流量槽测量技术介绍

使用堰测量明渠流量一般含有杂物的液流时，在堰的上游侧容易出现沉淀和淤积，而且液流在经过堰时的流动损失也比较大，所以在平坦的明渠流量测量和工厂排水的流量测量方面，流量槽的使用要比堰更广泛。

如果使明渠的一部分收缩，那么液流经过收缩节流处时，流速增大，同时液流液位下降，测量这个液位的下降量就可以求得流量，这种测量流量的装置一般叫做文丘利水槽。水路的收缩节流方式有很多种，有的仅在侧壁收缩，有的使水路底部隆起节流，也有两者都采用的，由此产生了各种形状的流量槽，应用得最广泛的是巴歇尔水槽（P槽）和帕尔默一一一玻鲁斯水槽（P-B槽）。

 

2 一般文丘里水槽的测量原理

 

文丘里水槽的形状和文丘里管相似，测量原理也有类似之处。在文丘里管测量流量时，管路中是充满着流体的，节流部分的压力能变成了流速能，由此将产生压力差，测量节流前后的压力差可以计算出流量。而在文丘里水槽测量流量时，水路中是不满水的，在这里节流使液位能变成了流速能，因而是通过测量节流产生的液位变化来计算流量。

如图12-18所示的是截面为矩形的明渠渠道中设置的喉口截面同样为矩形的文丘里水槽，取明渠的底面为基准面，对流经文丘里水槽的液流在截面1和截面2应用伯努利方程，可得下式

式中Eg是比能量（单位质量的水具有的总能量）；g是重力加速度；u₁、u₂和h1、h_z分别是截面1和截面2处液流速度及液位，t是水路底部隆起的高度。

 

在液流截面1和截面2处的截面积为A1和A2。将上式整理可得下述求流量的公式

所以，液流的流量为

由于A₁=h₁B₁，A₂=h₂B₂，并且考虑到实际流体的粘滞力和表面张力等因素的影响用流量系数C_e对上式进行修正，得

用式（12-42）求流量，必须同时测量h₁和h₂两个参数，比较麻烦，而且由于下游侧的液位会影响上游侧液位，所以测量的精度不高。

一般而言，在坡度平缓的水路中，自然流动的液流流速缓慢，而经水面传播的波的速度比液流的流速快，这种液流称稳定流。这种液流在经过文丘里水槽时，被流的变化会产生波，向上游侧传播到很远的地方，从而对上游侧的液位产生影响。如果水路的坡度很陡，液流的流速比波的传播速度快，这种液流称射流，射流在经过水槽时，波无法向上游侧传播，就不会对上游的液位造成影响。也就是说，如果，若使液流流经文丘里水槽喉管的流速增加，使稳定流变成射流，这时，只要测量上游侧的液位h₁就可以求流量q_v。

液流从稳定流变为射流时的流动叫做临界流，临界流处的水深叫做临界水深。根据流体力学，矩形截面的水路中发生临界流的条件为

式中，u_c是临界流时的流速；它与波的传播速度相等；h_c是临界水深；g是重力加速度。

若临界水深处的液流截面积为A_c，则得

临界液流发生在截面2处的话，A_c=h_cB_c，取流量系数为Cc可得

根据式（12-45），流量q_v可根据临界水深h_c求得。设法使液流在喉管处产生临界流，并据此测量流量的槽叫做临界流水槽。

可是，在大多数情况下，液流在流经文丘里水槽时，发生临界流的位置是随着液流的各种因素的变化而变化的，因此正确测定临界水深是很困难的。但是如果我们可以保证在文丘里水槽喉管的某一位置必然发生临界流的话，就可以由式（12-39）和式02-43）得到

如果水路的截面形状固定，在式（12-47）右边的几个变量h_c、u₁和流量q_v之间有一定的函数关系，这样h₁也是q_v的函数，所以式（12-47）又可表示为

这就是说，在喉管发生了临界流的文丘里水槽中，只要测定了上游侧的液位h₁，就可以求得流量q_v。

虽然式（12-48）理论上可以求解，但在实际的水路中，对各种形状的文丘里水槽，根据上游液位计算得到的流量的理论值与实测值有较大的偏差。因此，在实际文丘里水槽应用中使用的都是实验关联式。在IS01438-75标准中，对于矩形截面的文丘里水槽，给出了如下的实验关联式

上式中，C_u是取决于上游接近流速的流速系数，C_e是取决于摩擦和涡的流量系数，b是喉管的宽度，h₁是文丘里水槽上游侧的测量液位。

将式（12-47）变形，代入式（12-45）可以得到临界液位和测量液位之间的关系式

式中，h=h₁-t

C_u可由计算求得，比1稍大。C_e比1稍小。在IS01438中两者都作为喉管和水路的各尺寸与液位的函数以表的形式给出。

 

3 巴歇尔水槽

 

1915年美国的V.M.Cone开始对文丘里水槽进行实验研究，1922年美国的R.L.Parshall对最初的文丘里水槽进行了很大的改进，研究并且制造出了巴歇尔水槽。巴歇尔水槽的结构复杂，尺寸要求精确，造价要比堰高很多，但是具有流动损失小，只有堰的四分之一，在测量农业用水、工业用水和上下水的流量测量方面得到了广泛的应用，已经形成一系列的标准，其制造材料也由金属变为混凝土，又变为玻璃钢和新型合成材料。

1.巴歇尔水槽的构造

巴歇尔水槽的形状如图12-19所示。它是由三部分构成的：

喉道上游具有水平底面的均匀收缩段，具有下降坡度底面、侧面宽度狭窄且互相平行的喉道段和喉道下游具有上升坡度底面的均匀扩散段，此外还有和水槽相连接的测量液位的小井。根据喉道的宽度，可以把巴歇尔水槽分为三种类型：小型槽（W=0.075m、0.152m、0.228m）；标准型槽（W=0.25-2.40m）和大型槽（W=3.05-15.24m）。常用标准系列巴歇尔水槽的各部分尺寸如表12-3所示。

巴歇尔水槽的侧壁全是与水平面垂直的，而且喉管部的两侧壁是相互平行的。收缩段底面和喉管部底面相交处叫做堰口。上游的水路的侧面和槽的收缩段的侧面是成弧形的光滑连接，或是45°角的直线连接。应该指出，各种不同尺寸的巴歇尔水槽的尺寸形状并不完全是呈几何相似，应按表中提供的标准制造。

流入水槽的液流在堰口部收缩加速，通过堰口时成为临界流。因此和文丘里水槽一样，测量上游侧液位，就可以计算出流量。巴歇尔水槽的液位测量点在收缩段的入口二分之一处，这种水槽即使在下游侧的液位相当高时也可以正确测量。

2.巴歇尔水槽中液位和流量的关系

严格地说，巴歇尔水槽也是文丘利水槽的一种，所以巴歇尔水槽流量的理论计算公式和式（12-32）相同

式中，C_v是取决于上游接近流速的流速系数；C_e是取决于摩擦和涡流的系数；b是喉道，即图12-19中W，（m）；h是巴歇尔水槽上游侧的测量液位（m）。标准巴歇尔水槽的流量测量可以使用如下经验公式

q_v=0.372b(3.28h)^{1.559b 0.026} (12-52)

另外，图12-20也给出了各种巴歇尔水槽的液位和流量的关系，我们还可以根据所测量的液位从图中查出相应的流量。

3.巴歇尔水槽的安装

巴歇尔水槽应安装在明渠水路底面上，但要注意避免因位置太高而导致上下游落差太大或上游水面溢出；槽的中心线和明渠中心线重合；在巴歇尔水槽的上、下游应各不小于5倍于明渠宽度的直渠道。

4.巴歇尔水槽的尺寸选择和测量精度

从图12-20中我们可以看到，能够测量同一流量的巴歇尔水槽有几种，这就有一个如何根据实际需要选择合适的型号的问题。如果选用的量水槽太大，不仅价格昂贵，需要把水路拓得很宽，而且液位变化很小，测量精度较低；而如果选用量水槽太小，液流的流动损失太大，上游侧的液流有可能溢出。因此，选择量水槽时，首先要使所选的量水槽在所测量的流量为最大值时的落差为该水路容许的流动损失的两倍左右，而且应使整个被测流量范围内，水槽液位的变化范围为100mm以下。

巴歇尔水槽测流量的精度和水槽的选择、安装以及其它测量条件等许多因素有关，从大多数的实验数据来看，一般整个巴歇尔水槽测量系统的测量精度为3-5%左右。

5.淹没流条件下的流量测量

前面介绍的巴歇尔水槽的流量计算是在自由流条件下使用的，这时流量由测量液位和水槽的型号尺寸决定。但是在水路中满水而流动无法产生足够的上下游液位差时，或受到潮水涨落的影响使下游侧的液位产生大幅度地变化时，就不得不在淹没流条件下测量。

对于巴歇尔水槽而言，下游侧的液位上升会使流经量水槽的液流流量减少，当上下游的液位差小于一定值时，上游侧的液位就会受到下游的液位变化的影响。我们将测量液位不受下游影响的流动叫做自由流，受下游影响的流动叫做淹没流。下游水头h_b和上游侧液位h之比称为淹没比σ=h_b/h。

标准巴歇尔水槽淹没流流量q_vs可以按下式计算

式中q_v是自由流动状态下的流量；q_ve是淹没流折减流量。

图12-21给出了淹没条件下游量计算过程。经过修正的流量测量结果虽然比自由流下条件下的测量精度低，但还是能够淹没流条件下测量流量。

 

4 帕尔默?玻鲁斯水槽（P-B槽）

 

大多数城市和工业污水的排放使用的是地下非满水的管道，这种流动和明渠的流体流动非常相似，因此也可以看作是另一类明渠。巴歇尔水槽是用于矩形截面的明渠流量测量的，对于大多数的圆形管道，比如埋在地下的下水管道来说，使用就十分困难。美国的帕尔默和玻鲁斯于1936年研制了适用于圆形管道的P-B槽，得到了广泛应用。

如图12-22所示，P- B槽其喉管段截面形状一般是梯形，其流量测量的原理和前面介绍的文丘利水槽和巴歇尔水槽一样，都将管道截流，使流体的流动在喉管段产生临界流，P-B槽上游液位和流量有一定的函数关系，测量P-B槽上游侧液位(水头)，就能够计算出流经P-B槽的流量。P-B槽的构造见图12-23，P-B槽的尺寸见图12-24，常用P-B槽的结构尺寸与可测量的最大流量见表12-4。

常用的P-B槽流量可以查图12-25，也可以用如下经验公式计算：

式中，h是P-B槽上游的测量水头；K是由管径确定的常数。P-B槽的流动损失很小，在通常情况下，使用这个公式计算流量的误差在2%以内。

P-B槽测量的是地下非满水管道的流量，所以它安装在探井里，安装P-B槽的管道，其坡度应在2/100以下，上游侧直管段长度应为管径的十倍以上，下游侧不应有负坡度和闸阀。

P-B槽的液位测量有多种方法，但在以下水道、工业排水为测量对象，在地下探井条件下，超声波液位计最适用，超声波液位计可以作防水设计，即使被水淹没后也能使用。

P-B槽的系统测量精度为3%。