流量計0明渠流量儀表教材

1、明渠流量儀表1. 概 述非滿管狀態(tài)流動的水路稱作明渠 （open channeI） ，測量明渠中水流流量的儀表稱作明渠流量計。明渠流通 剖面除圓形外，還有 U 形、梯形、矩形等多種形狀。水路按其形態(tài)分類，各形態(tài)如圖 .1 所示。 ISO通常稱滿水管為封閉管道，流動是在水泵壓力或高位槽位能 作用下的強迫流動。明渠流則是靠水路本身坡度形成的自由表面流動。明渠流量計應用場所有城市供水引水渠、火電廠冷卻水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工礦企業(yè) 廢水排放以及水利工程和農業(yè)灌溉用渠道。本文重點討論前面幾種工業(yè)和公用事業(yè)適用的流量測量方法和 儀表，不包括較大型的水利工程和農業(yè)灌溉用的流量測量方法。國外

2、有人估計， 1995 年全球工業(yè)和公用事業(yè)用明渠流量計銷售臺數約占流量儀表整體的1.6%，約 3.5 萬臺；若包括較簡易的堰等使用者可自行制造未向市場采購的儀表， 實際裝用還要多些。 國內應用尚無估計數據。2、 類 型工業(yè)和公用事業(yè)常用的明渠流量儀表按測量原理大體可分為堰法、 測流槽法、 流速- 水位計算法和電磁流量 計法。1）堰 （weir） 法 在明渠適當位置裝一擋板，水流被阻斷，水位升到檔板上端堰（缺）口，便從堰口流出。 水流剛流出的流量小于渠道中原來的流量，水位繼續(xù)上升，流出流量隨之增加，直到流出量等于渠道原流 量，水位便穩(wěn)定在某一高度，測出水位高度便可求取流量。2）測流槽 （flum

3、e, 簡稱槽 ） 法 縮小渠道一段通道斷面成喉道部，喉道因面積縮小而流速增加，其上游水位 被抬高，以增加流速所需動能（即增加的動能由所抬高水位位能轉變過來），測量抬高水位求取流量。3）流速-水位計算法（簡稱流速 -水位法） 測出流通通道某局部 （點、線或小面積）流速， 代表平均流速， 再測量水位求得流通面積，乘局部流速與平均流速間的系數，經演算求取流量。4）電磁流量計法 又分為潛水式電磁流量計和非滿管電磁流量計兩類，后者目前國內尚未開發(fā)。潛水式電磁流量計是在渠道中置一擋板截流，擋板近底部開孔并裝潛水電磁流量傳感器，水流從流量傳感 器流過從而測出其流量。非滿管電磁流量計的傳感器直接在管道裝上同口

4、徑圓形暗渠，測量流速的原理與傳統電磁流量計的相同， 但還具備測量儀表內水位的功能，電極、磁路和測量電路則有較大差別。3、1 堰式流量計3、 原理與特點堰式流量計由堰和相應的液位計組成， 薄壁堰的測量原理如圖 2 所示，流量 Q按式( 1)計1)算。式中 K 流量系數；h 堰頂水頭，即離堰口水位高度；n 取決于堰缺口形狀的指數，為 5/2 或 3/2 。常用薄壁堰按缺口形狀分為三角堰、矩形堰和等寬堰，它們的尺寸范圍和流量范圍分別如表1 所示。堰口尺寸和表面粗糙度要求可查閱標準或規(guī)程ISO 1438-1 ，CJ/T3008.1 ，CJ/T3008.2 ，JJG771，均有具體規(guī)定。若迎流側堰口長期

5、使用后磨損成園角以及迎流側堰壁粗糙變化均會產生測量誤差。堰式流量計 除堰板部分外，還包括相應液位計以及堰板上游足夠長的直渠段和整流段等。表 1 常用薄壁堰適用范圍堰名稱和形狀流量公式適用范圍 /m典型流量范圍寬度 B 或 Bb/m 水頭范圍 /m 流量范圍 /(m 3/h)Q=Kh5/2B=0.441.0 h =0.040.12D=0.10.130.450.040.1201.0815.6Q=Kh5/2B=0.51.2 h=0.070.26B/2D=0.1 0.750.60.80.0700.2606.6174Q=Kbh3/2B= 0.56.3 b=0.155.0 D=0.153.50.06h=0

6、.030.45(0.9 0.36)(1.2 0.48)0.030.31212.6540Q=Kbh3/2B0.5D=0.32.5h=0.03D（ 但， h 為 0.8 以下 且為 B/4 以下 ）0.68 h.00.030.821.640260注： Q為流量； K為流量系數； h為堰的水頭； B為渠寬度； b 為缺口寬度； D為從渠底面到缺 口下緣的高度。堰式流量計的特點；1）結構簡單，一般情況下價格便宜，測量精度和可靠性好；2）因水頭損失大，不能用于接近平坦地面的渠道；3）堰上游易堆積固形物，要定期清理。3.2 槽式流量計槽式流量計的常用測流槽有多種形式。在渠道中收縮其中一段截面積，收縮部分液

7、位低于其上游 液位，測量其液位差以求流量的測量槽，一般稱作文丘里槽。還有適用于矩形明渠的巴歇爾槽 （ParshaII fIume, 簡稱 P槽）, 適用于圓形暗渠的帕爾默 .鮑魯斯槽 （PaImer BowIus fIume, 簡稱 PB槽） 。在歐洲文丘里 槽用的較多，在我國則以 P 槽和 PB槽居多。（ 1） P 槽P槽外形如圖 3所示，喉道寬從 25mm至15m，已有定性尺寸。 流量 Q和喉道上游液位 ha間的關系式 中，系數 C和指數 n 均因規(guī)格而異。 P槽可以用鋼板或木版制成，也可以在現場用混凝土現 澆。國內已有用聚氯乙烯塑料或玻璃鋼制成的定型商品。對表面粗糙度和尺寸公差ISO 9

8、826、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與收縮段液位 ha的比值 （h b/h a稱作淹沒比 ）應小于規(guī)定直，否則便成為淹沒流，且喉道應規(guī)定最高水位。若 P 槽下游側水位顯著上升(例如漲潮，匯合支流流量劇增)會產生測量誤差，有時甚至無法 測量，此時可在測量擴散段水位 hb后，參照 JJG 711 7.1.47.1.6 所列圖表計算流量。P 槽流量計的特點是；1) 水中固態(tài)物質幾乎不沉積，隨水流排出；2) 水位抬高比堰小，僅為 1/4 ，適用于不允許有大落差的渠道。(2) PB 槽P槽不能用于圓形暗渠， PB 槽為圓形暗渠專用。 PB

9、槽原理如圖 4 所示，圓形斷面收縮成倒梯形 喉道，喉道部產生射流(平均流速比水面?zhèn)鞑サ乃ㄋ俣瓤斓牧鲃?，測量上游側水位ha，求取流量 Q，(2)式中系數 C和指數 n 是取決于 和各構件形狀尺寸的常數。倒梯形喉道的 PB槽，n 大約為 2。PB 槽公稱口徑從 250 到 3000mm， 與混凝土管尺寸相對應，其長度是公稱 口徑的 24倍(小口徑段為 4 倍，大口 徑段為 2 倍)。最大流量范圍通常如表 所示，但國內若干型號產品常為其較小 直，達到最高允許水位的范圍度標準值 為 30:1 。表 2 PB 槽口徑和最大流量范圍口徑 /mm最大流量范圍 /(m 3/h)口徑 /mm最大流量范圍 /

10、(m 3/h)口徑 /mm最大流量范圍 /(m 3/h)250501257006001600150080001257030080200800800224016501000015950350100290900230030201800120001983040015038510002900394020001600025810450200680110036005790220020000327505002506801200450062506004001080135060009660注： 1350 mm 以上為參考值。PB槽的特點是；1) 在維持自由水面流的管渠內， 管壁粗糙度等條件變化會導致流量值變化，

11、 而 PB 槽幾乎不受管 壁粗糙度等條件變化的影響，測量值的長期變化??；2) PB 槽的水頭損失在非滿管流儀表中屬于較小的，喉道部槽頂(crest) 自清洗效果顯著，幾乎不必擔憂固體物的沉淀和堆積；3) 作為渠道不發(fā)生射流的條件， PB槽上游暗渠坡度必須在 20/1000 以下，然而實際渠道幾乎沒 有會超過該坡度者；4) 渠道下游側水深必須小于上游側水深的85%，不能滿足條件，測量精度會下降，有時甚至無法測量。3、3 流速 -水位流量計圖 5 所示是傳播時間法超聲流速計和超聲液位計組成的流速- 水位流量計一例， 所測流速是線平均流速，水位是測量水位和超聲液位傳感器之間的距離間接求得。也有以測量

12、點流速或局部小面積平均流速 （例如多普勒法超聲流速計）和測量實際水位（例如壓力式液位計）組成的流速- 水位流量計。流速計除超聲式外還可用電磁式流速計以及現在用的較少的旋杯式流速計和旋漿式流速計。圖 5 所示流速傳感器的位置相距渠床高度 Y 通常為 0.1B（B 為渠寬 ） ，ISO 6418 附錄 A 則規(guī)定了 3300m聲道長度范圍內最小的 Y 值。圖 6 所示是流速 - 水位流量計信號系統和運算框圖， vL是流速計實測的平均流速， vL 乘上線流速修正系數 KL求得流通面積 A的平均流速 , 即 =KLL. 流量 Q為3）式中 K q 流量系數， K q=AKL.Kq的值取決于流通面積形狀

13、（矩形、倒梯形、圓形或U 形）和渠壁粗糙度。圖中水深度判斷部是判斷水位是否低于流速傳感器，若低于流速傳感器則保持在此之前的流速信號，使之能繼續(xù)運算。測量“點流速” 的流速 - 水位流量計要引入點修正系數 Kp，即實測點流速與流通截面積平均流速之 比。圖 7和圖 8 分別是矩形渠和圓形渠的點修正系數例，圖中Yp是流速檢測位置離渠床的高度， B為矩形渠寬幅， D為圓形渠內徑， H為水深， n 為渠壁粗糙度。流速- 水位流量計的特點：1) 渠道截面形狀不限于矩形，圓形、倒梯形或U 形均適用，流量范圍度寬。2) 水位離渠床距離從接近零到滿位均能測量。暗渠即使達到滿管，壓力顯著增加時還能測量。3) 由于

14、從流速和水位二個信號求取流量，即使在受背壓狀態(tài)下流動，也能測量；同樣也可測逆 向流(多普勒法流速計則應注意，因型號而異)。4) 幾乎不會發(fā)生固形物堆積現象。超聲流速計和超聲液位計不會阻礙流路，其他型式流速傳感 器和液位傳感器尺寸亦相對較小，對流路阻礙也很小。5) 對于已有渠道安裝容易，不需改造渠道工程。6) 易受來流流速分布影響，測量場所上下游要有足夠長的直渠渠道。3、4 潛水式電磁流量計 潛水式電磁流量計需在渠道中置一擋板截流，在擋板底部裝上潛水電磁流量傳感器，如圖 9 所示。擋板截 住渠道，迫使水流只能從流量傳感器中流過，以較原來高的流速通向下游，從而抬高檔板上游的水位，產 生擋板上下游水

15、位差 h，此水位差的勢能轉變?yōu)榱魉?的動能，即式中 K系數； g重力加速度3)潛水式電磁流量計工作時， 液體流動 狀況屬于淹沒孔口流， 孔口流出速度與孔口在 自由表面下的沉沒深度無關， 僅取決于上下游 的水位差。 也就是說， 流量測量值與流量傳感 器(或分流模型)安裝位置無關，但要求盡可 能低，使之運行過程中始終處于淹沒流狀態(tài)。 通過流量傳感器的流速一般為 23.5m/s ， 上 游抬高水位在 100300mm之間。在流量較大而又不能用較大口徑流 量傳感器時， 為了避免水位差過大， 可以用如 圖 10 所示分流模型來擴大流通能力。分流模 型的流通通道形狀尺寸與流量傳感器完全一 樣。 n 個分流

16、模型和一臺傳感器一起安裝在擋 板上并用， 實際總流量即為傳感器實測流量乘 上(n+1) 倍。不同流量和允許水位差條件下流 量傳感器口徑和分流模型臺數選配如表 3 所示。通過流量傳感器的流速一般為 2 3.5m/s ，上游抬高水位在 100300mm之間。 在流量較大而又不能用較大口徑流量傳感器時， 為了避免水位差過大， 可以用如圖 10 所示分流模 型來擴大流通能力。分流模型的流通通道形狀尺寸與流量傳感器完全一樣。 n 個分流模型和一臺傳感器一 起安裝在擋板上并用， 實際總流量即為傳感器實測流量乘上 (n+1) 倍。不同流量和允許水位差條件下流量傳 感器口徑和分流模型臺數選配如表 3 所示。表

17、 3 潛水式電磁流量傳感器和分流模型選擇最大流量 /（m 3/h）1050100200300500800100020005000允許水位差 /mm可選流量傳感器口徑和分流模型臺數 / （mmn）10031004200320032006500501100110012001200120024001400140024004100310042003200320064005011001100220012001200240014001400240041003200420043005011001100220012002200240014001400240051004200320052005200501100

18、110022001200240014002400240034005100320032005200610050110022001200220024001400240024003潛水式電磁流量計的特點：1）無活動件，可測量含有固體顆?；驊腋◇w的液體。2）可使用于受潮水等形成下游側水位變化的渠道。3）因設置擋板截流，測量與渠道形狀和上游直渠道狀況無關。4）水頭損失比較大，流量傳感器內必須保持滿管流。5）擋板前會有一定程度固形物堆積，要定期清理。、 5 常用液（水）位計堰式、槽式、流速 - 水位式流量計 均需液 （水）位計。 明渠流量計常用的液 式、電容式、壓力式和超聲式。浮子式液位計在槽 （或堰）

19、的水位測量 通至靜水井（見圖 11），液位計的 井內隨著水位變化而升降， 通過液位-流量的指數函數關系轉換電容式液位計是測量棒形電極外套絕套管，與液體為另一電極的電容量來檢測液位 。電容式液位計有液位比例輸出型和液位函數 出型兩類， 前者如用于堰槽還需配用相應的函 轉換器使之線形化，后者的絕緣套管按照堰 或槽）的液位 - 流量特性函數輸出設計成特殊應用于明渠流量測量的壓力式液位計、 吹氣式液位計和小型壓力傳感力式水深儀如圖 11 一例，置與堰上游明渠底 ，測量水壓變化推導水位變化。 波紋管受壓壓 ，與其相連的差動變壓器鐵芯一起產生位移，經差動變壓器轉換成電信號， 經轉換器運算后輸 出流量信號。

20、吹氣式液位計如圖 12 所示，將一根吹氣管插入堰槽等上游水位測量位置的渠內， 以略大于最大流量時 水頭的空氣壓力，連續(xù)以恒定流量 60100L/h） 送入空氣，吹出氣泡，空氣壓力隨水位而變，測得空氣壓力 即可求的得水位。本儀表安裝簡便，適用于較污臟液體。但需要鋪設供氣管道和日常供氣氣源，帶來不便。超聲液位計是測量超聲波從超聲傳感器 （換能器）以一定的速度發(fā)射經氣 - 液界面反射回到換能器 的時間，以求取水位的液位計，稱之氣介式液位計，圖 5 所示即為其使用安裝例。用于明渠流量測量的超 聲液位計除氣介式外，還有如圖 13 所示在液體中傳送超聲波經液 - 氣界面反射的液介式液位計，超聲傳感 器置于

21、水中。氣介式為非接觸液體測量，適用于有污濁物和腐蝕性液體，但液位存有泡沫等會影響液位測 量值；液介式不適用于含有固相雜質的液體，但比氣介式受溫度變化影響小，超聲波波長為氣介式的 1/5 ， 分辨力和測量精度較高。4. 選用考慮要點4、1 概述針對城市供水引水渠、工業(yè)引水和排水渠、污水治理渠道等流量測量特點，應考慮以下因素選擇 合適的測量方法。1) 水路大小和形狀，流速范圍，最大流量和最小流量；2) 測量精確度要求；3) 流量計設置場所和環(huán)境條件；4) 液體狀況，潔凈程度，含有固相濃度，腐蝕性；5) 現場允許落差(或升高水位)和渠道坡度；6) 與液體接觸的儀表零部件材料；7) 選用超聲流速計和電

22、磁流速計時要分別對液體濁度或電導率作調查，其要求可參照超聲流量 計和電磁流量計要求。4、 2 估算渠道流量和抬高水位對于新建單位可通過工藝流程計算渠道流量與擬安裝位置，再選定儀表規(guī)格。對于老企業(yè)添置儀 表要估計既有渠道流量和確認儀表上游允許升高水位；即確定流量儀表規(guī)格和流量范圍，要取決于渠道峰 流量和允許升高水位兩個因素。(1)估計峰流量通常有投浮子法和日排放量估算法兩種方法。式中 K1) 投浮子法 既有明渠可采用投浮子法測定和估算流量。 選定在最大流量時， 兩人距離 L(2050m) 立于直渠道旁，上游一人投放浮子(一般是木制圓片)，下游一人在投放木片的瞬間啟動計時，當浮子到 達時停止計時，

23、得時間 t ，求出渠道表面流速 m/s( =L/t) 。再測出渠道流通截面積 Am2，便可從式 (5) 估算流量 Q修正系數，因表面流速大于平均流速，一般取 0.840.90.2) 從日排放量 Qd估算峰流量 Qp 在沒有條件用投浮子法或新建系統， 可采用實際 (或設計) 的排放 量來估計峰流量，估算公式如式( 6 )或( 7)7)式中 K u 不均勻系數，如為均勻連續(xù)排放，可取 1.11.2 ；H 每天集中排放累計小時數，如為不均勻連續(xù)排放，則按集中排放小時計算。(2) 確定抬高水位除流速 - 水位流量計和非滿管電磁流量計外， 渠道安裝流量計后其上游均要抬高水位。 對于新設計的渠系可按測量流

24、量范圍和周邊環(huán)境條件全面考慮確定升高水位高度。對于現有渠道在選定流量計時，要考慮上游 渠系水位抬高后的影響（如水位是否會漫溢出渠道），然后再按確定的水位升高高度和峰流量值選定儀表 規(guī)格。4、 3 渠用流量儀表適用范圍和性能比較常用渠用流量儀表適用范圍和性能比較歸納如表4。表 4 渠用流量儀表性能比較測量方法比較項目堰法（薄壁堰 ）P槽法PB槽法流速 - 水位法潛水電磁法適用渠道 類型明渠明渠圓形暗渠明渠、暗渠明渠、暗渠流量檢測 結構特征渠道要截流，檢測件結構簡單渠道一段要裝 入槽，檢測件結 構較復雜渠道一段要裝入 槽，檢測件結構較 復雜不必改動渠道， 流量檢測要用流速計渠道要截流， 檢測件 為

25、本體，分流模型擴 大流量檢測儀表液位計液位計液位計流速計 +液位計本儀表直接測量渠寬、喉寬或 口徑渠寬：450-8000喉寬： 25-240(15200)口徑： 150-1800(3000)渠寬： 300-1000 口徑： 300-500口徑： 500-400(600)流量或流速 范圍15-40000m3/h 三角堰 小流量 矩形堰 中流量 等寬堰 大流量30-15000(33000)m3/h20-12000(4200)m 3/h流速： 0-20m/s10-5000m3/h測量精確度 誤差 /（%FS）1-33-53-53-5單獨傳感器： 1.5帶分流模型： 2.5流量范圍度(10-20):1

26、(20-30):1(20-30):1(20-100):110:1抬高水位 /mm200(120)-8075-200口徑的(1/20-1/30)無100-500上游側固態(tài) 物是否沉積 和排泄程度會沉積，不會排泄，要定期清除不會沉積， 隨物 排泄不會沉積，隨流排 泄不會沉積，隨流排泄會沉積，能部分隨流排泄上游直渠段 長度要求 /mm1500-24000( 其 中整流流部 690-12000)300-20000上游側： （5-10） 倍的口徑 下游側： 2 倍口 徑上游側： （10-15） 倍渠道（或口徑 ） 下游側： 5 倍渠寬 （ 或口徑 ）對液體的 要求無特殊要求無特殊要求無特殊要求傳播時間法

27、超聲流 速計；濁度 5000mg/L 多普勒法 超聲流速計：濁度 60-5000mg/L液體導電率10-4 s/cm 測量廢水、 下水不存在問題各類儀表的特點前文已有所論述，現在做綜合比較。1）水頭損失或上游側抬高水位 流速 -水位法沒有因測量帶來水頭損失， 其余幾種方法渠道均要被 截流或裝入一段流量檢測件段，抬高上游水位。潛水電磁流量計由于可裝分流模型，升高水位可比較靈活 地選擇。2）安裝方便性 流量檢測件本身和安裝以槽最為復雜，堰和潛水電磁流量傳感器相對簡單。 對已有渠道改造，安裝流量檢測件時挖掘工程量大，特別是暗渠要設置檢查井（陰井），往往成 為否定選用方案的原因。除潛水電磁法外，其他各

28、類方法均有直渠道要求，這給選擇測量點位置帶來許多制約條件。5、 安裝注意事項本節(jié)僅就堰式、 槽式和流速 - 水位式流量檢測件的安裝要求做些說明， 各種液位計、壓力傳感器和 潛水電磁流量傳感器則參閱有關資料。5、1 堰式流量計堰板上游水路要設置整流段、整流裝置段和導流段，尺寸要求如圖 14 所示。若不設置整流裝置， 則整流段的長度 L1 應為渠寬（ B）10 倍以上。畫圖圖 14 堰上游整流裝置水路導流段的儲水容量應盡可能大，導流段的寬度和深度可以比整流段大些，導流段的側壁高度應比 整流段側壁高些，以防止水位上漲溢出。整流裝置段的寬度和整流段相等，側壁高度則與導流段相等。整流段底部水平面要求與側

29、面垂直，充滿水后不變形；軸線應為直線，寬度要大體一致。畫圖圖 15 堰板安裝位置堰板應按圖 15 所示垂直安裝在支板上游側面， 為防止下游側支板干擾水舌正確流動， 支板必須低 于堰口與水平線向下成 450 角的平面以下。畫圖圖 16 下游側水面影響為防止下游側水面影響，堰板下游水位應低于零水位（即堰缺口）150mm，如圖 16 所示。若下游水位上升要影響自然落下的水流，就不能準確測量流量。因此要事先調查下游側水位。須為清除堰板上游堆積物提供條件。 用于下水道或污水排放時， 液體中沉淀物堆積改變尺寸 D（見 圖 14 ）從而影響流量系數，且堵塞整流裝置，破壞正常流速分布，因此須為清除堆積物提供條件。5、2 P 槽流量計流入側水路的流速分布要影響測量精度，因此要注意以下各點。1） 要有一段截面積不變的直渠道。在急彎道或與支路匯合產生局部混合流動時，至少要有5