关于明渠超声波流量计技术介绍

 

对于明渠的流量测量，除了流量堰和流量槽的测量技术之外，还有流速-面积法、平均流速公式法、水位-流量曲线法以及潜水型电磁流量计法等测量方法。

 

流速-面积法

 

1.流速-面积法的测量原理

 

速度-面积法主要是用于大型的明渠或河流的流量测量。使用流速-面积法测量明渠的流量，就是选择明渠的某一截面作为测量地点，将截面用竖直线划分成若干更小的截面，如图12-26所示，然后分别测量每个小的截面的面积和平均流速，这样就可以计算出每个截面上的流量，对整个明渠的截面进行求和，最终就得到了明渠水流总的流量。使用流速-面积法测量明渠流量时，对明渠的形状没有十分严格的要求，即使在截面形状不规则或底部有淤积的明渠上也能进行测量。

下面介绍使用流速-面积法测量明渠流量的具体方法和步骤。

(1)选择测量地点 流速-面积法测量地点应满足以下条件：

1)水流的流动均匀，不易产生涡漩；

2)测量地点上流侧明渠的直线长度应为其宽度的5倍以上，下流侧明渠的直线长度应为宽度的2倍以上；

3)明渠的形状整齐，底部尽量不要有淤积；

4)当明渠的水位发生变化时，测量截面的形状不应有急剧的变化；

5)水流流动方向与测量截面垂直。

 

(2)垂直测线的分布 使用流速-面积法测量明渠流量的过程中，需要测量各个划分出的截面的水位和其中的流速，以相应地计算出截面面积和截面上的平均流速。对水位和流速的测量都是在垂测线上进行的。水深和流速的测线分布，由明渠的宽度决定，有采用在整个明渠宽度按一定的间隔平均分布的，一般对于宽度在10米以下的明渠，平均分布的测线间隔为0.1-0.15倍的明渠宽度。但是，在更多的时候，我们选择春日屋法分布测线的位置，可以减少测线的数量并且提高测量的精度。表12-5给出了春日屋法测线的位置分布和相应的加权值。

春日屋法的明渠总流量的计算公式为

式中，q_i为第i个测线处单位宽度截面的流量，等于平均流速×水深，A_i为对第i个测线的加权值；B为整个明渠的宽度。

(3)平均流速的测量 在测线位置上测量流速，一般使用的是叶轮式流速计，而根据流速的测量结果计算垂直测线上的平均流速，有垂直流速曲线法、一点法三点法、三点法、四-六点法、积分法和春日屋法等许多方法，其中最常用的是二点法，二点法是在垂直的测线上分别取距离水面0.2倍水深0.8倍水深的两个点，测量这两点上的流体流速，按下面的公式计算整个测线上的平均流速u_m：

 

2.流速-面积法的应用

 

实际的流速-面积法的测量方法主要有超声波法、全渠宽线圈的电磁法和电磁流速计法，使用超声波和电磁流速计可以连续测量明渠流体的流速。

(1)超声波法 超声波法的原理是超声波在流动的流体中传播速度和流体流速有关，测量超声波在流体中的传播速度变化可以计算流体的速度。图12-27是超声波法用于明渠流量测量的实例。超声波流速计探头安装在能够测量出平均流速的位置，一般在60%水深处。

(2)全渠宽线圈的电磁法 英国Redland自动化公司研制了一种叫做电磁河流仪的电磁流量计，用于明渠的流量测量。在明渠的上方设置激磁线圈，或在某段明渠的底部覆盖绝缘薄膜，其下设置线圈，在渠道两侧设置一对条形电极检测流量的感应电势，加上液位计测量液位并且计算出通流面积，经过带有微处理器的转换器就可以显示出流量。有关资料可查阅IS09213《排放总量——用全渠宽线圈的电磁法》。

(3)电磁流速计 将传统的电磁流量计用于测量明渠或非满管流道的流量测量，虽然测量精度高，但是，设备复杂，投资大，运行维护也比较麻烦，而且很多明渠和非满管流道的流量测量也不需要太高的测量精度，此时可以考虑使用小型的电磁流速计。

这种电磁流速计的传感器有两个敏感元件，一个测量流速的电磁流量元件(包括线圈和电极)，另一个是固态扩散硅应变元件，测量压力，封装在防水的PVC塑料里，外形呈扁平的流线型。电磁流速计的传感器安装在明渠或非满管流道的没有淤积的底部，如图12-28所示，固态扩散硅应变元件测量的压力信号代表了液位，可以转换成通流截面面积，乘以流速，经过微处理器的处理，就能够连续测量明渠的流量。

固态扩散硅应变片测量液位的原理是，对应于液位的压力作用于硅片上，使之产生应变，扩散硅片上的应变电阻也随之改变，测量电阻的电桥就可以输出对应于液位的电压信号。

这种合二为一的电磁流量计使明渠的流量测量装置大大简化，其测量范围：流速为O-6m/s；液位≤3m；系统精度为3%-5%。

 

平均流速公式法

 

平均流速公式法是通过测量明渠水面的坡度和明渠的截面形状，根据某一公式计算水流的平均流速，从而计算明渠的流量。求明渠水流平均流速的公式很多，其中比较典型的是谢基公式和满宁公式。

 

1.谢基(Chezy)公式

 

式中， u是明渠水流的平均流速(m/s)；R是径深(m)，等于水流的截面积除以温润边长，湿润边长则是与水流接触的水渠壁的长度；I是水面的坡度，c是谢基系数，谢基系数C不是常数，会随径深的变化而发生变化。谢基系数可以由巴金公式求出

式中，γ是巴金粗糙度系数。

 

2.满宁(Manning)公式

 

式中，u、R、I和谢基公式中的含义一样；n是满宁粗糙度系数。

谢基公式和满宁公式因为测量方法和流量计算形式简单，很适合明渠及小型河流的流量测量，但是一般很难准确地得到在公式计算中所需要的粗糙度系数，所以平均流速公式法的测量精度不高。

 

潜水型电磁流量计测量明渠流量

 

潜水型电磁流量计是新型的用来连续测量明渠、暗沟或未满管道中导电流体的体积流量测量的一种电磁流量计，近年来在工业排水和环境保护方面得到了广泛的应用，可以实现对被测流体流量的测量、控制、调节记录和积算。

 

1.测量原理

 

和其它电磁流量计一样，潜水型电磁流量计也是根据法拉弟电磁感应原理工作的。当导电流体在交变磁场中沿测量管路作与磁力线成垂直方向的运动时，导电流体切割磁力线产生感应电势，在与测量轴线和磁场磁力线相互垂直的管壁上安装了一对检测电极，检测出感应电势。感应电势e与流量qv成正比。流量信号输入电磁流量转换器，经放大转换成与流量信号成正比的直流信号0-10mA或4-20mA。

潜水型电磁流量变送器是通过与外壳相连的平板法兰安装在带孔的闸板上。闸板完全拦断渠道流体，使流体只能从变送器中流过。整个变送器完全浸没在流体中。其测量原理如图12-29所示。根据流体力学分析，水位差和流速的平方成正比：

2.潜水型电磁流量变送器的安装

 

按照渠道的断面形状制作合适的带孔闸板，将变送器用不锈钢螺栓(加密封垫圈)固定在闸板上，以确保流体完全从变送器中流过。为了保证变送器在测量时充满流体，通常还在渠道测点的下游3倍渠宽或管径处设置一堰板，堰板顶端高度应高于变送器测量管的顶部高度。如果流道为其它形式，也要采取相应的措施保证变送器在测量时为满管流。

图12-30介绍了在各种情况下，潜水型电磁流量计的安装示意图。

在变送器的安装时，还应该注意以下两点。

1)转换器现场墙挂式安装，安装位置应避免能产生强大交流磁场的场合；

2)转换器与变送器之间导线连接距离一般为10-30m。

 

3.国产LDQ型潜水电磁流量变送器规格和性能指标

 

国产LDQ型潜水电磁流量变送器除了保持电磁变送器结构简单、可靠，内部无活动部件，压力损失小，输出信号不受被测介质温度、压力、密度及粘度等物性参数变化的影响，输出信号与流量呈线性等一般电磁流量计的特点之外，还具有以下特点。

1)适用于圆形、矩形、梯形和任意形状的明渠、暗沟或河道的流量测量；

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

3)采用分流模型可以扩大流量测量范围，降低费用；

4)维护工作量小；

5)采用低频三值矩形波励磁及采样放大技术，抗干扰能力强，零点稳定，工作可靠；

6)耗电量小，整个成套仪表的耗电量约为30VA，与变送器的口径大小无关。

LDQ型潜水电磁流量变送器的型号和主要技术指标见表12-6。

 

4.与分流模型并用测量大流量

 

在测量大流量时，为了避免水位差过大，可以使用分流模型来分流。LDQM型分流模型和LDQ型潜水型电磁流量计配合使用的，其外形、尺寸与LDQ是完全一样的。当一台变送器和一个或几个几何形状完全相同的分流模型并用时，实际流量为一台变送器所测流量乘上倍数(分流模型的个数加1)，如图12-31所示。

与分流模型并用测量大流量时，系统的测量精度稍有降低，为满量程的2.5%。

 

 

水位-流量曲线法

 

流速-面积法由于测量方法比较复杂，因而通常只是为一种实验方法，不适合日常的流量测量。对于某一经常需要进行流量测量的明渠，我们可以用水位流速法画出明渠流量和水位之间的曲线，在作出了这样的水位-流量曲线之后，日常测量时，只要测量明渠的水位就可以在曲线上查出相应的明渠流量，这就是水位-流量曲线法。