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明渠的測量流量

  有些工廠給排水道為敞開渠道，具有自由表面自然流，采用明渠流量計(jì)測量流量。而另有一些工廠排水道和下水管渠，雖不敞開，但是在非受壓非滿水狀態(tài)下流動(dòng)，實(shí)際上還屬于明渠。ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)通常稱滿水管為封閉管道，流體在水泵的推動(dòng)或高位槽位能的作用下作強(qiáng)迫流動(dòng)，而明渠則是靠水路本身坡度形成的自由表面流動(dòng)。

隨著人們對(duì)水資源合理利用意識(shí)的增強(qiáng)和日益增長的污水治理的需要，渠用流量計(jì)的研究和應(yīng)用越來越得到重視。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)設(shè)立了專門的技術(shù)委員會(huì)，即TC113 明渠流體流量技術(shù)委員會(huì)。并在最近20多年時(shí)間內(nèi)制定和發(fā)布了幾十個(gè)明渠液體流量測量方法和儀表方面的國際標(biāo)準(zhǔn)。

明渠流量測量方法的種類有很多，僅ISO TC113已制定和發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)的就有近10種，工業(yè)用明渠流量計(jì)主要分為堰式和槽式兩大類。

堰槽式流量計(jì)的工作原理是在明渠中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化了的量水堰槽，并在規(guī)定位置測量水位，則流過堰槽的流量與水位成單值關(guān)系。根據(jù)相應(yīng)流量公式或經(jīng)驗(yàn)公式或用查表法由測出的水位值換算出流量值。

(1)堰式流量計(jì)堰式流量計(jì)分薄壁堰、寬頂堰、三角形剖面堰、平坦V形堰等多種，

下面以薄壁堰為例敘述其特點(diǎn)和應(yīng)用。

薄壁堰是指在明渠中垂直水流方向安裝的具有一定形狀的缺口，并加工成堰口的薄壁堰體，過流時(shí)其水舌表面得到充分發(fā)展的量水建筑物。其中三角形缺口薄壁堰具有最高的流量測量精確度。

①三角形缺口薄壁堰。圖3.70所示為三角形缺口薄壁堰示意。堰板通常用金屬材料或工程塑料制成。堰口頂面e為一平面，與堰板上游面相交處成銳緣狀態(tài)。堰口表面應(yīng)光潔無毛刺。堰板上游面距堰頂20~50mm范圍內(nèi)加工成光滑表面。

泄水管設(shè)于堰板最低處，管徑為50~75mm，用于檢修或停水期間泄空堰體上游積水。泄水管的出口段安裝閥門，流量測量過程中，閥門關(guān)閉不得漏水。

堰板上游規(guī)定距離設(shè)置靜水井一只，用于測定水位。在靜水井與明渠之間用連通管連通。通過靜水井測量堰板上游的水位，不僅水位平穩(wěn)，而且避開了堰板上游水面的漂浮物對(duì)水位測量的影響。

三角形缺口薄壁堰的流量同水位之間的關(guān)系，在ISO1438/1中用函數(shù)表格的形式給出，也有一些學(xué)者提出了一些經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于θ=90°的三角形缺口薄壁堰，較為著名的公式有湯姆遜公式，即：

上述薄壁堰是明渠流量計(jì)中測量精確度最高的，能達(dá)到±(1~3)% FS，范圍度為(10~20):1,流量測量范圍可達(dá)0~40000m3/h，其中三角形缺口薄壁堰為小流量，矩形缺口薄壁堰為中流量，等寬薄壁堰為大流量。

除了薄壁堰之外，堰式流量計(jì)中還有寬頂堰、三角剖面堰、平坦V形堰等。它們各自的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求請(qǐng)參閱文獻(xiàn)和ISO相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

④ 堰式流量計(jì)的特點(diǎn)

a.結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，測量精確度高，可靠性好。

b.因水頭損失大，不能用于接近平坦地面的渠道。

c.堰上游易堆積固形物，要定期清理。

(2)槽式流量計(jì)。槽式流量計(jì)的常用測流槽有多種型式。在渠道中收縮其中一段截面積，收縮部分液位低于其上游液位，測量其液位差以求流量的測量槽，一般稱作文丘里槽。1922年在文丘里槽的基礎(chǔ)上開發(fā)適用于矩形明渠的巴歇爾槽(Parshall flume，簡稱P槽)，1936年開發(fā)適用于圓形暗槽的帕爾默-鮑魯斯槽(PalerBowlus flume，簡稱 PB槽)。

①P槽。P槽流量計(jì)的特點(diǎn)如下。

a.水中固態(tài)物質(zhì)幾乎不沉積，隨水流排出。

b.水位抬高比堰小，適用于不允許有大落差的渠道。

其結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、安裝及流量同液位差的關(guān)系，可參照J(rèn)JG711明渠堰槽流量計(jì)試行檢定規(guī)程 7.1~7.5。

PB槽的特點(diǎn)如下。

a.在維持自由水面流的管道內(nèi)，管壁粗糙度等條件變化會(huì)導(dǎo)致流量值變化，而PB槽幾乎不受管壁粗糙度等條件變化的影響，測量值的長期變化小。

b.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?fù)?dān)憂固形物的沉淀和堆積。

c.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(shí)際渠道幾乎沒有會(huì)超過該坡度者。

d.渠道下游側(cè)水深必須小于上游側(cè)水深的85%，不能滿足此條件，測量精確度會(huì)下降，有時(shí)甚至無法測量。

(3)常用液(水)位計(jì)。堰式、槽式流量計(jì)都是由液(水)位計(jì)算流量，因此均需配用相應(yīng)的液(水)位計(jì)。明渠流量計(jì)常用的液位計(jì)有浮子式、電容式、壓力式和超聲式。

非接觸式超聲波水位計(jì)在明渠流量計(jì)中應(yīng)用得越來越廣。它同量水堰槽配合使用，連續(xù)測量水位，并進(jìn)而按指定的流量同水位的關(guān)系計(jì)算流量值，從而對(duì)明渠中的水流量實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量。對(duì)于污水，難免存在沾污和腐蝕性，采用接觸式水位測量儀表，容易因污垢和腐蝕性引起故障，非接觸式測量則有明顯的優(yōu)越性，但測量點(diǎn)必須趨避表面有大量泡沫的場所。

其工作原理如下。

儀表探頭(換能器)固定安裝在量水堰槽靜水井的上方，如圖3.74所示，探頭向水面發(fā)射超聲脈沖波，聲波遇水面后產(chǎn)生反射。探頭接收反射波，成為回波。探頭下方固定裝有校正棒，也會(huì)產(chǎn)生反射，被探頭接收，成為校準(zhǔn)波。儀表內(nèi)的單片機(jī)記下發(fā)射波到校準(zhǔn)波之間的時(shí)間差t₁及發(fā)射波到回波之間的時(shí)間差t₂，如圖3.75所示，根據(jù)回聲測距原理可知：

探頭安裝完畢，探頭到液位測量起始點(diǎn)的距離L就是已知數(shù)，將L值置入儀表內(nèi)，于是儀表運(yùn)行后就可測量水位h。

流量與水位之間的關(guān)系因堰槽量水器的參數(shù)不同而異，通過操作鍵置入量水器有關(guān)參數(shù)，儀表用查表和線性插值得方法求得流量。這種儀表一般可達(dá)到千分之幾的測量精確度。