超声波明渠流量计在污水计量中的应用

周波

【摘 要】文章详细介绍了超声波流量计的工作原理及流量计的安装及其特性，并且对超声波流量计在污水计量中的应用和应注意的问题进行分析和总结。

【关键词】超声波流量计;污水;计量;分析

【中图分类号】TH814 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）08-0082-02

随着国民经济的高速发展，环境污染所带来的社会问题引起我国政府的高度重视。在环境污染整治方面应坚持节约资源的原则和加大环境保护力度，把发展资源节约型和环境友好型社会摆在突出位置，努力增强我国环境可持续发展能力，建设创新型国家，为经济持续健康发展做出更大贡献。节水项目的实施，加快污水处理设施的建设是现代化企业优先关注的问题。用于污水排放计量的手段很多，其中超声波明渠流量计因具有易使用、测量精确和可靠的特点而被广泛应用。

1 超声波明渠流量计的概念

超声波明渠流量计的设计原理是基于超声波在介质中的传播速度与被测介质的平均流速和声波相同的几何原理关系。超声波流量计属于非接触型装置，可以在开放的广阔流域与超声波水位计联合使用，对流体不会产生干扰和阻力，因此它被广泛应用于明渠流量的测量。

2 超声波流量计的工作原理和分类

超声波流量计的工作原理：超声波流量计的液位计应与计量槽配合使用，超声波探头安装在计量槽的上方，计量槽把明渠内水流量的大小换算成液位的高低，流量计测量并记录计量槽内的水位，通过对应的水位流量关系计算出流量[1]。

常用超声波流量计的分类：①便携式超声流量计。具有非接触式测量方式、体积小、携带方便的特点;电子手簿的用户界面简单，使用方便;现场可以进行打印;配备铝合金防护，方便在野外恶劣环境使用。②插入式超声波流量计。采用陶瓷传感器，使用專用的安装钻孔装置进行安装。一般采用单声道测量，为了提高测量精度，可以选择三声道测量。最大的优势是可以在不停止生产的情况下进行安装和维护。③管段式超声波流量计。安装时需要切开管路进行超声流量计的安装与调试，后期进行维护时不需要停产。传感器可以选择单声道和三声道两种模式进行测量。

3 超声波明渠流量计在污水计量中的特征

我国污水处理厂中使用的“明渠”是指污水在管道里流动时具有自由表面的非满管状态下的流动水路。由于污水管道“暗渠”中液体也是自然流下的，也是属于“明渠”的范畴。对于“明渠”这类水流，在进行流量测量时，不能使用常规的全管流量计。污水处理厂的污水中含有各种杂质和其他有机成分，虽然在排放前已经过水质净化处理，但是如果经过长时间与水介质直接接触的流量计，难免会造成流量计内部出现结垢或腐蚀状况，从而影响测量工作的顺利进行。

污水计量中，污水处理厂的污水排放测量仪器是环保部门监测数据的关键装置，它必须具备以下特征。

（1）污水排放的测量仪器必须是一种非接触式测量仪器。污水中含有污垢和腐蚀性物质，会使测量仪器在工作时受到腐蚀，只有在非接触式测量的情况下，才可以保证计量计的物理性质和化学性质不受到影响，从而保证测量数据的精确度和一致性。

（2）仪器仪表具有结构简单、体积小、易于安装及功耗低的特点，超声波明渠流量计是非接触式仪器，可以测量污水流量的范围广，不受污水中污泥、气泡和水位变化的影响，并且不会对水流产生阻力。

（3）感测装置装在污水管道外部，无需截断管道，可以根据实际需要将它移动到任意地点进行测量，它只有测量量程宽、价格适中的优点，所以使用广泛[3]。

4 超声波流量计在安装和使用过程中的注意要点

虽然采用超声波流量计给计量污水流量带来了很大的便利，但是由于超声波和电子测量仪器本身固有的弱点，如易受温度、辐射等的影响，如果不能正确安装和使用它，就会严重影响测量精确度和仪器的使用年限，因此在安装和使用超声波流量计的过程中应注意以下要点。

4.1 安装及使用中应注意的事项

根据超声波流量计在工作运行中的特点，在安装和使用过程中应特别注意以下几点。

4.1.1 安装堰槽应规范

超声波流量计在计量时必须使用量水堰槽，在明渠上安装量水堰槽后，必须按照规范使流量与液位建立对应关系。根据渠道内水的流态及渠道内流量的大小选择量水堰槽的类型：当所测水流的流量小于40 L/s时，采用直角三角堰;当水流的流量大于40 L/s时，采用巴歇尔槽;当水流流量大于40 L/s且明渠的水位落差较大时，采用矩形堰（如图1所示）。

4.1.2 超声波探头按要求设置

超声波探头在明渠安装时应按规范要求进行设置。在安装探头前，一定要将探头和支架安装牢固，不能有丝毫松动。一旦探头安装后出现松动，就会使水面上的基准点发生变化，进而影响测量的准确性。在安装探头时，应与水准面保持垂直，不能出现倾斜;测量水量时，三角堰和矩形堰的位置需要安装在堰板的上游，与堰板位置的距离大致等于最大过堰水深（最大过堰水深：流量最大时对应的水流液位值）的3～4倍;巴歇尔槽的安装位置在进口收缩段1/3的位置。

4.1.3 计量计主机的安装及其水位校核

计量计仪表主机应安装在无腐蚀性气体并且通风良好的室内。因特殊情况必须安装在室外时，应该对计量计的仪表箱进行防护。初次使用仪器，需要将工程实际参数输入主机，确认探头型号、设置声速、信号类型和相应堰槽种类，必须正确设置仪器的水位流量表[4]。当计量计仪器首次完成安装并检修后，如果需移动探头，必须先对仪器的液位进行核准。液位检校时应设置实际液位和零点两个检校点：利用满足精度要求的直尺、测距仪等测量工具，在堰槽中充入适量的水，校准仪表的示值是否等于量水堰槽液位;检校当量水堰槽内的水位为零时，计量计的液位是否也为零;液位检校的目的就是为了保证量水堰槽内的实际水位与仪表测量的液位值保持一致[5]。

4.2 超声波流量计精确计量的方法

4.2.1 选择探头探测位置

超声波明渠计量计在上游时直管段长度应大于10 D，如果安装在上游时，有弯头管道应确保至少有30 D的直管段长度;计量计安装在下游时，直管段的长度不应小于5 D;安装探头时尽量保证两个探头在同一轴线上并保持水平，为了保证探头和管壁之间没有缝隙，应该尽量使用厂家配套的专用偶合剂，过多或过稀的耦合剂都有可能导致测量结果不准确[6]。

4.2.2 在流量计前端安装不锈钢直管

由于污水水质较差，普通碳钢的管道内壁在计量过程中容易结垢，从而影响所接收信号的精度，因此根据污水计量的特点，可以在计量计探头的前端加装1根长度为1 m左右的不锈钢直管，既可以保证最大的接收信号强度，又可以确保壁厚的精度，从而保证测量的准确性。

4.2.3 定期清理測量管内的污垢

由于污水计量管在长期使用过程中管内壁很容易结污垢，严重影响超声波信号的接收，因此在污水计量时，为了保证声波流量计测量管道流量时数据的准确性，应按时将污水计量管拆下来清洗，最大限度地减少由计量计管道内壁结污给测量带来的影响[7]。

5 结语

超声波明渠流量计因其独特的优势而被广泛应用于污水计量中。为了提供更精确的流量测量数据，技术人员需要按照超声波明渠流量计规范规程并与工厂的实际情况相结合，不断总结和分析以往的成功应用经验，努力提高超声波明渠流量计的工作效率。超声波明渠流量计已经实现了在不影响用户的正常生产的情况下对污水流量的在线测量。随着科学技术和相关研究的进一步发展，我国污水计量领域必将迎来一个快速发展期，并在此基础上促进我国的污水监测及处理工作水平的整体提升。

参 考 文 献

[1]任增强，李跃忠，钱永安.超声污水流量测量的数学建模及影响因素分析[J].山西大同大学学报（自然科学版），2017（2）：21-24，47.

[2]张尧，李斌，熊波，等.基于脉冲群相关法的时差式超声波流量计[J].工业控制计算机，2017（9）：125-127.

[3]李蕊，刘冰，杨佳.速度差法超声波流量计硬件延时误差分析及对策[J].仪表技术与传感器，2017（3）：45-48.

[4]GB/T 21303—2017，灌溉渠道系统量水规范[S].

[5]赵芳方.超声波流量计的自适应时延估计法研究及应用[J].仪表技术，2018（4）：8-12.

[6]任增强.多声道多普勒超声波污水流量测量技术研究[D].南昌：东华理工大学，2017.

[7]贺达.某污水厂运行数值模拟及运行参数工艺优化[D].武汉：华中科技大学，2015.