卡合曼·馬合木提江

(新疆水文局水文實(shí)驗(yàn)站，新疆 烏魯木齊 830000)

水體流量的監(jiān)測(cè)是水文工作中研究的重點(diǎn)。明渠作為地區(qū)最常見(jiàn)的水工建筑物之一，是水體傳送最重要的一步，因此明渠流量的監(jiān)測(cè)具有重要意義。明渠流量計(jì)是利用明渠的水利特性，通過(guò)測(cè)量液體的液面高度，再經(jīng)過(guò)微處理器運(yùn)算得到流量值的一種用于明渠流量測(cè)量的儀表，廣泛運(yùn)用于城市供水、污水處理、企業(yè)污水排放以及農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域。明渠流量計(jì)由液位計(jì)、流速儀以及配套的二次儀表組成。現(xiàn)階段的明渠流量測(cè)量原理主要有以下幾種[1]：

(1)流速—面積法。該方法的原理是通過(guò)測(cè)量出規(guī)則形狀的渠道橫截面的面積和流過(guò)該計(jì)量橫截面的軸向流體平均流速，從而計(jì)算出體積流量。這種方法使用范圍廣泛，精度也較高。但相較于其他方法而言，投入成本較高。

(2)堰槽法。其原理是在明渠中安裝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定尺寸的標(biāo)準(zhǔn)堰槽，并按規(guī)定位置測(cè)量水位，則可通過(guò)相應(yīng)的流量公式或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，將測(cè)出的水位值換算成流量值。這種類型的明渠堰槽流量計(jì)由量水堰槽和水位流量轉(zhuǎn)換儀表兩部分組成。其中，堰槽裝置包括上下游的渠道部分、堰槽本體部分以及水位觀測(cè)儀表[2]。水位流量轉(zhuǎn)換儀表不僅要求有流量轉(zhuǎn)換功能也需要實(shí)時(shí)顯示瞬時(shí)流量或者累計(jì)流量等數(shù)值。這種方法不需要設(shè)置流速儀，僅需要購(gòu)買(mǎi)標(biāo)準(zhǔn)量水堰槽并按照標(biāo)準(zhǔn)安裝即可，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，成本相較于流速-面積法更低，因此該方法被各企業(yè)大量采用。

(3)水位—流量關(guān)系法。該方法的原理是渠道某斷面的流量與同時(shí)刻水位之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系一般由水位流量關(guān)系曲線表示。但是該對(duì)應(yīng)關(guān)系較為復(fù)雜，與渠道表面粗糙度、液體粘度等各種因素相關(guān)，因此需要結(jié)合實(shí)際情況經(jīng)過(guò)一定的試驗(yàn)后才能得出。

按照以上原理，明渠流量計(jì)系統(tǒng)分為兩類：一類依照流速-面積法，系統(tǒng)中有一臺(tái)二次儀表、一臺(tái)流速計(jì)、一臺(tái)液位計(jì)，為了保證流速測(cè)量的準(zhǔn)確性有的系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)實(shí)際情況配備多臺(tái)流速儀組成一個(gè)多點(diǎn)流速測(cè)量的流量計(jì)量系統(tǒng)[3]。另一類原理為堰槽法，該類明渠流量計(jì)不需要流速儀，只需要一臺(tái)液位計(jì)和對(duì)應(yīng)的二次儀表提供數(shù)據(jù)換算和顯示即可。因此本研究針對(duì)堰槽式明渠流量計(jì)進(jìn)行研究，其流量測(cè)量示意圖如圖1所示。

圖1 堰槽式明渠流量計(jì)系統(tǒng)示意圖

1 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究

1.1 問(wèn)題調(diào)研

為了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)需要對(duì)實(shí)際進(jìn)行調(diào)查。在新疆某污水處理廠內(nèi)，污水廠入口為一臺(tái)管道式電磁流量計(jì)，處理廠出口處為一個(gè)巴歇爾槽明渠流量計(jì)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該污水處理廠入口處的電磁流量計(jì)示值與出口處的明渠流量計(jì)示值有較大差距，分析后發(fā)現(xiàn)，其前端管道電磁流量計(jì)的管道之前有一段垂直向下的管道段，但在該管道段與電磁流量計(jì)所在位置之間并未有足夠長(zhǎng)的行進(jìn)管道段使水流變得平穩(wěn)，從而導(dǎo)致電磁流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，其整個(gè)污水處理系統(tǒng)的尾端處的巴歇爾槽明渠流量計(jì)也不符合 JJG711-1990 的要求。

由于本次研究針對(duì)性較強(qiáng)，貼近實(shí)際，因此為了保證數(shù)據(jù)的普遍性，本次實(shí)驗(yàn)調(diào)取并參考了近3 a來(lái)新疆水文局水文實(shí)驗(yàn)站的計(jì)量檢定數(shù)據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)實(shí)際中該污水處理廠使用的標(biāo)準(zhǔn)槽和小型槽約占 100%，只有極個(gè)別使用大型槽的情況。小型槽中只有少數(shù)的 2 號(hào)槽(b=0.051 m)和 1 號(hào)槽(b=0.025 m)，使用量只有約 7%，其余均為 3、4、5 號(hào)槽，喉道寬度分別為 0.076 m、0.152 m、0.228 m。7 號(hào)槽(0.30 m)以下尺寸的巴歇爾槽約占本次統(tǒng)計(jì)中的 56%。因此預(yù)定選取 3、4、6(0.25 m)號(hào)槽為試驗(yàn)的研究對(duì)象，并分別設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)試驗(yàn)。

1.2 驗(yàn)研究

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果預(yù)定選取 3、4、6 號(hào)槽為試驗(yàn)的研究對(duì)象，并分別設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)試驗(yàn)。但由于場(chǎng)地限制 6 號(hào)槽無(wú)法安裝在渠道中，3 號(hào)槽的可測(cè)量流量較小在相對(duì)誤差的角度來(lái)看，相對(duì)于 4 號(hào)槽來(lái)說(shuō)對(duì)流量控制的精度要求更高，因此初步只進(jìn)行 4 號(hào)槽的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

喉道寬度試驗(yàn)：

標(biāo)準(zhǔn) 4 號(hào)槽的喉道寬度為 152 mm，根據(jù)上述數(shù)據(jù)整理結(jié)果可知，以 4 號(hào)槽喉道寬度 152 mm 為標(biāo)準(zhǔn)的被測(cè)槽喉道寬度范圍為最小 141 mm，最大為 161 mm。選取 140～162 mm 為試驗(yàn)范圍，以 152 mm 的為中心，每 4 mm一組，140 mm、144 mm、148 mm、152 mm、156 mm、160 mm、162 mm 共 7 組試驗(yàn)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地的明渠檢校系統(tǒng)的情況在其之上設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)的明渠流量計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)。本次試驗(yàn)將巴歇爾槽安裝于該明渠的尾部，巴歇爾槽配備靜水井，靜水井上配備液位計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)液位值。其次巴歇爾槽進(jìn)口段上方安裝比對(duì)液位計(jì)直接測(cè)量槽內(nèi)液位作為比對(duì)液位值并配以其對(duì)應(yīng)的二次儀表?？刂剖业牧髁匡@示器作為標(biāo)準(zhǔn)流量值。系統(tǒng)整體流程見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程圖

儲(chǔ)水池中的水經(jīng)過(guò)水泵進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器中，控制室通過(guò)對(duì)閥門(mén)和水泵的控制使標(biāo)準(zhǔn)器中的水按照設(shè)定的流量經(jīng)由安裝標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)的管道進(jìn)入行進(jìn)渠道，行進(jìn)渠道末端的巴歇爾槽上安裝有比對(duì)液位計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)液位計(jì)，分別通過(guò)各自的二次儀表的換算得出瞬時(shí)流量值，流過(guò)巴歇爾槽的水從出口段再次回到儲(chǔ)水池中。

二次儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能是將標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、槽內(nèi)比對(duì)流量計(jì)、靜水井內(nèi)液位計(jì)三者的測(cè)量結(jié)果綜合、處理、存儲(chǔ)。該系統(tǒng)主要由硬件部分(采集卡)和軟件部分(PC 端后臺(tái)控制系統(tǒng))組成。硬件部分(采集卡)主要有電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等組成。PC 端后臺(tái)軟件具有后臺(tái)數(shù)據(jù)處理、前端界面顯示、本地存儲(chǔ)等幾大功能。系統(tǒng)的組成見(jiàn)圖3。

采集卡兼容標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)(脈沖信號(hào))、靜水井內(nèi)液位計(jì)(RS485 標(biāo)準(zhǔn) Modbus)和槽內(nèi)流量計(jì)(RS485 標(biāo)準(zhǔn) Modbus)的通訊協(xié)議，負(fù)責(zé)采集各路信號(hào)并通過(guò)通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至 PC 端，PC 端與采集卡通過(guò)串口連接。硬件部分采集卡采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采集三個(gè)儀表的數(shù)據(jù)，且滿足同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集上傳功能，使三個(gè)儀表的數(shù)據(jù)同步，為試驗(yàn)提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)來(lái)源[4]。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采集卡負(fù)責(zé)電磁流量計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、超聲波液位計(jì)的數(shù)據(jù)檢測(cè)，而軟件部分的控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的液位或流量數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行瞬時(shí)流量、累計(jì)流量計(jì)算以及積分運(yùn)算。

此外 PC 端后臺(tái)軟件作為系統(tǒng)的中心，控制采集板卡采集儀表數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)定、顯示、計(jì)算、分析、存儲(chǔ)等相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)后臺(tái)軟件支持本地表格存儲(chǔ)，儲(chǔ)存試驗(yàn)數(shù)據(jù)以方便后期數(shù)據(jù)處理的使用和管理。

此外，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有擴(kuò)展功能，硬件上留出冗余的數(shù)據(jù)接口，可以接收多路 RS485 信號(hào)，以及一路脈沖信號(hào)。根據(jù)不同情況將軟件部分稍作修改后即可應(yīng)用于新的試驗(yàn)或測(cè)量工作中。由于其外形小巧，僅由一個(gè)小盒子和一部 PC 組成，因此便攜性較強(qiáng)，可以將其應(yīng)用于計(jì)量工作人員的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)以及檢定的工作中。在實(shí)際的計(jì)量工作中有時(shí)因場(chǎng)地限制，計(jì)量工作人員無(wú)法同時(shí)記錄同一時(shí)間點(diǎn)的數(shù)值，而這種情況會(huì)極大的增大檢測(cè)結(jié)果中人為操作帶來(lái)的誤差。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用將解決這種問(wèn)題，提高了計(jì)數(shù)的同步率，減少這類操作帶來(lái)的誤差。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

本系列試驗(yàn)共有7 組對(duì)應(yīng)的喉道寬度試驗(yàn)，分別為140 mm、144 mm、148 mm、152 mm(標(biāo)準(zhǔn))、156 mm、160 mm、162 mm，每組試驗(yàn)取標(biāo)準(zhǔn) 4 號(hào)槽最大流量值的 25%、50%、75%三個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行 6 次連續(xù)重復(fù)試驗(yàn)，為保證測(cè)得流量值的穩(wěn)定，每次重復(fù)試驗(yàn)待各個(gè)儀表讀數(shù)穩(wěn)定后再進(jìn)行為時(shí) 3分鐘的持續(xù)試驗(yàn)，每分鐘記錄 60 個(gè)液位值或流量值。每次重復(fù)試驗(yàn)記錄的原始數(shù)據(jù)均包括：磁致伸縮液位計(jì)液位hz；超聲波明渠流量計(jì)液位hs、超聲波明渠流量計(jì)瞬時(shí)流量Qss以及超聲波明渠流量計(jì)累計(jì)流量Qls；電磁流量計(jì)(標(biāo)準(zhǔn)表)脈沖信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)n。其中磁致伸縮液位計(jì)的液位值ha根據(jù) JJG771-1990 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的液位-流量轉(zhuǎn)換關(guān)系：

Q=0.3812ha1.58

(1)

將液位值hz轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)流量Qsz(m3/s)，用所得到的所有瞬時(shí)流量值對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分就可以得到該段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量Qlz；超聲波明渠流量計(jì)的液位hs及瞬時(shí)流量Qss、累計(jì)流量Qls均由其專用的二次儀表進(jìn)行水位-流量轉(zhuǎn)換；電磁流量計(jì)的累計(jì)流量值Qlc為脈沖個(gè)數(shù)與脈沖當(dāng)量相乘的結(jié)果，計(jì)算公式如下：

(2)

其中：Qr為電磁流量計(jì)的滿量程；fr為電磁流量計(jì)的頻率上限；儀表的滿量程與頻率上限的比值即為該儀表的脈沖當(dāng)量。經(jīng)以上初步處理后的各喉道寬度對(duì)應(yīng)的平均累計(jì)流量Qlc的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示。

表1 喉道寬度試驗(yàn)各儀表累計(jì)流量值 L

表2 喉道寬度試驗(yàn)相對(duì)誤差表

表3 喉道寬度試驗(yàn)轉(zhuǎn)換誤差及合成誤差表

表1中Qlc為電磁流量計(jì)的累計(jì)流量，Qlz為磁致伸縮液位計(jì)的累計(jì)流量；Qls為超聲波液位計(jì)的累計(jì)流量。1～7 分別為喉道寬度 140 mm、144 mm、148 mm、152 mm、156 mm、160 mm、162 mm的試驗(yàn)槽。

對(duì)于磁致伸縮液位計(jì)的測(cè)量值，各喉道寬度試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)喉道寬度 152 mm 測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差計(jì)算方式如下：

(3)

對(duì)于電磁流量計(jì)的值，由于各次試驗(yàn)的流量控制不夠精確而造成的測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差，即系統(tǒng)誤差計(jì)算方式如下：

(4)

因此理論上排除了各次試驗(yàn)中流量值真值的不同而造成的誤差的磁致伸縮液位計(jì)的測(cè)量值誤差，即由于喉道寬度改變而造成的轉(zhuǎn)換誤差為：

(5)

此外，喉道寬度的相對(duì)誤差計(jì)算方式如下：

(6)

對(duì)于超聲波液位計(jì)，其喉道寬度試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)喉道寬度 152mm 測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差計(jì)算方式如下：

(7)

(8)

由公式(3)(4)(6)(7)求得相對(duì)誤差表如表2所示。

表2中ed為喉道寬度的相對(duì)誤差，ec為電磁流量計(jì)的相對(duì)誤差，ez為磁致伸縮液位計(jì)的相對(duì)誤差，es為超聲波液位計(jì)的相對(duì)誤差。

根據(jù)上表結(jié)果及公式(5)和公式(8)得出：

根據(jù)上表數(shù)據(jù)擬合曲線及喉道寬度改變與其造成的磁致伸縮液位計(jì)的流量測(cè)量值誤差之間的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 磁致伸縮液位計(jì)流量誤差與喉寬誤差擬合圖

其中曲線擬合結(jié)果為 ez’= 128.98ed3+ 12.37 ed2-1.604 4 ed+ 0.012

(R2= 0.833 9)。R2是評(píng)價(jià)趨勢(shì)線擬合程度的指標(biāo)，被稱為決定系數(shù)，取值范圍為 0～1，其值與 1 越接近則擬合結(jié)果的可靠性越高，反之則可靠性越低。

根據(jù)上表數(shù)據(jù)擬合曲線及喉道寬度改變與其造成的超聲波液位計(jì)的流量測(cè)量值誤差之間的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖5。

其中曲線擬合結(jié)果為 es″= -45.024 ed3- 0.456 4 ed2- 0.932 ed+ 0.012

(R2= 0.872 9)。

圖5 超聲波液位計(jì)流量誤差與喉寬誤差擬合圖

2 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)進(jìn)行試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分別得出了喉道寬度的改變量與其造成的測(cè)量結(jié)果的誤差之間的函數(shù)關(guān)系，使計(jì)量工作人員可以在日常的檢定工作中通過(guò)對(duì)待測(cè)槽尺寸的測(cè)量而提前預(yù)估出測(cè)量結(jié)果可能產(chǎn)生的誤差大小，并根據(jù)結(jié)果對(duì)檢定進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而提高檢定的精度。在實(shí)際應(yīng)用中，工作人員也可以根據(jù)擬合得出的結(jié)果在確定了流量測(cè)量誤差范圍后倒推出各因素的最大允許誤差，從而對(duì)施工結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和約束。