流量计04-明渠流量仪表..

1、明渠流量仪表1. 概述非满管状态流动的水路称作明渠（open channel），测量明渠中水流流量的仪表称作明渠流量计。明渠流通剖面除圆形外，还有 U形、梯形、矩形等多种形状。水路按其形态分类，各形态如图.1所示。ISO通常称满水管为封闭管道，流动是在水泵压力或高位槽位能 作用下的强迫流动。明渠流则是靠水路本身坡度形成的自由表面流动。满水管路自由表面疣的明渠圈1水路形态自由表面流的暗渠满水管路水路部分满水管路明渠 或非满管）渠道"敞口明渠（习惯简称明渠）'暗明渠（习惯简称暗渠）明渠流量计应用场所有城市供水引水渠、火电厂冷却水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工矿企业 废水排

2、放以及水利工程和农业灌溉用渠道。本文重点讨论前面几种工业和公用事业适用的流量测量方法和 仪表，不包括较大型的水利工程和农业灌溉用的流量测量方法。国外有人估计，1995年全球工业和公用事业用明渠流量计销售台数约占流量仪表整体的1.6%,约3.5万台;若包括较简易的堰等使用者可自行制造未向市场采购的仪表，实际装用还要多些。国内应用尚无估计数据。2、类型工业和公用事业常用的明渠流量仪表按测量原理大体可分为堰法、测流槽法、流速-水位计算法和电磁流量计法。1）堰（weir）法在明渠适当位置装一挡板，水流被阻断，水位升到档板上端堰（缺）口，便从堰口流出。 水流刚流岀的流量小于渠道中原来的流量，水位继续上升

3、，流岀流量随之增加，直到流岀量等于渠道原流 量，水位便稳定在某一高度，测岀水位高度便可求取流量。2）测流槽（flume,简称槽）法 缩小渠道一段通道断面成喉道部，喉道因面积缩小而流速增加，其上游水位 被抬高，以增加流速所需动能（即增加的动能由所抬高水位位能转变过来），测量抬高水位求取流量。3） 流速-水位计算法（简称流速-水位法） 测岀流通通道某局部 （点、线或小面积）流速，代表平均流速, 再测量水位求得流通面积，乘局部流速与平均流速间的系数，经演算求取流量。4）电磁流量计法 又分为潜水式电磁流量计和非满管电磁流量计两类，后者目前国内尚未开发。潜水式电磁流量计是在渠道中置一挡板截流，挡板近底部

4、开孔并装潜水电磁流量传感器，水流从流量传感 器流过从而测岀其流量。非满管电磁流量计的传感器直接在管道装上同口径圆形暗渠，测量流速的原理与传统电磁流量计的相同， 但还具备测量仪表内水位的功能，电极、磁路和测量电路则有较大差别。3、1堰式流量计3、原理与特点图2堰袪测童原理堰式流量计由堰和相应的液位计组成，薄壁堰的测量原理如图2所示，流量Q按式(1 )计算。(1)式中k 流量系数；h 堰顶水头，即离堰口水位高度；n 取决于堰缺口形状的指数，为5/2或3/2。常用薄壁堰按缺口形状分为三角堰、矩形堰和等宽堰，它们的尺寸范围和流量范围分别如表1所示。堰口尺寸和表面粗糙度要求可查阅标准或规程 ISO 14

5、38-1，CJ/T3008.1，CJ/T3008.2，JJG771，均有 具体规定。若迎流侧堰口长期使用后磨损成园角以及迎流侧堰壁粗糙变化均会产生测量误差。堰式流量计 除堰板部分外，还包括相应液位计以及堰板上游足够长的直渠段和整流段等。表1常用薄壁堰适用范围堰名称和形状60三.月堰 璽二角堰流量公式Q=Kh/2Q=Kh适用范围/mB=0.441.0h =0.040.12D=0.10.13B=0.51.2h=0.070.26<B/2D=0.10.75典型流量范围宽度B或BX b/m水头范围/m 流量范围/(m 3/h)0.450.60.80.040.1200.0700.2601.0815.

6、66.6174Q=KbhB= 0.56.3)=0.155.0D=0.153.5> 0.061=0.030.45(0.9 X 0.36)(1.2 X 0.48)0.030.31212.6540Q=Kbh/23> 0.5D=0.32.5 h=0.03D:但，h为0.8以下且为B/4以下）0.68 h.00.030.821.640260注：Q为流量；K为流量系数；h为堰的水头；B为渠宽度；b为缺口宽度；D为从渠底面到缺 口下缘的高度。堰式流量计的特点；1）结构简单，一般情况下价格便宜，测量精度和可靠性好；2）因水头损失大，不能用于接近平坦地面的渠道；3）堰上游易堆积固形物，要定期清理。3

7、.2槽式流量计槽式流量计的常用测流槽有多种形式。在渠道中收缩其中一段截面积，收缩部分液位低于其上游 液位，测量其液位差以求流量的测量槽，一般称作文丘里槽。还有适用于矩形明渠的巴歇尔槽（Parshallflume,简称P槽），适用于圆形暗渠的帕尔默.鲍鲁斯槽（Palmer Bowlus flume, 简称PB槽）。在欧洲文丘里 槽用的较多，在我国则以P槽和PB槽居多。（1）P 槽P槽外形如图3所示，喉道宽从25mm至 15m,已有定性尺寸。流量Q和喉道上游液位ha间的关系 式 Q佩 中，系数C和指数n均因规格而异。P槽可以用钢板或木版制成，也可以在现场用混凝土现 浇。国内已有用聚氯乙烯塑料或玻璃

8、钢制成的定型商品。对表面粗糙度和尺寸公差ISO 9826、CJ/T 3008.3和JJG 711均提出了要求。團3巴就尔槽疣量计（配浮子液位计）外形原理上喉道存在流量上限，喉道液位hb与收缩段液位ha的比值（h b/ha称作淹没比）应小于规定直,否则便成为淹没流，且喉道应规定最高水位。若P槽下游侧水位显著上升（例如涨潮，汇合支流流量剧增）会产生测量误差，有时甚至无法测量，此时可在测量扩散段水位hb后，参照JJG 711 7.1.47.1.6 所列图表计算流量。P槽流量计的特点是；1）水中固态物质几乎不沉积，随水流排出；2）水位抬高比堰小，仅为 1/4，适用于不允许有大落差的渠道。（2）PB 槽

9、喉道部分4帕尔默鲍鲁斯槽测量原理P槽不能用于圆形暗渠，PB槽为圆形暗渠专用。PB槽原理如图4所示，圆形断面收缩成倒梯形 喉道，喉道部产生射流（平均流速比水面传播的水波速度快的流动），测量上游侧水位ha，求取流量Q,式中系数C和指数n是取决于 和各构件形状尺寸的常数。倒梯形喉道的PB槽，n大约为2。PB槽公称口径从 250到3000mm 与混凝土管尺寸相对应，其长度是公称 口径的24倍（小口径段为4倍，大口 径段为2倍）。最大流量范围通常如表 所示，但国内若干型号产品常为其较小 直，达到最高允许水位的范围度标准值 为 30:1。表2 PB槽口径和最大流量范围口径 /mm最大流量范围/（m3/h）

10、口径 /mm最大流量范围/（m3/h）口径 /mm最大流量范围/（m 3/h）250501257006001600150080001257030080200800800224016501000015950350100290900230030201800120001983040015038510002900394020001600025810450200680110036005790220020000327505002506801200450062506004001080135060009660注：1350 mm以上为参考值。PB槽的特点是；1） 在维持自由水面流的管渠内，管壁粗糙度等条件变化会

11、导致流量值变化，而PB槽几乎不受管壁粗糙度等条件变化的影响，测量值的长期变化小；2） PB槽的水头损失在非满管流仪表中属于较小的，喉道部槽顶（crest）自清洗效果显著，几乎 不必担忧固体物的沉淀和堆积；3） 作为渠道不发生射流的条件，PB槽上游暗渠坡度必须在 20/1000以下，然而实际渠道几乎没 有会超过该坡度者；4） 渠道下游侧水深必须小于上游侧水深的85%不能满足条件，测量精度会下降，有时甚至无法测量。3、3流速-水位流量计图5所示是传播时间法超声流速计和超声液位计组成的流速-水位流量计一例，所测流速是线平均流速，水位是测量水位和超声液位传感器之间的距离间接求得。也有以测量点流速或局部

12、小面积平均流速（例如多普勒法超声流速计）和测量实际水位（例如压力式液位计）组成的流速-水位流量计。厨5疣速-水位凉量计例（超声流速计和超声液位计）流速计除超声式外还可用电磁式流速计以及现在用的较少的旋杯式流速计和旋浆式流速计。图5所示流速传感器的位置相距渠床高度Y通常为0.1B（B为渠宽），ISO 6418附录A则规定了3300m声道长度范围内最小的 Y值。图6所示是流速-水位流量计信号系统和运算框图，Vl是流速计实测的平均流速，Vl乘上线流速修正系数Kl求得流通面积A的平均流速卩 即卩=Klul.流量Q为(3)式中Kq- 流量系数，Kq=AK.瀟量转换器流速體感器同釉电缆复合电缆水裸判斷部分

13、K,=AKlTL运篦部分流量Q图B流速-水位流量计信号系统面祝Kl线修正系数Kf流呈系数Kq的值取决于流通面积形状（矩形、倒梯形、圆形或U形）和渠壁粗糙度。图中水深度判断部是判断水位是否低于流速传感器，若低于流速传感器则保持在此之前的流速信号，使之能继续运算。测量“点流速”的流速-水位流量计要引入点修正系数 Kp，即实测点流速与流通截面积平均流速之比。图7和图8分别是矩形渠和圆形渠的点修正系数例，图中Yp是流速检测位置离渠床的高度，B为矩形渠宽幅，D为圆形渠内径，H为水深，n为渠壁粗糙度。U7矩形渠点修正系数点修正系数K J00.2 0 4 OX 0 8 10图B圆管渠点修正系数点修正系数KT

14、流速-水位流量计的特点：1） 渠道截面形状不限于矩形，圆形、倒梯形或U形均适用，流量范围度宽。2）水位离渠床距离从接近零到满位均能测量。暗渠即使达到满管，压力显著增加时还能测量。3）由于从流速和水位二个信号求取流量，即使在受背压状态下流动，也能测量；同样也可测逆 向流（多普勒法流速计则应注意，因型号而异）。4）几乎不会发生固形物堆积现象。超声流速计和超声液位计不会阻碍流路，其他型式流速传感 器和液位传感器尺寸亦相对较小，对流路阻碍也很小。5）对于已有渠道安装容易，不需改造渠道工程。6）易受来流流速分布影响，测量场所上下游要有足够长的直渠渠道。3、4潜水式电磁流量计潜水式电磁流量计需在渠道中置一

15、挡板截流，在挡板底部装上潜水电磁流量传感器，如图9所示。挡板截住渠道，迫使水流只能从流量传感器中流过，以较原来高的流速通向下游，从而抬高档板上游的水位，产生挡板上下游水位差 h，此水位差的势能转变为流速 u的动能，即系数；gV 二 K&g（扎-如莎重力加速度(3)图9潜水式电磁流量计工件原理h 上下游水位差hr上游水位hd 下鯨水位 旷传感器部疣通西接近流谨远藕遥遼潜水式电磁流量计工作时， 液体流动 状况属于淹没孔口流，孔口流岀速度与孔口在 自由表面下的沉没深度无关，仅取决于上下游 的水位差。也就是说，流量测量值与流量传感 器(或分流模型)安装位置无关，但要求尽可 能低，使之运行过程中

16、始终处于淹没流状态。 通过流量传感器的流速一般为23.5m/s，上游抬高水位在 100300mm之间。在流量较大而又不能用较大口径流 量传感器时，为了避免水位差过大， 可以用如 图10所示分流模型来扩大流通能力。分流模 型的流通通道形状尺寸与流量传感器完全一 样。n个分流模型和一台传感器一起安装在挡 板上并用，实际总流量即为传感器实测流量乘 上(n+1)倍。不同流量和允许水位差条件下流 量传感器口径和分流模型台数选配如表3所示。通过流量传感器的流速一般为2 3.5m/s，上游抬高水位在100300mn之间。在流量较大而又不能用较大口径流量传感器时，为了避免水位差过大，可以用如图10所示分流模型

17、来扩大流通能力。分流模型的流通通道形状尺寸与流量传感器完全一样。n个分流模型和一台传感器一起安装在挡板上并用，实际总流量即为传感器实测流量乘上(n+1)倍。不同流量和允许水位差条件下流量传感器口径和分流模型台数选配如表3所示。1 nlrQ=3qpnjr分流模型硫星传翩器图ID分疣檯型和流疑倍感器布置例表3潜水式电磁流量传感器和分流模型选择最大流量/（m3/h）1050100200300500800100020005000允许水位差/mm可选流量传感器口径和分流模型台数/ （ mrm< n）100X 3100X 4200 X 3200 X 3200 X 650050 X 1100 X 11

18、00X 1200 X 1200 X 1200 X 2400 X 1400 X 1400 X 2400 X 4100X 3100X 4200 X 3200 X 3200 X 640050 X 1100 X 1100X 2200 X 1200 X 1200 X 2400 X 1400 X 1400 X 2400 X 4100X 3200 X 4200 X 430050 X 1100 X 1100X 2200 X 1200 X 2200 X 2400 X 1400 X 1400 X 2400 X 5100X 4200 X 3200 X 5200 X 520050 X 1100 X 1100X 220

19、0 X 1200 X 2400 X 1400 X 2400 X 2400 X 3400 X 5100X 3200 X 3200 X 5200 X 610050 X 1100 X 2200 X 1200 X 2200 X 2400 X 1400 X 2400 X 2400 X 3潜水式电磁流量计的特点：1）无活动件，可测量含有固体颗粒或悬浮体的液体。2）可使用于受潮水等形成下游侧水位变化的渠道。3）因设置挡板截流，测量与渠道形状和上游直渠道状况无关。4）水头损失比较大，流量传感器内必须保持满管流。5）挡板前会有一定程度固形物堆积，要定期清理。、5常用液（水）位计堰式、槽式、流速-水位式流量计 均

20、需I勺液（水）位计。明渠流量计常用的液 广式、电容式、压力式和超声式。浮子式液位计在槽（或堰）的水位测量 爭通至静水井（见图11），液位计的K井内随着水位变化而升降，通过液位-流量的指数函数关系转换电容式液位计是测量棒形电极外套绝套管，与液体为另一电极的电容量来检测液位 。电容式液位计有液位比例输出型和液位函数命岀型两类，前者如用于堰槽还需配用相应的函 攵转换器使之线形化，后者的绝缘套管按照堰 （或槽）的液位-流量特性函数输岀设计成特殊團11投入式水潍仪一例压力导入口应用于明渠流量测量的压力式液位计、吹气式液位计和小型压力传感力式水深仪如图11 一例，置与堰上游明渠底，测量水压变化推导水位变化

21、。波纹管受压压，与其相连的差动变压器铁芯一起产生位移，经差动变压器转换成电信号， 经转换器运算后输 出流量信号。压力硫量仪f11一 /吹气管图垢液介式超青液位计E112吹气式液位计吹气式液位计如图12所示，将一根吹气管插入堰槽等上游水位测量位置的渠内，以略大于最大流量时水头的空气压力，连续以恒定流量60100L/h）送入空气，吹出气泡，空气压力随水位而变，测得空气压力即可求的得水位。本仪表安装简便，适用于较污脏液体。但需要铺设供气管道和日常供气气源，带来不便。超声液位计是测量超声波从超声传感器（换能器）以一定的速度发射经气-液界面反射回到换能器的时间，以求取水位的液位计，称之气介式液位计，图5

22、所示即为其使用安装例。用于明渠流量测量的超声液位计除气介式外，还有如图13所示在液体中传送超声波经液-气界面反射的液介式液位计，超声传感器置于水中。气介式为非接触液体测量，适用于有污浊物和腐蚀性液体，但液位存有泡沫等会影响液位测 量值；液介式不适用于含有固相杂质的液体，但比气介式受温度变化影响小，超声波波长为气介式的1/5，分辨力和测量精度较高。4. 选用考虑要点4、1概述针对城市供水引水渠、工业引水和排水渠、污水治理渠道等流量测量特点，应考虑以下因素选择 合适的测量方法。1）水路大小和形状，流速范围，最大流量和最小流量；2）测量精确度要求；3）流量计设置场所和环境条件；4）液体状况，洁净程度

23、，含有固相浓度，腐蚀性；5）现场允许落差（或升高水位）和渠道坡度；6）与液体接触的仪表零部件材料；7）选用超声流速计和电磁流速计时要分别对液体浊度或电导率作调查，其要求可参照超声流量 计和电磁流量计要求。4、2估算渠道流量和抬高水位对于新建单位可通过工艺流程计算渠道流量与拟安装位置，再选定仪表规格。对于老企业添置仪 表要估计既有渠道流量和确认仪表上游允许升高水位；即确定流量仪表规格和流量范围，要取决于渠道峰 流量和允许升高水位两个因素。（1）估计峰流量通常有投浮子法和日排放量估算法两种方法。1）投浮子法既有明渠可采用投浮子法测定和估算流量。选定在最大流量时，两人距离L（2050m）立于直渠道旁

24、，上游一人投放浮子（一般是木制圆片），下游一人在投放木片的瞬间启动计时，当浮子到 达时停止计时，得时间t，求出渠道表面流速u m/s（ u =L/t）。再测出渠道流通截面积 Am2便可从式（5） 估算流量Q0 = x3600 m'lh修正系数，因表面流速大于平均流速，一般取0.840.90.2）从日排放量Q估算峰流量Q在没有条件用投浮子法或新建系统，可采用实际（或设计）的排放量来估计峰流量，估算公式如式（6 ）或（7）(7)式中Ku 不均匀系数，如为均匀连续排放，可取1.11.2 ；H 每天集中排放累计小时数，如为不均匀连续排放，则按集中排放小时计算。（2）确定抬高水位除流速-水位流量

25、计和非满管电磁流量计外，渠道安装流量计后其上游均要抬高水位。对于新设计的渠系可按测量流量范围和周边环境条件全面考虑确定升高水位高度。对于现有渠道在选定流量计时，要考虑上游 渠系水位抬高后的影响（如水位是否会漫溢岀渠道），然后再按确定的水位升高高度和峰流量值选定仪表 规格。4、3渠用流量仪表适用范围和性能比较常用渠用流量仪表适用范围和性能比较归纳如表4。表4渠用流量仪表性能比较测量方法比较项目堰法（薄壁堰）P槽法PB槽法流速-水位法潜水电磁法适用渠道类型明渠明渠圆形暗渠明渠、暗渠明渠、暗渠流量检测结构特征渠道要截流，检 则件结构简单渠道一段要装 入槽，检测件结 构较复杂渠道一段要装入 槽，检测件

26、结构较 复杂不必改动渠道，流量 检测要用流速计渠道要截流，检测件 为本体，分流模型扩 大流量检测仪表液位计液位计液位计流速计+液位计本仪表直接测量渠宽、喉宽或口径渠宽:450-8000喉宽：25-240(15200)口径：150-1800(3000)渠宽：300-1000口径：300-500口径：500-400(600)流量或流速范围15-40000m3/h三角堰小流量矩形堰中流量等宽堰大流量30-15000(33000)m3/h20-12000(4200)m 3/h流速：0-20m/s10-5000m3/h测量精确度误差/（%FS）1-33-53-53-5单独传感器：1.5带分流模型：2.5

27、流量范围度(10-20):1(20-30):1(20-30):1(20-100):110:1抬高水位/mm200(120)-8075-200口径的(1/20-1/30)无100-500上游侧固态物是否沉积和排泄程度会沉积，不会排 世，要定期清除不会沉积，随物排泄不会沉积，随流排 泄不会沉积，随流排泄会沉积，能部分随流 排泄上游直渠段 长度要求/mm1500-24000(其中整流流部690-12000)300-20000上游侧：（5-10） 倍的口径下游侧：2倍口 径上游侧：（10-15） 倍渠道（或口径） 下游侧：5倍渠宽 （或口径）对液体的要求无特殊要求无特殊要求无特殊要求传播时间法超声流

28、速计；浊度w5000mg/L多普勒法超声流速计：浊度60-5000mg/L液体导电率10-4 s/cm测量废水、下水不存在问题各类仪表的特点前文已有所论述，现在做综合比较。1） 水头损失或上游侧抬高水位 流速-水位法没有因测量带来水头损失，其余几种方法渠道均要被 截流或装入一段流量检测件段，抬高上游水位。潜水电磁流量计由于可装分流模型，升高水位可比较灵活地选择。2）安装方便性流量检测件本身和安装以槽最为复杂，堰和潜水电磁流量传感器相对简单。对已有渠道改造，安装流量检测件时挖掘工程量大，特别是暗渠要设置检查井（阴井），往往成 为否定选用方案的原因。除潜水电磁法外，其他各类方法均有直渠道要求，这给

29、选择测量点位置带来许多制约条件。5、安装注意事项本节仅就堰式、槽式和流速-水位式流量检测件的安装要求做些说明，各种液位计、压力传感器和潜水电磁流量传感器则参阅有关资料。5、1堰式流量计堰板上游水路要设置整流段、整流装置段和导流段，尺寸要求如图14所示。若不设置整流装置，则整流段的长度L1应为渠宽（B）10倍以上。画图图14堰上游整流装置水路导流段的储水容量应尽可能大，导流段的宽度和深度可以比整流段大些，导流段的侧壁高度应比 整流段侧壁高些，以防止水位上涨溢岀。整流装置段的宽度和整流段相等，侧壁高度则与导流段相等。整流段底部水平面要求与侧面垂直，充满水后不变形；轴线应为直线，宽度要大体一致。画图

30、图15堰板安装位置堰板应按图15所示垂直安装在支板上游侧面，为防止下游侧支板干扰水舌正确流动，支板必须低于堰口与水平线向下成 450角的平面以下。画图图16下游侧水面影响为防止下游侧水面影响，堰板下游水位应低于零水位（即堰缺口）150mm如图16所示。若下游水位上升要影响自然落下的水流，就不能准确测量流量。因此要事先调查下游侧水位。须为清除堰板上游堆积物提供条件。用于下水道或污水排放时，液体中沉淀物堆积改变尺寸 D （见图14）从而影响流量系数，且堵塞整流装置，破坏正常流速分布，因此须为清除堆积物提供条件。5、2 P槽流量计流入侧水路的流速分布要影响测量精度，因此要注意以下各点。1） 要有一段截面积不变的直渠道