摘要:簡述(shù)了污水自動監測(cè)系統中流量測量(liang)的原㊙️理和組成🏃♀️，通(tong)過對标準巴歇爾(er)槽明渠流量計
流(liú)量計算數學模型(xíng)的分析，總結出污(wu)水在線監測系統(tong)中影響流量測量(liàng)精度的5項主要因(yin)素，并對各項因📧素(sù)進行了✔️相應的技(ji)術分析。
0引言
随着(zhe)環境污染問題日(ri)益嚴重，我國對建(jiàn)立環境管理體系(xi)，加大環境監測力(lì)度提出了更高要(yào)求。目前，國内重點(dian)🤩排污企業👄均安🌏裝(zhuāng)了污水自動監測(cè)系統，保證污水排(pai)放的數據能夠實(shi)時，上傳至市、省環(huán)境監測部門和國(guó)家環保主管部門(men)。爲了保證上傳數(shù)📞據的有效性，國家(jiā)環保部發布了HJ/T355-2007《水(shui)污染源在線監測(cè)系統運行😍與考核(he)技術規範》和HJ/T356-2007《水污(wu)染源在線監測數(shù)據有效性判别技(jì)術規範》等規範性(xing)文件。這些文件對(duì)有關水質的監測(cè)數據(如化學需氧(yang)量COD。、氨氮NH,-N、總磷TP、pH值)等(deng)📞，詳細規定了試驗(yan)項目和數據要求(qiu)1-2],但對✏️如何保證水(shuǐ)量的流量監測數(shù)據的正确，卻沒做(zuò)要求。
随着主要污(wū)染物總量減排監(jian)測要求的提出，這(zhe)種情況8益被發現(xiàn)和重視。2013年底環境(jing)監測部門已有人(ren)提出關于污水流(liú)量🌈監測⛱️質量監督(dū)檢查的技術和方(fāng)法3。但從流量計量(liàng)專業的角度來看(kàn)，環監部門提🚩出的(de)方法💚僅對相關計(ji)量檢定規程項目(mu)進行了簡化和重(zhong)組，并沒有進行深(shen)人的計量技術分(fen)析，無法💜保證現場(chang)流量數據的精度(dù)。而本文則根據現(xiàn)場檢定明渠污⛱️水(shuǐ)流量計的大量樣(yàng)本數據，做出了一(yi)定🌈的分析，爲進一(yi)步正确實現污水(shui)流量🚩在線監測打(da)下了--定的基礎。
1污(wu)水流量測量
1.1原理(li)及組成
由于排污(wū)口标準化和視頻(pín)監控的需要，污水(shui)流量❤️自💞動監✔️測系(xì)統以堰槽式明渠(qú)流量計爲流量計(ji)量的主要方式。堰(yan)槽式明渠流量計(jì)的原理是在明渠(qu)中設置标準量水(shui)堰槽(如巴歇爾量(liàng)水槽和矩形薄壁(bì)堰等)，并按規定位(wei)置測量水位，則流(liu)過堰槽的流量與(yǔ)水位呈單值關系(xi)，根據相應流量公(gōng)式或經驗💃關系式(shi)，将測出的水位值(zhi)換算成流量值。流(liú)量計由标準量水(shui)堰槽和液位流量(liang)轉換儀表(二次儀(yí)表)所組成。如圖1所(suo)示。
據(jù)統計，本次試驗污(wu)水流量自動監測(cè)系統共計338台堰槽(cao)式明✌️渠流量計。其(qi)中，巴歇爾槽式占(zhàn)68.2%,矩形薄壁堰占14.5%，其(qi)他堰槽類型占17.3%，本(běn)文以标準巴歇爾(ěr)槽明渠流量計爲(wei)例進行分析。
1.2标準(zhǔn)巴歇爾槽明渠流(liu)計算的數學模型(xing)
标準巴歇爾槽流(liú)量Q按下式計算:
式(shì)中:C爲流量系數;b爲(wèi)喉道寬度，m;ha爲實測(ce)液位，m。
由标準巴歇(xiē)爾槽明渠流量計(jì)的基本原理和流(liú)量計算公式可知(zhī)，流量測量的精度(dù)直接依賴于流量(liàng)系數C的精🔴度、喉道(dào)寬度測量的精度(du)和實測液位的精(jīng)度。其中，實測液位(wei)的精度評估又包(bāo)含三個因素的影(ying)響:液位計測量的(de)精度、測量液位計(jì)🔅零點的儀器的測(ce)量精💞度和液面的(de)擾動情況。
2現場流(liu)量測量精度的影(yǐng)響因素
通過上述(shù)分析，我們可以總(zong)結出基于明渠流(liú)量計☁️的污🔞水在線(xian)監測系統中，影響(xiang)流量測量精度的(de)主要因素有以下(xià)幾個方面:
1)堰槽的(de)類型，主要确定流(liu)量系數的測量精(jing)度;
2)實測液位的精(jing)度，主要取決于液(yè)位計測量的精度(du)和測量液位計零(ling)點的儀器的測量(liang)精度;
3)液位測量的(de)重複性，由液面的(de)擾動或平穩程度(du)決🏒定，主要影響多(duō)次液位測量讀數(shù)的平均值的測量(liang)精度🔴;
4)堰槽的幾何(hé)尺寸，主要取決于(yú)喉道寬度(或其他(tā)堰槽⁉️中的闆、槽尺(chi)寸)的測量儀器的(de)精度;
5)水位-流量轉(zhuǎn)換誤差，由流量計(ji)二次儀表的軟件(jiàn)産🧑🏽🤝🧑🏻生。由于各種堰(yan)槽明渠流量計的(de)流量計算公式涉(she)及多個參數，流量(liang)計生産 廠家在軟(ruan)件系統進行換算(suàn)時，各個參數根據(jù)不同的設計尺寸(cun)範圍以數據👅庫函(han)數的方式進行存(cun)儲，由于存儲空間(jian)的限制造成無法(fǎ)足夠精确的設置(zhi)參數，因此造成流(liu)量計顯示值的誤(wù)差。
2.1堰槽的類型
明(míng)渠流量計在進行(hang)堰槽選擇時,現場(chǎng)主要考慮流量範(fan)圍和設🤟計施工難(nán)度等因素。根據國(guó)家計量檢定規程(chéng)JJG771-1990《明渠堰槽流量計(jì)試行檢定規程》[5]和(he)各種類型堰槽的(de)相關🔞ISO國際标準[6-10]，幾(ji)種🍉常用堰槽的流(liu)量範圍和流量系(xì)數所引入的測量(liang)誤差如表1所示。
通(tong)過表1可知，幾種堰(yàn)槽的流量系數所(suo)引入的測量誤差(cha)相差不大，各種堰(yàn)槽類型在技術上(shang)并無高下之分。在(zai)綜✌️合考慮流量适(shì)用範圍和現場設(she)計施工難度後，巴(bā)歇爾槽和薄🔴壁堰(yàn)具有--定的優勢。兩(liǎng)者相比，薄壁堰的(de)優點是制作方便(biàn)，安裝簡單，缺點是(shi)水頭損失較大，污(wu)水中的泥沙和懸(xuán)浮物容易在堰前(qián)沉積使水位提🛀🏻高(gāo)而影響測量的精(jing)度。巴歇爾槽的優(you)點是測⛹🏻♀️量範圍寬(kuān)，水頭損失小，污水(shui)中懸浮物不易沉(chén)積，但加工和安♍裝(zhuāng)較爲複雜”。
2.2液位測(ce)量的精度
明渠流(liú)量計中的實際液(yè)位測量涉及液位(wei)計零點(即液位零(ling)㊙️點)和液位計測量(liàng)精度等兩個方面(miàn)，早期的浮子式🐅液(ye)位計由于測🤟量精(jīng)度太低已經被淘(tao)汰🐕，壓力式⛷️液位計(ji)由于易受污水腐(fu)蝕和沉積物覆蓋(gài)影響也較少使用(yong)"，現在主要使用超(chao)聲波液位計。超☔聲(shēng)波測液位💚爲非接(jie)觸式測量，可以不(bú)受液體性質的影(ying)響，但液體表面浮(fu)沫和固體漂浮物(wù)較多時也會受到(dào)影響。
本次試驗的(de)明渠流量計全部(bù)采用的超聲波液(ye)位計,廠家🐆标稱的(de)測量精度爲不大(da)于3mm,滿足環保行業(ye)标準HJ/T15-2007《環境保護産(chǎn)品🈲技術要求超聲(sheng)波明渠污水流量(liang)計》中對液位測量(liang)誤差的要✔️求[12]。但實(shí)際測量結果卻相(xiàng)差很💁大，具體數據(ju)如圖2所示。
試驗發(fa)現，現場使用的超(chāo)聲波液位計問題(tí)很多。零✉️點不📧準的(de)原因主要在于液(yè)位計安裝時沒有(yǒu)做好零點👌的設置(zhi)和校準。水位超差(chà)的原因一部分在(zài)于液位計安裝後(hòu)沒有做好現場㊙️校(xiao)準，另一部分在于(yu)液位計使用過程(chéng)中傳感器探頭老(lao)化，測量精度不達(dá)标。
2.3液位測量的重(zhong)複性
明渠流量計(ji)液位測量的重複(fu)性主要取決于液(ye)面的穩🌈定程度。液(ye)面平穩時，液位測(cè)量的重複性就容(róng)㊙️易達标;反之，水流(liu)不平穩，有大量漩(xuan)渦、波浪、泡沫時，液(yè)位測量的重複性(xìng)就🏃不滿足要求。具(jù)體情況如圖3所示(shì)。
上述水流不平穩(wěn)的情況，主要原因(yīn)是明渠流量計安(ān)裝位置前端的行(hang)進渠道長度不滿(man)足要求。根據規程(chéng)要求，巴歇爾槽的(de)安裝條件爲前端(duān)順直行進渠道長(zhǎng)度應不🌂小于5倍的(de)行進渠道寬❓度，而(ér)薄壁堰則要求爲(wei)10倍。很多用戶受現(xian)場環境條件的限(xian)制，無法建造足夠(gòu)長度的行進渠道(dao)進行整流，造成流(liu)量計處的流場條(tiao)件十分惡劣，無法(fǎ)滿足明渠流量計(ji)的正常使用。針對(dui)這種情況，有兩種(zhong)方式可以進行改(gai)💃善。一種方式爲:在(zài)☎️流量計的前端增(zeng)加㊙️整流格栅，減小(xiǎo)水流的波動，但通(tōng)過現場試驗觀察(cha)，效果有限;另一種(zhong)方式爲:在渠道旁(pang)邊設置一靜水🏃井(jǐng)，由連通管與渠道(dao)水流相通，靜水井(jǐng)底應低于渠道中(zhong)最低🔱水位150mm，連通管(guan)管底距井底至少(shao)300mm,靜✌️水井頂面應大(dà)于預計最高📧水位(wèi)300mm,這樣靜水井内的(de)水位與渠道中水(shuǐ)位相同，把渠道中(zhong)的漩渦和水流的(de)脈動進行了隔離(lí)，同時也能大大減(jiǎn)少水面的泡沫。現(xian)場試驗驗證，這種(zhǒng)✉️方式能🈚夠有效改(gǎi)善液面不穩的情(qíng)況，保證液位測量(liàng)的重複性要求。
2.4堰(yan)槽的幾何尺寸
堰(yàn)槽幾何尺寸的誤(wu)差對測量結果精(jīng)度的影響主要有(you)🤟兩個方面:一是改(gai)變了流量計算的(de)數學模型，造成流(liu)量計二🆚次儀表計(ji)算的顯示值産生(shēng)誤差，這種影響🛀🏻我(wo)們通過兩個實例(lì)可⛱️以看到。由表2可(kě)以看出，堰槽幾何(hé)尺寸誤差的增大(dà)✏️可以造成流量測(cè)量誤差的增大，且(qie)影響量不斷遞增(zeng);二是影響到了水(shui)流經過堰槽♉時♋的(de)水位，從而對液位(wei)的測量産生附加(jiā)誤差。
造成堰槽幾(jǐ)何尺寸誤差的原(yuán)因有三點:一是制(zhi)造精度問題🐪，一些(xie)企業爲了節省成(cheng)本，自己加工堰闆(pan)和槽🔞體，由于條件(jiàn)所限無法保證加(jiā)工精度，造成堰槽(cáo)的實物與設🛀計尺(chi)寸♍産生誤差;二是(shì)安裝技術問🥵題，一(yi)些流量計的堰闆(pǎn)和槽體在安裝過(guò)程中，由于💘施工者(zhe)的操作因素造成(chéng)安裝尺寸誤差，或(huò)是施工🐪經驗和溫(wen)度原因影響，造成(chéng)堰闆和槽體受渠(qu)壁擠🧑🏽🤝🧑🏻壓産生形變(bian);三是💜用戶主觀因(yin)素，一些企業爲了(le)省🙇♀️事，在已建好的(de)不規則的渠道中(zhōng)安裝明渠流量計(jì)，爲了适應渠道，隻(zhi)能将标準的堰闆(pǎn)或槽體進行改造(zao)，造成幾何尺寸的(de)偏差。
2.5水位一流量(liang)轉換誤差
水位-流(liú)量轉換誤差直接(jie)影響流量計的顯(xiǎn)示值，其産生的主(zhǔ)要原因爲:明渠流(liu)量計通過液位傳(chuan)感器得到🧡的是原(yuán)始信号爲液位信(xin)号，需通過二次儀(yí)表把液位信号轉(zhuan)換爲流量值。由于(yu)明渠流量計的數(shù)學模型都比較複(fú)雜，儀表一般使用(yòng)查表法把液位轉(zhuǎn)換成流量。即每測(ce)到一♋一個液位，到(dào)存儲器内找對應(ying)液位點的🙇🏻流量替(ti)代。如果測到的液(yè)位在水位㊙️流量表(biao)中兩點液位之間(jiān)，用線性插💋值法算(suan)出對應的🔱流量(3]。因(yin)此，設置水位-流量(liang)表的點數越😍多，轉(zhuan)換精度越高。
通過(guo)現場試驗，取兩個(gè)主要廠家軟件數(shù)據庫内的✊水位一(yī)流量表進行驗證(zheng)，具體數據如圖4所(suǒ)示。
通過圖4可以看(kan)出:廠家一的軟件(jiàn)設置爲30點對照，且(qie)🏃液位點均勻🌈分布(bu)，而廠家二設置爲(wei)10點，不均勻分布，則(zé)廠家一顯示的水(shuǐ)🌈位流量轉換誤差(cha)明顯小于廠家二(èr)。
3結論
污水流量監(jian)測數據的精度，受(shòu)到多方面因素的(de)影響，在配套設施(shi)方面，需要保證行(háng)進渠道的長度,正(zheng)确設立靜水井。在(zai)一次元件方面，需(xu)選擇合适的堰;槽(cao)類型，堰槽尺⁉️寸保(bao)證一定的加工精(jing)度，液位傳感器滿(mǎn)足相🈲應精度要求(qiú);在二次♍儀表方面(mian)，需要正确的進行(hang)軟件數據庫的設(she)計，通過這些才能(neng)保證流量監測數(shu)據的準确有效。
通(tong)過上述分析,我們(men)看到實現污水流(liu)量監測的堰槽🌈式(shì)明渠流量計，不僅(jǐn)僅是一個計量器(qì)具，而且作🏃🏻爲一個(ge)計量系統牽涉到(dao)選型、設計、加工、建(jiàn)築、安裝、調試和設(she)置，--旦建造成型，出(chū)現誤差後很難從(cong)根本上進行糾❤️正(zheng)，并且在現場受到(dao)各種環境條件的(de)影響，使用中需要(yao)經常維護。因此，作(zuo)爲強制檢定的涉(shè)及環境保護的計(ji)量器具，我們計量(liàng)部門不僅要按時(shí)周期檢定，更應該(gai)積極參與到環境(jing)監測部門對自⛷️動(dong)監測設備驗收和(he)日常核查等技術(shù)文件的制定中，從(cóng)而保證環境監測(ce)數據的真實、準确(que)和有效，爲實現環(huán)境保護，減少污染(rǎn)做出應有的🈲貢獻(xiàn)。
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