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明渠流量仪表
 
 
1. 概 述

    非满管状态流动的水路称作明渠(open channeI),测量明渠中水流流量的仪表称作明渠流量计。明渠流通剖面除圆形外,还有U形、梯形、矩形等多种形状。
    水路按其形态分类,各形态如图.1所示。ISO通常称满水管为封闭管道,流动是在水泵压力或高位槽位能作用下的强迫流动。明渠流则是靠水路本身坡度形成的自由表面流动。

    明渠流量计应用场所有城市供水引水渠、火电厂冷却水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工矿企业废水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。本文重点讨论前面几种工业和公用事业适用的流量测量方法和仪表,不包括较大型的水利工程和农业灌溉用的流量测量方法。
    国外有人估计,1995年全球工业和公用事业用明渠流量计销售台数约占流量仪表整体的1.6%,约3.5万台;若包括较简易的堰等使用者可自行制造未向市场采购的仪表,实际装用还要多些。国内应用尚无估计数据。


2、 类 型

    工业和公用事业常用的明渠流量仪表按测量原理大体可分为堰法、测流槽法、流速-水位计算法和电磁流量计法。
    1)堰(weir)法 在明渠适当位置装一挡板,水流被阻断,水位升到档板上端堰(缺)口,便从堰口流出。水流刚流出的流量小于渠道中原来的流量,水位继续上升,流出流量随之增加,直到流出量等于渠道原流量,水位便稳定在某一高度,测出水位高度便可求取流量。
    2)测流槽(flume,简称槽)法 缩小渠道一段通道断面成喉道部,喉道因面积缩小而流速增加,其上游水位被抬高,以增加流速所需动能(即增加的动能由所抬高水位位能转变过来),测量抬高水位求取流量。
    3) 流速-水位计算法(简称流速-水位法) 测出流通通道某局部(点、线或小面积)流速,代表平均流速,再测量水位求得流通面积,乘局部流速与平均流速间的系数,经演算求取流量。
    4)电磁流量计法 又分为潜水式电磁流量计和非满管电磁流量计两类,后者目前国内尚未开发。
    潜水式电磁流量计是在渠道中置一挡板截流,挡板近底部开孔并装潜水电磁流量传感器,水流从流量传感器流过从而测出其流量。
    非满管电磁流量计的传感器直接在管道装上同口径圆形暗渠,测量流速的原理与传统电磁流量计的相同,但还具备测量仪表内水位的功能,电极、磁路和测量电路则有较大差别。

3、 原理与特点

3、1 堰式流量计

 

  堰式流量计由堰和相应的液位计组成,薄壁堰的测量原理如图2所示,流量Q按式(1)计算。

    (1)

式中 K--------流量系数;
     h----------堰顶水头,即离堰口水位高度;
      n ----------取决于堰缺口形状的指数,为5/2或 3/2 。

    常用薄壁堰按缺口形状分为三角堰、矩形堰和等宽堰,它们的尺寸范围和流量范围分别如表1所示。堰口尺寸和表面粗糙度要求可查阅标准或规程ISO 1438-1,CJ/T3008.1,CJ/T3008.2,JJG771,均有具体规定。若迎流侧堰口长期使用后磨损成园角以及迎流侧堰壁粗糙变化均会产生测量误差。堰式流量计除堰板部分外,还包括相应液位计以及堰板上游足够长的直渠段和整流段等。

表1 常用薄壁堰适用范围

堰名称和形状
流量公式
适用范围/m
典型流量范围
宽度B或B×b/m
水头范围/m
流量范围/(m3/h)
Q=Kh5/2
B=0.44~1.0
h =0.04~0.12
D=0.1~0.13
0.45
0.04~0.120
1.08~15.6
Q=Kh5/2
B=0.5~1.2
h=0.07~0.26<B/2
D=0.1~ 0.75
0.6~0.8
0.07~00.260
6.6~174
Q=Kbh3/2
B= 0.5~6.3
b=0.15~5.0
D=0.15~3.5
≥0.06
h=0.03~0.45
(0.9×0.36)~
(1.2×0.48)
0.03~0.312
12.6~540
Q=Kbh3/2
B≥0.5
D=0.3~2.5
h=0.03~D
(但,h为0.8以下且为B/4以下)
0.6~8 h.0
0.03~0.8
21.6~40260

     注: Q为流量;K为流量系数;h为堰的水头;B为渠宽度;b为缺口宽度;D为从渠底面到缺口下缘的高度。
    堰式流量计的特点;
    1) 结构简单,一般情况下价格便宜,测量精度和可靠性好;
    2) 因水头损失大,不能用于接近平坦地面的渠道;
    3) 堰上游易堆积固形物,要定期清理。

3.2 槽式流量计

    槽式流量计的常用测流槽有多种形式。在渠道中收缩其中一段截面积,收缩部分液位低于其上游液位,测量其液位差以求流量的测量槽,一般称作文丘里槽。还有适用于矩形明渠的巴歇尔槽(ParshaII fIume,简称P槽),适用于圆形暗渠的帕尔默.鲍鲁斯槽(PaImer BowIus fIume,简称PB槽)。在欧洲文丘里槽用的较多,在我国则以P槽和PB槽居多。
    (1) P槽
    P槽外形如图3所示,喉道宽从25mm至15m,已有定性尺寸。流量Q和喉道上游液位ha间的关系式中,系数C和指数n均因规格而异。P槽可以用钢板或木版制成,也可以在现场用混凝土现浇。国内已有用聚氯乙烯塑料或玻璃钢制成的定型商品。对表面粗糙度和尺寸公差ISO 9826、CJ/T 3008.3和JJG 711均提出了要求。


    原理上喉道存在流量上限,喉道液位hb与收缩段液位ha的比值(hb/ha称作淹没比)应小于规定直,否则便成为淹没流,且喉道应规定最高水位。
     若P槽下游侧水位显著上升(例如涨潮,汇合支流流量剧增)会产生测量误差,有时甚至无法测量,此时可在测量扩散段水位hb后,参照JJG 711 7.1.4~7.1.6所列图表计算流量。
    P槽流量计的特点是;
    1) 水中固态物质几乎不沉积,随水流排出;
    2) 水位抬高比堰小,仅为1/4,适用于不允许有大落差的渠道。
    (2) PB槽
     P槽不能用于圆形暗渠,PB槽为圆形暗渠专用。PB槽原理如图4所示,圆形断面收缩成倒梯形喉道,喉道部产生射流(平均流速比水面传播的水波速度快的流动),测量上游侧水位ha,求取流量Q,

   (2)

    式中系数C和指数n是取决于PB槽口径和各构件形状尺寸的常数。倒梯形喉道的PB槽,n大约为2。
    PB槽公称口径从250到3000mm,与混凝土管尺寸相对应,其长度是公称口径的2~4倍(小口径段为4倍,大口径段为2倍)。最大流量范围通常如表2所示,但国内若干型号产品常为其较小直,达到最高允许水位的范围度标准值为30:1。

表2 PB槽口径和最大流量范围

口径/mm
最大流量范围/(m3/h)
口径/mm
最大流量范围/(m3/h)
口径/mm
最大流量范围/(m3/h)
250
300
350
400
450
500
600

50~125
80~200
100~290
150~385
200~680
250~680
400~1080

700
800
900
1000
1100
1200
1350
600~1600
800~2240
2300~3020
2900~3940
3600~5790
4500~6250
6000~9660
1500
1650
1800
2000
2200
8000~12570
10000~15950
12000~19830
16000~25810
20000~32750

    注:1350 mm以上为参考值。
    PB槽的特点是;
    1) 在维持自由水面流的管渠内,管壁粗糙度等条件变化会导致流量值变化,而PB槽几乎不受管壁粗糙度等条件变化的影响,测量值的长期变化小;
    2) PB槽的水头损失在非满管流仪表中属于较小的,喉道部槽顶(crest)自清洗效果显著,几乎不必担忧固体物的沉淀和堆积;
    3) 作为渠道不发生射流的条件,PB槽上游暗渠坡度必须在20/1000以下,然而实际渠道几乎没有会超过该坡度者;
    4) 渠道下游侧水深必须小于上游侧水深的85%,不能满足条件,测量精度会下降,有时甚至无法测量。

3、3 流速-水位流量计

    图5所示是传播时间法超声流速计和超声液位计组成的流速-水位流量计一例,所测流速是线平均流速,水位是测量水位和超声液位传感器之间的距离间接求得。也有以测量点流速或局部小面积平均流速(例如多普勒法超声流速计)和测量实际水位(例如压力式液位计)组成的流速-水位流量计。

    流速计除超声式外还可用电磁式流速计以及现在用的较少的旋杯式流速计和旋浆式流速计。
    图5所示流速传感器的位置相距渠床高度Y通常为0.1B(B为渠宽),ISO 6418附录A则规定了3~300m声道长度范围内最小的Y值。
    图6所示是流速-水位流量计信号系统和运算框图,vL是流速计实测的平均流速,vL乘上线流速修正系数KL求得流通面积A的平均流速,即=KLūL.流量Q为

     (3)

式中 Kq-----流量系数, Kq=AKL.

Kq的值取决于流通面积形状(矩形、倒梯形、圆形或U形)和渠壁粗糙度。图中水深度判断部是判断水位是否低于流速传感器,若低于流速传感器则保持在此之前的流速信号,使之能继续运算。
    测量“点流速”的流速-水位流量计要引入点修正系数Kp,即实测点流速与流通截面积平均流速之比。图7和图8分别是矩形渠和圆形渠的点修正系数例,图中Yp是流速检测位置离渠床的高度,B为矩形渠宽幅,D为圆形渠内径,H为水深,n为渠壁粗糙度。

    流速-水位流量计的特点:
    1) 渠道截面形状不限于矩形,圆形、倒梯形或U形均适用,流量范围度宽。
    2) 水位离渠床距离从接近零到满位均能测量。暗渠即使达到满管,压力显著增加时还能测量。
    3) 由于从流速和水位二个信号求取流量,即使在受背压状态下流动,也能测量;同样也可测逆向流(多普勒法流速计则应注意,因型号而异)。
    4) 几乎不会发生固形物堆积现象。超声流速计和超声液位计不会阻碍流路,其他型式流速传感器和液位传感器尺寸亦相对较小,对流路阻碍也很小。
    5) 对于已有渠道安装容易,不需改造渠道工程。
    6) 易受来流流速分布影响,测量场所上下游要有足够长的直渠渠道。

3、4 潜水式电磁流量计
潜水式电磁流量计需在渠道中置一挡板截流,在挡板底部装上潜水电磁流量传感器,如图9所示。挡板截住渠道,迫使水流只能从流量传感器中流过,以较原来高的流速通向下游,从而抬高档板上游的水位,产生挡板上下游水位差h,此水位差的势能转变为流速υ的动能,即

(3)

式中 K-----系数;g-------重力加速度。

    潜水式电磁流量计工作时,液体流动状况属于淹没孔口流,孔口流出速度与孔口在自由表面下的沉没深度无关,仅取决于上下游的水位差。也就是说,流量测量值与流量传感器(或分流模型)安装位置无关,但要求尽可能低,使之运行过程中始终处于淹没流状态。
通过流量传感器的流速一般为2~3.5m/s, 上游抬高水位在100~300mm之间。
    在流量较大而又不能用较大口径流量传感器时,为了避免水位差过大,可以用如图10所示分流模型来扩大流通能力。分流模型的流通通道形状尺寸与流量传感器完全一样。n个分流模型和一台传感器一起安装在挡板上并用,实际总流量即为传感器实测流量乘上(n+1)倍。不同流量和允许水位差条件下流量传感器口径和分流模型台数选配如表3所示。

    通过流量传感器的流速一般为2 ~3.5m/s,上游抬高水位在100~300mm之间。
    在流量较大而又不能用较大口径流量传感器时,为了避免水位差过大,可以用如图10所示分流模型来扩大流通能力。分流模型的流通通道形状尺寸与流量传感器完全一样。n个分流模型和一台传感器一起安装在挡板上并用,实际总流量即为传感器实测流量乘上(n+1)倍。不同流量和允许水位差条件下流量传感器口径和分流模型台数选配如表3所示。

表3 潜水式电磁流量传感器和分流模型选择

最大流量
/(m3/h)
10 50 100 200 300 500 800 1000 2000 5000
允许水位差/mm
可选流量传感器口径和分流模型台数/(mm×n)
500
50×1 100×1 100×1 100×3
200×1
100×4
200×1
200×2 200×3
400×1
200×3
400×1
200×6
400×2
400×4
400
50×1 100×1 100×2 100×3
200×1
100×4
200×1
200×2 200×3
400×1
200×3
400×1
200×6
400×2
400×4
300
50×1 100×1 100×2 100×3
200×1
200×2 200×2 200×4
400×1
200×4
400×1
400×2 400×5
200
50×1 100×1 100×2 100×4
200×1
200×2 200×3
400×1
200×5
400×2
200×5
400×2
400×3 400×5
100
50×1 100×2 100×3
200×1
200×2 200×2 200×3
400×1
200×5
400×2
200×6
400×2
400×3
-

潜水式电磁流量计的特点:
    1) 无活动件,可测量含有固体颗粒或悬浮体的液体。
    2) 可使用于受潮水等形成下游侧水位变化的渠道。
    3) 因设置挡板截流,测量与渠道形状和上游直渠道状况无关。
    4) 水头损失比较大,流量传感器内必须保持满管流。
    5) 挡板前会有一定程度固形物堆积,要定期清理。

3、5 常用液(水)位计

    堰式、槽式、流速-水位式流量计 均需配用相应的液(水)位计。明渠流量计常用的液位计有浮子式、电容式、压力式和超声式。
    浮子式液位计在槽(或堰)的水位测量点经导水管通至静水井(见图11),液位计的浮子在静水井内随着水位变化而升降,通过液位计内凸轮机构将液位-流量的指数函数关系转换成流量。
    电容式液位计是测量棒形电极外套绝缘套管,与液体为另一电极的电容量来检测液位的。电容式液位计有液位比例输出型和液位函数输出型两类,前者如用于堰槽还需配用相应的函数转换器使之线形化,后者的绝缘套管按照堰(或槽)的液位-流量特性函数输出设计成特殊形状。
    应用于明渠流量测量的压力式液位计有压力式水深仪、吹气式液位计和小型压力传感器三种。
压力式水深仪如图11一例,置与堰上游明渠底部,测量水压变化推导水位变化。波纹管受压压缩,与其相连的差动变压器铁芯一起产生位移,经差动变压器转换成电信号,经转换器运算后输出流量信号。
    
    

  吹气式液位计如图12所示,将一根吹气管插入堰槽等上游水位测量位置的渠内,以略大于最大流量时水头的空气压力,连续以恒定流量60~100L/h)送入空气,吹出气泡,空气压力随水位而变,测得空气压力即可求的得水位。
本仪表安装简便,适用于较污脏液体。但需要铺设供气管道和日常供气气源,带来不便。
    超声液位计是测量超声波从超声传感器(换能器)以一定的速度发射经气-液界面反射回到换能器的时间,以求取水位的液位计,称之气介式液位计,图5所示即为其使用安装例。用于明渠流量测量的超声液位计除气介式外,还有如图13所示在液体中传送超声波经液-气界面反射的液介式液位计,超声传感器置于水中。气介式为非接触液体测量,适用于有污浊物和腐蚀性液体,但液位存有泡沫等会影响液位测量值;液介式不适用于含有固相杂质的液体,但比气介式受温度变化影响小,超声波波长为气介式的1/5,分辨力和测量精度较高。

 

 
 
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