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浮力式明渠流量计具有较好的抗沾污性及环境适

在工厂及城市污水排放、污水处理厂的某些生产环节和农田水利灌溉等场合,水流多是处于明渠的形式或不满管流动状态,对其流量的测量无法使用常规的流量仪表。随着人们对水资源合理利用意识的提高和日益增长的污水处理的需要,明渠流量计的研究与生产也越来越得到重视。
  国际标准化组织ISO设有专门的明渠流体流量技术委员会。在国内,渠用流量计也开始受到人们的关注,已经有若干单位正在研究渠用流量计,并已有一些产品应用于生产过程之中,确实解决了一些实际问题。但是,明渠流量测量装置要扩大应用面、增强适应性还有许多基础性的工作要做。本文将介绍作者在明渠流量测量方面的初步研究成果及下一步研究计划。
  2明渠流量测量原理及流量计算
  流体在管道中流动通常都是充满管道的。因此,对充满管道的流体流动进行流量测量时,管内流体的流动形态—流形,通常被认为是“轴对称”的。常规流量测量方法绝大多数都是基于这一“轴对称”的前提下得到的。而流体在明渠中流动却根本无法满足“轴对称”这一前提。于是,常规流量测量方法无法适用于明渠流量的测量。
  对明渠流量的测量方法主要有直接法和间接法两大类。直接法是对明渠中流体的某些质点的运动速度进行测量,找出这些质点的运动速度与流体在明渠中的平均流速之间的关系,以及明渠的横截面积,进而得到通过明渠的流量;直接法由于很难找出某些质点的运动速度与流体在明渠中的平均流速之间的对应关系,因此很少被采用。间接法是在明渠中安装量水器具,使之对明渠中的被测流体形成约束阻力,从而在量水器具的上、下游形成与明渠横截面上平均流速有关的液位差。如果能够保证量水器具下游出口处的液位不变(只要使下游液位不高于量水器具下游出口即可),则量水器具的上游液位即可反映明渠横截面上的平均流速。找出其对应关系,用测量量水器具上游液位的方法即可得到明渠横截面上的平均流速,进而达到明渠流量测量的目的。间接法在明渠流量测量中应用比较广泛,是研究的对象。
  明渠流量计由量水器具、液位传感器和显示仪表组成。前两部分安装于测量现场,通过电缆将信号传输给安装在控制室内的显示仪表,也可以将显示仪表安装在现场构成就地显示型仪表。
  间接法所用的量水器具分为堰式和槽式两大类。堰式量水器具最常用的是图1所示的三角堰和矩形堰,将其插入明渠之中即可使用。堰的上游侧特定点处的水位h与瞬时流量9有确定的对应关系:h=f(q),只要测出该点的水位h即可求出流量Q.
  槽式量水器具最常用的是帕歇尔水槽,如图2所示。测井与水槽的底部相通,其水位h与瞬时流量q也具有确定的关系。如果帕歇尔槽各部位的尺寸严格按照文献[2]的要求制作,那么流量计算可用该文献给出的下述公式:
  综上所述.不论堰式还是槽式明渠流量计,都是在渠道中加装量水器具,流体通过量水器具时受到阻挡而使渠道特定断面处的液位h发生变化,而通过渠道的流体流量q与h之间有对应关系。因此,明渠流量计的研究工作主要由以下三部分组成:①对于特定的量水器具,确定q与h之间有对应关系式;②准确地测出液位h值;③计算出对应的流量值并做相应的输出。
  由于帕歇尔水槽与堰式量水器具相比具有水位损失小(约为堰的1/4)、水中固态物质不易沉淀堆积以及测量精度比较高等优点,因而得到更为广泛的应用。本研究工作仅以帕歇尔水槽为对象,其研究方法也可应用于堰式明渠流量计。
  文献[2]所给出的标准帕歇尔水槽(图2),形状复杂、尺寸要求严格,制造、加工困难且底面凹陷处容易积存沉降物。为了扩大其适用范围,作者设计了一种结构形状简单的量水器具,称之为改进的帕歇尔槽,如图3所示。主要改进在于把底面展开。结构尺寸的变化必然导致其流量q与水位h之间函数关系的改变,作者为此进行了实验研究。实验采用标准表法进行,标准表为0. 2级精度的电磁流量计。表1、表2为喉部尺寸b分别是76mm和25mm的改进的帕歇尔槽的实验数据和用文献[2]所给出的标准帕歇尔水槽计算公式计算所得到的数据以及两者间的偏差,从实验结果可见,这种改进槽的实测流量值与根据文献[2]计算得到的流量值有较大偏差,因此不能再用该公式进行流量计算。
  作者根据实验数据,采用最小二乘曲线拟合法[3]拟合出了如F形式的流量计算公式:
  由于作者设计的水位传感器(详见后文)与水位h呈正比的输出信号为频率F,故在仪表中实际应用的流量计算公式为:
  拟合公式(3)的流量计算精度优于0. 3%,完全可以满足流量计算的要求。
 3浮力式水位传感器
  无论采用何种形式的量水器具,均需要测出水位才能得到瞬时流量值并进而得到累积流量。因此寻求一种适当的、可靠的水位测量传感器就成了关键性问题。由于明渠流量测量经常用于工矿企业污水排放、污水处理装置以及农田灌溉用水等场合,被测流体中一般均含有悬浮物、漂浮物以及油污等杂质,为更好地适应这些特点,研制了一种浮力式水位传感器,结构如图4所示。
  图中的测井即图2帕歇尔水槽旁的测井。浮球采用光滑的不锈钢薄壁圆球。这种测水位的方法虽然是一种接触式测量,但由于采用的浮球表面极为光滑,且为不锈钢制成,应用实践证明它的抗沾污性和抗腐蚀性均可满足工程实用要求。电感式液位传感器是由原、副边线圈组成的螺线管型互感线圈,当原边电压为E时,副边感应电压Uo=MXE,其中M是互感系数。与浮球相连的铁芯随水位的升降而改变其在电感线圈中的长度。铁芯在线圈中的长度不同将改变互感系数M的数值,使U0发生变化。将得到的副边电压U0进行检波、放大以及电压/频率转换,使得电路输出信号的频率与所测液位呈对应关系,从而达到检测液位的目的。信号检测电路原理如图5所示。
  4智能明渠流量显示仪
  智能明渠流量显示仪的主要功能是将采集到的水位传感器的频率信号F按照式(3)计算出瞬时流量q,并进而得到累积流量。显示仪采用LED数码管进行数字显示,瞬时流量4位数字显示,累积流量8位数字显示,使用按键在两个显示内容间进行切换。显示仪的原理框图如图6所示。显示仪以MCS-51单片机为核心,它接收来自水位传感器的频率信号。显示仪高阻抗的输入电路,使传感器至显示仪的最大传输距离可以达到1000米,并且采用光电隔离,使外部电信号不直接与单片机发生电气连接,保证了单片机运行的可靠性。程序存储器用来存放单片机的运行指令,数据存储器主要用于存放累积流量值,并对其进行掉电保护,保护时间十年。单片机不能直接驱动LED数码管,故加了一套驱动电路。运行电路是一个定时器,一旦程序跑飞或死机可强制单片机复位,并兼有上电复位功能。提高了仪表的抗性能。
  5实验结果
  对文献[2]给出的5种小型帕歇尔槽明渠流量计均进行了实验研究。表3,4为其中两种规格流量计的实测数据,标准流量由0. 2级电磁流量计给出。
  从表3,4的实验表3,4结果可见,其测量误差均小于2.5%,满足2. 5级仪表要求。
  表5给出了已研制成功的五种小型帕歇尔槽明渠流量计的流量范围。工业现场运行实践结果证实改进的帕歇尔槽明渠流量计有效地防止了淤积;测量仪表运行可靠;浮力式水位传感器具有较好的抗沾污性及环境适应性,对环境温度、湿度变化不敏感,能适用于各种水质,不受水中浮沫、悬浮物等杂质影响;结构简单,加工、安装方便;计量准确度可以满足实际需要,是一种应用前途广阔的明渠计量装置。
  6结束语
  改进的帕歇尔水槽用于明渠流量测量解决了沉淀淤积问题。但是,由于结构形状的变化,槽上液位与通过流量之间不再适用原来的公式。目前,只是对几种特定尺寸改进的帕歇尔水槽进行了实验研究,拟合出了相应的函数关系,而适用于改进的帕歇尔水槽的通用公式尚未得到。要得到通用关系式还需进行大量的实验研究和理论分析,这正是以后要进行的工作。

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