轉角,水面由于向心力的作用,水流湍急且左右高度不一樣,造成測量結果不準確。

　　4　結語(yǔ)

　　安裝在線(xiàn)流量監測系統,可有效地核算污染物排放總量,便于環(huán)境保護主管部門(mén)對污染物排放量進(jìn)行管理。目前,企業(yè)污水排放口的在線(xiàn)流量計大部分使用明渠超聲波流量計,該設備計量是否準確需要進(jìn)行比對確認。針對環(huán)保監測部門(mén)目前使用的流量測量設備比較落后,且在線(xiàn)流量設備的渠道不具備測量條件的狀況,筆者提出根據明渠超聲波流量計測量原理,通過(guò)測量水深或水頭高度用公式計算流量的方法,通過(guò)實(shí)踐證明計算精準,可滿(mǎn)足在線(xiàn)明渠超聲波流量計比對確認的要求。

　　這種通過(guò)測量水深用公式計算流量的方法可用于小型河流的流量測定,在河流河床較窄的地方固定兩邊的河堤壩和河床,形成1個(gè)矩形水渠,把流量測定轉換成深度測定,然后依有關(guān)資料和實(shí)踐,回歸水深和流量的函數模型,就可根據測量到的水深數據計算流量。

　　參考文獻:

　　[1]　張國忠,趙家貴.檢測技術(shù)[M].北京:中國計量出版社,1998.

　　[2]　趙樹(shù)旗,李曉亮,周玉文,等.便攜式超聲波流量計的校準及應用[J].計量裝置及應用,2010,20(4):26-28.

　　[3]　趙晉梅,薛梅花,閆玉會(huì ).超聲波測流技術(shù)和超聲波流量計的應用[J].儀器儀表標準化與計量,2004(1):30-31.

　　作者簡(jiǎn)介:史軍致,1970年生,男,山西萬(wàn)榮人,1996年畢業(yè)于山西師范大學(xué)化學(xué)專(zhuān)業(yè),工程師。