發布日期：2022-10-09 點擊率：134
一：概述
非滿管狀態流動的水路稱作明渠，測量明渠中水流流量的儀表稱作明渠流量計。明渠流通剖面除圓形外，還有U形、梯形、矩形等多種形狀。
水路按其形態分類，各形態如圖.1所示。ISO通常稱滿水管為封閉管道，流動是在水泵壓力或高位槽位能作用下的強迫流動。明渠流則是靠水路本身坡度形成的自由表面流動。
部分滿水管流是在非滿水管系中局部場所作滿水管流者，如圖2所示下水管道設置的蓄水機構中低于原暗渠的管段10為滿水管流。在此管段內設由表面流的明渠滿水管路置的流量儀表應為滿管流量儀表（圖例為電磁流量計），因此非滿水管系在特定條件下也可用封閉管道流量計測量流量。
明渠流量計應用場所有城市供水引水渠、火電廠冷卻水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工礦企業廢水排放以及水利工程和農業灌溉用渠道。本文重點討論前面幾種工業和公用事業適用的流量測量方法和儀表，不包括較大型的水利工程和農業灌溉用的流量測量方法。
國外有人估計，1995年全球工業和公用事業用明渠流量計銷售臺數約占流量儀表整體的1.6%，約3.5萬臺;若包括較簡易的堰等使用者可自行制造未向市場采購的儀表，實際裝用還要多些。國內應用尚無估計數據。
二：類型
工業和公用事業常用的明渠流量儀表按測量原理大體可分為堰法、測流槽法、流速-水位計算法和電磁流量計法，如圖3所示。
1)堰(weir)法 在明渠適當位置裝一擋板，水流被阻斷，水位升到檔板上端堰(缺)口，便從堰口流出。水流剛流出的流量小于渠道中原來的流量，水位繼續上升，流出流量隨之增加，直到流出量等于渠道原流量，水位便穩定在某一高度，測出水位高度便可求取流量。
2)測流槽(flume,簡稱槽)法 縮小渠道一段通道斷面成喉道部，喉道因面積縮小而流速增加，其上游水位被抬高，以增加流速所需動能(即增加的動能由所抬高水位位能轉變過來)，測量抬高水位求取流量。
3) 流速-水位計算法(簡稱流速-水位法) 測出流通通道某局部(點、線或小面積)流速，代表平均流速，再測量水位求得流通面積，乘局部流速與平均流速間的系數，經演算求取流量。
4)電磁流量計法 又分為潛水式電磁流量計和非滿管電磁流量計兩類，后者目前國內尚未開發。
潛水式電磁流量計是在渠道中置一擋板截流，擋板近底部開孔并裝潛水電磁流量傳感器，水流從流量傳感器流過從而測出其流量。
非滿管電磁流量計的傳感器直接在管道裝上同口徑圓形暗渠，測量流速的原理與傳統電磁流量計的相同，但還具備測量儀表內水位的功能，電極、磁路和測量電路則有較大差別。
5）、液位-流速演算式法：利用非滿管或明渠自由表面自然流下液體的液（水）位和平均流速間的函數式，測量流動的管渠水位以求取流量的一種方法。
6）、噴嘴流量計法：一種開式噴嘴裝于非滿圓管排放口，測量噴嘴上游水位求取流量。
三、原理與特點
1、堰式流量計
堰式流量計由堰和相應的液位計組成，薄壁堰的測量原理如圖4所示，流量Q按式（1）計算。
Q=Khn（1）
式中K——流量系數
h——堰頂水頭，即離堰口水位高度
n——取決于堰缺口形狀的指數，為5/2或3/2
常用薄壁堰按缺口形狀分為三角堰、矩形堰和等寬堰，它們的尺寸范圍、流量范圍、堰口尺寸和表面粗糙度要求可查閱標準或規程ISO1438-1，CJ/T3008.1，CJ/T3008.2，JJG771，均有具體規定。若迎流側堰口長期使用后磨損成圓角以及迎流側堰壁粗糙度變化均會產生測量誤差。堰式流量計除堰板部分外，還包括相應液位計以及堰板上游足夠長的直渠段和整流段等。
堰式流量計的特點：
（1）、結構簡單，一般情況下價格便宜，測量精確度高，可靠性好；
（2）、因水頭損失大，不能用于接近平坦地面的渠道；
（3）、堰上游易堆積固形物，要定期清理。
2、槽式流量計
槽式流量計的常用測流槽有多種型式。在渠道中收縮其中一段截面積，收縮部分液位低于其上游液位，測量其液位差以求流量的測量槽，一般稱作文丘里槽。1922年在文丘里槽的基礎上開發了適用于矩形明渠的巴歇爾槽（Parshallflume，簡稱P槽），1936年開發了適用于圓形暗渠的帕爾默．鮑魯斯槽（PalmerBowlusflume，簡稱PB槽）。在歐洲文丘里槽用得較多；在我國則以P槽和PB槽居多，下文即以此兩槽闡明原理與特點。
(1)、P槽
P槽外形如圖5所示，喉道寬為25mm至15m，已有定型寸。流量Q和喉道上游液位ha間的關系式Q=Chna中，系數C和指數n均因規格而異。P槽可以用鋼板或木板制成，也可以在現場用混凝土現澆。國內已有用聚氯乙烯塑料或玻璃鋼制成的定型商品。ISO9826、CJ/T3008.3和JJG711對槽的尺寸、流量范圍、系數、表面粗糙度和尺寸公差均提出了要求。
P槽流量計的特點是：
（a）、水中固態物質幾乎不沉積，隨水流排出；
（b）、水位抬高比堰小，僅為1/4，適用于不允許有大落差的渠道。
（2）、PB槽
P槽不能用于圓形暗渠，PB槽為圓形暗渠專用。PB槽原理如圖6所示，圓形斷面收縮成倒梯形喉道，喉道部產生射流（平均流速比水面傳播的水波速度快的流動），測量上游側水位ha，求取流量Q：
Q=Chan（2）
式中系數C和指數n是取決于PB槽口徑和各構件形狀尺寸的常數。倒梯形喉道的PB槽，n大約為2。
PB槽公稱口徑為250～3000mm，與混凝土管尺寸相對應，其長度是公稱口徑的2～4倍（小口徑段為4倍，大口徑段為2倍）。最大流量范圍通常如表1所示，但國內若干型號產品常為其較小值，達到最高允許水位的范圍度標準值為30:1。
表1PB槽口徑和最大流量范圍
注：口徑1350mm以上為參考值
PB槽流量計尚無國際、國家標準，我國亦無相應國家檢定規程，僅有地方性檢定規程，即浙江省地方計量檢定規程JJG（浙）49-93《P-B槽明渠流量計》。規程中提出了技術要術、檢定條件和檢定方法，但無結構尺寸、流量計算公式和系數等。
PB槽的特點是：
（a）、在維持自由水面流的管渠內，管壁粗糙度等條件變化會導致流量值變化，而PB槽幾乎不受管壁粗糙度等條件變化的影響，測量值的長期變化小；
（b）、PB槽的水頭損失在非滿管流儀表中屬于較小的，喉道部槽頂（Crest）自清洗效果顯著，幾乎不必擔憂固定物的沉淀和堆積；
（c）、作為渠道不發生自射流的條件，PB槽上游暗渠坡度必須在20/1000以下，然而實際渠道幾乎沒有會超過該坡度者。
（d）、渠道下游側水深必須小于上游側水深的85%，不能滿足此條件，測量精確度會下降，有時甚至無法測量。
3、流速-水位流量計
圖7所示是電傳播時間法超聲流速計和超聲液位計組成的流速-水位流量計一例，所測流速是線平均流速，水位是測量水面和超聲液位傳感器之間的距離間接求得。也有以測量點流速或局部小面積平均流速（例如多普勒法超聲流速計）和實際水位（例如壓式液位計）組成的流速-水位流量計，圖8漆所示即其一例，適用于圓形暗渠。
流速計除超聲式外，還有電磁式流速計以及現在用得較少的旋杯式流速計和旋槳式流速計。
圖7所示流速傳感器的位置相距渠床高度Y通常為0.1B（B為渠寬），ISO6418附錄A則規定了3～300m聲道長度范圍內最小的Y值。
圖9所示是流速-水位流量計信號系統和運算框圖，VL是流速計實測的線平均流速，VL乘上線流速修正系統數KL求得流通面積A的平均流速
，即
。流量Q為
式中Kq——流量系數，Kq=AKL。
Kq的值取決于流通面積形狀（矩形倒梯形、圓形或U形）和渠壁粗糙度。圖中水深判斷部分用于判斷水位是否低于流速傳感器，若低于流速傳感器則保持在此之前的流速信號，使之能繼續運算。
測量“點流速”的流速-水位流量計要引入點修正系數KP，即實測點流速與流通截面積平均流速之比。
流速-水位流量計的特點為：
（1）、渠道截面形狀不限于矩形，圓形、倒梯形或U形均適用.流量范圍度寬。
（2）、水位離渠床距離從接近零到滿位均能測量。暗渠即使達到滿管，壓力顯著增加時還能測量，而水位低于流速傳感器而無法測流速時，還可利用此前的流速信號作流量運算。
（3）、由于從流速和水位兩個信號求取流量，即使在受背壓狀態下流動，也能測量：同樣也可測逆向流（使用多普勒法流速計則應注意，因型號而異）。
（4）、幾乎不會發生固形物堆積現象。超聲流速計和液位計不會阻礙流路，其他型式流速傳感器和液位傳感器尺寸相對較小，對流路阻礙也很小。
（5）、對于已有渠道，安裝容易，無需改造渠道工程。
（6）、易受來流流速分布影響，測量場所上下游要有足夠長的直渠渠道。如圖7所示設計例，有關文獻列舉了多種渠道布置上/下游撓流件（如彎道、合流、落差、閘門等）的5～50倍渠寬的直渠段長度要求。
4、水式電磁流量計
潛水式電磁流量計需在渠道中置一擋板截流，擋板底部裝上潛水電磁流量傳感器，如圖10所示。擋板截住渠道，迫使水流只能從流量傳感器中流過，以較原來高的流速通向下游從而抬高擋板上游的水位，產生擋板上下游水位差h，此水位差的勢能轉變為流速V的動能，即
式中K——系數
g——重力加速度
潛水式電磁流量計工作時，液體流動狀況屬于淹沒孔口流，孔口流出速度與孔口在自由表面下的沉沒深度無關，僅取決于上下游的水位差。也就是說，流量測量值與流量傳感器（或分流模型）安裝位置無關，但要求盡可能低使之在運行過程中始終處于淹沒流狀態。
通過流量傳感器的流速一般為2～3.5m/s上游抬高水位在100～300mm。
在流量較大而又不能用較大口徑流量傳感器時，為了避免水位差過大，可以用分流模型來擴大流通能力。分流模型的流通通道形狀尺寸與流量傳感器完全一樣。n個分流模型和一臺傳感器一起安裝在擋板上并用，實際總流量即為傳感器實測流量乘上（n+1）倍。
潛水式電磁流量計的特點為：
（1）、無活動件，可測量含有固體顆粒或懸浮體的液體。
（2）、可使用于受潮水等形成下游側水位變化的渠道。
（3）、因設置擋板截流，測量與渠道形狀和上游直渠道狀況無關。
（4）、水頭損失較小，流量傳感器內必須保持滿管流。
（5）、擋板前會有一些固形物堆積，要定期清理。
5、非滿管電磁流量計
非滿管電磁流量傳感器外形與傳統電磁流量傳感器相似，同樣除利用法拉弟定律檢測液體流速外，還要用某種方法檢測測量管內流動液體高度，亦即過液流截面積，兩者相乘求得流量。現例舉最早推向市場的Fischer+Porter公司PART1-MAGⅡ型儀表為例闡明其工作原理。
如圖11所示，測量管中央同一圓周上，水平軸及其下方分裝3對電極檢拾流速信號，上下兩激磁線圈交替正向和反向串接通電，產生兩種磁場強度和磁力線分布，測得兩個不同流速信號，兩信號之間的比值和測量管中液位高度成一定函數關系。從這一關系便可求得液位高度，亦即取得過液流截面積與電極上流速信號進行運算，求得流量。它可測高于測量管內徑10%液位的流量。
其他設計型號有：愛知時計電機公司采用相似原理，只是交替兩線圈串接同時通電激磁和單獨一線圈通電激磁。電極則是一對弧條形電極緊貼襯里；東芝公司設計的兩線圈軸線水平布置磁力線是水平方向。測量管底部置一電極測量其與測量管端部接地環之間的電位差。東芝公司稱，得到的信號是與液位、流速兩者均成比例，不需作液位演算處理，不受浮游物及液位波動等影響，可測液位高度30mm；Krohne公司的設計是利用在測量管底部10%內徑高度的一對電極測量流速，與液體接觸襯里面的背面，置有多塊大面積電極，以相似于電容液位計原理檢測測量管內的液位高度。
非滿管電磁流量計的測量精確度因設計型號而異，在滿管運行時為±1%R～±1.5%Fs，在非滿管運行時為±3%R～±2%Fs；可供應口徑范圍為150～2000mm。
非滿管電磁流量計的特點：
（1）、測量精確度在各明渠流量測量方法中較高，無需現場實流校準。
（2）、能作正、逆方向雙向測量；既可測量非滿管流，也可測量滿管流。
（3）、應用于圓形暗渠安裝簡便，將流量傳感器直接接入即可。流量傳感器流通通道無撓流、阻流體。
（4）、應擴于池、槽排放，或連接于渠形明渠時，必須要有一段平滑過渡段。還應有10倍管徑的前置直管段。
（5）、在不同坡度管道所測得的某同一流量，平緩坡度場所的流量傳感器內液位高于急陡坡度場所。傳感器內液位高度應低于臨界深度（CriticalBepth液流為臨界流時的截面液深）。
（6）、未見國內生產本儀表。儀表本身價格比滿管電磁流量計貴許多。但應用于圓形暗渠無需額外管渠工程費用。
6、液位-流速演算式流量計
在一定坡度管渠內液體自由表面自然向下流動,其平均流速V（m/s）與水力半徑R（m）、壁面粗糙度（n）、坡度（i）間的關系如曼寧公式（式5）所示。流量Q如式（6）。
式中A——過液流路斷面（m2）
n——管渠壁面粗糙度；混凝土管一般為0.015
對于矩形渠，A=h?B，R=h?B/（2h+B）。已安裝好的渠段n、i、B均為常數。平均流速和流量Q僅是液位高度h的函數。圖12所示是矩形和圓形截面液位高度與流速/流量的特性曲線。
天津大學用微壓傳感器在坡度可調管徑200mm圓形管道的簡易實驗裝置上作試驗。管道坡度設在2/1000，以電磁流量計作標準表對原型樣作流量比對試驗。流量在24L/s時，h/d均為0.9。h/d為0.3～0.45時實際相對誤差≤
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