摘要:針對雨水(shuǐ)口及其他跌落(luo)水流的流量測(ce)量問🔴題，提出一(yī)種基于動量變(bian)化率而測定來(lai)流沖擊力的計(ji)量流量的方法(fǎ)。具體步驟是通(tōng)過力傳感裝置(zhi)和稱重變送器(qi)将下落水流沖(chòng)擊力轉🌈化爲電(diàn)壓信号，依據率(lü)🚶定實驗過程中(zhōng)電壓值的變化(hua)，最終換算成雨(yǔ)水口徑流量計(ji)
。結果表明，應用(yong)該計量方法進(jin)行雨水口流量(liàng)測量，其‼️獲得的(de)流量精度較高(gao)，适應雨水口的(de)流量變化,是一(yi)種計❗量雨水口(kou)流量的有效方(fang)法。
0引言
海綿城(chéng)市建設爲中國(guo)城市現代雨水(shui)控制利用與☀️管(guan)理✉️系統的發展(zhǎn)提供了機遇,但(dan)同時也帶來了(le)極大的挑戰與(yu)困惑”。監測雨水(shui)水質和計量雨(yu)水流量🛀是研究(jiu)🈚雨水問題的基(ji)本工作之一，是(shi)建設海綿城市(shì)的初始環節。雨(yu)水口是雨水排(pái)水系統中收集(jí)地表水流的構(gòu)🤩築物，是地面徑(jing)流轉化爲管道(dào)排水的過渡點(dian)口，也是🤟城市非(fēi)點源污染物進(jìn)入水環📧境的主(zhu)要通道。雨水口(kou)接納由零至徑(jìng)流峰值範圍内(nèi)的雨水流量，對(duì)流量計🥰提出了(le)較高的要求:首(shǒu)先要求測量具(jù)備精度好，其次(ci)要求流🚩量計具(jù)有較廣🌂的量程(chéng)比和良好的洩(xie)流能力。
國内現(xian)有的針對雨水(shuǐ)口的專利已超(chāo)過120項，其.主要涉(she)及🌐雨水口的截(jie)污淨化功能印(yìn)。然而，涉及雨水(shui)口流量測量♉方(fang)面的專利屈指(zhǐ)可數。由于雨水(shui)口空間有限，現(xiàn)有的水力學法(fǎ)的堰槽等流量(liang)🏃🏻♂️計量設備在🌈雨(yu)水口安裝不便(bian);雨水徑流小㊙️時(shí),現有的流速面(miàn)積法流量計大(dà)多難以滿足🐉測(cè)量精度高的要(yào)求。國内👌外常用(yòng)的示♌蹤👉劑法測(ce)量亦由🧡于測量(liàng)點位選♊取困難(nan),而對雨水口流(liu)量計量☁️束手無(wú)策💋日。找到一種(zhǒng)科學合理的雨(yǔ)水口流量計量(liang)方法勢在必🔞行(háng),因此本研究提(ti)出了一種基于(yú)動量變🔴化率測(ce)定來流沖擊力(lì)的計量方法以(yǐ)💜滿足研究及工(gōng)程問題的要求(qiu)。本文主要闡述(shù)中國發明專利(lì)一一種雨水口(kǒu)流量測🆚量裝置(zhì)傳利号:201610001374.4)的測量(liang)基🏃本原🐅理并對(dui)該方法進行實(shí)際應用。
1雨水口(kǒu)流量計設計
1.1計(ji)量原理.
水流跌(die)入雨水口示意(yì)圖如圖1所示。
通(tong)常雨水口接收(shou)的徑流通過雨(yu)水篦子跌水流(liu)入市🔞政雨水☁️管(guan)道，該過程中水(shuǐ)流在垂直地面(miàn)方向上🧡的分:速(sù)度爲零，水流在(zài)下落過程中屬(shǔ)于自由落體運(yùn)動，其任意位置(zhi)的垂直分速度(dù)始終🈲符合公式(shi)(1):
式中:Vy爲垂直分(fen)速度,L/s;h爲自由落(luo)體高度,m;g爲重力(lì)加速🏃度,9.8m/s'.
水體擊(ji)落平面受力分(fèn)析如圖2所示。
假(jiǎ)定水體在下落(luo)的過程中,落在(zai)某一個水平平(píng)闆💃上後流走♉。取(qǔ)水體撞擊平闆(pǎn)瞬間，進行受力(lì)分析。取截面🌈EE與(yu)B-B之‼️間的Δh高度的(de)水體爲控制體(ti)，其中EE面上的速(sù)度垂☎️直于地面(mian)，表示爲Vy;其中✨B-B面(mian)上的速度與地(dì)面平行，表示爲(wèi)V水平。平闆對水(shuǐ)的作用力P等于(yu)沖擊力F與對應(ying)的△h高☂️度的水體(ti)重力G之和。
對垂(chuí)直于地面方向(xiàng)使用恒定總流(liú)動量定律進行(háng)🌏分析♌:
式中:?F爲控(kòng)制體内的合外(wai)力，N;P爲平闆對水(shuǐ)的作用力🏃🏻♂️,N;Q爲總(zong)流量,m3/s;ρ爲水的密(mi)度;V,爲垂直分速(su)度,L/s。
對式2)進行處(chù)理,将式(1)代入式(shì)（2），可得:
根據牛頓(dùn)第三定律，平闆(pan)所受力即爲其(qí)對水體的作⭐用(yong)力P,理論❓上隻需(xu)測出平闆所受(shòu)到的力即可通(tong)過式（4）求出流量(liàng)Q。本流量計通過(guo)力傳感器将水(shuǐ)體下落到平闆(pǎn)所受到的力傳(chuán)感給稱重變送(song)器，通過設置稱(cheng)重變🌈送器濾波(bō),使其排除🈚幹擾(rao)後将💞模拟量轉(zhuǎn)🏃化爲電壓值，并(bìng)通過DC電壓記錄(lù)器記錄并保存(cún)。雨水口流量計(ji)流量與電壓轉(zhuǎn)換關🔱系如圖3所(suo)示。
上述推導過(guò)程忽略了重力(li)G及水流下落過(guo)程的損失,必然(rán)💔帶來一定誤差(cha)。因此，實際應用(yong)時應通過已知(zhi)的流量标定稱(cheng)重變送器電壓(yā)U與實際流量之(zhi)間的關系。
1.2設計(jì)實例
設計實例(li)中導流闆尺寸(cun)應符合國家标(biāo)準圖集GJBT-907《雨水🏃🏻♂️口(kǒu)》05S518)叮标準;導流管(guǎn)設計爲上大下(xià)小的垂直圓台(tai)體使得來流不(bú)受導😍流管側壁(bì)作用力的影響(xiǎng);導流管管徑⛱️及(jí)高度✂️設計符合(hé)一定的比例⁉️，保(bao)證任意方向的(de)來流都以抛物(wu)🙇🏻線的方式下落(luo)到受力盤上;受(shòu)力盤需要與導(dǎo)流管保持一定(dìng)的距離，保證.來(lai)流可🌏以順利排(pai)走，且受力盤直(zhí)徑應稍大于導(dao)流管🈚管徑，保證(zheng)來流速度方向(xiang)都轉換爲水平(píng)方向。.雨水口流(liú)量✌️計設計圖見(jian)圖4。圖中導流闆(pǎn)尺寸
爲700mm×400mm×3mm;導流管(guǎn)爲圓台體，上底(dǐ)面直徑爲250mm,下底(di)面直徑爲200mm,導流(liú)管高度爲200mm，壁厚(hòu)爲3mm;導流闆與導(dao)流管上底面焊(han)接;導🔞流闆與受(shòu)力盤底面平行(hang)，垂直有效距離(lí)h爲300mm。
2流量計率定(dìng)實驗
2.1率定實驗(yan)系統
儀表本身(shēn)的設計參數和(hé)結構、液體流動(dòng)特性以及工作(zuò)狀态均密切影(ying)響流量計特性(xing)。流量計的現場(chǎng)使用環境複雜(zá),建立完全一緻(zhì)的使用條件比(bǐ)較困難。故而需(xu)選擇其共性條(tiao)件，建立率定裝(zhuang)置，理論與實踐(jian)相結合來挖掘(jue)其使用條件下(xià)的共🐅性特征0
本(ben)次采用的率定(dìng)方法是标準表(biǎo)法，通過事先正(zheng)确标定✂️的超聲(sheng)波流量計來标(biao)定雨水口流量(liàng)計，二者串聯在(zài)管道上，流體依(yī)次通過2個流量(liang)計，通過測量♻️标(biāo)準流量率定雨(yu)水口流量計。
率(lü)定實驗系統如(ru)圖5所示，實驗通(tong)過渠道長2000mm的穩(wěn)流明👄渠向80mmx80mm的🈚集(ji)水槽供水，水流(liu)以任意方向通(tong)過導流管進入(rù)流✨量計🍉，模拟現(xiàn)實🛀🏻條件下雨水(shui)進入雨水口場(chǎng)景。爲滿足GB50014一2006《室(shi)外排🏒水設計規(gui)範》中✨規定雨水(shui)口實際洩水💔能(néng).力的極限值凹(ao),使用不同流量(liang)的2台水泵供水(shuǐ)，小流量潛水泵(beng)的最大流量爲(wei)4.5L/s，大流量潛水泵(bèng)的最大流🌈量爲(wei)10L/s。在較小流量✉️時(shí)，由1根直徑爲63mm的(de)PVC管供水，使用球(qiu)形閥控制流量(liang)大小;在較大流(liú)量時，由1根直徑(jìng)爲110mm的PVC管引水到(dào)渠道前端由水(shuǐ)泵變頻器控制(zhi)進水流量。整個(gè)過程使用.超聲(sheng)波流量計計量(liang)實際流量;雨水(shuǐ)口流🏃♂️量計使用(yòng)DC電壓記錄器紀(jì)錄電壓值，通過(guo)式4)計💰算理論流(liú)量。渠道前端放(fang)置2塊多孔闆穩(wen)定👈來流避免水(shui)面動蕩。.渠道的(de)出水通過流量(liàng)計之後進入地(di)下水渠流入地(dì)下水庫，泵📐從㊙️水(shuǐ)庫抽水🔞到實驗(yan)水渠，循環供水(shuǐ)。實驗現場流量(liàng)計實物如🏃🏻圖6所(suo)示。
2.2率定結果及(ji)分析
由于采用(yòng)水泵直接供水(shui)方式，電壓、頻率(lǜ)的波動會直接(jie)影響實際供水(shui)流量呵，導緻測(ce)得的實際流量(liang)數據發生🛀🏻一定(dìng)🌈的離散性。故采(cǎi)用數據平均方(fāng)式消‼️除随機誤(wù)差。
實驗中,DC電壓(ya)記錄器每隔10s記(jì)錄1次電壓值，内(nèi)存足以紀錄⛱️大(da)約27h;使用UPSI2V5AH電源，可(kě)用時長約40h。對記(jì)錄的電壓值進(jin)行整理得到穩(wěn)定流量下的電(diàn)壓均值。使用式(shì)4)計算得到電壓(yā)均.值對應的力(lì)以及理論流量(liàng)。
實驗過程中,采(cǎi)用一大一小2台(tái)水泵供水，在小(xiǎo)泵流量♈達🙇🏻到🌏最(zuì)👨❤️👨大值與大泵流(liu)量處于極小值(zhi)之間時,由于控(kòng)制困難，數據缺(que)失。将所有數據(ju)綜合分析,拟合(hé)得到理論流量(liàng)以及實際流量(liang)與電壓均值的(de)關系曲線，經分(fèn)析線性關系良(liang)好，符合真實情(qing)況，從而推導出(chu)DC電壓記錄器記(jì)錄電💃🏻壓值U與流(liú)量🆚Q的關系式如(rú)式(6)所示:
結合理(li)論流量與實際(ji)流量對應關系(xì)圖(7)，對電壓均值(zhi)與理論流量之(zhī)間的關系(U理論(lun)-V)以及電壓均值(zhi)與🥵實際流量之(zhi)間的關系(U實際(jì)-V)進行簡單回歸(guī)分析，結果如表(biǎo)2所示，相關性良(liang)😍好。
将式6)結合式(shì)4)加以推廣，在實(shí)際工程測量中(zhong)，可将計量公式(shì)設定爲式6):
式中(zhōng):a和b爲修正系數(shu),根據現場實際(jì)情況,不同流量(liang)計配合不同🚶♀️的(de)修正系數，修正(zhèng)系數可通過率(lü)定得到。
2.3誤差分(fèn)析
标準法率定(ding)過程中，誤差溫(wen)度和壓力不是(shì)主要影響🔅因🔴素(su)，可以不予考慮(lü)，被檢流量計的(de)精度主要取決(jué)于标準🔴流量計(ji)的精度🙇🏻口，假定(ding)實驗過程中使(shǐ)用☂️的超聲波流(liú)量計精度良好(hao)。
忽略水體重力(lì)G,使用式4)給出的(de)關系計算得到(dào)的理論流量與(yu)實際流量略有(yǒu)不同，計量流量(liang)值會略微偏大(dà)。
誤差來源主要(yao)有:1)Ah高度的水體(tǐ)重力G的大小無(wu)法定量測定，爲(wèi)滿足條件，已經(jing)設定△h足夠小，類(lei)似于水膜，其産(chǎn)生的誤差可認(rèn)爲是系統誤差(chà);2)其中式4)中V,的計(ji)算中，h在測量時(shi)會帶來系統誤(wù)差;3)實驗中平闆(pan)對水的作用力(li)P的測量誤差爲(wei)随機誤差。
對電(dian)壓均值與理論(lùn)流量、實際流量(liang)之間的數據分(fen)别使📱用式0)計🏃🏻算(suan)流量相對誤差(cha)，計算結果如圖(tu)8所示。可以看出(chū):在小流量時,所(suǒ)🔞有數據相對誤(wu)差絕對值✔️均小(xiǎo)于10%，絕大多數相(xiang)對誤差絕對值(zhí)均小于5%;在大流(liú)量時相對誤差(chà)絕對值相對穩(wěn)定,均小于3%。
不難(nán)發現，在流量較(jiao)小時，相對誤差(chà)波動較大。這是(shi)由于此時使♊用(yòng)小流量泵時，由(you)球形閥控制流(liú)量，在🥵流量較小(xiǎo)時，難以穩定控(kòng)制。.
綜合分析,在(zai)流量大于1.40L/s時，電(diàn)壓值-流量關系(xì)曲線的相對💔誤(wù)差的絕對值基(jī)本滿足相關規(guī)定中其對于大(dà)多🐉數量水設備(bei)所🧑🏽🤝🧑🏻要求的精度(dù)在5%範圍内的要(yao)求口。具體流量(liang)相♌對誤差範圍(wéi)見🍓圖8。
3應用案例(li)
爲驗證雨水口(kou)流量計的實際(ji)效果，在北京某(mou)校園的道✊路雨(yǔ)水口上安裝了(le)該流量計，現場(chǎng)實驗裝置如圖(tú)9所示。
對該地2025年(nián)12月16日的降雨進(jìn)行監測。通過.安(an)放在校園💯中的(de)雨量計得到分(fèn)時降雨量;通過(guo)該雨水口流量(liang)計現場紀錄的(de)電壓數據，使用(yòng)已經率定的換(huan)算關系式6)繪出(chū)該雨水口徑流(liu)流量變化與降(jiang)雨強度的關系(xì)如圖10所示。降雨(yǔ)初期，雨強較大(dà),降雨曆時較短(duǎn),路面徑流小，彙(hui)聚到雨水🙇🏻口的(de)流量也很少，維(wei)持在0~0.50L/s;随着降雨(yu)的進行，經過一(yi)定曆時,雨水口(kou)徑流量達到峰(feng)值，約爲4.25L/s;随後随(sui)着降雨強度減(jiǎn)小，流量也逐漸(jiàn)減小，最終趨于(yú)0.
對數據記錄器(qì)中的數據進行(hang)整理分析，可以(yi)看出:在降雨初(chu)期以及後期，雨(yǔ)水口徑流流量(liang)變化範圍很小(xiao)時，該🚶♀️流量🛀🏻計可(ke)正确計量雨水(shui)口流量;當地表(biao)彙流突然進入(ru)🈲雨水口時，該流(liú)量計可以穩定(dìng)而迅🏃🏻♂️速計量來(lái)流流量，不會産(chǎn)生數值跳躍。整(zheng)個過程中,計量(liang)誤差小、精度優(yōu)良，其量程适應(ying)雨水口流量變(bian)化，該法可以🤩承(cheng)擔雨水口流量(liàng)⭐計量工作。
4結語(yu)
本文首次提出(chū)了一種基于動(dong)量變化率測定(ding)來流🐕沖擊力的(de)計量流量的方(fāng)法，并給出了雨(yǔ)水口徑流流量(liang)與降雨強度之(zhī)間的關系，該計(ji)量方法在水工(gong)程領城，尤其是(shì)雨水研究中有(you)着極爲☀️重要的(de)實踐價值,爲開(kāi)展雨水水量的(de)相關研究提供(gong)了有力武器。該(gāi)流量計可實時(shi)在線👣正确測量(liàng)雨水口徑流流(liu)☂️量，誤差小，量程(cheng)比高，洪峰流量(liàng)時依舊可以保(bǎo)持優良的洩流(liú)能力。作爲一種(zhǒng)新式雨水口流(liu)量計量方法，其(qi)在科研工作和(hé)實際工程中，具(ju)有極📐高的實用(yong)和推廣價值。另(lìng)外，由于✏️該流量(liàng)計内存可以存(cun)儲一定的數據(jù)，節約了人力成(cheng)本，但建議後續(xù)研究考慮💋将這(zhe)些計量🍓數據存(cún)儲于雲端，并實(shí)現遠傳。
以上内(nei)容源于網絡，如(ru)有侵權聯系即(jí)删除!
