[導(dǎo)讀]
明渠流量計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)所有城市供水引水渠、火電廠冷卻水引水和排水渠、污水治理流人和排放渠、工礦企業(yè)廢水排放以及水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道。本文重點(diǎn)討論前幾種工業(yè)和公用事業(yè)適用的流量測(cè)量方法和儀表.較少涉及大型的水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用的流量測(cè)量方法。
4. 水式電磁流量計(jì)
潛水式電磁流量計(jì)需在渠道中置一擋板截流，擋板底部裝上潛水電磁流量傳感器，如圖10所示。擋板截住渠道，迫使水流只能從流量傳感器中流過(guò)，以較原來(lái)高的流速通向下游從而抬高擋板上游的水位，產(chǎn)生擋板上下游水位差h，此水位差的勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉賄的動(dòng)能，即
（4）
式中 K——系數(shù)
g——重力加速度
潛水式電磁流量計(jì)工作時(shí)，液體流動(dòng)狀況屬于淹沒(méi)孔口流，孔口流出速度與孔口在自由表面下的沉沒(méi)深度無(wú)關(guān)，僅取決于上下游的水位差。也就是說(shuō)，流量測(cè)量值與流量傳感器（或分流模型）安裝位置無(wú)關(guān)，但要求盡可能低使之在運(yùn)行過(guò)程中始終處于淹沒(méi)流狀態(tài)。
通過(guò)流量傳感器的流速一般為2～3.5m/s 上游抬高水位在100～300mm。
在流量較大而又不能用較大口徑流量傳感器時(shí)，為了避免水位差過(guò)大，可以用分流模型來(lái)擴(kuò)大流通能力。分流模型的流通通道形狀尺寸與流量傳感器完全一樣。n個(gè)分流模型和一臺(tái)傳感器一起安裝在擋板上并用，實(shí)際總流量即為傳感器實(shí)測(cè)流量乘上（n+1）倍。
潛水式電磁流量計(jì)的特點(diǎn)為：
（1）無(wú)活動(dòng)件，可測(cè)量含有固體顆粒或懸浮體的液體。
（2）可使用于受潮水等形成下游側(cè)水位變化的渠道。
（3）因設(shè)置擋板截流，測(cè)量與渠道形狀和上游直渠道狀況無(wú)關(guān)。
（4）水頭損失較小，流量傳感器內(nèi)必須保持滿管流。
（5）擋板前會(huì)有一些固形物堆積，要定期清理。
5. 非滿管電磁流量計(jì)
非滿管電磁流量傳感器外形與傳統(tǒng)電磁流量傳感器相似，同樣除利用法拉弟定律檢測(cè)液體流速外，還要用某種方法檢測(cè)測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)液體高度，亦即過(guò)液流截面積，兩者相乘求得流量。現(xiàn)例舉最早推向市場(chǎng)的Fischer+Porter公司PART1-MAGⅡ型儀表為例闡明其工作原理。
如圖11所示，測(cè)量管中央同一圓周上，水平軸及其下方分裝3對(duì)電極檢拾流速信號(hào)，上下兩激磁線圈交替正向和反向串接通電，產(chǎn)生兩種磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁力線分布，測(cè)得兩個(gè)不同流速信號(hào)，兩信號(hào)之間的比值和測(cè)量管中液位高度成一定函數(shù)關(guān)系。從這一關(guān)系便可求得液位高度，亦即取得過(guò)液流截面積與電極上流速信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，求得流量。它可測(cè)高于測(cè)量管內(nèi)徑10%液位的流量。
其他設(shè)計(jì)型號(hào)有：愛(ài)知時(shí)計(jì)電機(jī)公司采用相似原理，只是交替兩線圈串接同時(shí)通電激磁和單獨(dú)一線圈通電激磁。電極則是一對(duì)弧條形電極緊貼襯里；東芝公司設(shè)計(jì)的兩線圈軸線水平布置磁力線是水平方向。測(cè)量管底部置一電極測(cè)量其與測(cè)量管端部接地環(huán)之間的電位差。東芝公司稱，得到的信號(hào)是與液位、流速兩者均成比例，不需作液位演算處理，不受浮游物及液位波動(dòng)等影響，可測(cè)液位高度30mm；Krohne公司的設(shè)計(jì)是利用在測(cè)量管底部10%內(nèi)徑高度的一對(duì)電極測(cè)量流速，與液體接觸襯里面的背面，置有多塊大面積電極，以相似于電容液位計(jì)原理檢測(cè)測(cè)量管內(nèi)的液位高度。
非滿管電磁流量計(jì)的測(cè)量精確度因設(shè)計(jì)型號(hào)而異，在滿管運(yùn)行時(shí)為±1%R～±1.5%Fs， 在非滿管運(yùn)行時(shí)為±3%R～±2%Fs； 可供應(yīng)口徑范圍為150～2000mm。
非滿管電磁流量計(jì)的特點(diǎn)：
（1）測(cè)量精確度在各明渠流量測(cè)量方法中較高，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流校準(zhǔn)。
（2）能作正、逆方向雙向測(cè)量；既可測(cè)量非滿管流，也可測(cè)量滿管流。
（3）應(yīng)用于圓形暗渠安裝簡(jiǎn)便，將流量傳感器直接接入即可。流量傳感器流通通道無(wú)撓流、阻流體。
（4）應(yīng)擴(kuò)于池、槽排放，或連接于渠形明渠時(shí)，必須要有一段平滑過(guò)渡段。還應(yīng)有10倍管徑的前置直管段。
（5）在不同坡度管道所測(cè)得的某同一流量，平緩坡度場(chǎng)所的流量傳感器內(nèi)液位高于急陡坡度場(chǎng)所。傳感器內(nèi)液位高度應(yīng)低于臨界深度（Critical Bepth 液流為臨界流時(shí)的截面液深）。
（6）未見(jiàn)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)本儀表。儀表本身價(jià)格比滿管電磁流量計(jì)貴許多。但應(yīng)用于圓形暗渠無(wú)需額外管渠工程費(fèi)用。
6. 液位-流速演算式流量計(jì)
在一定坡度管渠內(nèi)液體自由表面自然向下流動(dòng),其平均流速V（m/s）與水力半徑R（m）、壁面粗糙度（n）、坡度（i）間的關(guān)系如曼寧公式（式5）所示。流量Q如式（6）。
（5）
（6）
式中 A——過(guò)液流路斷面（m2）
n——管渠壁面粗糙度；混凝土管一般為0.015
對(duì)于矩形渠，A=h•B，R=h•B/（2h+B）。已安裝好的渠段n、i、B均為常數(shù)。平均流速和流量Q僅是液位高度h的函數(shù)。圖12所示是矩形和圓形截面液位高度與流速/流量的特性曲線。
天津大學(xué)用微壓傳感器在坡度可調(diào)管徑200mm圓形管道的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置上作試驗(yàn)。管道坡度設(shè)在2/1000，以電磁流量計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)原型樣作流量比對(duì)試驗(yàn)。流量在24L/s時(shí)，h/d均為0.9。h/d為0.3～0.45時(shí)實(shí)際相對(duì)誤差≤30%（引用相對(duì)誤差<7%），h/d在>（0.45～0.8）時(shí)，實(shí)際相對(duì)誤差為5%～9%（引用相對(duì)誤差<4%）。
液位-流速演算流量計(jì)的特點(diǎn)
（1）在管渠適當(dāng)位置直接設(shè)置簡(jiǎn)單方便，無(wú)須變動(dòng)管渠流路。但難以獲得正確坡度和壁面粗糙度，因此測(cè)量精確度相對(duì)較低。
（2）測(cè)量段無(wú)阻撓流件（如用超聲液位計(jì)）或設(shè)置很小的檢測(cè)件（如侵入式壓力傳感器），無(wú)阻力損失或阻力損失很小。測(cè)量過(guò)程不會(huì)形成固形物沉淀堆積。
（3）使用過(guò)程中可能受日久附著層而改變壁面粗糙度，測(cè)量值可能隨之而變。
（4）費(fèi)用較省，但國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到定型產(chǎn)品。
7. 噴嘴流量計(jì)
一種開(kāi)式噴嘴裝在圓形暗渠排放形成自由排放，如圖13所示。圖14所示KenNIson噴嘴即其一例。其中表所示其口徑規(guī)格，最大流量等性能和主要外形尺寸。引壓口接裝浮子液位計(jì)等儀表。從所測(cè)液位求取流量。
噴嘴規(guī)格/
英寸（mm） 最大流量/
（m3•h-1 ） 最大流速/
（m •s-1） 上游管坡度 A B F 重量/（kg） （mm） 6（150） 45 0.67 0.0070 152 305 280 62.5 8（200） 73 0.67 0.0050 203 406 343 70.5 10（250） 127 0.7 0.0040 254 508 406 109 12（300） 193 0.79 0.0033 305 610 483 161 16（400） 430 0.91 0.0027 406 914 597 272 20（500） 704 1 0.0023 508 1016 699 413 24（600） 1180 1.13 0.0021 610 1219 813 625 30（750） 1930 1.13 0.0020 762 1524 984 954 36（900） 6180 1.13 0.0020 914 1829 1168 1326
圖14 Kennison噴嘴外形和性能
Kennison噴嘴排放口斷面形狀下部為弓形。中部為梯形。上部為矩形，使在10%～100%Qmax（最大流量）范圍內(nèi)呈線性的液位-流量特性和±2%實(shí)測(cè)值的測(cè)量誤差,5%Qmax時(shí)為±5%。阻力損失略高于一個(gè)管直徑的水頭。緊接噴嘴上游管段的坡度不能過(guò)陡,超過(guò)規(guī)定值（0.002～0.007）應(yīng)在噴嘴前設(shè)置一段無(wú)坡度緩沖段。流速限制為0.67～1.13m/s。
噴嘴流量計(jì)的特點(diǎn)為：
（1）只能裝在圓形暗渠排放口，測(cè)量精確度較高。
（2）液中固形物隨液流排放，幾乎不沉淀。
（3）阻力損失小，測(cè)量不會(huì)過(guò)多抬高上游液位。
8. 常用液（水）位計(jì)和積算儀表
堰式、槽式、流速-水位式、液位-流速演算式、噴嘴流量計(jì)均需配用相應(yīng)的液（水）位計(jì)。明渠流量計(jì)常用的液位計(jì)有浮子式、電容式、壓力式和超聲式。
浮子式液位計(jì)在槽（或堰）的水位測(cè)量點(diǎn)經(jīng)導(dǎo)水管通至靜水井（見(jiàn)圖5）。液位計(jì)的浮子在靜水井內(nèi)隨著水位變化而升降。通過(guò)液位計(jì)內(nèi)凸輪機(jī)構(gòu)等將液位-流量的指數(shù)函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換成流量。
一種新型的電容式液位計(jì)是通過(guò)測(cè)量棒形電極外套絕緣套管與液體為另一電極的電容量來(lái)檢測(cè)液位的。該電容式液位計(jì)有液位比例輸出型和液位函數(shù)輸出型兩類。前者如用于堰槽還需配用相應(yīng)的函數(shù)轉(zhuǎn)換器使之線性化。后者的絕緣套管按照堰（或槽）的液位-流量特性函數(shù)輸出設(shè)計(jì)成特殊形狀。
應(yīng)用于明渠流量測(cè)量的壓力式液位計(jì)有壓力式水深儀、吹氣式液位計(jì)和小型壓力傳感器3種。
超聲液位計(jì)是測(cè)量超聲波從超聲傳感器（換能器）以一定的速度發(fā)射經(jīng)氣-液界面反射回到換能器的時(shí)間，以求取水位的液位計(jì)，稱之氣介式液位計(jì)，圖7所示即為其使用安裝例。用于明渠流量測(cè)量的超聲液位計(jì)除氣介式外，還有在液體中向上傳送超聲波經(jīng)液-氣界面反射的液介式液位計(jì)。超聲傳感器置于水中。氣介式為非接觸液體測(cè)量，適用于有污濁物和腐蝕性液體。但比氣介式受溫度變化影響小。超聲波波長(zhǎng)為氣介式的1/5，分辨力和測(cè)量精確度較高。
配套于明渠流量?jī)x表的專用轉(zhuǎn)換器，通常帶有總量積算功能而無(wú)需再配后位積算儀表。若配用只有標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的液位計(jì)，則還需后位積算儀表。
云南省水利水電科學(xué)研究所提出一種簡(jiǎn)便的利用普通水表積算堰、槽流量的實(shí)用新型法（專利號(hào)86206884.89706926）。堰、槽排放水量經(jīng)調(diào)整管分流一部分與排放總量成比例的水量由水表計(jì)量（見(jiàn)圖15），乘以分流倍率，即獲得排放總量。調(diào)整管上有一排相隔等距離的小孔，它們是按堰槽液位流量問(wèn)的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出的每層面積不等的一個(gè)或幾個(gè)小孔，愈上層流通面積愈大。
四 選用考慮要點(diǎn)
1. 概述
針對(duì)城市供水引水渠、工業(yè)引水和排放渠、污水治理渠道等流量測(cè)量特點(diǎn)，應(yīng)考慮以下因素選擇合適的測(cè)量方法。
（1）水路大小和形狀，流速范圍，最大流量和最小流量；
（2）測(cè)量精確度要求；
（3）流量計(jì)設(shè)置場(chǎng)所和環(huán)境條件；
（4）液體狀況、潔凈程度、含有固相濃度、腐蝕性等；
（5）現(xiàn)場(chǎng)允許落差（或升高水位）和渠道坡度；
（6）與液體接觸的儀表零部件材料；
（7）選用超聲流量計(jì)和電磁流速計(jì)時(shí)要分別對(duì)液體濁度或電導(dǎo)率作調(diào)查。
2. 估算渠道流量和抬高水位
對(duì)于新建單位可通過(guò)工藝流程計(jì)算渠道流量與擬安裝位置，再選用儀表規(guī)格。對(duì)于老企業(yè)添置儀表需要估計(jì)既有渠道流量和確認(rèn)儀表上游允許升高水位，即確定流量?jī)x表規(guī)格和流量范圍要取決于渠道峰流量和允許升高水位兩個(gè)因素。
（1）估計(jì)峰流量
通常有投浮子法和日排放量估算法兩種方法。
（a）投浮子法：既有明渠可采用投浮子法測(cè)定和估算流量。選定在最大流量時(shí)兩人距離L（20～50m）立于直渠道旁上游一人投放浮子（一般是木制圓片），下游一人在投放木片的瞬間啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)浮子到達(dá)時(shí)停止計(jì)時(shí)，測(cè)得時(shí)間t，求出渠道表面流速v=L/t（m/s）。再測(cè)出渠道流通截面積A（m2）。便可從式（7）估算流量Q。
表2 渠用流量?jī)x表性能比較
較項(xiàng)目 堰法
（薄壁堰） P槽法 PB槽法 流速—水位法 潛水電磁法 非滿管電磁法
流位—流速演算式法
噴嘴流量計(jì)法 適用渠道
類型 明渠 明渠 圓形暗渠 明渠、暗渠 明渠、暗渠 圓形暗渠 明渠、暗渠 圓形暗渠排放口 流量檢測(cè)結(jié)構(gòu)特征 渠道要截流，檢測(cè)件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 渠道— 段要裝入槽
檢測(cè)件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 渠道— 段
要裝入槽檢
測(cè)件結(jié)構(gòu)較
復(fù)雜 不必改動(dòng)渠
道流量檢測(cè)
要用流速計(jì) 渠道要截
流檢測(cè)件 為本體，
分流模型
擴(kuò)大流量 不改動(dòng)暗渠，
接入流量
傳感器即可 不改動(dòng)渠道裝上液位儀表即可 裝于渠道排
放末端 檢測(cè)儀表 液位計(jì) 液位計(jì) 液位計(jì) 流速計(jì)+液位計(jì) 本儀表
直接測(cè)量 本儀表
直接測(cè)量 液位計(jì) 液位計(jì) 渠寬、喉寬或口徑
（mm） 渠寬：
450- 8000 喉寬
25-240
（152000） 口徑：
150-
1800（3000） 渠寬：
300-10000
口徑：
300- 500 口徑：
50-
400（600） 口徑：
150- 2000 口徑150- 800 流量或流
速范圍流速 15-40000
m3/h
三角堰
小流量
矩形堰
中流量
等寬堰
大流量 30-15000
（330000）m3/h 20-12000
（42000）
m3/h 流速：0-20m/s 10-5000
m3/h 30-110000m3/h 最大 流速：1m/s 45-3180m3/h 測(cè)量精確
度誤差/
（±%FS） 1- 3 3- 5 3- 5 3- 5 獨(dú)傳感器：1.5
帶分流模型：2.5 3- 5R 4- 10 2- 5R
流量范圍
度 （10-20）:1 （20-
30）:1 （20-30）:1 （20-
100）:1 10:1 （10-50）:1 （5-10）:1 （10-20）:1 抬高水位
（mm） 200（120）- 800 75- 200 口徑的
（1/20-1/10） 無(wú) 100- 500 無(wú) 無(wú) 最大1個(gè)管徑 上游側(cè)固
態(tài)物是否
會(huì)沉積和排泄程度 會(huì)沉積，
不會(huì)排泄，
要定期清除 不會(huì)沉，隨流排泄 不會(huì)沉積，
隨流排泄 不會(huì)沉積，
隨流排泄 會(huì)沉積，
能部分隨
流 不會(huì)沉積，
隨流排泄 不會(huì)沉積，
隨流排泄 不會(huì)沉積，
隨流排泄 上游直渠
段長(zhǎng)度要求（mm） 1500-24000
（其中整流
流部690- 12000） 300- 2000 上游側(cè)：
≥（5- 10）
倍口徑
下游側(cè)：
≥2倍口徑 上游側(cè)：
≥（1O-15）
倍渠寬（或口徑）
下游側(cè)：
≥5倍渠寬
（或口徑） 上游側(cè) ≥
5-10倍口徑；
下游側(cè)3倍口
上游側(cè)管道坡
度：≤0.05測(cè)
管內(nèi)不能有持
的漩渦和水躍 測(cè)量段內(nèi)應(yīng)無(wú)水躍 上游側(cè)一般為8倍
內(nèi)徑：坡度過(guò)大另需設(shè)緩沖段 對(duì)流體的
要求 無(wú)特殊要求 無(wú)特殊要求 無(wú)特殊要求 傳播時(shí)間法
超聲流速計(jì)：
濁度≤
5000mg/L
多普勒法
超聲流速計(jì)：
濁度60- 50000mg/L 液體導(dǎo)電率
≥10-4/cm測(cè)量廢水、下水不存在問(wèn)題 無(wú)特殊要求
無(wú)特殊要求
Q=KVAX3600m3/h （7）
式中K——修正系數(shù)。因表面流速大于平均流速，一般取0.84～0.90。
（b）從日排放量Qd估算峰流量Qp：在沒(méi)有條件用投浮子法或新建系統(tǒng)，可采用實(shí)際（或設(shè)計(jì)）的排放量來(lái)估計(jì)峰流量，估算公式如式（8）或（9）。
Qp=KuQd/24 （8）
Qp=QdH （9）
式中 Ku——不均勻系數(shù)。如為均勻連續(xù)排放，Ku可取1.1～1.2。
H——每天集中排放累計(jì)小時(shí)數(shù)。如為不均勻連續(xù)排放，則按集中排放小時(shí)計(jì)算。
（2）確定抬高水位
除流速-水位流量計(jì)、非滿管電磁流量計(jì)和液位-流速演算式流量計(jì)外，渠道安裝流量計(jì)后，其上游均要抬高水位。對(duì)于新設(shè)計(jì)的渠系可按測(cè)量流量范圍和周邊環(huán)境條件全面考慮確定升高水位高度。對(duì)于現(xiàn)有渠道在選定流量計(jì)時(shí)，要考慮上游渠系水位抬高后的影響（如水位是否會(huì)漫溢出渠道）。然后再按確定的水位升高高度和峰流量值選定儀表規(guī)格。
3. 渠用流量?jī)x表適用范圍和性能比較
常用渠用流量?jī)x表適用范圍和性能比較歸納如表2所示。