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概述】 

非满管状态流动的水路称作明渠(open channeI),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。

明渠流量计应用场所有污水处理流入和排放渠、城市供水引水渠、火电厂冷却水引水和排水渠、工矿企业废水排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。
 

明渠流量仪表类型

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。水流刚流出的流量小于渠道中原来的流量,水位继续上升,流出流量随之增加,直到流出量等于渠道原流量,水位便稳定在某一高度,测出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) 测出流通通道某局部(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出其流量。
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。

以槽式测量为例,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(ParshaII fIume,简称P槽),适用于圆形暗渠的帕尔默.鲍鲁斯槽(PaImer BowIus fIume,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。

 

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(hb/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 7.1.4~7.1.6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。
 

明渠流量计选型要点

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,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。

【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(20~50m)立于直渠道旁,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υ m/s(υ=L/t) 。再测出渠道流通截面积Am2,便可从式(5)估算流量Q

(7)

式中 K---------修正系数,因表面流速大于平均流速,一般取0.84~0.90.
2)从日排放量Qd估算峰流量Qp 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)

(6)
(7)

式中 Ku------不均匀系数,如为均匀连续排放,可取1.1~1.2;
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(如水位是否会漫溢出渠道),然后再按确定的水位升高高度和峰流量值选定仪表规格。