摘要:簡述(shu)了污水自動監(jian)測系統中流量(liang)測量的原理和(he)組成，通過對标(biao)準巴歇爾槽明(míng)渠流量計 流量(liang)計算數學模型(xing)的分析，總結出(chū)污水在線監測(ce)系統🚶‍♀️中影響流(liú)量測量精度的(de)5項主要因素，并(bing)對各項因素進(jin)行了相應的技(jì)術分析。
0引言
　　随(suí)着環境污染問(wèn)題日益嚴重，我(wo)國對建立環境(jing)管理🐪體系，加🐕大(dà)環境監測力度(dù)提出了更高要(yao)求。目前，國内重(zhong)點排污企業均(jun1)安裝了污水自(zì)動監測系統，保(bǎo)證污水排放的(de)數據👉能夠實🔅時(shi)，上傳至市、省環(huan)境監測部門和(he)國家環保主管(guǎn)部門。爲了保證(zhèng)上傳數據的有(you)效性，國家環保(bǎo)部發布了HJ/T355-2007《水污(wu)染源在線監🐪測(cè)系統運行與考(kao)核技術規範》和(he)HJ/T356-2007《水污染源在線(xiàn)監測數據有效(xiào)性判别技術規(guī)範》等規範性文(wen)件。這些文件對(dui)有關水質的🌈監(jian)測數據(如化學(xue)需氧量COD。、氨氮NH,-N、總(zong)磷TP、pH值)等，詳細規(guī)定了試驗項目(mu)和數據要求1-2],但(dàn)對如何保證水(shui)量的流量監⚽測(cè)數據的正确，卻(què)沒做要求。
　　随着(zhe)主要污染物總(zong)量減排監測要(yào)求的提出，這種(zhǒng)情況8益被發🌏現(xian)和重視。2013年底環(huán)境監測部門已(yi)有人🔞提出關于(yú)污水流量監測(cè)質量監督檢查(chá)的技術和方法(fǎ)3。但🚶從流量計量(liang)專業的角度來(lai)看，環監部門提(ti)出的方法僅對(duì)相關計量檢定(ding)😍規程項目進行(hang)了簡🌈化和重組(zǔ)，并沒有進行深(shēn)人的計量技術(shù)分析，無法保證(zheng)現場流量數據(jù)的精度。而本文(wen)則根據現場檢(jian)定明渠污水流(liu)量計的大量樣(yàng)本數據，做出了(le)一定的分析，爲(wèi)進一步正确實(shi)現污水流量在(zai)線監測打下了(le)--定的基礎。
1污水(shuǐ)流量測量
1.1原理(li)及組成
　　由于排(pai)污口标準化和(he)視頻監控的需(xū)要，污水流量自(zì)動監測系統以(yi)堰槽式明渠流(liu)量計爲流量計(ji)量的主要方式(shi)。堰槽式明渠流(liu)量計的原理是(shi)在明渠中設置(zhì)标準量水堰槽(cao)(如巴歇爾量水(shuǐ)槽和矩形薄壁(bi)堰等)，并按規定(ding)位👨‍❤️‍👨置測量水位(wèi)，則流過堰槽的(de)流量與水位呈(cheng)單值關系，根🧑🏽‍🤝‍🧑🏻據(jù)相應流量公式(shi)或經驗❤️關系式(shi)，将測出的水位(wèi)值換算成流量(liàng)值。流量㊙️計由标(biao)準量水堰槽和(he)液位流量轉換(huàn)儀表(二次儀表(biǎo))所組成。如圖1所(suǒ)示。
 
　　據統計，本次(cì)試驗污水流量(liàng)自動監測系統(tǒng)共計338台堰槽式(shì)明渠流量計。其(qí)中，巴歇爾槽式(shì)占68.2%,矩形薄壁堰(yan)占14.5%，其他🔞堰槽類(lei)型占17.3%，本文以标(biao)準巴歇爾槽明(míng)渠流量計🔆爲例(lì)進行分析。
1.2标準(zhun)巴歇爾槽明渠(qú)流計算的數學(xué)模型
　　标準巴歇(xiē)爾槽流量Q按下(xia)式計算:
 
　　式中:C爲(wèi)流量系數;b爲喉(hóu)道寬度，m;ha爲實測(cè)液位，m。
　　由标準巴(ba)歇爾槽明渠流(liu)量計的基本原(yuán)理和流量計算(suan)🌈公式可知，流量(liang)測量的精度直(zhi)接依賴于流量(liang)系數C的精度、喉(hou)道寬度測量的(de)精度和實測液(yè)位的精度。其中(zhong)，實測❄️液位的精(jing)度評估又包🥵含(hán)三個因素💚的影(ying)響:液位計測量(liang)的精度、測量液(yè)位計零點的儀(yí)器的測量精度(dù)和液面的擾動(dong)情況。
2現場流量(liàng)測量精度的影(ying)響因素
　　通過上(shàng)述分析，我們可(ke)以總結出基于(yú)明渠流量計🥰的(de)污水在線🌈監測(cè)系統中，影響流(liu)量測量精度的(de)主要因💰素有以(yi)下幾個🈲方面:
1)堰(yàn)槽的類型，主要(yao)确定流量系數(shu)的測量精度;
2)實(shi)測液位的精度(dù)，主要取決于液(ye)位計測量的精(jīng)度和測量液位(wèi)計零點的儀器(qì)的測量精度;
3)液(ye)位測量的重複(fú)性，由液面的擾(rao)動或平穩程度(du)決定，主要影💞響(xiang)多次液位測量(liang)讀數的平均值(zhi)的測量精度;
4)堰(yàn)槽的幾何尺寸(cun)，主要取決于喉(hóu)道寬度(或其他(tā)堰槽中🈲的闆、槽(cáo)♍尺寸)的測量儀(yi)器的精度;
5)水位(wèi)-流量轉換誤差(chà)，由流量計二次(cì)儀表的軟件産(chan)生。由于🌐各種堰(yan)槽明渠流量計(ji)的流量計算公(gong)式涉及多❗個參(cān)數，流量計生産(chǎn)　　廠家在軟件系(xi)統進行換💛算時(shí)，各個參數根據(jù)不同的設計尺(chǐ)寸範圍以數據(jù)庫函數的方式(shi)進行存儲，由于(yu)存儲空間的限(xian)制造💘成無法足(zú)夠精确的設置(zhi)參數，因此造成(cheng)流量計顯示值(zhi)的誤差。
2.1堰槽的(de)類型
　　明渠流量(liàng)計在進行堰槽(cao)選擇時,現場主(zhu)要考慮流量範(fan)圍和設🚩計施工(gong)難度等因素。根(gēn)據國家計量檢(jiǎn)定規程JJG771-1990《明渠堰(yan)槽流量計試行(hang)檢定規程》[5]和各(gè)種類型堰槽的(de)相關ISO國際标💁準(zhǔn)[6-10]，幾種🧑🏾‍🤝‍🧑🏼常用堰槽(cao)的流量範圍和(hé)流量系數所引(yǐn)入的測量誤差(cha)如表1所示。
 
　　通過(guo)表1可知，幾種堰(yan)槽的流量系數(shù)所引入的測量(liang)誤差相差不⁉️大(dà)，各種堰槽類型(xing)在技術上并無(wu)高下之分。在綜(zong)合考慮流量适(shì)♍用範圍和現場(chang)設計施工難度(du)後🐪，巴歇爾槽和(he)薄❗壁堰具有--定(dìng)的優勢。兩者相(xiang)比，薄壁堰🌈的優(you)點是制作方便(biàn)🏃‍♂️，安裝簡單，缺點(dian)是水頭損失較(jiao)大🏒，污水中的泥(ni)沙和懸浮物容(róng)易在堰前沉積(jī)使水位提高而(ér)影響測量的精(jing)度。巴歇爾槽的(de)📱優點是測量範(fàn)圍寬，水頭⚽損失(shī)小，污水中懸浮(fu)物不🔅易💛沉積，但(dan)加工和安☔裝較(jiao)爲複雜”。
2.2液位測(ce)量的精度
　　明渠(qu)流量計中的實(shi)際液位測量涉(she)及液位計零點(diǎn)(即液位零點)和(he)液位計測量精(jing)度等兩個方面(mian)，早期的浮子式(shi)液位計由于測(cè)量精度太低已(yǐ)經被淘汰，壓力(lì)式🔞液位計由于(yu)易受污水腐蝕(shi)和沉積物覆蓋(gài)影響也較💯少使(shi)用"，現在主要使(shǐ)用超聲波液位(wèi)計。超♈聲波測液(yè)位爲非接觸式(shì)測量，可以不受(shòu)液體性質☎️的影(yǐng)響，但液😄體表面(mian)浮沫和固體漂(piao)浮物較多時也(yě)會受到影響。
　　本(běn)次試驗的明渠(qú)流量計全部采(cai)用的超聲波液(ye)位計🧑🏾‍🤝‍🧑🏼,廠家标稱(cheng)的測量精度爲(wei)不大于3mm,滿足環(huán)保行業♍标準HJ/T15-2007《環(huan)境保護産品技(ji)術要求超聲波(bo)明渠污水流量(liang)計》中對液位😄測(ce)量誤差的要求(qiu)[12]。但實💃🏻際測量結(jié)果🥰卻相差很大(dà)，具體數據如圖(tu)2所示。
 
　　試驗發現(xian)，現場使用的超(chao)聲波液位計問(wèn)題很多。零點不(bu)準的原因主要(yao)在于液位計安(ān)裝時沒有做好(hǎo)零點的設置和(hé)校準🏃‍♀️。水位超差(cha)的原因一部分(fen)在于液位計安(ān)裝後🈲沒有做好(hǎo)現場校準，另一(yi)部分在于液位(wèi)計使用過程中(zhōng)傳感器探頭老(lǎo)化，測量精度不(bu)達标。
2.3液位測量(liàng)的重複性
　　明渠(qu)流量計液位測(cè)量的重複性主(zhǔ)要取決于液面(mian)的💔穩🐕定程度。液(yè)面平穩時，液位(wei)測量的重複性(xìng)就容易達标;反(fǎn)之，水✔️流不🔴平穩(wen)，有大量漩渦、波(bo)浪、泡沫時，液位(wèi)測✍️量的重複性(xìng)就不滿足要求(qiu)。具體情況如圖(tú)3所示。
 
　　上述水流(liu)不平穩的情況(kuang)，主要原因是明(ming)渠流量計安裝(zhuāng)🌈位🌏置前端的行(háng)進渠道長度不(bú)滿足要求。根據(ju)規程要求，巴歇(xie)👅爾槽的安裝條(tiáo)件爲前端順直(zhí)行進渠道長度(dù)應不小于5倍🆚的(de)行進渠道寬度(dù)，而薄壁堰則要(yào)求爲10倍。很多用(yong)⁉️戶受現場環境(jing)條件的限制，無(wu)🈲法建造足夠長(zhang)度的行進渠道(dao)進行整流，造成(chéng)流量♉計處的流(liú)場條件十分惡(è)劣，無法滿足明(ming)渠流🏃🏻量計的正(zhèng)常使用。針對這(zhe)種情況，有兩種(zhong)方式可以進行(háng)💛改❓善。一種方式(shì)爲:在流量計的(de)前端增加整流(liu)格栅，減小水流(liú)☁️的波動，但通過(guò)現場試驗觀察(cha)，效果有限;另一(yi)種方式爲:在渠(qu)道旁邊設置一(yī)靜水井，由連通(tōng)👣管與渠道水🤩流(liú)相通，靜水井底(dǐ)應低于渠道中(zhōng)最低🍉水位㊙️150mm，連通(tōng)管管底距井底(dǐ)至少300mm,靜水井頂(dǐng)面應大于預計(ji)最高水位300mm,這樣(yang)靜水井内的水(shui)位與渠道中水(shuǐ)位相同，把渠道(dao)中的漩渦和水(shuǐ)流的脈動進行(hang)了隔離，同時也(yě)能大大減少水(shui)面的泡沫。現場(chang)試驗驗證，這種(zhong)📧方式能夠有效(xiào)改善液面不穩(wěn)的情🍓況，保證液(yè)位測量的重🈲複(fú)性要求。
2.4堰槽的(de)幾何尺寸
　　堰槽(cao)幾何尺寸的誤(wu)差對測量結果(guǒ)精度的影響主(zhu)要有兩個方☂️面(mian):一是改變了流(liú)量計算的數學(xue)模型，造成流量(liang)計二❓次儀表計(jì)算的顯示值産(chǎn)生誤差，這種影(yǐng)響我們通過兩(liǎng)個實例可以看(kàn)到。由表2可以看(kàn)出，堰槽幾✊何尺(chi)寸誤差的增大(dà)🐆可以造成流量(liàng)測量誤差的增(zeng)大，且影響量不(bú)斷遞增;二是影(ying)響到了水流經(jing)過堰槽時的水(shuǐ)位，從而對🏃‍♀️液位(wèi)的測量産生附(fù)加誤差。
 
　　造成堰(yan)槽幾何尺寸誤(wu)差的原因有三(san)點:一是制造🔞精(jing)度問題，一❓些企(qǐ)業爲了節省成(cheng)本，自己加工堰(yan)闆和槽體，由于(yú)條🐇件所限無🌏法(fǎ)保證加工精度(dù)，造成堰槽的實(shi)物與設⚽計尺寸(cùn)産生誤差;二是(shì)安裝技術問🌈題(ti)，一些流量計的(de)堰闆和槽體😘在(zai)安裝過程中，由(yóu)于施工者的操(cao)作因素造成安(an)裝尺寸誤差，或(huò)是施工👄經驗和(hé)溫度原因影響(xiang)，造成堰闆和槽(cáo)體受渠壁擠壓(ya)産生形變;三是(shì)用戶主觀因素(su)，一些企業爲了(le)省事，在已建好(hǎo)的不規🤟則的渠(qu)道中安裝明渠(qu)流量計，爲了适(shi)應渠道，隻能将(jiang)标準的堰闆或(huò)槽體進行改造(zao)，造成幾何尺寸(cùn)的偏差。
2.5水位一(yi)流量轉換誤差(cha)
　　水位-流量轉換(huàn)誤差直接影響(xiǎng)流量計的顯示(shì)值，其産生的主(zhu)要㊙️原因爲:明渠(qú)流量計通過液(ye)位傳感器得到(dao)✂️的是原始信号(hao)🚩爲液位信号，需(xū)通過二次儀表(biao)把液位信号轉(zhuan)換爲流量值。由(yóu)于明渠流量計(ji)的數學模型都(dou)比較複雜🈲，儀表(biǎo)一般使用查表(biǎo)法把液位轉換(huàn)成流量。即每測(ce)到一一個液位(wei)，到存儲器内找(zhao)🔞對應液位點的(de)🈲流量替代。如果(guǒ)測到的液位在(zài)㊙️水位流量表中(zhong)兩點液位之間(jiān)❗，用線性插值法(fǎ)算出對應的流(liú)量(3]。因此，設置水(shuǐ)💋位-流量表的點(dian)數越多，轉換精(jing)度越高。
　　通過現(xian)場試驗，取兩個(ge)主要廠家軟件(jian)數據庫内的水(shui)位一流量😍表進(jìn)行驗證，具體數(shu)據如圖4所示。
 
　　通(tong)過圖4可以看出(chu):廠家一的軟件(jiàn)設置爲30點對照(zhao)，且液位點均勻(yun)分布，而廠家二(er)設置爲10點，不均(jun1)勻分布，則廠家(jiā)一顯示的水位(wèi)流量轉換誤差(chà)明顯小于廠家(jiā)二。
3結論
　　污水流(liú)量監測數據的(de)精度，受到多方(fāng)面因素的影⚽響(xiang)，在配套設⛱️施方(fāng)面，需要保證行(hang)進渠道的長度(du),正确設立靜😍水(shuǐ)井。在一次元✏️件(jian)方面，需選擇合(he)适的堰;槽類型(xíng)，堰槽尺寸保證(zhèng)一定的加工精(jīng)度，液位傳感器(qi)滿足相應精度(dù)要求;在二次儀(yí)表方面，需要正(zhèng)确的進行軟件(jian)數據庫的設計(jì)，通過這些才能(neng)保證流🥵量監測(ce)數據的準确有(yǒu)效。
　　通過上述分(fèn)析,我們看到實(shí)現污水流量監(jiān)測的堰槽式明(ming)渠流量計，不僅(jin)僅是一個計量(liang)器具，而且作爲(wei)一個計💞量系統(tǒng)牽涉到選型、設(she)計、加工、建築、安(ān)裝🏃🏻、調試和設置(zhi)，--旦建造成❤️型，出(chu)現🌐誤差後🈲很難(nan)從根本上進行(háng)糾正，并且在🔅現(xiàn)場受到💞各種環(huan)境條件的影響(xiang)，使用中需要經(jing)常維護🔞。因此，作(zuo)爲強制檢定的(de)涉及環境保護(hu)🔆的計量器具，我(wo)們💋計量部門不(bú)僅要按時周期(qī)檢定，更應該積(ji)極參與到環境(jìng)監測部門對🧑🏽‍🤝‍🧑🏻自(zi)動監測設備驗(yan)收♋和日常核查(chá)等技術文件的(de)制定中，從而保(bao)證環境監測數(shu)據的真實、準确(que)和有效，爲實現(xian)環境保護，減少(shǎo)污染做出應有(yǒu)的貢獻。

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