引言
隨著科學的發(fā)展,水污染源流量測量逐漸由不定期瞬時監(jiān)測轉變?yōu)檫B續(xù)在線監(jiān)測,與其他污染物(如,CODCr,NH3-N)在線監(jiān)測儀器相配套,滿足了國家對排污源主要污染物總量控制的要求。目前,廣泛使用、方便、準確可靠的污水排放計量手段是非接觸測量方式的超聲波明渠流量計。超聲波的特征是頻率高、波長短、衍射現(xiàn)象小、方向性好、在液體和固體中衰減小、穿透率大、遇到雜質或分界面有顯著的反射[1]。根據(jù)計量要求,對污水排放企業(yè)安裝的在線設備必須進行對比監(jiān)測。完成該項工作的單位主要為省、市級環(huán)境保護監(jiān)測站,且以市級環(huán)境監(jiān)測站為主。對于污染物在線監(jiān)測設備的對比,一般采集平行樣,1個樣品在線儀器分析,另1個樣品送到化驗室分析,然后進行2個數(shù)據(jù)對比,確定污染物在線監(jiān)測設備是否合格。對于流量的監(jiān)測目前還比較困難,因為大部分市級站的流量計是旋槳轉子流量計,與超聲波流量計配套的主要是溢流堰或槽,這些堰或槽不具備轉子流量計測量條件。因此,必須采用全新的思路對明渠超聲波在線流量儀進行比對。筆者是通過確認明渠超聲波流量計是否正確安裝,對應水頭高度與相應的流量是否吻合來比對確認在線
超聲波明渠流量計的。
1 比對測量的原理
目前,運城市排污企業(yè)安裝的超聲波流量計主要是北京九波聲迪科技有限公司生產(chǎn)的WL-1A型超聲波明渠流量計,常用的量水堰槽有直角三角堰、矩形堰和巴歇爾槽(見圖1)。其中,大部分企業(yè)安裝的是巴歇爾槽,只有極少數(shù)企業(yè)安裝的是三角堰、矩形堰。巴歇爾槽的水位—流量關系由實驗室標定,且對于上游行進渠槽條件要求較弱。由于三角堰和矩形堰的水位—流量關系來源于理論計算,因此容易忽略一些使用條件帶來附加誤差。
WL-1A儀表直接測量的物理量是液位。用于明渠測流量時,在明渠上安裝量水堰槽。量水堰槽把明渠內流量的大小轉成液位的高低。儀表測量量水堰槽內的水位,再按相應量水堰槽的水位—流量關系反算出流量。
1.1 測量水堰槽測流量的原理
渠內的流量越大,液位越高;流量越小,液位越低(見圖2)。
一般渠道,液位與流量沒有確定的對應關系,因為同樣的水深,流量的大小還與渠道的橫截面積、坡度、粗糙度有關。在渠道內安裝測量的水堰槽,由于堰的缺口或槽的縮口橫截面積比渠道的小,所以渠道上游水位與流量的對應關系主要取決于堰槽的幾何尺寸。同樣的測量水堰槽放在不同的渠道上,相同的液位對應相同的流量。量水堰槽的作用就是把流量轉成液位。量水堰槽的水位—流量關系可以從JJG 711—90明渠堰槽流量計中查到。
1.2 超聲波測液位的原理
超聲波測液位采原則見圖3。
超聲波測液位采用超聲波回聲測距法,探頭固定安裝在量水堰槽水位觀測點的上方,對準水面發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)過t1時間,走過E1距離,碰到校正棒。一部分超聲波能量被校正棒反射,并被探頭接收(儀表在顯示器上“校波”的指示位置出現(xiàn)“▲”提示符)。儀表記錄這段時長t1。超聲波的另一部分能量繞過校正棒,經(jīng)過t2時到達水面。這部分能量被水面反射后,被探頭接收(儀表在顯示器上“回波”的指示位置出現(xiàn)“▲”提示符)。儀表記下這段時長t2。校正棒的長度E1是固定的。儀表根據(jù)t1與t2的比例,再乘以E1,求出水面到探頭的距離D。
根據(jù)北京九波生迪科技有限公司編寫的《WLA-1A型超聲波明渠流量計使用說明書(2007)》安裝儀表時,通過按鍵已向儀表的存儲器內設置了探頭(法蘭盤位置)到水位等于0的距離L。儀表從內存讀取參數(shù)L。用L減去D,求出液位H,再根據(jù)堰槽類型,計算出水頭高度。
儀表的作用就是控制探頭發(fā)射和接收超聲波得到液位數(shù)據(jù),計算得到相應的測量值,把液位轉成流量。
詳細操作參看儀表說明書。
2 安裝要求
堰或槽一般由正規(guī)廠家設計安裝,筆者只簡單介紹傳感器的安裝。
堰式流量計的超聲波或靜壓液位傳感器安裝在上游距堰板最大水頭的3倍~4倍處。研究發(fā)現(xiàn)置于3.5倍最大水頭處,將渠底進行整平,保證測量時流量計固定不動,測量精度更高[2]。槽式流量計的巴歇爾槽和無喉道槽配接的超聲波或靜壓液位傳感器安裝在距喉道2/3收縮段長度的位置。
安裝超聲波液位傳感器注意事項是,a)超聲波液位傳感器發(fā)射聲波面要垂直對準水面;b)超聲波液位傳感器的安裝高度不要過高,安裝高度稍大于最高水位加上盲區(qū)(此距離不能用于測量)的距離即可;c)超聲波液位傳感器有波束角,安裝時要使其聲波傳播路徑上沒有其他反射面[2]。
3 實際應用
3.1 測量前的準備
實際工作中,監(jiān)測人員帶上卷尺或測量尺(要求精確到0.001 m)和裝有Excel文件的手提電腦即可。在現(xiàn)場監(jiān)測人員觀察堰槽形狀,檢查設備安裝位置合格,設備完善后,測量堰槽的各種參數(shù),如,三角堰的角度及水頭高度,矩形堰測量渠寬、堰開口寬度及水頭高度,巴歇爾槽測量喉口的寬度和喉口上游水深,最后根據(jù)堰槽的各種參數(shù)確定應使用的公式。
3.2 測量位置
矩形堰或三角堰水頭的測量位置位于出水口的上游緊靠渠壁的位置,測量水深H減去P值,得到水頭高度h值(見圖4)。巴歇爾槽測量位置位于緊靠近喉口的上游靠渠壁的位置。注意測量設備不能緊貼超聲波傳感器,防止對其形成干擾,同時測量器具要細且有一定的機械強度,如,測量巴歇爾槽水深時,水流比較急測量工具容易變形,一些小尺寸的巴歇爾槽如果測量工具粗笨會使水面高度提高。
3.3 計算公式
每個企業(yè)的在線監(jiān)測設施都有驗收報告。根據(jù)報告提供的計算公式計算流量,也可根據(jù)在線流量計說明書提供的計算公式計算流量。
3.4 方法應用
對比監(jiān)測時,首先把計算公式輸入計算機的Excel文件,設計好最快捷的計算方法,一般要用到Power函數(shù),然后開始測量深度或水頭高度,每讀取1個數(shù)值,立即輸入該數(shù)值,同時記錄在線流量計的數(shù)值。每次連續(xù)測量5個數(shù)值計算平均值,作為觀測結果。
只要堰槽安裝規(guī)范且儀表參數(shù)設定準確,均能滿足對比測量的要求。
3.5 實際應用中發(fā)現(xiàn)的一些問題
實際工作中發(fā)現(xiàn)即使流量計本身不存在問題,也會因安裝位置不對,參數(shù)設置或渠道地面等問題導致測量失敗[3]。通常的問題包括:
a)部分企業(yè)堰槽不符合設計要求,如,溢流口0.75 m的矩形堰,溢流口加寬到0.8 m;巴歇爾槽喉口上寬下窄,會造成計量結果偏低。工作中發(fā)現(xiàn),有些企業(yè)為了掩蓋排污總量故意把儀表設置成低于正常流量值的固定數(shù)值;
b)污水處理公司常常把進出口在線流量計儀表的參數(shù)設置錯誤,致使處理量比實際明顯偏大,主要是為了完成當?shù)卣逻_的減排目標,弄虛作假;
c)有些企業(yè)排污口在線流量監(jiān)測設施儀表位置安裝不規(guī)范,如,在線測量儀表沒有校正棒或測量儀表固定支架用軟鐵皮制成,有風的情況下亂晃動等等;
d)有的污水處理廠巴歇爾槽的上端緊靠水流的轉角,水面由于向心力的作用,水流湍急且左右高度不一樣,造成測量結果不準確。
4 結語
安裝在線流量監(jiān)測系統(tǒng),可有效地核算污染物排放總量,便于環(huán)境保護主管部門對污染物排放量進行管理。目前,企業(yè)污水排放口的在線流量計大部分使用明渠超聲波流量計,該設備計量是否準確需要進行比對確認。針對環(huán)保監(jiān)測部門目前使用的流量測量設備比較落后,且在線流量設備的渠道不具備測量條件的狀況,筆者提出根據(jù)明渠超聲波流量計測量原理,通過測量水深或水頭高度用公式計算流量的方法,通過實踐證明計算精準,可滿足在線明渠超聲波流量計比對確認的要求。
這種通過測量水深用公式計算流量的方法可用于小型河流的流量測定,在河流河床較窄的地方固定兩邊的河堤壩和河床,形成1個矩形水渠,把流量測定轉換成深度測定,然后依有關資料和實踐,回歸水深和流量的函數(shù)模型,就可根據(jù)測量到的水深數(shù)據(jù)計算流量。
參考文獻:
[1] 張國忠,趙家貴.檢測技術[M].北京:中國計量出版社,1998.
[2] 趙樹旗,李曉亮,周玉文,等.便攜式超聲波流量計的校準及應用[J].計量裝置及應用,2010,20(4):26-28.
[3] 趙晉梅,薛梅花,閆玉會.超聲波測流技術和超聲波流量計的應用[J].儀器儀表標準化與計量,2004(1):30-31.
作者簡介:史軍致,1970年生,男,山西萬榮人,1996年畢業(yè)于山西師范大學化學專業(yè),工程師