旋槳式流速儀在城市排水管網(wǎng)中的應(yīng)用

楊志超

1.北京建筑大學(xué)，北京 100044；2.北京市理化分析測試中心，北京 100089

流體流速是描述流體運(yùn)動的重要物理量。隨著現(xiàn)代城市對暴雨防洪、面源污染控制等要求的提高，需要一種可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測方案，對管道內(nèi)流速信息進(jìn)行記錄、收集和發(fā)布。中國大多數(shù)城市排水管網(wǎng)因?yàn)樾藿〞r(shí)間較早，沒有配置監(jiān)測系統(tǒng)和能源供給系統(tǒng)。

流速的檢測方法可分為接觸法和非接觸法兩類。對流體進(jìn)行直接測量，并給出其中某些質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動流速被稱為接觸法測量，需要注意的是大多數(shù)接觸法測量得到的是某些特定區(qū)域的流速數(shù)值而非平均流速，并且對流場造成一定程度的干擾，需要后期將該流速轉(zhuǎn)化成平均流速，并考慮干擾因素后使用。而非接觸法則利用電磁、超聲波、激光等多種物理特性對流體流速進(jìn)行測量，測量精度很高，但能耗較高不適合老舊管道布設(shè)。

隨著我國流速測量水平的穩(wěn)步發(fā)展，各類不同類型、不同精度的流量計(jì)被應(yīng)用于各種行業(yè)中。目前市面可供選擇的流速測量設(shè)備品種繁多，如電磁流速儀、超聲多普勒流速儀、激光多普勒流速儀、粒子成像測速系統(tǒng)等[1]。這些流速計(jì)各自具備一定的測量優(yōu)勢，但其中造價(jià)高昂、能耗較高、無法適用各種管徑的排水管道、測量數(shù)據(jù)難以實(shí)時(shí)發(fā)布等缺點(diǎn)較為突出。在工廠排污、城市排水和農(nóng)田水利灌溉等場合中，流體大多數(shù)都是以非滿管或明渠流形式出現(xiàn)，現(xiàn)有的很多流速監(jiān)測設(shè)備并不適合使用[2]。

1 旋槳式流速儀

1.1 旋槳式流速儀原理

旋槳式流速儀是一種利用傳統(tǒng)方法的接觸式測量器具，利用旋槳葉輪和水流的相對運(yùn)動，使槳葉繞軸旋轉(zhuǎn)提供脈沖信號，測量出流體流速，再將收集到的數(shù)據(jù)記錄在采集模塊上。旋槳式流速儀是一種通過國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）認(rèn)可，并在各行業(yè)中最常使用的流速測量設(shè)備之一[3]。

旋槳式流速儀主要分為三個部分：（1）光電轉(zhuǎn)換部分；（2）旋槳式傳感部分；（3）計(jì)數(shù)器部分。當(dāng)水流帶動旋槳開始沿軸向旋轉(zhuǎn)，流速計(jì)內(nèi)光源通過轉(zhuǎn)軸上的三棱鏡反射后，被光敏三極管接收到并轉(zhuǎn)換為電信號，同時(shí)產(chǎn)生一次脈沖發(fā)送到計(jì)數(shù)器。漿軸每旋轉(zhuǎn)一周，三棱鏡反射3次，計(jì)數(shù)器接受3次脈沖信號。計(jì)數(shù)器在單位時(shí)間內(nèi)接收到若干次脈沖信號，以此計(jì)算出流體流速[4]。

旋槳式流速儀中轉(zhuǎn)軸脈沖信號與流體流速之間的關(guān)系式為：

式中：V——流體流速（cm/s）；

K——傳感器比例常數(shù)（cm/信號脈沖數(shù)）；

N——測量時(shí)間內(nèi)葉輪發(fā)出的信號脈沖數(shù)；

T——葉輪發(fā)出的轉(zhuǎn)動信號脈沖周期；

C——傳感器最小感應(yīng)流速（cm/s）。

該旋槳式流速儀轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)1周發(fā)送3個脈沖信號，由于制造工藝和流速很難保證均勻，3個脈沖信號周期不會完全相同，可將3個脈沖周期合并進(jìn)行求解，如公式（2）：

公式（1）是計(jì)轉(zhuǎn)速法，是指施測時(shí)間t內(nèi)，葉輪發(fā)出的信號脈沖為N，當(dāng)測量時(shí)間越短、流速越低時(shí)，接收到的信號脈沖數(shù)越少，測量讀數(shù)的絕對誤差就越大。而公式（2）是計(jì)周期測流速法，采樣周期越短其測量精度越高，采樣周期可人為設(shè)定，所以精度更容易控制。

1.2 旋槳式流速儀的精度和誤差

現(xiàn)在各行各業(yè)對流速計(jì)精度要求不一，我國的流速測量及檢定設(shè)備最佳精度可達(dá)到0.10級[5]。于此相對高精度的流速測量設(shè)備一般都是精密、高能耗儀器，而城市排水管網(wǎng)的測量環(huán)境惡劣，能源供給差。精密測量儀器無法長時(shí)間工作，為了滿足在惡劣環(huán)境中長時(shí)間工作，流速測量設(shè)備一般選擇傳統(tǒng)機(jī)械測量設(shè)備。旋槳式流速儀由于受限于自身物理性能，與激光、電磁等高精密設(shè)備相比存在差距，但也能達(dá)到0.2級。我國研究者通過多年努力建立出旋槳支承摩阻力矩、旋槳螺旋角、和速度變化之間的關(guān)系式，使旋槳式流速測量設(shè)備的精度和可靠性得到提升，可以滿足水利、水運(yùn)等行業(yè)的使用要求[6]。

旋槳式流速儀誤差計(jì)算：

式中：δ——測點(diǎn)相對誤差；

v ——流速儀實(shí)測計(jì)算流速（m/s）；

vi——流速儀標(biāo)準(zhǔn)值（m/s）。

1.3 旋槳流速儀旋轉(zhuǎn)軸動態(tài)密封

旋槳式流速測量設(shè)備的防水、防腐蝕性能是影響測量結(jié)果和工作時(shí)長的核心因素[7]。槳葉帶動轉(zhuǎn)軸工作，轉(zhuǎn)軸的動態(tài)密封如果遭到破壞使其進(jìn)水，測量儀器內(nèi)摩阻將增大，使測量結(jié)果誤差變大甚至無法工作。為使泥沙等顆粒物進(jìn)入儀器內(nèi)部，首先應(yīng)選用高精密加工的轉(zhuǎn)軸和密封圈，使其縫隙盡可能地阻止大顆粒泥沙的進(jìn)入。在儀器內(nèi)部設(shè)置油室，為軸承隨時(shí)加油保持其潤滑度。利用螺旋泵原理將密封裝置制作成螺旋形式，該結(jié)構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生泵送壓頭密封油室達(dá)到動態(tài)密封的效果。

2 旋槳流速儀在城市排水管網(wǎng)中的應(yīng)用

在城市排水管網(wǎng)中存在大量垃圾、泥沙和污染物，一般常見的有N、P有機(jī)污染物；難以降解的油、脂類物質(zhì)；帶有毒性的石油烴類（PHC）、多環(huán)芳烴（PAHS）類物質(zhì)以及有害重金屬等物質(zhì)。這些物質(zhì)可能相互或在微生物的作用下發(fā)生一系列的生化反應(yīng)，產(chǎn)生粘度更高的組織、有毒氣體甚至是能腐蝕管道的物質(zhì)。流速檢測設(shè)備在這種環(huán)境中工作，相比水利、水運(yùn)等行業(yè)有著更高的要求。

旋槳作為旋槳式流速儀的感應(yīng)部分，一般選擇塑料材質(zhì)，因?yàn)樗芰喜馁|(zhì)在受力后只會產(chǎn)生彈性變形，更容易恢復(fù)原狀。但城市排水管網(wǎng)中腐蝕性物質(zhì)含量較高，特別是油、脂、石油烴類、多環(huán)芳烴類等相較于水利、水運(yùn)等施測環(huán)境含量更高。應(yīng)選用更耐腐蝕、耐有機(jī)溶劑的塑料制作旋槳。

在城市排水管網(wǎng)運(yùn)行中，存在大量垃圾、落葉、樹枝等大體積雜物，這些物體碰撞流速測量設(shè)備都可能造成測量數(shù)據(jù)的波動甚至導(dǎo)致儀器被破壞無法使用。可使用一定網(wǎng)眼密度的防撞網(wǎng)對流速測量儀器進(jìn)行保護(hù)，但由于防護(hù)網(wǎng)的存在，流體被擾動導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)誤差，可通過在可控流速水槽中進(jìn)行多次測量，對比測量流速和實(shí)際流速的差距，降低擾動對實(shí)際測量的干擾。

3 結(jié)語

旋槳式流速儀不僅體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單、能耗較少，還滿足一定的精度要求，很適合城市排水管網(wǎng)測量的使用要求。在城市排水管網(wǎng)比較惡劣的施測環(huán)境中，旋槳式流速計(jì)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)緊湊、不易變形、防沙、防水、防腐蝕等結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，能提供可靠的測量數(shù)據(jù)。又因?yàn)楝F(xiàn)在大多數(shù)城市排水管網(wǎng)不具備能源供給條件，其低能耗的特點(diǎn)能夠保證其長時(shí)間測量而不需要頻繁更換能源設(shè)備。為未來排水管網(wǎng)的流體流速測量工作的發(fā)展打下基礎(chǔ)，展望如下：

（1）信息發(fā)布功能：長時(shí)間的監(jiān)測設(shè)備必須具有實(shí)時(shí)收集、發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，旋槳式流速計(jì)產(chǎn)生的脈沖信號可直接發(fā)送到接收端，減少計(jì)算耗能。

（2）數(shù)據(jù)智能處理：接收端對流速數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理，不僅能計(jì)算流速計(jì)測量值，還可以根據(jù)測量環(huán)境的變化自動修正誤差，減小流體黏著或物理碰撞對測量值的干擾。

（3）更高性能、高精度的流速測量設(shè)備：旋槳式流速儀自身還具有發(fā)展空間，如轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周所激發(fā)的脈沖信號數(shù)量、周期、穩(wěn)定性；內(nèi)部信號與發(fā)送裝置的信號通信利用光纖傳送；防撞設(shè)備低干擾能力的開發(fā)等。