不同流量計(jì)在污水流量測(cè)量中的性能比較分析

王 冰

（山西省水利水電科學(xué)研究院山西太原030002）

0 引言

流量計(jì)是污水處理廠中應(yīng)用最多、最廣的測(cè)量儀表。流量計(jì)的類型多種多樣，為了有效控制污水排放，確保監(jiān)測(cè)污水排放的準(zhǔn)確性，挑選合適的流量計(jì)十分必要。目前測(cè)量污水流量常用的流量計(jì)有明渠堰槽流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)等。其中Endress+Hauser（恩德斯豪斯，簡稱E+H 公司）公司生產(chǎn)的電磁流量計(jì)獨(dú)有過電壓勵(lì)磁技術(shù)，可快速形成磁場，縮短穩(wěn)定磁場形成時(shí)間，延長穩(wěn)定測(cè)量周期，有效過濾雜散信號(hào)，提高信號(hào)獲取強(qiáng)度，測(cè)量更穩(wěn)定，能克服傳統(tǒng)明渠流量計(jì)、超聲波流量計(jì)的常見缺點(diǎn)，提高測(cè)量污水的準(zhǔn)確度和精度。為了對(duì)比這幾種常見流量計(jì)的測(cè)流特性，本文從原理、特點(diǎn)、影響測(cè)流準(zhǔn)確性的因素，污水測(cè)流特點(diǎn)等方面對(duì)上述幾種流量計(jì)進(jìn)行了對(duì)比分析，以期選出最適合污水流量監(jiān)測(cè)的流量計(jì)，使監(jiān)測(cè)值合理可靠，為實(shí)際工作中污水測(cè)流儀表的選擇提供參考。

1 幾種測(cè)量方法的原理和特點(diǎn)

1.1.明渠流量計(jì)

明渠流量計(jì)的原理是在渠道中安置標(biāo)準(zhǔn)量水堰槽(如巴歇爾量水槽)，通過測(cè)量被測(cè)流體液位高度，再經(jīng)過測(cè)量儀器內(nèi)部的處理器運(yùn)算得到流量（根據(jù)相應(yīng)流量公式或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，將測(cè)出的水位值換算成流量值）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)用大多數(shù)的明渠測(cè)量方法為巴歇爾槽明渠流量計(jì)，因此本文以標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽明渠流量計(jì)為例進(jìn)行分析。

標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽流量Q 計(jì)算公式如下:

式中:b 為喉道寬度；Ha為實(shí)測(cè)液位；n 是指數(shù)，不同渠道指數(shù)不同。

由計(jì)算公式可知，流量測(cè)量的準(zhǔn)確度是由喉道寬度b 和實(shí)測(cè)液位Ha兩個(gè)因素決定的。實(shí)際測(cè)量液位時(shí)受到的影響因素最多，如測(cè)量液位儀器的準(zhǔn)確度和被測(cè)液面的流動(dòng)狀態(tài)等。綜合而言有以下幾個(gè)方面影響測(cè)量準(zhǔn)確度：

1）測(cè)量液位的準(zhǔn)確度，主要取決于液位計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。大多數(shù)明渠都在使用非接觸式超聲波液位計(jì)，實(shí)際測(cè)量時(shí)受到被測(cè)液體表面浮沫和固體漂浮物的影響較大。

2）明渠流量計(jì)液位測(cè)量的重復(fù)性主要取決于液面的穩(wěn)定程度。在實(shí)際測(cè)量污水的時(shí)候，經(jīng)常發(fā)生水流不穩(wěn)定的情況，如產(chǎn)生小型漩渦、波浪、泡沫等，液位測(cè)量的重復(fù)性常常得不到滿足。

3）堰槽的幾何尺寸，取決于測(cè)量儀器的準(zhǔn)確度（堰槽尺寸的制造精度和安裝技術(shù)要求嚴(yán)格，稍有偏差將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大誤差）。

綜上所述，明渠流量計(jì)在監(jiān)測(cè)污水流量的準(zhǔn)確度，受到多方面因素的影響，如堰槽的選型、設(shè)計(jì)、制作、安裝、調(diào)試和設(shè)置，一旦安裝成型后出現(xiàn)誤差很難糾正，在實(shí)際測(cè)量污水時(shí)受到外界環(huán)境干擾因素影響較大（如被測(cè)液面擾動(dòng)和結(jié)冰等），而且使用中需要經(jīng)常維護(hù)。

1.2.超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)是20 世紀(jì)70年代開始應(yīng)用的一種流量儀器，和電磁流量計(jì)一樣，因?yàn)閮x器流通通道未設(shè)置任何阻礙件，都屬于無阻礙流量計(jì)，適合測(cè)量大管徑和不易接觸的流體。超聲波流量計(jì)測(cè)量是一種間接測(cè)量方法，主要有多普勒法和時(shí)差法兩種方式。在污水測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的是多普勒超聲波流量計(jì)。

1.2.1 時(shí)差法原理

在流體中超聲波信號(hào)順流時(shí)傳播速度快，逆流時(shí)信號(hào)傳播速度慢，通過測(cè)量超聲波信號(hào)在流體中順流和逆流傳播時(shí)間差，即時(shí)差，間接測(cè)出流體流速，再通過流速可以計(jì)算出流體流量。時(shí)差法適合用于測(cè)量純凈流體，有較多氣泡或雜質(zhì)的流體會(huì)阻礙超聲波正常傳播，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

1.2.2 多普勒法原理

超聲接收器接收到超聲波傳播途中遇到的懸浮物質(zhì)或微小氣泡而被散射的信號(hào)。發(fā)射信號(hào)頻率受多普勒效應(yīng)（利用聲波所產(chǎn)生的多普勒頻移現(xiàn)象，通過在靜止點(diǎn)檢測(cè)從移動(dòng)源所發(fā)射聲波產(chǎn)生的多普勒頻移來計(jì)算散射體流動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量）的影響變?yōu)椴煌男盘?hào)頻率，根據(jù)頻率之差與流體流速的數(shù)量關(guān)系，可算出流體流量。多普勒法流量計(jì)適用于測(cè)量渾濁流體，但只能測(cè)量雜質(zhì)約50 mg/L 以上的流體。多普勒法測(cè)量精度低于時(shí)差法。

1.2.3 超聲波流量計(jì)的組成

超聲波流量計(jì)是由流量計(jì)表體、換能器、顯示器和累積系統(tǒng)等部分組成。超聲波換能器是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成超聲波傳遞到被測(cè)流體中，接收器接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成流量信號(hào)傳遞給積算儀表進(jìn)行顯示和積算。超聲波流量計(jì)按照安裝方式可分為插入式、夾裝式和管段式。

1.3.電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是自20 世紀(jì)50年代末發(fā)展起來的新型測(cè)量流量儀器。它是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的，當(dāng)導(dǎo)電流體在測(cè)量管內(nèi)的磁場中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)（流體流動(dòng)方向與磁場方向垂直），會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)被位于管徑兩端的一對(duì)電極檢測(cè)到，傳感器將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作為流量信號(hào)，傳送到轉(zhuǎn)換器，經(jīng)信號(hào)處理后，用液晶顯示儀顯示瞬時(shí)流量和累積流量。

電動(dòng)勢(shì)的大小與流速成正比，其值為：E=B×V×D×K，其中，E 為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度，V 為導(dǎo)電液體平均流速，D 為電極間距，K 為磁場分布于軸向長度有關(guān)的系數(shù)。由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電極距離D 和磁場分布于軸向長度有關(guān)系數(shù)K 是常量，所以E 與V成正比，而流量體積又與流速V 成正比，所以流量體積與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)成正比。

1.3.1 E+H 電磁流量計(jì)

Endress+Hauser（恩德斯豪斯，簡稱E+H 公司）創(chuàng)建于1953年，是全世界著名的國際性集團(tuán)公司，該公司生產(chǎn)的電磁流量計(jì)相比同類電磁流量計(jì)有高頻勵(lì)磁技術(shù)、四電極技術(shù)，空管檢測(cè)（EPD），電子清洗（ECC）等先進(jìn)功能。

1.3.2 E+H 電磁流量計(jì)四電極技術(shù)

E+H 電磁流量計(jì)四電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，E+H 電磁流量計(jì)擁有四電極技術(shù)，其中EPD（Empty Pipe Detection）電極為用于檢測(cè)測(cè)量管滿管狀態(tài)，其工作基本原理為EPD 電極通過電壓，和兩側(cè)電極形成導(dǎo)通，一旦管內(nèi)有空氣，隨即報(bào)警。

圖1 E+H 電磁流量計(jì)四電極結(jié)構(gòu)圖

1.3.3 E+H 電磁流量計(jì)的主要特點(diǎn)

1）根據(jù)電磁流量計(jì)的原理，測(cè)量結(jié)果與被測(cè)流體的物理性質(zhì)無關(guān)（如流體壓力、溫度、電導(dǎo)率等），所以工作穩(wěn)定、測(cè)量精確度高，其中E+H 電磁流量計(jì)獨(dú)有的EPD 檢測(cè)保障了儀表的可靠測(cè)量;

2）E+H 電磁流量計(jì)的測(cè)量管內(nèi)壁光滑，無阻塞，沒有壓力損失；

3）E+H 電磁流量計(jì)測(cè)量流量時(shí)，和污水接觸的部分只有內(nèi)管道和電極，為了能達(dá)到耐腐蝕和耐磨損的要求必須選擇合適的電極材料（如不銹鋼等）；

4）E+H 電磁流量計(jì)有使用壽命長，維護(hù)成本低的特點(diǎn)（ECC 清洗功能使儀表擁有更長的免維護(hù)周期），而且可以測(cè)正、反兩個(gè)流向的流體流量；

5）輸出信號(hào)多樣（脈沖、電流、頻率等）。

根據(jù)上述E+H 電磁流量計(jì)的特點(diǎn)，而污水有流量變化大、所含雜質(zhì)屬性不同、有一定的腐蝕性、有導(dǎo)電能力等特性，所以測(cè)量污水的流量，E+H 電磁流量計(jì)是一個(gè)理想的選擇。

2 三種流量計(jì)測(cè)量污水對(duì)比

2.1 明渠與E+H 電磁流量計(jì)

基于明渠和電磁流量計(jì)的測(cè)量原理不同，兩種測(cè)量方法無法直接比對(duì)，用表格說明。如表1。

2.2 E+H 超聲波流量計(jì)與E+H 電磁流量計(jì)

本次測(cè)試用的儀器為E+H 公司的電磁流量計(jì)，型號(hào)：Promag 50W8H，DN800（管徑800 mm），橡膠內(nèi)襯（耐磨），精度0.2%，不銹鋼電極。和E+H 單聲道夾裝式超聲波流量計(jì)，型號(hào)：91WA1，可測(cè)試管徑為100～2 000 mm，精度0.2%。測(cè)量結(jié)果如表2 所示。

表1 明渠流量計(jì)與E+H 電磁流量計(jì)對(duì)比

表2 同時(shí)間段E+H 電測(cè)流量計(jì)與E+H 超聲波流量計(jì)測(cè)量結(jié)果

測(cè)量結(jié)果分析如圖2 所示。

從圖2 可以看出隨著時(shí)間的推移，兩個(gè)儀器的測(cè)量數(shù)據(jù)偏差越大，具體原因是因?yàn)闇y(cè)量期間超聲波流量計(jì)偶而發(fā)出現(xiàn)氣液兩相報(bào)警，因?yàn)閳?bào)警時(shí)有部分流量缺失未被計(jì)入累計(jì)流量。

圖2 同時(shí)間段E+H 電測(cè)流量計(jì)與E+H 超聲波流量計(jì)測(cè)量結(jié)果分析

一般氣液兩相報(bào)警是指介質(zhì)中出現(xiàn)較多固體（比如高泥沙含量）或氣體（氣泡，類似消聲）造成的超聲波信號(hào)衰減，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測(cè)量。

3 結(jié)語

選擇合適的流量計(jì)確保污水流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，就需要了解各種流量計(jì)的原理和各自的特點(diǎn)。以上三種污水測(cè)量方法中，明渠堰槽流量計(jì)在監(jiān)測(cè)污水流量數(shù)據(jù)的時(shí)候，受到的影響因素較多；超聲波流量計(jì)與電磁流量計(jì)都比較適合用于污水測(cè)量。但在實(shí)際的測(cè)量操作中，E+H 超聲波流量計(jì)相對(duì)于E+H 電磁流量計(jì)受到污水介質(zhì)的影響因素較大，而超聲波流量計(jì)相對(duì)于電磁流量計(jì)有便攜、安裝方便等優(yōu)勢(shì)。如果需要長時(shí)間精確的檢測(cè)污水，如污水處理廠，E+H 電磁流量計(jì)是理想的選擇。