關(guān)于明渠超聲波流量計技術(shù)介紹

 

對于明渠的流量測量，除了流量堰和流量槽的測量技術(shù)之外，還有流速-面積法、平均流速公式法、水位-流量曲線(xiàn)法以及潛水型電磁流量計法等測量方法。

 

流速-面積法

 

1.流速-面積法的測量原理

 

速度-面積法主要是用于大型的明渠或河流的流量測量。使用流速-面積法測量明渠的流量，就是選擇明渠的某一截面作為測量地點(diǎn)，將截面用豎直線(xiàn)劃分成若干更小的截面，如圖12-26所示，然后分別測量每個(gè)小的截面的面積和平均流速，這樣就可以計算出每個(gè)截面上的流量，對整個(gè)明渠的截面進(jìn)行求和，最終就得到了明渠水流總的流量。使用流速-面積法測量明渠流量時(shí)，對明渠的形狀沒(méi)有十分嚴格的要求，即使在截面形狀不規則或底部有淤積的明渠上也能進(jìn)行測量。

下面介紹使用流速-面積法測量明渠流量的具體方法和步驟。

(1)選擇測量地點(diǎn) 流速-面積法測量地點(diǎn)應滿(mǎn)足以下條件：

1)水流的流動(dòng)均勻，不易產(chǎn)生渦漩；

2)測量地點(diǎn)上流側明渠的直線(xiàn)長(cháng)度應為其寬度的5倍以上，下流側明渠的直線(xiàn)長(cháng)度應為寬度的2倍以上；

3)明渠的形狀整齊，底部盡量不要有淤積；

4)當明渠的水位發(fā)生變化時(shí)，測量截面的形狀不應有急劇的變化；

5)水流流動(dòng)方向與測量截面垂直。

 

(2)垂直測線(xiàn)的分布 使用流速-面積法測量明渠流量的過(guò)程中，需要測量各個(gè)劃分出的截面的水位和其中的流速，以相應地計算出截面面積和截面上的平均流速。對水位和流速的測量都是在垂測線(xiàn)上進(jìn)行的。水深和流速的測線(xiàn)分布，由明渠的寬度決定，有采用在整個(gè)明渠寬度按一定的間隔平均分布的，一般對于寬度在10米以下的明渠，平均分布的測線(xiàn)間隔為0.1-0.15倍的明渠寬度。但是，在更多的時(shí)候，我們選擇春日屋法分布測線(xiàn)的位置，可以減少測線(xiàn)的數量并且提高測量的精度。表12-5給出了春日屋法測線(xiàn)的位置分布和相應的加權值。

春日屋法的明渠總流量的計算公式為

式中，q_i為第i個(gè)測線(xiàn)處單位寬度截面的流量，等于平均流速×水深，A_i為對第i個(gè)測線(xiàn)的加權值；B為整個(gè)明渠的寬度。

(3)平均流速的測量 在測線(xiàn)位置上測量流速，一般使用的是葉輪式流速計，而根據流速的測量結果計算垂直測線(xiàn)上的平均流速，有垂直流速曲線(xiàn)法、一點(diǎn)法三點(diǎn)法、三點(diǎn)法、四-六點(diǎn)法、積分法和春日屋法等許多方法，其中最常用的是二點(diǎn)法，二點(diǎn)法是在垂直的測線(xiàn)上分別取距離水面0.2倍水深0.8倍水深的兩個(gè)點(diǎn)，測量這兩點(diǎn)上的流體流速，按下面的公式計算整個(gè)測線(xiàn)上的平均流速u(mài)_m：

 

2.流速-面積法的應用

 

實(shí)際的流速-面積法的測量方法主要有超聲波法、全渠寬線(xiàn)圈的電磁法和電磁流速計法，使用超聲波和電磁流速計可以連續測量明渠流體的流速。

(1)超聲波法 超聲波法的原理是超聲波在流動(dòng)的流體中傳播速度和流體流速有關(guān)，測量超聲波在流體中的傳播速度變化可以計算流體的速度。圖12-27是超聲波法用于明渠流量測量的實(shí)例。超聲波流速計探頭安裝在能夠測量出平均流速的位置，一般在60%水深處。

(2)全渠寬線(xiàn)圈的電磁法 英國Redland自動(dòng)化公司研制了一種叫做電磁河流儀的電磁流量計，用于明渠的流量測量。在明渠的上方設置激磁線(xiàn)圈，或在某段明渠的底部覆蓋絕緣薄膜，其下設置線(xiàn)圈，在渠道兩側設置一對條形電極檢測流量的感應電勢，加上液位計測量液位并且計算出通流面積，經(jīng)過(guò)帶有微處理器的轉換器就可以顯示出流量。有關(guān)資料可查閱IS09213《排放總量——用全渠寬線(xiàn)圈的電磁法》。

(3)電磁流速計 將傳統的電磁流量計用于測量明渠或非滿(mǎn)管流道的流量測量，雖然測量精度高，但是，設備復雜，投資大，運行維護也比較麻煩，而且很多明渠和非滿(mǎn)管流道的流量測量也不需要太高的測量精度，此時(shí)可以考慮使用小型的電磁流速計。

這種電磁流速計的傳感器有兩個(gè)敏感元件，一個(gè)測量流速的電磁流量元件(包括線(xiàn)圈和電極)，另一個(gè)是固態(tài)擴散硅應變元件，測量壓力，封裝在防水的PVC塑料里，外形呈扁平的流線(xiàn)型。電磁流速計的傳感器安裝在明渠或非滿(mǎn)管流道的沒(méi)有淤積的底部，如圖12-28所示，固態(tài)擴散硅應變元件測量的壓力信號代表了液位，可以轉換成通流截面面積，乘以流速，經(jīng)過(guò)微處理器的處理，就能夠連續測量明渠的流量。

固態(tài)擴散硅應變片測量液位的原理是，對應于液位的壓力作用于硅片上，使之產(chǎn)生應變，擴散硅片上的應變電阻也隨之改變，測量電阻的電橋就可以輸出對應于液位的電壓信號。

這種合二為一的電磁流量計使明渠的流量測量裝置大大簡(jiǎn)化，其測量范圍：流速為O-6m/s；液位≤3m；系統精度為3%-5%。

 

平均流速公式法

 

平均流速公式法是通過(guò)測量明渠水面的坡度和明渠的截面形狀，根據某一公式計算水流的平均流速，從而計算明渠的流量。求明渠水流平均流速的公式很多，其中比較典型的是謝基公式和滿(mǎn)寧公式。

 

1.謝基(Chezy)公式

 

式中， u是明渠水流的平均流速(m/s)；R是徑深(m)，等于水流的截面積除以溫潤邊長(cháng)，濕潤邊長(cháng)則是與水流接觸的水渠壁的長(cháng)度；I是水面的坡度，c是謝基系數，謝基系數C不是常數，會(huì )隨徑深的變化而發(fā)生變化。謝基系數可以由巴金公式求出

式中，γ是巴金粗糙度系數。

 

2.滿(mǎn)寧(Manning)公式

 

式中，u、R、I和謝基公式中的含義一樣；n是滿(mǎn)寧粗糙度系數。

謝基公式和滿(mǎn)寧公式因為測量方法和流量計算形式簡(jiǎn)單，很適合明渠及小型河流的流量測量，但是一般很難準確地得到在公式計算中所需要的粗糙度系數，所以平均流速公式法的測量精度不高。

 

潛水型電磁流量計測量明渠流量

 

潛水型電磁流量計是新型的用來(lái)連續測量明渠、暗溝或未滿(mǎn)管道中導電流體的體積流量測量的一種電磁流量計，近年來(lái)在工業(yè)排水和環(huán)境保護方面得到了廣泛的應用，可以實(shí)現對被測流體流量的測量、控制、調節記錄和積算。

 

1.測量原理

 

和其它電磁流量計一樣，潛水型電磁流量計也是根據法拉弟電磁感應原理工作的。當導電流體在交變磁場(chǎng)中沿測量管路作與磁力線(xiàn)成垂直方向的運動(dòng)時(shí)，導電流體切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生感應電勢，在與測量軸線(xiàn)和磁場(chǎng)磁力線(xiàn)相互垂直的管壁上安裝了一對檢測電極，檢測出感應電勢。感應電勢e與流量qv成正比。流量信號輸入電磁流量轉換器，經(jīng)放大轉換成與流量信號成正比的直流信號0-10mA或4-20mA。

潛水型電磁流量變送器是通過(guò)與外殼相連的平板法蘭安裝在帶孔的閘板上。閘板完全攔斷渠道流體，使流體只能從變送器中流過(guò)。整個(gè)變送器完全浸沒(méi)在流體中。其測量原理如圖12-29所示。根據流體力學(xué)分析，水位差和流速的平方成正比：

2.潛水型電磁流量變送器的安裝

 

按照渠道的斷面形狀制作合適的帶孔閘板，將變送器用不銹鋼螺栓(加密封墊圈)固定在閘板上，以確保流體完全從變送器中流過(guò)。為了保證變送器在測量時(shí)充滿(mǎn)流體，通常還在渠道測點(diǎn)的下游3倍渠寬或管徑處設置一堰板，堰板頂端高度應高于變送器測量管的頂部高度。如果流道為其它形式，也要采取相應的措施保證變送器在測量時(shí)為滿(mǎn)管流。

圖12-30介紹了在各種情況下，潛水型電磁流量計的安裝示意圖。

在變送器的安裝時(shí)，還應該注意以下兩點(diǎn)。

1)轉換器現場(chǎng)墻掛式安裝，安裝位置應避免能產(chǎn)生強大交流磁場(chǎng)的場(chǎng)合；

2)轉換器與變送器之間導線(xiàn)連接距離一般為10-30m。

 

3.國產(chǎn)LDQ型潛水電磁流量變送器規格和性能指標

 

國產(chǎn)LDQ型潛水電磁流量變送器除了保持電磁變送器結構簡(jiǎn)單、可靠，內部無(wú)活動(dòng)部件，壓力損失小，輸出信號不受被測介質(zhì)溫度、壓力、密度及粘度等物性參數變化的影響，輸出信號與流量呈線(xiàn)性等一般電磁流量計的特點(diǎn)之外，還具有以下特點(diǎn)。

1)適用于圓形、矩形、梯形和任意形狀的明渠、暗溝或河道的流量測量；

2)對于上、下游的直渠段要求低，能在原有渠道上稍加改造后安裝使用，施工周期短，費用低；

3)采用分流模型可以擴大流量測量范圍，降低費用；

4)維護工作量��；

5)采用低頻三值矩形波勵磁及采樣放大技術(shù)，抗干擾能力強，零點(diǎn)穩定，工作可靠；

6)耗電量小，整個(gè)成套儀表的耗電量約為30VA，與變送器的口徑大小無(wú)關(guān)。

LDQ型潛水電磁流量變送器的型號和主要技術(shù)指標見(jiàn)表12-6。

 

4.與分流模型并用測量大流量

 

在測量大流量時(shí)，為了避免水位差過(guò)大，可以使用分流模型來(lái)分流。LDQM型分流模型和LDQ型潛水型電磁流量計配合使用的，其外形、尺寸與LDQ是完全一樣的。當一臺變送器和一個(gè)或幾個(gè)幾何形狀完全相同的分流模型并用時(shí)，實(shí)際流量為一臺變送器所測流量乘上倍數(分流模型的個(gè)數加1)，如圖12-31所示。

與分流模型并用測量大流量時(shí)，系統的測量精度稍有降低，為滿(mǎn)量程的2.5%。

 

 

水位-流量曲線(xiàn)法

 

流速-面積法由于測量方法比較復雜，因而通常只是為一種實(shí)驗方法，不適合日常的流量測量。對于某一經(jīng)常需要進(jìn)行流量測量的明渠，我們可以用水位流速法畫(huà)出明渠流量和水位之間的曲線(xiàn)，在作出了這樣的水位-流量曲線(xiàn)之后，日常測量時(shí)，只要測量明渠的水位就可以在曲線(xiàn)上查出相應的明渠流量，這就是水位-流量曲線(xiàn)法。