一种在线明渠堰槽流量计准确性方法研究

卡合曼·马合木提江

(新疆水文局水文实验站，新疆 乌鲁木齐 830000)

水体流量的监测是水文工作中研究的重点。明渠作为地区最常见的水工建筑物之一，是水体传送最重要的一步，因此明渠流量的监测具有重要意义。明渠流量计是利用明渠的水利特性，通过测量液体的液面高度，再经过微处理器运算得到流量值的一种用于明渠流量测量的仪表，广泛运用于城市供水、污水处理、企业污水排放以及农业灌溉等领域。明渠流量计由液位计、流速仪以及配套的二次仪表组成。现阶段的明渠流量测量原理主要有以下几种[1]：

(1)流速—面积法。该方法的原理是通过测量出规则形状的渠道横截面的面积和流过该计量横截面的轴向流体平均流速，从而计算出体积流量。这种方法使用范围广泛，精度也较高。但相较于其他方法而言，投入成本较高。

(2)堰槽法。其原理是在明渠中安装标准规定尺寸的标准堰槽，并按规定位置测量水位，则可通过相应的流量公式或经验关系式，将测出的水位值换算成流量值。这种类型的明渠堰槽流量计由量水堰槽和水位流量转换仪表两部分组成。其中，堰槽装置包括上下游的渠道部分、堰槽本体部分以及水位观测仪表[2]。水位流量转换仪表不仅要求有流量转换功能也需要实时显示瞬时流量或者累计流量等数值。这种方法不需要设置流速仪，仅需要购买标准量水堰槽并按照标准安装即可，测量结果准确，成本相较于流速-面积法更低，因此该方法被各企业大量采用。

(3)水位—流量关系法。该方法的原理是渠道某断面的流量与同时刻水位之间有一定的对应关系，这种关系一般由水位流量关系曲线表示。但是该对应关系较为复杂，与渠道表面粗糙度、液体粘度等各种因素相关，因此需要结合实际情况经过一定的试验后才能得出。

按照以上原理，明渠流量计系统分为两类：一类依照流速-面积法，系统中有一台二次仪表、一台流速计、一台液位计，为了保证流速测量的准确性有的系统也会根据实际情况配备多台流速仪组成一个多点流速测量的流量计量系统[3]。另一类原理为堰槽法，该类明渠流量计不需要流速仪，只需要一台液位计和对应的二次仪表提供数据换算和显示即可。因此本研究针对堰槽式明渠流量计进行研究，其流量测量示意图如图1所示。

图1 堰槽式明渠流量计系统示意图

1 实验检测研究

1.1 问题调研

为了实验的设计需要对实际进行调查。在新疆某污水处理厂内，污水厂入口为一台管道式电磁流量计，处理厂出口处为一个巴歇尔槽明渠流量计。调查发现，该污水处理厂入口处的电磁流量计示值与出口处的明渠流量计示值有较大差距，分析后发现，其前端管道电磁流量计的管道之前有一段垂直向下的管道段，但在该管道段与电磁流量计所在位置之间并未有足够长的行进管道段使水流变得平稳，从而导致电磁流量计的测量结果不准确。此外，其整个污水处理系统的尾端处的巴歇尔槽明渠流量计也不符合 JJG711-1990 的要求。

由于本次研究针对性较强，贴近实际，因此为了保证数据的普遍性，本次实验调取并参考了近3 a来新疆水文局水文实验站的计量检定数据。经统计实际中该污水处理厂使用的标准槽和小型槽约占 100%，只有极个别使用大型槽的情况。小型槽中只有少数的 2 号槽(b=0.051 m)和 1 号槽(b=0.025 m)，使用量只有约 7%，其余均为 3、4、5 号槽，喉道宽度分别为 0.076 m、0.152 m、0.228 m。7 号槽(0.30 m)以下尺寸的巴歇尔槽约占本次统计中的 56%。因此预定选取 3、4、6(0.25 m)号槽为试验的研究对象，并分别设计对应试验。

1.2 验研究

1.2.1 实验设计

根据上述统计结果预定选取 3、4、6 号槽为试验的研究对象，并分别设计对应试验。但由于场地限制 6 号槽无法安装在渠道中，3 号槽的可测量流量较小在相对误差的角度来看，相对于 4 号槽来说对流量控制的精度要求更高，因此初步只进行 4 号槽的试验设计。

喉道宽度试验：

标准 4 号槽的喉道宽度为 152 mm，根据上述数据整理结果可知，以 4 号槽喉道宽度 152 mm 为标准的被测槽喉道宽度范围为最小 141 mm，最大为 161 mm。选取 140～162 mm 为试验范围，以 152 mm 的为中心，每 4 mm一组，140 mm、144 mm、148 mm、152 mm、156 mm、160 mm、162 mm 共 7 组试验。

1.2.2 实验系统

根据试验场地的明渠检校系统的情况在其之上设计本次试验的明渠流量计试验系统。本次试验将巴歇尔槽安装于该明渠的尾部，巴歇尔槽配备静水井，静水井上配备液位计作为标准液位值。其次巴歇尔槽进口段上方安装比对液位计直接测量槽内液位作为比对液位值并配以其对应的二次仪表。控制室的流量显示器作为标准流量值。系统整体流程见图2。

图2 试验系统结构及流程图

储水池中的水经过水泵进入标准容器中，控制室通过对阀门和水泵的控制使标准器中的水按照设定的流量经由安装标准电磁流量计的管道进入行进渠道，行进渠道末端的巴歇尔槽上安装有比对液位计和标准液位计，分别通过各自的二次仪表的换算得出瞬时流量值，流过巴歇尔槽的水从出口段再次回到储水池中。

二次仪表数据采集系统的功能是将标准流量计、槽内比对流量计、静水井内液位计三者的测量结果综合、处理、存储。该系统主要由硬件部分(采集卡)和软件部分(PC 端后台控制系统)组成。硬件部分(采集卡)主要有电源系统、控制系统、信号采集系统、通讯系统等组成。PC 端后台软件具有后台数据处理、前端界面显示、本地存储等几大功能。系统的组成见图3。

采集卡兼容标准流量计(脉冲信号)、静水井内液位计(RS485 标准 Modbus)和槽内流量计(RS485 标准 Modbus)的通讯协议，负责采集各路信号并通过通讯模块将数据发送至 PC 端，PC 端与采集卡通过串口连接。硬件部分采集卡采用实时操作系统设计，采集三个仪表的数据，且满足同步实时数据采集上传功能，使三个仪表的数据同步，为试验提供更为精准的数据来源[4]。

图3 数据采集系统结构

采集卡负责电磁流量计、磁致伸缩液位计、超声波液位计的数据检测，而软件部分的控制系统根据接收到的液位或流量数据对其进行瞬时流量、累计流量计算以及积分运算。

此外 PC 端后台软件作为系统的中心，控制采集板卡采集仪表数据，实现数据设定、显示、计算、分析、存储等相关的数据处理。系统后台软件支持本地表格存储，储存试验数据以方便后期数据处理的使用和管理。

此外，该数据采集系统具有扩展功能，硬件上留出冗余的数据接口，可以接收多路 RS485 信号，以及一路脉冲信号。根据不同情况将软件部分稍作修改后即可应用于新的试验或测量工作中。由于其外形小巧，仅由一个小盒子和一部 PC 组成，因此便携性较强，可以将其应用于计量工作人员的现场校准以及检定的工作中。在实际的计量工作中有时因场地限制，计量工作人员无法同时记录同一时间点的数值，而这种情况会极大的增大检测结果中人为操作带来的误差。该数据采集系统的使用将解决这种问题，提高了计数的同步率，减少这类操作带来的误差。

1.2.3 实验数据处理

本系列试验共有7 组对应的喉道宽度试验，分别为140 mm、144 mm、148 mm、152 mm(标准)、156 mm、160 mm、162 mm，每组试验取标准 4 号槽最大流量值的 25%、50%、75%三个流量点进行测量，每个流量点进行 6 次连续重复试验，为保证测得流量值的稳定，每次重复试验待各个仪表读数稳定后再进行为时 3分钟的持续试验，每分钟记录 60 个液位值或流量值。每次重复试验记录的原始数据均包括：磁致伸缩液位计液位hz；超声波明渠流量计液位hs、超声波明渠流量计瞬时流量Qss以及超声波明渠流量计累计流量Qls；电磁流量计(标准表)脉冲信号的脉冲个数n。其中磁致伸缩液位计的液位值ha根据 JJG771-1990 标准中规定的液位-流量转换关系：

Q=0.3812ha1.58

(1)

将液位值hz转换为瞬时流量Qsz(m3/s)，用所得到的所有瞬时流量值对时间进行积分就可以得到该段时间内的累计流量Qlz；超声波明渠流量计的液位hs及瞬时流量Qss、累计流量Qls均由其专用的二次仪表进行水位-流量转换；电磁流量计的累计流量值Qlc为脉冲个数与脉冲当量相乘的结果，计算公式如下：

(2)

其中：Qr为电磁流量计的满量程；fr为电磁流量计的频率上限；仪表的满量程与频率上限的比值即为该仪表的脉冲当量。经以上初步处理后的各喉道宽度对应的平均累计流量Qlc的试验数据如下表所示。

表1 喉道宽度试验各仪表累计流量值 L

表2 喉道宽度试验相对误差表

表3 喉道宽度试验转换误差及合成误差表

表1中Qlc为电磁流量计的累计流量，Qlz为磁致伸缩液位计的累计流量；Qls为超声波液位计的累计流量。1～7 分别为喉道宽度 140 mm、144 mm、148 mm、152 mm、156 mm、160 mm、162 mm的试验槽。

对于磁致伸缩液位计的测量值，各喉道宽度试验的测量结果与标准喉道宽度 152 mm 测量结果的相对误差计算方式如下：

(3)

对于电磁流量计的值，由于各次试验的流量控制不够精确而造成的测量结果相对误差，即系统误差计算方式如下：

(4)

因此理论上排除了各次试验中流量值真值的不同而造成的误差的磁致伸缩液位计的测量值误差，即由于喉道宽度改变而造成的转换误差为：

(5)

此外，喉道宽度的相对误差计算方式如下：

(6)

对于超声波液位计，其喉道宽度试验的测量结果与标准喉道宽度 152mm 测量结果的相对误差计算方式如下：

(7)

(8)

由公式(3)(4)(6)(7)求得相对误差表如表2所示。

表2中ed为喉道宽度的相对误差，ec为电磁流量计的相对误差，ez为磁致伸缩液位计的相对误差，es为超声波液位计的相对误差。

根据上表结果及公式(5)和公式(8)得出：

根据上表数据拟合曲线及喉道宽度改变与其造成的磁致伸缩液位计的流量测量值误差之间的函数关系见图4。

图4 磁致伸缩液位计流量误差与喉宽误差拟合图

其中曲线拟合结果为 ez’= 128.98ed3+ 12.37 ed2-1.604 4 ed+ 0.012

(R2= 0.833 9)。R2是评价趋势线拟合程度的指标，被称为决定系数，取值范围为 0～1，其值与 1 越接近则拟合结果的可靠性越高，反之则可靠性越低。

根据上表数据拟合曲线及喉道宽度改变与其造成的超声波液位计的流量测量值误差之间的函数关系见图5。

其中曲线拟合结果为 es″= -45.024 ed3- 0.456 4 ed2- 0.932 ed+ 0.012

(R2= 0.872 9)。

图5 超声波液位计流量误差与喉宽误差拟合图

2 结语

本研究通过进行试验以及对试验数据的处理分别得出了喉道宽度的改变量与其造成的测量结果的误差之间的函数关系，使计量工作人员可以在日常的检定工作中通过对待测槽尺寸的测量而提前预估出测量结果可能产生的误差大小，并根据结果对检定进行相应的调整，从而提高检定的精度。在实际应用中，工作人员也可以根据拟合得出的结果在确定了流量测量误差范围后倒推出各因素的最大允许误差，从而对施工结果进行检验和约束。