明渠超聲波流量計的污水流量監測數據的技術(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。