旋桨式流速仪在城市排水管网中的应用

杨志超

1.北京建筑大学，北京 100044；2.北京市理化分析测试中心，北京 100089

流体流速是描述流体运动的重要物理量。随着现代城市对暴雨防洪、面源污染控制等要求的提高，需要一种可靠的实时监测方案，对管道内流速信息进行记录、收集和发布。中国大多数城市排水管网因为修建时间较早，没有配置监测系统和能源供给系统。

流速的检测方法可分为接触法和非接触法两类。对流体进行直接测量，并给出其中某些质点的运动流速被称为接触法测量，需要注意的是大多数接触法测量得到的是某些特定区域的流速数值而非平均流速，并且对流场造成一定程度的干扰，需要后期将该流速转化成平均流速，并考虑干扰因素后使用。而非接触法则利用电磁、超声波、激光等多种物理特性对流体流速进行测量，测量精度很高，但能耗较高不适合老旧管道布设。

随着我国流速测量水平的稳步发展，各类不同类型、不同精度的流量计被应用于各种行业中。目前市面可供选择的流速测量设备品种繁多，如电磁流速仪、超声多普勒流速仪、激光多普勒流速仪、粒子成像测速系统等[1]。这些流速计各自具备一定的测量优势，但其中造价高昂、能耗较高、无法适用各种管径的排水管道、测量数据难以实时发布等缺点较为突出。在工厂排污、城市排水和农田水利灌溉等场合中，流体大多数都是以非满管或明渠流形式出现，现有的很多流速监测设备并不适合使用[2]。

1 旋桨式流速仪

1.1 旋桨式流速仪原理

旋桨式流速仪是一种利用传统方法的接触式测量器具，利用旋桨叶轮和水流的相对运动，使桨叶绕轴旋转提供脉冲信号，测量出流体流速，再将收集到的数据记录在采集模块上。旋桨式流速仪是一种通过国际标准（ISO）认可，并在各行业中最常使用的流速测量设备之一[3]。

旋桨式流速仪主要分为三个部分：（1）光电转换部分；（2）旋桨式传感部分；（3）计数器部分。当水流带动旋桨开始沿轴向旋转，流速计内光源通过转轴上的三棱镜反射后，被光敏三极管接收到并转换为电信号，同时产生一次脉冲发送到计数器。浆轴每旋转一周，三棱镜反射3次，计数器接受3次脉冲信号。计数器在单位时间内接收到若干次脉冲信号，以此计算出流体流速[4]。

旋桨式流速仪中转轴脉冲信号与流体流速之间的关系式为：

式中：V——流体流速（cm/s）；

K——传感器比例常数（cm/信号脉冲数）；

N——测量时间内叶轮发出的信号脉冲数；

T——叶轮发出的转动信号脉冲周期；

C——传感器最小感应流速（cm/s）。

该旋桨式流速仪转轴每旋转1周发送3个脉冲信号，由于制造工艺和流速很难保证均匀，3个脉冲信号周期不会完全相同，可将3个脉冲周期合并进行求解，如公式（2）：

公式（1）是计转速法，是指施测时间t内，叶轮发出的信号脉冲为N，当测量时间越短、流速越低时，接收到的信号脉冲数越少，测量读数的绝对误差就越大。而公式（2）是计周期测流速法，采样周期越短其测量精度越高，采样周期可人为设定，所以精度更容易控制。

1.2 旋桨式流速仪的精度和误差

现在各行各业对流速计精度要求不一，我国的流速测量及检定设备最佳精度可达到0.10级[5]。于此相对高精度的流速测量设备一般都是精密、高能耗仪器，而城市排水管网的测量环境恶劣，能源供给差。精密测量仪器无法长时间工作，为了满足在恶劣环境中长时间工作，流速测量设备一般选择传统机械测量设备。旋桨式流速仪由于受限于自身物理性能，与激光、电磁等高精密设备相比存在差距，但也能达到0.2级。我国研究者通过多年努力建立出旋桨支承摩阻力矩、旋桨螺旋角、和速度变化之间的关系式，使旋桨式流速测量设备的精度和可靠性得到提升，可以满足水利、水运等行业的使用要求[6]。

旋桨式流速仪误差计算：

式中：δ——测点相对误差；

v ——流速仪实测计算流速（m/s）；

vi——流速仪标准值（m/s）。

1.3 旋桨流速仪旋转轴动态密封

旋桨式流速测量设备的防水、防腐蚀性能是影响测量结果和工作时长的核心因素[7]。桨叶带动转轴工作，转轴的动态密封如果遭到破坏使其进水，测量仪器内摩阻将增大，使测量结果误差变大甚至无法工作。为使泥沙等颗粒物进入仪器内部，首先应选用高精密加工的转轴和密封圈，使其缝隙尽可能地阻止大颗粒泥沙的进入。在仪器内部设置油室，为轴承随时加油保持其润滑度。利用螺旋泵原理将密封装置制作成螺旋形式，该结构高速旋转时会产生泵送压头密封油室达到动态密封的效果。

2 旋桨流速仪在城市排水管网中的应用

在城市排水管网中存在大量垃圾、泥沙和污染物，一般常见的有N、P有机污染物；难以降解的油、脂类物质；带有毒性的石油烃类（PHC）、多环芳烃（PAHS）类物质以及有害重金属等物质。这些物质可能相互或在微生物的作用下发生一系列的生化反应，产生粘度更高的组织、有毒气体甚至是能腐蚀管道的物质。流速检测设备在这种环境中工作，相比水利、水运等行业有着更高的要求。

旋桨作为旋桨式流速仪的感应部分，一般选择塑料材质，因为塑料材质在受力后只会产生弹性变形，更容易恢复原状。但城市排水管网中腐蚀性物质含量较高，特别是油、脂、石油烃类、多环芳烃类等相较于水利、水运等施测环境含量更高。应选用更耐腐蚀、耐有机溶剂的塑料制作旋桨。

在城市排水管网运行中，存在大量垃圾、落叶、树枝等大体积杂物，这些物体碰撞流速测量设备都可能造成测量数据的波动甚至导致仪器被破坏无法使用。可使用一定网眼密度的防撞网对流速测量仪器进行保护，但由于防护网的存在，流体被扰动导致测量数据误差，可通过在可控流速水槽中进行多次测量，对比测量流速和实际流速的差距，降低扰动对实际测量的干扰。

3 结语

旋桨式流速仪不仅体积小巧、结构简单、能耗较少，还满足一定的精度要求，很适合城市排水管网测量的使用要求。在城市排水管网比较恶劣的施测环境中，旋桨式流速计因为其结构紧凑、不易变形、防沙、防水、防腐蚀等结构优点，能提供可靠的测量数据。又因为现在大多数城市排水管网不具备能源供给条件，其低能耗的特点能够保证其长时间测量而不需要频繁更换能源设备。为未来排水管网的流体流速测量工作的发展打下基础，展望如下：

（1）信息发布功能：长时间的监测设备必须具有实时收集、发送数据的能力，旋桨式流速计产生的脉冲信号可直接发送到接收端，减少计算耗能。

（2）数据智能处理：接收端对流速数据进行收集、整理，不仅能计算流速计测量值，还可以根据测量环境的变化自动修正误差，减小流体黏着或物理碰撞对测量值的干扰。

（3）更高性能、高精度的流速测量设备：旋桨式流速仪自身还具有发展空间，如转轴旋转一周所激发的脉冲信号数量、周期、稳定性；内部信号与发送装置的信号通信利用光纤传送；防撞设备低干扰能力的开发等。