矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計主要參數(shù)影響量化分析*

陳漢松 陳國宇 賴森豪

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矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計主要參數(shù)影響量化分析*

陳漢松 陳國宇 賴森豪

（廣州能源檢測研究院）

針對現(xiàn)行檢定規(guī)程對矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計主要參數(shù)檢定不夠細(xì)化的問題，詳細(xì)研究影響矩形缺口薄壁堰主要參數(shù)的因素，并分析當(dāng)流量變化為5%時這些參數(shù)的最大允許變化量，從而細(xì)化檢定規(guī)程，有利于快速發(fā)現(xiàn)與判別矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計不合格方面，提高檢測矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計的檢定效率。

矩形缺口薄壁堰；量水堰槽；明渠流量計

0　引言

矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計是一種常見的明渠流量計，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉水量計量、河流水量監(jiān)測[1]、企業(yè)污水排放監(jiān)控[2]等領(lǐng)域，是保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、警示洪澇、環(huán)保監(jiān)控和貿(mào)易結(jié)算的重要計量器具[3-4]。該類型流量計具有對液體介質(zhì)要求低、安裝方便、維護(hù)簡單、使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)性強、穩(wěn)定性好、精度高和測量范圍廣等特點。但使用中易受安裝位置、量水堰槽開口形狀尺寸、二次儀表匹配及設(shè)置等因素的影響[5]。因此，對矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計的檢定，是流量計準(zhǔn)確度的重要保證。

目前，常見的矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計檢定方法有速度面積法和傳統(tǒng)尺寸法。其中，速度面積法采用流速儀進(jìn)行測量，安裝麻煩、準(zhǔn)確度總體偏低、檢測效率低，故還無法大量用于實際檢測中。傳統(tǒng)尺寸法先對影響明渠流量計計量特性的相關(guān)物理參數(shù)（如明渠的堰槽尺寸、水位轉(zhuǎn)換器等參數(shù)）進(jìn)行在線測量，依次計算各分量不確定度；然后再合成明渠流量計流量的總不確定度。傳統(tǒng)尺寸法測量簡便、準(zhǔn)確度高，是JJG711—1990《明渠堰槽流量計試行檢定規(guī)程》（以下簡稱檢定規(guī)程）中主要推薦方法。但該檢定規(guī)程是1990年修訂的，在近二三十年的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題較多，如缺乏影響明渠流量計關(guān)鍵量的因素及其定性定量分析。

本文詳細(xì)研究矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計的主要參數(shù)，并分析這些參數(shù)的影響因素[6]；同時進(jìn)行定性定量分析[7-8]；最后根據(jù)矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計主要參數(shù)的影響分析，細(xì)化檢定規(guī)程。

1　 矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計原理

矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計由量水堰槽（矩形缺口薄壁堰）和二次儀表組成[9]。量水堰槽包括上下游行近段、堰體和超聲波傳感器；二次儀表除完成水位流量轉(zhuǎn)換外，還顯示瞬時流量或累積量[10]。

流量測量時，先利用超聲波傳感器測出實際水頭高度；然后利用二次儀表通過量水堰槽的參數(shù)與水頭高度的固定函數(shù)關(guān)系計算水流流量，并對流量進(jìn)行時間積分；最后顯示瞬時流量及累積量、水頭高度等，并上傳至上位機。

矩形缺口薄壁堰結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1中各參數(shù)取值如表1所示。

B?行近渠槽寬度 h?水頭高度 b?堰口寬度 p?堰高La?上游連通管至堰板距離 hb?下游實測水深

表1 　國內(nèi)常見的4種矩形缺口薄壁堰參數(shù)

若流量系數(shù)為C，實測水頭高度為，寬度修正系數(shù)為K，則有效堰口寬度b=+K。流過矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計的流量(m3/s)為

式(1)中，C，K的取值與大小有關(guān)。表2為不同/值的C計算公式與K取值。

表2　 不同b/B值的Ce計算公式與Kb取值

2 　主要參數(shù)的影響因素及定性分析

由式(1)和表2可以看出，影響矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計的主要參數(shù)包括堰口寬度、行近渠槽寬度、堰高和水頭高度。

2.1　堰口寬度b

堰口寬度是水流橫截面積的長度，增加，排水量增加；反之，排水量減少。引起堰口寬度發(fā)生變化的常見原因有：矩形缺口薄壁堰擋板磨損，導(dǎo)致增大；矩形缺口薄壁堰擋板變形，導(dǎo)致不規(guī)則增大；不按標(biāo)準(zhǔn)尺寸，為獲利或偷排，增大或減少；土地表面變動，整個矩形缺口薄壁堰發(fā)生傾斜，導(dǎo)致有效減少。

由式(1)可知，在其他變量不變的情況下，正比于。

2.2　行近渠槽寬度B

行近渠槽是緩沖水沖擊、減少水波動對影響的主要部件，其中行近渠槽寬度是影響渠槽緩沖性能的重要參數(shù)，一般要求()/2 ≥ 0.10 m。引起行近渠槽寬度發(fā)生變化的常見原因有：超聲波明渠流量計二次表與設(shè)計行近渠槽參數(shù)不匹配；用戶在驗收后，未經(jīng)報批私自改行近渠槽寬度等。

由式(1)可知，在其他變量不變的情況下，正比于C，通過影響C從而影響，而C取決于/大小。從表2可知，越大，C越小，越小；越小，C越大，越大。

2.3　堰高p

堰高是矩形缺口薄壁堰缺口處水舌離地面的高度，合適的是水舌完整的保障。堰高常見的影響因素有：明渠流量計二次儀表與設(shè)計行近渠參數(shù)不匹配；用戶在驗收后，未經(jīng)報批私自改行近渠的堰高；水流中含固體物質(zhì)（如沙、石）較多，沉積在渠底，造成減少；擋板使用時間長，生銹或水流沖擊造成減少。

由式(1)可知，在其他變量不變的情況下，正比于C。即增大，C減小，減??；減小，C增大，增大。

2.4　水頭高度h

水頭高度是流量測量是否準(zhǔn)確的最關(guān)鍵參數(shù)。水頭高度常見影響因素有：水源出口處沒有緩沖結(jié)構(gòu)，沖擊力過大，水流波動大；行近渠槽長度短，水流緩沖不足；量水堰槽處風(fēng)力較大，液面受風(fēng)影響較大；渠道中加遮擋物，造成水頭波動大或偏離實際；用戶私自改變超聲波探頭至地面的安裝距離、超聲波探頭的朝向角度、二次儀表中探頭高度和修正系數(shù)等。矩形缺口薄壁堰水頭高度應(yīng)大于50 mm，否則容易造成貼壁流，使計量不準(zhǔn)確[11]。

由式(1)可知，在其他變量不變的情況下，的變化會影響C與(+0.001)1.5。增大時，C與(+0.001)1.5均增大；減小時，C與(+0.001)1.5均減小。故增大，增大；減小，減小。

3　主要參數(shù)定量分析

檢定規(guī)程對矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計的要求為流量不確度小于5%，故本文著重對流量不確定度為5%時的主要影響量進(jìn)行定量分析。

以常見的/= 0.5，0.10 m ≤≤ 0.25 m的矩形缺口薄壁堰為例，通過控制變量法，定量分析各參數(shù)對流量的影響。根據(jù)表2可將式(1)簡化為

3.1 　堰口寬度b

3.2　行近渠槽寬度B

根據(jù)表2中C與/的關(guān)系，可設(shè)C=/+，其中，為變量。當(dāng)/分別為0.9，0.8，0.7，0.6，0.5時，C對應(yīng)分別為0.598+0.064/，0.596+0.045/，0.594+0.030/，0.593+0.018/，0.592+0.010/，即= [0.064，0.045，0.030，0.018，0.010]，= [0.598，0.596，0.594，0.593，0.592]。可以看出，約為0.59，故可取= 0.59。隨/變化的趨勢圖如圖2所示，當(dāng)0.5 ≤/≤ 0.9時，與/基本呈線性關(guān)系。因此，可根據(jù)/= 0.6時，= 0.018；/= 0.9，= 0.064，計算得到= 0.153，則C= 0.153/+ 0.59。

圖2　 k隨b/B變化的趨勢圖

3.3 　堰高p

由式(5)可知，在最大值時對的影響最大。根據(jù)表1中的取值與式(5)，當(dāng)= 0.1 m，= 0.25 m時，可得? = ?0.0552 m，即的變化量為55.2 mm。也就是說，當(dāng)堰高為0.1 m時，在測量誤差不大于5%的要求內(nèi)，允許的最大變化量為55.2 mm。

3.4 　水頭高度h

根據(jù)表1及式(2)，當(dāng)= 0.25 m，= 0.1 m時

將( 0.10 m＜≤ 0.25 m)以0.02 m的等差方式列出水位與流量的對應(yīng)表，如表3所示，其中Q是序號為的流量值。

表3　 h與Q的數(shù)值對應(yīng)表

由表3可以看出，隨的增大而增大，而n/n-1隨的增大而減小，在0.1000 m時的變化對影響最大。當(dāng)= 0.1000 m時，=14.427；當(dāng)= 0.1033 m時，Q= 15.148；Q/Q = 1.05，即若變化量為5%時，的允許變化量為3.3 mm。

4　結(jié)語

本文對影響矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計主要參數(shù)的因素進(jìn)行分析，對堰口寬度、行近渠槽寬度、堰高和水頭高度進(jìn)行定性與定量分析。結(jié)果表明，當(dāng)流量變化在5%以內(nèi)時，堰口寬度、行近渠槽寬度、堰高和水頭高度的最大允許變化量分別為12.65 mm，575.05 mm，55.2 mm，3.3 mm。研究結(jié)果增加了矩形缺口薄壁堰超聲波明渠流量計檢測的操作性與檢測速度，具有較好的應(yīng)用價值。

[1] 彭儒武,張昕,王春堂,等.薄壁堰的研究現(xiàn)狀及其在水利工程中的應(yīng)用[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,35(4): 625-628.

[2] 朱學(xué)峰,李艷,黃道平.污水處理過程的控制與優(yōu)化綜述[J].自動化與信息工程,2009,30(3):7-13.

[3] 鐘江.超聲波明渠流量計的原理及其應(yīng)用[J].甘肅水利水電技術(shù),2010,46(6):37-38.

[4] 盛信.超聲波明渠流量計在污水計量中的應(yīng)用[J].中國儀器儀表,2005(7):98-99.

[5] 陳漢松,林建達(dá),馮嘉明.淺析明渠流量計溯源中的問題[J].科技風(fēng),2015(11):3.

[6] 胡博,朱永宏,閆繼偉.基于明渠流量計的污水流量監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的技術(shù)分析[J].計測技術(shù),2015,35(s1):135-138.

[7] 黃雪蓮,武興.明渠流量計測量結(jié)果的不確定度評定[J].計量與測試技術(shù),2011,38(8):70,73.

[8] 常忠平,趙玲,胡博,等.巴歇爾槽型明渠流量計測量的不確定度分析[J].科技信息,2010(26):352,354.

[9] 國家技術(shù)監(jiān)督局. JJG 711—1990明渠堰槽流量計試行[S].北京:中國計量出版社,1990.

[10] 劉云,張華軍.污水明渠流量計簡介[J].山東環(huán)境,2000(4):45.

[11] 彭儒武,張昕,彭英慧.矩形薄壁堰貼壁流水力學(xué)特性的試驗研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2012,33(3):23-26.

Quantitative Analysis of Main Parameters of Ultrasonic Open Channel Flowmeter for Rectangle Sharp-Crested Weir

Chen Hansong Chen Guoyu Lai Senhao

（Guangzhou Institute of Energy Testing）

Aiming at the problems that the current verification regulations are not detailed enough to detect the relevant parameters of the open channel ultrasonic flowmeter for rectangle sharp-crested weir, this paper studies in detail the influencing factors of the main parameters of rectangle sharp-crested weir, and quantitatively analyses the maximum allowable variation of these parameters when the flow rate changes to 5%, so as to refine the content of the verification regulations and find the unqualified aspect of open channel ultrasonic flowmeter for Rectangle sharp-crested weir, so it improves the verification efficiency of open channel ultrasonic flowmeter for Rectangle sharp-crested weir.

Rectangle Sharp-Crested Weir; Weir and Flume; Open Channel Flowmeter

陳漢松，男，1986年生，學(xué)士，工程師，主要研究方向：能源計量。E-mail: 529035580@qq.com

陳國宇，男，1990年生，博士，工程師，主要研究方向：能源計量。E-mail: mechenguoyu@hotmail.com

賴森豪，男，1993年生，學(xué)士，工程師，主要研究方向：能源計量。E-mail: 443889786@qq.com

廣州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項目（2017kj31）