一種在線明渠堰槽流量計準確性方法研究

卡合曼·馬合木提江

(新疆水文局水文實驗站，新疆 烏魯木齊 830000)

水體流量的監(jiān)測是水文工作中研究的重點。明渠作為地區(qū)最常見的水工建筑物之一，是水體傳送最重要的一步，因此明渠流量的監(jiān)測具有重要意義。明渠流量計是利用明渠的水利特性，通過測量液體的液面高度，再經(jīng)過微處理器運算得到流量值的一種用于明渠流量測量的儀表，廣泛運用于城市供水、污水處理、企業(yè)污水排放以及農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域。明渠流量計由液位計、流速儀以及配套的二次儀表組成?，F(xiàn)階段的明渠流量測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測量出規(guī)則形狀的渠道橫截面的面積和流過該計量橫截面的軸向流體平均流速，從而計算出體積流量。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準規(guī)定尺寸的標準堰槽，并按規(guī)定位置測量水位，則可通過相應的流量公式或經(jīng)驗關(guān)系式，將測出的水位值換算成流量值。這種類型的明渠堰槽流量計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)換功能也需要實時顯示瞬時流量或者累計流量等數(shù)值。這種方法不需要設置流速儀，僅需要購買標準量水堰槽并按照標準安裝即可，測量結(jié)果準確，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刻水位之間有一定的對應關(guān)系，這種關(guān)系一般由水位流量關(guān)系曲線表示。但是該對應關(guān)系較為復雜，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)合實際情況經(jīng)過一定的試驗后才能得出。

按照以上原理，明渠流量計系統(tǒng)分為兩類：一類依照流速-面積法，系統(tǒng)中有一臺二次儀表、一臺流速計、一臺液位計，為了保證流速測量的準確性有的系統(tǒng)也會根據(jù)實際情況配備多臺流速儀組成一個多點流速測量的流量計量系統(tǒng)[3]。另一類原理為堰槽法，該類明渠流量計不需要流速儀，只需要一臺液位計和對應的二次儀表提供數(shù)據(jù)換算和顯示即可。因此本研究針對堰槽式明渠流量計進行研究，其流量測量示意圖如圖1所示。

圖1 堰槽式明渠流量計系統(tǒng)示意圖

1 實驗檢測研究

1.1 問題調(diào)研

為了實驗的設計需要對實際進行調(diào)查。在新疆某污水處理廠內(nèi)，污水廠入口為一臺管道式電磁流量計，處理廠出口處為一個巴歇爾槽明渠流量計。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該污水處理廠入口處的電磁流量計示值與出口處的明渠流量計示值有較大差距，分析后發(fā)現(xiàn)，其前端管道電磁流量計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所在位置之間并未有足夠長的行進管道段使水流變得平穩(wěn)，從而導致電磁流量計的測量結(jié)果不準確。此外，其整個污水處理系統(tǒng)的尾端處的巴歇爾槽明渠流量計也不符合 JJG711-1990 的要求。

由于本次研究針對性較強，貼近實際，因此為了保證數(shù)據(jù)的普遍性，本次實驗調(diào)取并參考了近3 a來新疆水文局水文實驗站的計量檢定數(shù)據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計實際中該污水處理廠使用的標準槽和小型槽約占 100%，只有極個別使用大型槽的情況。小型槽中只有少數(shù)的 2 號槽(b=0.051 m)和 1 號槽(b=0.025 m)，使用量只有約 7%，其余均為 3、4、5 號槽，喉道寬度分別為 0.076 m、0.152 m、0.228 m。7 號槽(0.30 m)以下尺寸的巴歇爾槽約占本次統(tǒng)計中的 56%。因此預定選取 3、4、6(0.25 m)號槽為試驗的研究對象，并分別設計對應試驗。

1.2 驗研究

1.2.1 實驗設計

根據(jù)上述統(tǒng)計結(jié)果預定選取 3、4、6 號槽為試驗的研究對象，并分別設計對應試驗。但由于場地限制 6 號槽無法安裝在渠道中，3 號槽的可測量流量較小在相對誤差的角度來看，相對于 4 號槽來說對流量控制的精度要求更高，因此初步只進行 4 號槽的試驗設計。

喉道寬度試驗：

標準 4 號槽的喉道寬度為 152 mm，根據(jù)上述數(shù)據(jù)整理結(jié)果可知，以 4 號槽喉道寬度 152 mm 為標準的被測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。

1.2.2 實驗系統(tǒng)

根據(jù)試驗場地的明渠檢校系統(tǒng)的情況在其之上設計本次試驗的明渠流量計試驗系統(tǒng)。本次試驗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作為標準液位值。其次巴歇爾槽進口段上方安裝比對液位計直接測量槽內(nèi)液位作為比對液位值并配以其對應的二次儀表。控制室的流量顯示器作為標準流量值。系統(tǒng)整體流程見圖2。

圖2 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程圖

儲水池中的水經(jīng)過水泵進入標準容器中，控制室通過對閥門和水泵的控制使標準器中的水按照設定的流量經(jīng)由安裝標準電磁流量計的管道進入行進渠道，行進渠道末端的巴歇爾槽上安裝有比對液位計和標準液位計，分別通過各自的二次儀表的換算得出瞬時流量值，流過巴歇爾槽的水從出口段再次回到儲水池中。

二次儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能是將標準流量計、槽內(nèi)比對流量計、靜水井內(nèi)液位計三者的測量結(jié)果綜合、處理、存儲。該系統(tǒng)主要由硬件部分(采集卡)和軟件部分(PC 端后臺控制系統(tǒng))組成。硬件部分(采集卡)主要有電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等組成。PC 端后臺軟件具有后臺數(shù)據(jù)處理、前端界面顯示、本地存儲等幾大功能。系統(tǒng)的組成見圖3。

采集卡兼容標準流量計(脈沖信號)、靜水井內(nèi)液位計(RS485 標準 Modbus)和槽內(nèi)流量計(RS485 標準 Modbus)的通訊協(xié)議，負責采集各路信號并通過通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至 PC 端，PC 端與采集卡通過串口連接。硬件部分采集卡采用實時操作系統(tǒng)設計，采集三個儀表的數(shù)據(jù)，且滿足同步實時數(shù)據(jù)采集上傳功能，使三個儀表的數(shù)據(jù)同步，為試驗提供更為精準的數(shù)據(jù)來源[4]。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采集卡負責電磁流量計、磁致伸縮液位計、超聲波液位計的數(shù)據(jù)檢測，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)對其進行瞬時流量、累計流量計算以及積分運算。

此外 PC 端后臺軟件作為系統(tǒng)的中心，控制采集板卡采集儀表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)設定、顯示、計算、分析、存儲等相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)后臺軟件支持本地表格存儲，儲存試驗數(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，以及一路脈沖信號。根據(jù)不同情況將軟件部分稍作修改后即可應用于新的試驗或測量工作中。由于其外形小巧，僅由一個小盒子和一部 PC 組成，因此便攜性較強，可以將其應用于計量工作人員的現(xiàn)場校準以及檢定的工作中。在實際的計量工作中有時因場地限制，計量工作人員無法同時記錄同一時間點的數(shù)值，而這種情況會極大的增大檢測結(jié)果中人為操作帶來的誤差。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用將解決這種問題，提高了計數(shù)的同步率，減少這類操作帶來的誤差。

1.2.3 實驗數(shù)據(jù)處理

本系列試驗共有7 組對應的喉道寬度試驗，分別為140 mm、144 mm、148 mm、152 mm(標準)、156 mm、160 mm、162 mm，每組試驗取標準 4 號槽最大流量值的 25%、50%、75%三個流量點進行測量，每個流量點進行 6 次連續(xù)重復試驗，為保證測得流量值的穩(wěn)定，每次重復試驗待各個儀表讀數(shù)穩(wěn)定后再進行為時 3分鐘的持續(xù)試驗，每分鐘記錄 60 個液位值或流量值。每次重復試驗記錄的原始數(shù)據(jù)均包括：磁致伸縮液位計液位hz；超聲波明渠流量計液位hs、超聲波明渠流量計瞬時流量Qss以及超聲波明渠流量計累計流量Qls；電磁流量計(標準表)脈沖信號的脈沖個數(shù)n。其中磁致伸縮液位計的液位值ha根據(jù) JJG771-1990 標準中規(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)換為瞬時流量Qsz(m3/s)，用所得到的所有瞬時流量值對時間進行積分就可以得到該段時間內(nèi)的累計流量Qlz；超聲波明渠流量計的液位hs及瞬時流量Qss、累計流量Qls均由其專用的二次儀表進行水位-流量轉(zhuǎn)換；電磁流量計的累計流量值Qlc為脈沖個數(shù)與脈沖當量相乘的結(jié)果，計算公式如下：

(2)

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

表1 喉道寬度試驗各儀表累計流量值 L

表2 喉道寬度試驗相對誤差表

表3 喉道寬度試驗轉(zhuǎn)換誤差及合成誤差表

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

對于磁致伸縮液位計的測量值，各喉道寬度試驗的測量結(jié)果與標準喉道寬度 152 mm 測量結(jié)果的相對誤差計算方式如下：

(3)

對于電磁流量計的值，由于各次試驗的流量控制不夠精確而造成的測量結(jié)果相對誤差，即系統(tǒng)誤差計算方式如下：

(4)

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

(5)

此外，喉道寬度的相對誤差計算方式如下：

(6)

對于超聲波液位計，其喉道寬度試驗的測量結(jié)果與標準喉道寬度 152mm 測量結(jié)果的相對誤差計算方式如下：

(7)

(8)

由公式(3)(4)(6)(7)求得相對誤差表如表2所示。

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

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的流量測量值誤差之間的函數(shù)關(guān)系見圖4。

圖4 磁致伸縮液位計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是評價趨勢線擬合程度的指標，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的流量測量值誤差之間的函數(shù)關(guān)系見圖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 超聲波液位計流量誤差與喉寬誤差擬合圖

2 結(jié)語

本研究通過進行試驗以及對試驗數(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量結(jié)果的誤差之間的函數(shù)關(guān)系，使計量工作人員可以在日常的檢定工作中通過對待測槽尺寸的測量而提前預估出測量結(jié)果可能產(chǎn)生的誤差大小，并根據(jù)結(jié)果對檢定進行相應的調(diào)整，從而提高檢定的精度。在實際應用中，工作人員也可以根據(jù)擬合得出的結(jié)果在確定了流量測量誤差范圍后倒推出各因素的最大允許誤差，從而對施工結(jié)果進行檢驗和約束。