九州空间讲解明渠流量新技术流量测量尤其是明渠便携式测量一直困扰着工业、市政、水利等领域。尽管许多先进技术在流量测量领域中有较广泛的应用与业绩。但在上述测量方面仍进展不大，也缺乏创新。近年来，国外成功研制出的雷达式流量、计电磁流速与液位复合型传感器、便携式电磁流量计等产品，能较好地解决明渠流量测量问题。 　　明渠流量检测作为流量测量的一大分支，已广泛应用于给排水、污水处理等行业。它有自身的特点，以污水为例，水处理厂大都在市区。建筑面积有限。难以满足直渠道前10D，后5D的要求。污水尤其是未经处理的原生污水有腐蚀性，而且含有大量杂物。如泥沙、木片、塑料薄膜等漂浮物；测量范围大，下雨与晴天、排水高峰与低谷时的流量差异大，均造成测量上的困难。因此，应针对不同的测量对象与要求，结合现场安装环境条件与经济状况等，对明渠流量测量方法的适用性可靠性准确性经济性等进行评价比较、考察、选型，采用那些新的革命性的测量技术往往能获得丰厚的技术与经济效益回报。 一、传统检测技术与方法 1、堰式流量计 　　在明渠中途或末端设置上部有规则缺口的板，流体受阻后在上游形成一个自由表面，水流依靠重力越堰而下，当堰口流出的流量等于渠道中的流量时，水位便稳定在某一高度，并由此可测出渠道中的流量。堰式流量计具有结构简单加工方便的特点，但应用极少。原因在于：（1）压力损失较大，且只宜用于窄渠固体杂质少或无沉积物的流体流量检测，否则堰前易沉积杂物，要定期清理。一般情况下，半个月须清除堰板开口边缘和变送器膜盒上的结晶、结垢等。（2）虽部分堰已标准化，但原理是非线性的。比例堰可实现线性化但未能标准化，缺乏设计的必要数据。目前只能参考薄壁堰的国际标准（ISO1438/1），而且国内尚无厂家批量制造。（3）小流量时，溢流水舌易附着堰的外侧造成误差。（4）安装调整较复杂：下游水位高时，溢流水形成淹没状态，影响测量。因此安装的出口侧要有足够的排泻能力：入口侧也应略高于堰槽的水头，以克服沿程阻力；安装后堰板开孔下缘要调整水平。 2、槽式流量计 　　帕歇尔水槽与文丘利管相似，由收缩部、喉口部和扩大部组成。水流在喉口部加速，同时，其上游水位抬高，测量喉口部与其上游水位差即可推导出流量。国内从90年代开始研制并应用超声明渠流量计。即：文丘利槽+超声波液位计+微机化仪表的整套装置。这种流量计具有以下特点：水头损失相对较小，流量范围较大；水路倾斜度和粗糙度对流量系数影响较小；水中固态物质几乎不沉积，随水流排泄；流体的速度和下游水位对测量度的影响较小。但存在以下缺点：（1）若流量扩大造成测流水槽溢流时，需重新设计制作，仅加高P槽不能满足测量度的要求（ASME标准中，P槽已有定型尺寸）；（2）水路结构复杂，安装空间大，土建施工与改造费用很高，上游直渠段要求为10倍以上喉口宽；（3）安装时水槽高度很重要。太高了上游水位上涨时会造成溢流；太低了下游水位会影响测量。 3、潜水型电磁流量计 　　在水渠中间安装一块隔板，在水下安装潜水型电磁传感器，利用带有喇叭口的孔迫使流体只能从传感器中流出。其流体流动状况属于淹没孔口流。其流出速度由上下游两侧的液位差来决定的。 　　潜水型电磁流量计采用PVC塑料制成。重量轻、耐含酸或含碱等污水的腐蚀；比堰式水头损失小（抬高水位为100~300mm）；大流量时。为降低仪表费用，可并用若干个几何尺寸、形状与传感器相同的分流空管；要求直渠道相对较短（一般为3倍渠宽），可在任意形状水路安装；由于流量计采用的是连通的孔流，因而，流量计下游水位变化对测量无影响，特别适用于在易涨水的河口和有潮汐的海口安装。但工业应用不多，缘由在于：（1）安装较麻烦，而且要求传感器与分流模型安装位置应尽可能低。（2）因降雨等流量增加时就会使其溢流或者打开闸门泄流；相反地，若流量过小，上游水位不能满过传感器上游端时就要把水渠底部往下挖深再安装传感器。或者在下游侧安装堰板使其经常处于满水状态。因此不宜用在水位变化大的场合。 4、其他方法 　　流速-面积法可应用在水位变化不大的情况下，把流速探头固定在能给出平均流速的水深附近，测量该位置的流速。优点是水头损失小，可选的流速测量仪表种类多但要获得准确的测量数据应对下列问题进行必要的研究与解决：（1）必须预先用实验方法求出取决于水位变化的平均流速与测量流量之比，把这个值通过线性插入法来修正测量的流速值才能以真平均流速输出。（2）要稳定地测量平均流速则应有相当长的直渠段。故只适用于水路条件平直、流量变动小的大流量测量场合。而的问题是没有一个定义的平均流速点要做水路实验及计算处理度相对较低；如不能保证直渠段则须使用多测量点，以求出几个水平线上的平均流速。具体选择几个测量点应根据水渠大小水流深浅、水位变化情况、测量度要求等综合确定。或者采取平行多声道（8个超声波换能器）测量平均流速。 　　平均流速公式法从水力学理论出发根据谢才公式只要测出h（宜采用气介式超声波液位计）便可不改变流路形状、不阻碍水及水中悬浮物的流动，实现非接触式明渠流量测量。这是其最显著的特点。但还受渠路形状与流量、液位关系、被测介质中泡沫与木片等漂浮物影响。 可见，上述这两种测量方法均较繁琐、度较低、通用性差，不适宜于工业在线测量与普及应用。 二、新型检测技术与方法 1、流速-液位复合传感器 　　为了简化明渠流量的测量，既不拦截渠道、产生不可恢复的压力损失又便于安装，减低费用还确保和提升测量度，国外近年研制并推广应用了一种复合型传感器用于明渠流量测量。其检测原理是根据Q=V*A方程进行流量计算，即通过液位和管道尺寸换算出液体的实际流通截面积并通过测得的流速计算出平均流速（平均速度的连续计算是准确测量的关键），再将平均流速与实际过流面积相乘得出液体流量。为保证测量度该流量计设计了液位测量时的温度影响修正功能（ATCTM）、Q-StickTM安装环（传感器安装工具）。 　　这种合二为一的流量计使流速-面积法明渠流量测量装置大为简化，其扁平的流线型传感器通过安装架放在明渠底部或某一合适位置（防止积砂等）。传感器外壳采用PVC塑料，内有两个敏感元件。一个是测流速的电磁流量元件（包括线圈和电极），另一个是固态扩散硅应变元件，用来测水压力（即液位）。该流量计液位测量范围为0~1524mm至3505mm，度为±6.35mm（包含非线性、滞后和速度效应）；流速分辨率0.003m/s测量范围为0.15~6.1m/s。度为±2%R。可用于测量方形、圆形和椭圆形渠道中的流量。具有优良的度和高可靠性瞬时流量输出4~20mA（流速、液位4~20mA辅助输出可增选）。易于连接数据采集系统：一个常闭接点作报警输出，28V.DC/1A，120V.AC/0.3A；Q-StickTM安装环，使传感器安装极为简便在充满杂质的流体中确保测量度。 2、雷达流量计 　　它综合了成熟的多普勒数字雷达速度传感和超声波脉冲反射波测量液位技术，以实现非接触明渠流量测量。该仪表具有许多显著特点： （1）、为用户提供了在现场高度测量大量程流量的方法消除了传感器浸没在流体中对流体的干扰以及高浓度固体含量与反射器分布等影响测量度的因素。（2）、测量时不需安装标准堰、槽，无剖面与轮廓要求在较大流量和多种现场条件下提供高度的流量测量安装时。不必断流，无需人员与流体接触。（3）、可消除因传感器污秽而造成的堵塞、腐蚀、纤维物质挂住等维修、维护容易。可现场替换、拆卸传感器和监测器可消除因传感器淹没所造成的度与测量问题从而大大减少因维修而引起的数据丢失现象。（4）、传感器安装工具消除了局部的空间限制，节省昂贵的人力与设备等成本支出；临时监测时可固定安装，也可移动应用。非常便利。（5）、应用范围广泛，可解决不同场合、不问类型流体的测量。如环保与市政工程地下水的监测，污水管（下水道）的溢流监测、废水处理站的中和平衡；企业生产过程明渠液体的流量、槽罐或生产系统溢流监测与控制、未处理污水量与已处理污水的排出量等；适用于高含固量、高温、低水位、高流速（6m/s）、腐蚀性等流体；可适用于钢板、木头、混凝土、玻璃钢等制成的各种槽体。 　　其中，雷达式流量计450/460系列的主要技术指标为：流速测量范围宽达0.23~6.1m/s。度为±0.5%：超声波水位测量范围为0.6~152cm。度为±1.0%（过高液位检测采用压敏电阻式）。450型显示器：采用无源矩阵彩色液晶显示器，自动显示记录。触摸按键操作；2路4~20mA隔离输出。可选流量、速度、液位的接点报警输出：工作电源可采用185~264V.AC和18~36V.DC。460型监测仪：数据存储量64KB（其中速度/液位的数据为16KB），采用RS-232C传输（本机终端19.2Kb/s）。12V.DC工作电源I6V标准蓄电池，采样间隔为15min时可用10个星期）。IP68防水设计，测量操作软件采用FIow-Ware（基于Windows95/98/2000/Me/NT/XP），便于测量数据存储与统计分析管理。 3、便携式 　　流量测量以前，在对现场某些密闭管道的流量测量数据有疑义或需要进行临时性检测时，常用的方法是用时差法和多普勒法超声流量计。但均存在某些缺陷：（1）尽管两种流量计有所改善。如时差法可测带一定悬浮物或气泡的液体，多普勒法可测量较洁净的液体，但由于原理上的局限，两者尚无法完全确保测量的可靠性、稳定性与度。（2）许多现场应用经验表明，由于工业管道长期使用，加上液体的侵蚀与污泥等粘附、沉积，对超声波的接收与流量的测量将造成极大的影响。（3）而对于明渠流量测量，既没有实用化、通用化的流量计实现现场检测。更无法实现现场比对或确认堰、槽式流量计。 　　MMI公司除了具有密闭管道流量测量的在线，便携式测量产品268型便携式插入电磁流量计外，还有两款用于明渠流量测量的便携式产品：2000型和260系列（I型、Ⅱ型）。 　　260系列采用前述的复合型流速、液位传感器技术，配用传感器安装环和操作杆，无需人员安装；其专有的Auto-Cal特性消除了大部分场合现场标定的需要。因此无需现场标定即可手持进行测量，还可选遥测技术、交流供电与太阳能电池操作等；其附带的Site-Ware与Plamtop软件是现场流量数据管理的理想工具。 　　2000型便携式流量计用于明渠流量测量与明渠流量计的现场确认。它采用成熟的固态电磁式传感器技术，当传感器放入流动的液体中时，其磁场就会产生一个电势。该电势被嵌在传感器中的电极测出并转换后送给便携式仪表，在仪表面板上显示出来。其传感器具5年品质保证，有较高的度和优越的可靠性，既能用于堰、槽明渠流量计与其他测量装置的校准（度达±2%R），也能检测河流、灌溉渠道、下水道、采矿渠道和非满管自由流动的流体流量测量；可直接替换USGS（美国地质勘探局）型机械仪表具备数据储存与记忆功能；可测流速范围：0.15~6m/s，瞬间可读出流速与流量，可调整滤波方式与两种数据模式；固定周期（用条形图显示时间控制情况）和时间常数；工作电源采用可充电电池或碱性电池，具备节约和自动断电两种方式，可连续工作12h以上；传感器亦可用于满管测量场合；具备系统自检功能与防水功能。