摘(zhai)要:結合市政(zhèng)污水管網中(zhong)常見的非滿(man)管狀态，介🔆紹(shao)了幾種常見(jiàn)的非滿管測(cè)量流量計 ，分(fèn)析各種流量(liàng)計測量原理(li)、計量性能、應(ying)用場景、安裝(zhuāng)條🌍件♌、經濟📧成(cheng)本等。爲市政(zheng)污水管網流(liu)量監測項目(mu)和越來越多(duo)的污水管網(wǎng)流量監測智(zhi)能化改造項(xiàng)目中流量計(jì)的合理選用(yong)提供一定的(de)參考。
1前言.
　　污(wū)水管網系統(tǒng)被稱爲“城市(shì)生命線”，在城(chéng)市中承擔😘着(zhe)🔞污水輸送、控(kòng)制水體污染(rǎn)及預防内澇(lào)溢流等作.用(yong)，是保證城市(shì)生活正常運(yùn)轉的重要基(ji)礎設施，因此(ci)對污⭐水管網(wang)的建設😘和監(jiān)測至關重要(yao)。污水管網的(de)流量監測有(yǒu)助于管網污(wu)染㊙️物溯源能(neng)力的提升、監(jian)控企業偷排(pai)漏排的管控(kòng)、雨污混接的(de)及時整改、城(chéng)市内澇的預(yu)警、海水倒灌(guan)的監測等，爲(wei)市政管網的(de)維護提供數(shu)據支撐。如📱今(jin)，“建設智慧型(xing)城市”已成爲(wei)👅諸多市政工(gong)程項🈲目的重(zhong)要指導思想(xiang)之一，在水環(huán)境規劃與治(zhì)理項目中，市(shì)政💘污水管網(wǎng)的建設或🛀改(gai)造是重要的(de)環節，其中，對(dui)于管網的智(zhi)能化、可視化(huà)、實時性管理(lǐ)有着越來越(yue)廣泛的需求(qiú)。在污水管網(wang)的設計階段(duàn)，在線監測須(xū)被統籌考慮(lǜ)，特别在一些(xiē)老舊管網改(gǎi)造項目中，新(xin)增在線監測(ce)通常存在很(hen)多實際困難(nán)，針對複雜的(de)管網環境，滿(mǎn)管與非滿管(guǎn)并存的管道(dào)狀态，如何設(she)置适合的流(liu)量計顯得尤(yóu)爲關鍵。
2污水(shui)管網流量測(cè)量難點
　　污水(shui)管網内的流(liú)體來源中，工(gong)業污水和生(shēng)活污水⭐占主(zhu)要☎️部分。
　　工業(ye)污水，流體一(yi)般爲自然流(liu)動，流量大，并(bìng)且非滿管具(ju)有自由水面(mian)，精确測量有(yǒu)一定的難度(dù)。對污水排入(rù)管網點位的(de)點源監測，以(yǐ)前多采用傳(chuán)統槽式流量(liàng)計，如圖1所示(shi)，不僅精度較(jiao)低，而且帶來(lái)較大的水頭(tou)損失，同時對(dui)上✊遊渠道的(de)🏃坡度及下遊(yóu)水深也均有(yǒu)一定的要求(qiu)，當不能滿足(zú)條件時測量(liàng)精度會降低(di)，有時甚至無(wú)法進行測量(liàng)。如果用傳統(tong)的 電磁流量(liang)計 來測量污(wū)水，則需要建(jiàn)造額外的閘(zha)闆和堰闆以(yǐ)保🐕證滿管✂️，這(zhè)些附加的安(an)裝費用甚至(zhì)會超出流量(liàng)計本身的費(fei)用，大口徑管(guan)道時更是如(ru)此，而且還增(zeng)加了管道🈲堵(du)塞的可能性(xing)。
 
　　生活污水來(lai)源比較分散(sàn)，排水管網末(mo)端流量小，不(bú)易測量，通常(chang)要在區域主(zhǔ)幹管道上布(bu)設流量計，對(duì)♻️流量計的合(he)理分布提出(chu)更高要求。生(sheng)活污水流量(liàng)🌍具有相對明(míng)顯的時間周(zhōu)期性，導緻管(guan)網内水量産(chǎn)📧生波動，對流(liú)量計測:量的(de)穩定性是不(bu)小的考驗。
　　此(ci)外，排水管網(wang)流量測量還(hái)面臨以下問(wèn)題:排水管❗網(wǎng)内🌍垃圾多、懸(xuán)浮物高，導緻(zhì)數據幹擾多(duo),設備維護成(cheng)本高;監測點(dian)通常分布較(jiào)爲分散，給市(shì)政電源的🥵接(jiē)入帶🚶‍♀️來難度(dù)🤩;監測設備通(tong)常安裝于檢(jiǎn)查井内，對設(shè)備的防護等(deng)級以及信号(hao)的🈲傳輸能力(li)提出更高要(yao)求;現場環境(jing)複雜，安裝不(bu)便,維護複雜(za)等。
3常見的管(guan)網流量計介(jiè)紹
　　爲解決上(shang)述管網流量(liàng)監測中的難(nán)點與問題，須(xū)選用🙇‍♀️與實際(jì)工況相适宜(yí)的管網流量(liàng)計。目前，常見(jian)的可檢測非(fei)㊙️滿管狀态的(de)流量計有以(yi)下幾種:
3.1多普(pu)勒式超聲波(bō)流量計
　　采用(yong)連續波超聲(shēng)波多普勒原(yuán)理(速度面積(jī)法),超聲波發(fā)射器⛱️爲一固(gu)定聲源，随流(liú)體一起運動(dong)的固體顆粒(lì)起了與聲源(yuán)有相對運動(dong)的“觀察者”的(de)作用，把🌂入射(shè)到固體顆粒(lì)上的超聲波(bō)反射回接收(shōu)據。發射聲波(bo)與接收聲波(bo)之間的頻率(lǜ)差，就是由于(yu)流體中固體(ti)顆粒運動而(er)産生的聲波(bo)多普勒🏃🏻‍♂️頻移(yi)。這個頻率差(chà)正比于㊙️流體(ti)流速，則可通(tong)過測量頻率(lü)差♍求得流速(sù)。
　　非滿管情況(kuang)下的流體斷(duàn)面面積的測(ce)量要比滿管(guan)情況下複雜(zá)一些，将管道(dào)本身的斷面(miàn)面積作爲已(yi)知條件,進🔞而(er)将此問題轉(zhuǎn)🌍換爲對管道(dao)内液位的測(cè)量，目前較爲(wèi)常見的形式(shi)有以下幾種(zhǒng):
(1)在管道正上(shàng)方居中位置(zhi)開孔，外加 超(chao)聲波液位計(jì) 。
(2)在管道内部(bu)的正上方固(gù)定超聲波液(ye)位探頭。
(3)在管(guǎn)道内底部設(shè)置壓力傳感(gǎn)器，可置于測(ce)流速的‼️超聲(sheng)波聲源傳感(gan)器内,通過所(suo)測流體壓力(lì)，結合管道斷(duan)面參數等，反(fǎn)算🚶出液位。得(de)到速度與面(miàn)積，可計算出(chu)流💃🏻體的流量(liàng)。但這✍️樣的流(liú)量測量⛱️的方(fāng)式也導緻了(le)一定的局限(xian)性，即 多普勒(le) 式超聲波流(liú)量計 适用于(yu)規則的管道(dào)斷面，如圓形(xing)、矩形等。從測(cè)量介質💯來看(kàn)，該流量計比(bi)較适用于雜(za)質含量較多(duo)的市🈚政污水(shuǐ)、污泥的💚測量(liàng)。常見的多普(pǔ)勒式流量計(ji)傳感器安裝(zhuāng)😄方式有抱箍(gū)式安裝和杆(gan)式安🤩裝，如圖(tú)2、圖3所示。
 
　　抱箍(gu)式安裝優點(dian)是安裝形式(shi)簡潔，在污水(shui)管道中不容(rong)易鈎👄挂垃圾(ji)導緻管道堵(du)塞。但抱箍安(ān)裝時的固定(dìng)🈲問題🏒決定了(le)該💯形式較适(shi)用于新建管(guǎn)網管道，現狀(zhuàng)管道需做臨(lin)時性堵水處(chu)🎯理，保證安裝(zhuāng)時的無水環(huán)境。且未來維(wéi)護🤟時，需要人(ren)💘員下井進🌈入(ru)管道潛🙇‍♀️水作(zuo)業。
杆式安裝(zhuāng)的優點是，在(zai)管道位置和(hé)井室結構清(qīng)楚的前提下(xia)，安裝時無需(xū)人員下井，可(kě)以在低水位(wèi)時帶水安裝(zhuāng)。日常維護方(fang)便，傳感器容(rong)易取出進行(hang)清理。缺點是(shi)容易纏繞垃(lā)圾，爲了彌補(bǔ)這一-缺點，減(jiǎn)少💋杆式安裝(zhuang)日常維護👣的(de)頻率，可将底(dǐ)部固定傳感(gan)器的底闆加(jia)長🌈，讓傳感器(qi)更加深入管(guǎn)道内部，減少(shǎo)垃❓圾纏繞的(de)幾率，避免對(duì)監測數🌏據的(de)影響。
3.2多聲道(dào)超聲波流量(liang)計
　　時差法超(chāo)聲波流量計(ji) 本質上是以(yǐ)超聲脈沖傳(chuan)播速度與流(liu)體流速進行(hang)矢量疊加爲(wèi)基礎，通過測(cè)量聲波在順(shun)、逆流過程傳(chuán)播所花時間(jiān)來确定流體(ti)軸向平均流(liu)速。基于該原(yuán)理的流🔞量計(jì)，目👨‍❤️‍👨前在工業(yè)上應用得較(jiao)爲廣泛。由于(yú)單聲道測量(liang)受管道💯參數(shù)、流體運動參(cān)數🛀變化影響(xiǎng)較大，具有一(yī)定的局限性(xing)，所以用多聲(sheng)🤞道布置以避(bi)免或消除徑(jing)向速度分量(liàng)引入的偏差(cha),增加聲道對(dui)測量截面♈的(de)覆蓋率。 多聲(shēng)道超聲波流(liú)量計 在多層(céng)面對流體進(jìn)行測量，通常(cháng)采用4到5對傳(chuán)感器，誤差約(yue)爲±1%，适用于滿(mǎn)管、非滿管的(de)流體情況，也(yě)适用于不🥵同(tong)管🥵道材料，如(rú)金屬、水泥等(děng)。同時，配套有(yǒu)儀表井、外部(bù)儀表箱及信(xin)号裝置，安裝(zhuang)環境相對較(jiao)好，便于後期(qī)維護。多聲道(dào)超聲波流量(liàng)計儀表井實(shí)景圖如圖4所(suo)示。
 
　　常見的多(duo)聲道超聲波(bō)流量計分爲(wei)外夾式和插(chā)入式。外夾式(shi)多⛱️聲道流量(liang)計由安裝在(zài)管壁上的多(duo)對♊超聲👈換能(néng)器組合而成(cheng)，每條聲道均(jun)過軸中心線(xiàn),可視爲多台(tái)單聲道儀表(biao)的疊加。
　　插入(rù)式流量計 是(shì)将換能器直(zhí)接插入管壁(bi)開孔處以測(cè)量流體流動(dong)，避免了信号(hao)在管壁中傳(chuán)播這--過程，一(yī)定程度上🍉提(ti)升了流量計(jì)計量性能👣。一(yī)般在流道中(zhōng)不同高度位(wei)置處平行布(bù)置多條聲道(dao)，每條聲道測(cè)得的線速度(du)可以代表待(dài)測截面.上相(xiàng)應平行帶内(nèi)流體的平均(jun)速度，然後✊對(duì)各條聲道讀(du)數進行加權(quán)平均即可估(gu)算出整個流(liu)通截面的流(liu)量。
　　上述兩種(zhong)形式相比，外(wài)夾式流量計(jì)可以直接在(zài)管道外部安(ān)裝，或在現狀(zhuang)管網.上的閥(fá)門井内安裝(zhuang)，無需設🌈置專(zhuan)門的流量計(ji)井😘。在排水管(guǎn)網監測改造(zao)項目中，更不(bú)容易㊙️受到土(tu)建條件的制(zhì)約。但值得注(zhù)意的是，利用(yong)閥門井安🌐裝(zhuang)， 外夾式流量(liàng)計 容易受到(dao)閥門擾流的(de)幹擾，影響測(ce)量的精度及(ji)穩定性，此外(wài)，外夾式要求(qiu)管道爲均質(zhì)式管材。與外(wai)夾式流量計(jì)相比，插入式(shi)多聲道流量(liang)計聲道空間(jian)覆✊蓋率更高(gao)，閥門擾流條(tiáo)件下測量結(jié)果🤞的誤差波(bo)動範圍更小(xiǎo)，數據重複性(xìng)更好，因而更(gèng)能反映出真(zhen)實流場分布(bù)信息"。但插入(ru)式流量計需(xu)設置專用的(de)流🚩量計井,以(yi)方便安裝與(yǔ)後期維護。
3.3非(fei)滿管電磁流(liu)量計
　　傳統的(de)電磁流量計(ji)是基于法拉(la)第電磁感應(yīng)原理,測:量滿(man)管狀況下的(de)流量，在此基(jī)礎上， 非滿管(guǎn)電磁流量計(ji) 增加了管道(dào)内液位測量(liàng)的功能，進而(er)通過面積速(su)度法計算得(de)到流量。非滿(man)管電磁流量(liang)計常見的液(yè)位測😍量形式(shi)有以下兩種(zhǒng):
(1)在傳統的電(diàn)磁流量計相(xiang)鄰位置的管(guǎn)道正上方居(jū)中部位開🌐孔(kǒng)，外加超聲波(bo)液位計。
(2)通過(guò)在管道内設(shè)置發射電極(ji),将電極間的(de)電容值通過(guo)📞一定的❗比例(lì)關系換量成(chéng)流體的液位(wèi)高度，增加電(dian)極對數可以(yǐ)提高測量精(jīng)度，一般爲4~6個(ge)4。
　　測得液位，進(jìn)而可以得到(dao)非滿管流體(tǐ)的截面面積(ji)，結🔞合流速，計(jì)🚶算出流量。
　　非(fei)滿管電磁流(liú)量計維護工(gōng)作量通常較(jiao)小，但考慮到(dao)污水可能🎯會(huì)在傳感器内(nei)壁附着，形成(cheng)的積聚層會(hui)對🥵傳感器電(diàn)導率産生影(ying)響，并且由于(yú)非滿管電💯磁(ci)流量計傳感(gan)器均位于管(guǎn)道🐪内部，不易(yì)進行人工清(qīng)潔維護，所以(yǐ)該流量計一(yi)般适用于流(liu)速大于3m/s的管(guan)道，這樣一-定(ding)程度上可以(yǐ)減輕污染物(wù)附着沉積📱的(de)現象。此外💘，非(fei)滿管電磁流(liu)量🈲計需要專(zhuan)用的儀表☀️井(jǐng)，以方便儀表(biao)的安裝與維(wéi)護。
4幾種流量(liàng)計的綜合比(bǐ)較
　　從流量計(ji)的性能來看(kàn)，多聲道超聲(sheng)波流量計精(jing)度相對較高(gāo)，一般誤差爲(wei)1%~2%，是其核心優(yōu)勢之一，且流(liu)速的測量範(fàn)圍較大。多普(pu)勒🥵式流量計(jì)和非滿管電(dian)磁流量計精(jing)度相當，誤差(chà)約爲3%~5%，且與多(duo)聲道超聲波(bo)液👣位計相比(bǐ)，流速測量範(fan)圍相對較小(xiao)。
　　從應用場景(jing)及安裝條件(jiàn)來看，多普勒(le)式流量計安(an)裝🚶‍♀️形式靈活(huó)，特别是在老(lǎo)舊的現狀管(guǎn)網中，更容易(yi)找到合适安(ān)裝的點位;儀(yi)表安裝地點(diǎn)爲管道檢查(chá)井，無需過多(duō)額外的土建(jiàn)施工，但在現(xiàn)狀管網中加(jiā)裝該流量計(jì)時,應對相應(yīng)位置的檢查(chá)井進行勘查(cha)☂️，并根據實際(ji)情況做适當(dāng)改造，以滿足(zú)設備的安放(fàng)。多聲道超聲(shēng)波流量計在(zài)安裝時，在管(guan)道外操作，且(qiě)可以在管道(dào)帶壓狀态下(xia)進行,方便施(shi)工;多數情況(kuàng)🥰下配有專用(yong)儀表井，儀表(biao)箱及信号裝(zhuāng)置安裝環境(jìng)相對較好✨，便(biàn)于後期維護(hu)。對于非滿管(guǎn)電磁流量計(jì)，由于其檢測(cè)電極🈲通常以(yǐ)管道襯裏的(de)形式設置，再(zai)👉将該段管道(dao)整體嵌入管(guǎn)網中，通常要(yao)在新建管網(wang)中提前考慮(lǜ)安裝位置,并(bìng)設置儀☁️表井(jing)。雖然安裝要(yào)求較高，但後(hou)期維護工作(zuo)相對較少。.
　　從(cong)經濟性來看(kan)，多普勒式流(liu)量計由于機(ji)箱、蓄電池🏃‍♀️等(deng)相💰關設❤️備置(zhi)于管道或檢(jian)查井内，環境(jing)較爲惡劣⁉️，對(dui)設備的防護(hù)等級及維護(hu)頻率提出更(gèng)高要求;安裝(zhuang)時常爲帶水(shuǐ)作業，需要聘(pìn)請具有潛水(shuǐ)作業資質的(de)人員進行安(ān)裝。基于以上(shàng)原♌因，除流量(liang)計本身造🏒價(jià)較高外，安裝(zhuang)及後期維護(hù)還需要額外(wai)投入。與之相(xiang)比，多聲道超(chāo)聲波流量計(ji)造價相對較(jiao)低，但需考🙇🏻慮(lǜ)儀表井、管線(xian)開挖等額外(wài)的土建費用(yòng)。非滿管電磁(cí)❄️流量計目前(qián)在國内應用(yong)較少,産品多(duō)爲國外進口(kǒu)，價格較高。影(ying)響經濟性的(de)因素較多，本(ben)文不做更多(duō)讨論，實際項(xiàng)目中，須結合(he)具體情況，對(dui)各種流量計(jì)的經濟性進(jìn)行評價。
5結論(lùn)
(1)多普勒式流(liu)量計，安裝形(xing)式靈活，可以(yǐ)利用現狀檢(jian)查井作爲安(an)⛱️裝地點，建議(yi)用于現狀管(guan)網智慧化監(jiān)測改造的項(xiang)目中。在♉選擇(zé)流量計安裝(zhuāng)位置時，盡量(liàng)選在管道直(zhí)線段，且注意(yì)檢查🙇🏻井前後(hòu)管道無過大(da)⛱️的高差，防止(zhi)井内渦流或(huo)跌水現象對(dui)測量精度産(chan)🈲生影響。由于(yú)🔞涉及下井帶(dai)水作業，施工(gong)現場需進行(háng)📞相關施工安(an)☀️全組織，請具(ju)有潛水作業(ye)資質的人員(yuan)進行安裝，同(tong)時需要協調(diao)排水管網管(guan)理單位，降低(di)管網内水位(wèi)。
(2)多聲道超聲(shēng)波流量計，測(cè)量精度高，測(cè)量範圍廣，在(zai)設計時要☂️提(tí)💜前考慮流量(liàng)計及專用井(jing)位置，滿足直(zhí)管段🌈和儀表(biǎo)井尺寸的要(yào)🐇求。建議用于(yu)新建管網的(de)流量監測項(xiang)目♊中，相關管(guǎn)線及結構專(zhuān)業可以較早(zǎo)的介入。若在(zai)現狀管網加(jiā)裝該流量計(jì)，需考慮是否(fǒu)有合适位置(zhì)滿足流量計(ji)設置要求并(bìng)且便于土建(jiàn)🏃‍♀️施工。
(3)非滿管(guǎn)電磁流量計(jì)解決了傳統(tong)電磁流量計(jì)隻能測:滿管(guan)🔱工況🙇‍♀️的問題(ti)，但其結構較(jiào)爲複雜，且該(gai)流量計安🌈裝(zhuāng)後♈将成爲管(guan)道的一部分(fèn)，具有較大的(de)局限性。此外(wài)，考慮其成本(ben)較高、國内✍️應(ying)用經驗較少(shao)等因素，目前(qian)不建議非滿(man)管電磁流💋量(liàng)計在污水管(guan)網中應用。

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