超聲波明渠流量計(jì)在污水計(jì)量中的應(yīng)用

周波

【摘 要】文章詳細(xì)介紹了超聲波流量計(jì)的工作原理及流量計(jì)的安裝及其特性，并且對(duì)超聲波流量計(jì)在污水計(jì)量中的應(yīng)用和應(yīng)注意的問題進(jìn)行分析和總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】超聲波流量計(jì);污水;計(jì)量;分析

【中圖分類號(hào)】TH814 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）08-0082-02

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境污染所帶來的社會(huì)問題引起我國政府的高度重視。在環(huán)境污染整治方面應(yīng)堅(jiān)持節(jié)約資源的原則和加大環(huán)境保護(hù)力度，把發(fā)展資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)擺在突出位置，努力增強(qiáng)我國環(huán)境可持續(xù)發(fā)展能力，建設(shè)創(chuàng)新型國家，為經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。節(jié)水項(xiàng)目的實(shí)施，加快污水處理設(shè)施的建設(shè)是現(xiàn)代化企業(yè)優(yōu)先關(guān)注的問題。用于污水排放計(jì)量的手段很多，其中超聲波明渠流量計(jì)因具有易使用、測(cè)量精確和可靠的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

1 超聲波明渠流量計(jì)的概念

超聲波明渠流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理是基于超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與被測(cè)介質(zhì)的平均流速和聲波相同的幾何原理關(guān)系。超聲波流量計(jì)屬于非接觸型裝置，可以在開放的廣闊流域與超聲波水位計(jì)聯(lián)合使用，對(duì)流體不會(huì)產(chǎn)生干擾和阻力，因此它被廣泛應(yīng)用于明渠流量的測(cè)量。

2 超聲波流量計(jì)的工作原理和分類

超聲波流量計(jì)的工作原理：超聲波流量計(jì)的液位計(jì)應(yīng)與計(jì)量槽配合使用，超聲波探頭安裝在計(jì)量槽的上方，計(jì)量槽把明渠內(nèi)水流量的大小換算成液位的高低，流量計(jì)測(cè)量并記錄計(jì)量槽內(nèi)的水位，通過對(duì)應(yīng)的水位流量關(guān)系計(jì)算出流量[1]。

常用超聲波流量計(jì)的分類：①便攜式超聲流量計(jì)。具有非接觸式測(cè)量方式、體積小、攜帶方便的特點(diǎn);電子手簿的用戶界面簡(jiǎn)單，使用方便;現(xiàn)場(chǎng)可以進(jìn)行打印;配備鋁合金防護(hù)，方便在野外惡劣環(huán)境使用。②插入式超聲波流量計(jì)。采用陶瓷傳感器，使用專用的安裝鉆孔裝置進(jìn)行安裝。一般采用單聲道測(cè)量，為了提高測(cè)量精度，可以選擇三聲道測(cè)量。最大的優(yōu)勢(shì)是可以在不停止生產(chǎn)的情況下進(jìn)行安裝和維護(hù)。③管段式超聲波流量計(jì)。安裝時(shí)需要切開管路進(jìn)行超聲流量計(jì)的安裝與調(diào)試，后期進(jìn)行維護(hù)時(shí)不需要停產(chǎn)。傳感器可以選擇單聲道和三聲道兩種模式進(jìn)行測(cè)量。

3 超聲波明渠流量計(jì)在污水計(jì)量中的特征

我國污水處理廠中使用的“明渠”是指污水在管道里流動(dòng)時(shí)具有自由表面的非滿管狀態(tài)下的流動(dòng)水路。由于污水管道“暗渠”中液體也是自然流下的，也是屬于“明渠”的范疇。對(duì)于“明渠”這類水流，在進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)，不能使用常規(guī)的全管流量計(jì)。污水處理廠的污水中含有各種雜質(zhì)和其他有機(jī)成分，雖然在排放前已經(jīng)過水質(zhì)凈化處理，但是如果經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間與水介質(zhì)直接接觸的流量計(jì)，難免會(huì)造成流量計(jì)內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)垢或腐蝕狀況，從而影響測(cè)量工作的順利進(jìn)行。

污水計(jì)量中，污水處理廠的污水排放測(cè)量?jī)x器是環(huán)保部門監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵裝置，它必須具備以下特征。

（1）污水排放的測(cè)量?jī)x器必須是一種非接觸式測(cè)量?jī)x器。污水中含有污垢和腐蝕性物質(zhì)，會(huì)使測(cè)量?jī)x器在工作時(shí)受到腐蝕，只有在非接觸式測(cè)量的情況下，才可以保證計(jì)量計(jì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)不受到影響，從而保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度和一致性。

（2）儀器儀表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于安裝及功耗低的特點(diǎn)，超聲波明渠流量計(jì)是非接觸式儀器，可以測(cè)量污水流量的范圍廣，不受污水中污泥、氣泡和水位變化的影響，并且不會(huì)對(duì)水流產(chǎn)生阻力。

（3）感測(cè)裝置裝在污水管道外部，無需截?cái)喙艿溃梢愿鶕?jù)實(shí)際需要將它移動(dòng)到任意地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，它只有測(cè)量量程寬、價(jià)格適中的優(yōu)點(diǎn)，所以使用廣泛[3]。

4 超聲波流量計(jì)在安裝和使用過程中的注意要點(diǎn)

雖然采用超聲波流量計(jì)給計(jì)量污水流量帶來了很大的便利，但是由于超聲波和電子測(cè)量?jī)x器本身固有的弱點(diǎn)，如易受溫度、輻射等的影響，如果不能正確安裝和使用它，就會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精確度和儀器的使用年限，因此在安裝和使用超聲波流量計(jì)的過程中應(yīng)注意以下要點(diǎn)。

4.1 安裝及使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)

根據(jù)超聲波流量計(jì)在工作運(yùn)行中的特點(diǎn)，在安裝和使用過程中應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)。

4.1.1 安裝堰槽應(yīng)規(guī)范

超聲波流量計(jì)在計(jì)量時(shí)必須使用量水堰槽，在明渠上安裝量水堰槽后，必須按照規(guī)范使流量與液位建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)渠道內(nèi)水的流態(tài)及渠道內(nèi)流量的大小選擇量水堰槽的類型：當(dāng)所測(cè)水流的流量小于40 L/s時(shí)，采用直角三角堰;當(dāng)水流的流量大于40 L/s時(shí)，采用巴歇爾槽;當(dāng)水流流量大于40 L/s且明渠的水位落差較大時(shí)，采用矩形堰（如圖1所示）。

4.1.2 超聲波探頭按要求設(shè)置

超聲波探頭在明渠安裝時(shí)應(yīng)按規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)置。在安裝探頭前，一定要將探頭和支架安裝牢固，不能有絲毫松動(dòng)。一旦探頭安裝后出現(xiàn)松動(dòng)，就會(huì)使水面上的基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生變化，進(jìn)而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。在安裝探頭時(shí)，應(yīng)與水準(zhǔn)面保持垂直，不能出現(xiàn)傾斜;測(cè)量水量時(shí)，三角堰和矩形堰的位置需要安裝在堰板的上游，與堰板位置的距離大致等于最大過堰水深（最大過堰水深：流量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的水流液位值）的3～4倍;巴歇爾槽的安裝位置在進(jìn)口收縮段1/3的位置。

4.1.3 計(jì)量計(jì)主機(jī)的安裝及其水位校核

計(jì)量計(jì)儀表主機(jī)應(yīng)安裝在無腐蝕性氣體并且通風(fēng)良好的室內(nèi)。因特殊情況必須安裝在室外時(shí)，應(yīng)該對(duì)計(jì)量計(jì)的儀表箱進(jìn)行防護(hù)。初次使用儀器，需要將工程實(shí)際參數(shù)輸入主機(jī)，確認(rèn)探頭型號(hào)、設(shè)置聲速、信號(hào)類型和相應(yīng)堰槽種類，必須正確設(shè)置儀器的水位流量表[4]。當(dāng)計(jì)量計(jì)儀器首次完成安裝并檢修后，如果需移動(dòng)探頭，必須先對(duì)儀器的液位進(jìn)行核準(zhǔn)。液位檢校時(shí)應(yīng)設(shè)置實(shí)際液位和零點(diǎn)兩個(gè)檢校點(diǎn)：利用滿足精度要求的直尺、測(cè)距儀等測(cè)量工具，在堰槽中充入適量的水，校準(zhǔn)儀表的示值是否等于量水堰槽液位;檢校當(dāng)量水堰槽內(nèi)的水位為零時(shí)，計(jì)量計(jì)的液位是否也為零;液位檢校的目的就是為了保證量水堰槽內(nèi)的實(shí)際水位與儀表測(cè)量的液位值保持一致[5]。

4.2 超聲波流量計(jì)精確計(jì)量的方法

4.2.1 選擇探頭探測(cè)位置

超聲波明渠計(jì)量計(jì)在上游時(shí)直管段長(zhǎng)度應(yīng)大于10 D，如果安裝在上游時(shí)，有彎頭管道應(yīng)確保至少有30 D的直管段長(zhǎng)度;計(jì)量計(jì)安裝在下游時(shí)，直管段的長(zhǎng)度不應(yīng)小于5 D;安裝探頭時(shí)盡量保證兩個(gè)探頭在同一軸線上并保持水平，為了保證探頭和管壁之間沒有縫隙，應(yīng)該盡量使用廠家配套的專用偶合劑，過多或過稀的耦合劑都有可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確[6]。

4.2.2 在流量計(jì)前端安裝不銹鋼直管

由于污水水質(zhì)較差，普通碳鋼的管道內(nèi)壁在計(jì)量過程中容易結(jié)垢，從而影響所接收信號(hào)的精度，因此根據(jù)污水計(jì)量的特點(diǎn)，可以在計(jì)量計(jì)探頭的前端加裝1根長(zhǎng)度為1 m左右的不銹鋼直管，既可以保證最大的接收信號(hào)強(qiáng)度，又可以確保壁厚的精度，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4.2.3 定期清理測(cè)量管內(nèi)的污垢

由于污水計(jì)量管在長(zhǎng)期使用過程中管內(nèi)壁很容易結(jié)污垢，嚴(yán)重影響超聲波信號(hào)的接收，因此在污水計(jì)量時(shí)，為了保證聲波流量計(jì)測(cè)量管道流量時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)按時(shí)將污水計(jì)量管拆下來清洗，最大限度地減少由計(jì)量計(jì)管道內(nèi)壁結(jié)污給測(cè)量帶來的影響[7]。

5 結(jié)語

超聲波明渠流量計(jì)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于污水計(jì)量中。為了提供更精確的流量測(cè)量數(shù)據(jù)，技術(shù)人員需要按照超聲波明渠流量計(jì)規(guī)范規(guī)程并與工廠的實(shí)際情況相結(jié)合，不斷總結(jié)和分析以往的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，努力提高超聲波明渠流量計(jì)的工作效率。超聲波明渠流量計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在不影響用戶的正常生產(chǎn)的情況下對(duì)污水流量的在線測(cè)量。隨著科學(xué)技術(shù)和相關(guān)研究的進(jìn)一步發(fā)展，我國污水計(jì)量領(lǐng)域必將迎來一個(gè)快速發(fā)展期，并在此基礎(chǔ)上促進(jìn)我國的污水監(jiān)測(cè)及處理工作水平的整體提升。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]任增強(qiáng)，李躍忠，錢永安.超聲污水流量測(cè)量的數(shù)學(xué)建模及影響因素分析[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（2）：21-24，47.

[2]張堯，李斌，熊波，等.基于脈沖群相關(guān)法的時(shí)差式超聲波流量計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2017（9）：125-127.

[3]李蕊，劉冰，楊佳.速度差法超聲波流量計(jì)硬件延時(shí)誤差分析及對(duì)策[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017（3）：45-48.

[4]GB/T 21303—2017，灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范[S].

[5]趙芳方.超聲波流量計(jì)的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)法研究及應(yīng)用[J].儀表技術(shù)，2018（4）：8-12.

[6]任增強(qiáng).多聲道多普勒超聲波污水流量測(cè)量技術(shù)研究[D].南昌：東華理工大學(xué)，2017.

[7]賀達(dá).某污水廠運(yùn)行數(shù)值模擬及運(yùn)行參數(shù)工藝優(yōu)化[D].武漢：華中科技大學(xué)，2015.