不同流量计在污水流量测量中的性能比较分析

王 冰

（山西省水利水电科学研究院山西太原030002）

0 引言

流量计是污水处理厂中应用最多、最广的测量仪表。流量计的类型多种多样，为了有效控制污水排放，确保监测污水排放的准确性，挑选合适的流量计十分必要。目前测量污水流量常用的流量计有明渠堰槽流量计、超声波流量计和电磁流量计等。其中Endress+Hauser（恩德斯豪斯，简称E+H 公司）公司生产的电磁流量计独有过电压励磁技术，可快速形成磁场，缩短稳定磁场形成时间，延长稳定测量周期，有效过滤杂散信号，提高信号获取强度，测量更稳定，能克服传统明渠流量计、超声波流量计的常见缺点，提高测量污水的准确度和精度。为了对比这几种常见流量计的测流特性，本文从原理、特点、影响测流准确性的因素，污水测流特点等方面对上述几种流量计进行了对比分析，以期选出最适合污水流量监测的流量计，使监测值合理可靠，为实际工作中污水测流仪表的选择提供参考。

1 几种测量方法的原理和特点

1.1.明渠流量计

明渠流量计的原理是在渠道中安置标准量水堰槽(如巴歇尔量水槽)，通过测量被测流体液位高度，再经过测量仪器内部的处理器运算得到流量（根据相应流量公式或经验关系式，将测出的水位值换算成流量值）。据统计，现用大多数的明渠测量方法为巴歇尔槽明渠流量计，因此本文以标准巴歇尔槽明渠流量计为例进行分析。

标准巴歇尔槽流量Q 计算公式如下:

式中:b 为喉道宽度；Ha为实测液位；n 是指数，不同渠道指数不同。

由计算公式可知，流量测量的准确度是由喉道宽度b 和实测液位Ha两个因素决定的。实际测量液位时受到的影响因素最多，如测量液位仪器的准确度和被测液面的流动状态等。综合而言有以下几个方面影响测量准确度：

1）测量液位的准确度，主要取决于液位计的测量准确度。大多数明渠都在使用非接触式超声波液位计，实际测量时受到被测液体表面浮沫和固体漂浮物的影响较大。

2）明渠流量计液位测量的重复性主要取决于液面的稳定程度。在实际测量污水的时候，经常发生水流不稳定的情况，如产生小型漩涡、波浪、泡沫等，液位测量的重复性常常得不到满足。

3）堰槽的几何尺寸，取决于测量仪器的准确度（堰槽尺寸的制造精度和安装技术要求严格，稍有偏差将会对测量结果造成较大误差）。

综上所述，明渠流量计在监测污水流量的准确度，受到多方面因素的影响，如堰槽的选型、设计、制作、安装、调试和设置，一旦安装成型后出现误差很难纠正，在实际测量污水时受到外界环境干扰因素影响较大（如被测液面扰动和结冰等），而且使用中需要经常维护。

1.2.超声波流量计

超声波流量计是20 世纪70年代开始应用的一种流量仪器，和电磁流量计一样，因为仪器流通通道未设置任何阻碍件，都属于无阻碍流量计，适合测量大管径和不易接触的流体。超声波流量计测量是一种间接测量方法，主要有多普勒法和时差法两种方式。在污水测量中应用最广泛的是多普勒超声波流量计。

1.2.1 时差法原理

在流体中超声波信号顺流时传播速度快，逆流时信号传播速度慢，通过测量超声波信号在流体中顺流和逆流传播时间差，即时差，间接测出流体流速，再通过流速可以计算出流体流量。时差法适合用于测量纯净流体，有较多气泡或杂质的流体会阻碍超声波正常传播，会影响测量结果不准确。

1.2.2 多普勒法原理

超声接收器接收到超声波传播途中遇到的悬浮物质或微小气泡而被散射的信号。发射信号频率受多普勒效应（利用声波所产生的多普勒频移现象，通过在静止点检测从移动源所发射声波产生的多普勒频移来计算散射体流动速度进行测量）的影响变为不同的信号频率，根据频率之差与流体流速的数量关系，可算出流体流量。多普勒法流量计适用于测量浑浊流体，但只能测量杂质约50 mg/L 以上的流体。多普勒法测量精度低于时差法。

1.2.3 超声波流量计的组成

超声波流量计是由流量计表体、换能器、显示器和累积系统等部分组成。超声波换能器是将输入的电功率转换成超声波传递到被测流体中，接收器接收到的超声波信号转换成流量信号传递给积算仪表进行显示和积算。超声波流量计按照安装方式可分为插入式、夹装式和管段式。

1.3.电磁流量计

电磁流量计是自20 世纪50年代末发展起来的新型测量流量仪器。它是根据法拉第电磁感应定律制成的，当导电流体在测量管内的磁场中做切割磁力线运动时（流体流动方向与磁场方向垂直），会产生感应电动势，电动势被位于管径两端的一对电极检测到，传感器将感应电动势作为流量信号，传送到转换器，经信号处理后，用液晶显示仪显示瞬时流量和累积流量。

电动势的大小与流速成正比，其值为：E=B×V×D×K，其中，E 为感应电动势，B 为磁感应强度，V 为导电液体平均流速，D 为电极间距，K 为磁场分布于轴向长度有关的系数。由于磁感应强度B、电极距离D 和磁场分布于轴向长度有关系数K 是常量，所以E 与V成正比，而流量体积又与流速V 成正比，所以流量体积与感应电动势成正比。

1.3.1 E+H 电磁流量计

Endress+Hauser（恩德斯豪斯，简称E+H 公司）创建于1953年，是全世界著名的国际性集团公司，该公司生产的电磁流量计相比同类电磁流量计有高频励磁技术、四电极技术，空管检测（EPD），电子清洗（ECC）等先进功能。

1.3.2 E+H 电磁流量计四电极技术

E+H 电磁流量计四电机结构如图1 所示，E+H 电磁流量计拥有四电极技术，其中EPD（Empty Pipe Detection）电极为用于检测测量管满管状态，其工作基本原理为EPD 电极通过电压，和两侧电极形成导通，一旦管内有空气，随即报警。

图1 E+H 电磁流量计四电极结构图

1.3.3 E+H 电磁流量计的主要特点

1）根据电磁流量计的原理，测量结果与被测流体的物理性质无关（如流体压力、温度、电导率等），所以工作稳定、测量精确度高，其中E+H 电磁流量计独有的EPD 检测保障了仪表的可靠测量;

2）E+H 电磁流量计的测量管内壁光滑，无阻塞，没有压力损失；

3）E+H 电磁流量计测量流量时，和污水接触的部分只有内管道和电极，为了能达到耐腐蚀和耐磨损的要求必须选择合适的电极材料（如不锈钢等）；

4）E+H 电磁流量计有使用寿命长，维护成本低的特点（ECC 清洗功能使仪表拥有更长的免维护周期），而且可以测正、反两个流向的流体流量；

5）输出信号多样（脉冲、电流、频率等）。

根据上述E+H 电磁流量计的特点，而污水有流量变化大、所含杂质属性不同、有一定的腐蚀性、有导电能力等特性，所以测量污水的流量，E+H 电磁流量计是一个理想的选择。

2 三种流量计测量污水对比

2.1 明渠与E+H 电磁流量计

基于明渠和电磁流量计的测量原理不同，两种测量方法无法直接比对，用表格说明。如表1。

2.2 E+H 超声波流量计与E+H 电磁流量计

本次测试用的仪器为E+H 公司的电磁流量计，型号：Promag 50W8H，DN800（管径800 mm），橡胶内衬（耐磨），精度0.2%，不锈钢电极。和E+H 单声道夹装式超声波流量计，型号：91WA1，可测试管径为100～2 000 mm，精度0.2%。测量结果如表2 所示。

表1 明渠流量计与E+H 电磁流量计对比

表2 同时间段E+H 电测流量计与E+H 超声波流量计测量结果

测量结果分析如图2 所示。

从图2 可以看出随着时间的推移，两个仪器的测量数据偏差越大，具体原因是因为测量期间超声波流量计偶而发出现气液两相报警，因为报警时有部分流量缺失未被计入累计流量。

图2 同时间段E+H 电测流量计与E+H 超声波流量计测量结果分析

一般气液两相报警是指介质中出现较多固体（比如高泥沙含量）或气体（气泡，类似消声）造成的超声波信号衰减，导致无法准确测量。

3 结语

选择合适的流量计确保污水流量测量的准确性，就需要了解各种流量计的原理和各自的特点。以上三种污水测量方法中，明渠堰槽流量计在监测污水流量数据的时候，受到的影响因素较多；超声波流量计与电磁流量计都比较适合用于污水测量。但在实际的测量操作中，E+H 超声波流量计相对于E+H 电磁流量计受到污水介质的影响因素较大，而超声波流量计相对于电磁流量计有便携、安装方便等优势。如果需要长时间精确的检测污水，如污水处理厂，E+H 电磁流量计是理想的选择。