摘要:結合市政污(wu)水管網中常見的(de)非滿管狀态，介紹(shào)🏃🏻‍♂️了幾❗種常見的非(fēi)滿管測量流量計(jì) ，分析各種流量計(ji)測量原理、計量性(xìng)能、應用場景、安裝(zhuang)條件、經濟成本等(děng)。爲市政污水管網(wang)流量監測項目和(he)越來越多✌️的污水(shuǐ)管🔞網流量監測智(zhì)能化改造項目中(zhong)㊙️流量計的合理選(xuan)用提供一定的參(can)考。
1前言.
　　污水管網(wǎng)系統被稱爲“城市(shi)生命線”，在城市中(zhong)承擔👨‍❤️‍👨着污水輸送(sòng)、控制水體污染及(jí)預防内澇溢流等(deng)作.用，是保證☁️城市(shi)生活正常運轉的(de)重要基礎設施，因(yin)此對污水管網的(de)建設👅和監測至關(guān)重要。污水管網的(de)流量監測有助于(yú)💚管網污染😘物溯源(yuán)能力的提升💋、監控(kong)企業偷排漏排的(de)管控、雨污混接的(de)及時整改、城市内(nei)澇的預警、海水倒(dao)灌的監測等，爲市(shi)政管網的維護提(tí)供數據支撐。如今(jin)，“建設智慧型城市(shì)”已成爲諸多市政(zhèng)工程項目的重要(yao)指導思♊想之一，在(zài)水環境規劃與治(zhi)理項目中，市政污(wu)水管網的建設或(huò)㊙️改造是重要的環(huan)🐆節，其中，對于管網(wang)的智能化、可視🌏化(hua)、實時性管理有着(zhe)越來越廣泛的需(xū)求。在污水管網的(de)設計階段，在線監(jiān)測須被統籌考慮(lǜ)，特别在一些老舊(jiu)管網改造項目中(zhong)，新增在🐅線監測☎️通(tōng)常存在很多實際(ji)困難，針對複雜的(de)管網環境，滿管與(yu)非滿管并存的管(guan)道狀态，如何設置(zhì)🏃🏻适合的流量計顯(xian)得尤爲關鍵。
2污水(shuǐ)管網流量測量難(nan)點
　　污水管網内的(de)流體來源中，工業(yè)污水和生活污水(shui)占主要部♌分。
　　工業(ye)污水，流體一般爲(wei)自然流動，流量大(dà)，并且非滿管具有(you)自由水面，精确測(cè)量有一定的難度(du)。對污水排入管網(wang)點位的點源監測(cè)，以前多采用傳統(tǒng)槽式👨‍❤️‍👨流量計，如圖(tú)1所示，不僅精度較(jiao)低，而且帶來較大(dà)的水頭損失，同時(shí)對上㊙️遊渠道的坡(po)度及下遊水深也(yě)🈲均有一定的要求(qiu)，當不能滿足條件(jian)時測量精度會降(jiang)低，有時甚至無法(fǎ)進行測量🎯。如果用(yòng)傳統的 電磁流量(liang)計 來測量污水，則(ze)需要建造額外的(de)閘闆和堰闆以保(bao)證滿管🌈，這些附加(jiā)的安裝費用甚至(zhi)會超出流量計本(běn)身的費用，大口徑(jìng)管道🤞時更是如此(ci)，而且還增加📱了管(guǎn)道堵塞的🔴可能性(xìng)💛。
 
　　生活污水來源比(bi)較分散，排水管網(wang)末端流量小，不易(yì)測⭐量，通常📧要在區(qū)域主幹管道上布(bu)設流量計，對流量(liang)🔴計的合理分布提(tí)出🔴更高要求。生活(huó)污水流量具有相(xiàng)對明顯的時間周(zhōu)期性，導緻管網内(nèi)水量産生波動，對(duì)流量計測:量的穩(wěn)定性是不小的考(kao)驗。
　　此外，排水管網(wǎng)流量測量還面臨(lín)以下問題:排水管(guan)網内垃圾多、懸浮(fú)物高，導緻數據幹(gan)擾多,設備維護成(chéng)本高;監測點通常(chang)分布較爲分散，給(gěi)市政電源的接入(rù)帶來難度;監測設(shè)備通常安裝于檢(jiǎn)查井内，對♈設備的(de)防護等級以及信(xin)号的🈲傳輸能力提(ti)出更高要求;現場(chǎng)環境複雜，安裝🐇不(bú)便,維護複雜等。
3常(cháng)見的管網流量計(jì)介紹
　　爲解決上述(shu)管網流量監測中(zhōng)的難點與問題，須(xū)選用與實⛱️際工況(kuang)相适宜的管網流(liu)量計。目前，常見的(de)可檢⛱️測非滿管狀(zhuang)态的流量計有以(yǐ)下幾種:
3.1多普勒式(shì)超聲波流量計
　　采(cai)用連續波超聲波(bo)多普勒原理(速度(dù)面積法),超聲💜波發(fā)射器爲一固定聲(shēng)源，随流體一起運(yùn)動的固體顆粒👅起(qi)了與聲👣源有相對(dui)運動的“觀察者”的(de)作用，把入射到固(gù)體顆粒上的超聲(sheng)波反射回接收據(jù)。發射⛷️聲波與接❓收(shou)聲波之❌間的頻率(lǜ)差，就是由于流體(ti)中🥵固體顆粒運動(dòng)而産生的聲波多(duo)普勒頻移。這個頻(pín)率差正比于流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻體(ti)流速，則可通過測(cè)量頻率差求得流(liu)速。
　　非滿管情況下(xia)的流體斷面面積(ji)的測量要比滿管(guǎn)情況下複雜一些(xie)，将管道本身的斷(duàn)面面積作爲已知(zhi)條件,進而将此問(wen)題轉換爲對管道(dào)内液位的測📱量，目(mu)前較爲常見的形(xíng)式有以🌈下幾種:
(1)在(zai)管道正上方居中(zhōng)位置開孔，外加 超(chao)聲波液位計 。
(2)在管(guan)道内部的正上方(fang)固定超聲波液位(wèi)探頭。
(3)在管道内底(dǐ)部設置壓力傳感(gǎn)器，可置于測流速(su)的超聲波聲源傳(chuán)感器内,通過所測(ce)流體壓力，結合管(guan)👄道斷面參數等，反(fan)算出液位。得到速(sù)度與面積，可計算(suan)出流體的流♻️量。但(dàn)這樣的流☎️量測量(liang)🔴的方式也導緻了(le)一定的局限性，即(jí) 多普勒 式超聲波(bō)流量計 适用于規(guī)則的管道斷面，如(rú)圓形、矩形等。從測(cè)量介❗質來看，該流(liú)量計比較适用于(yu)雜質含量較多的(de)市政污水、污泥的(de)測量🐪。常見的多普(pǔ)勒式流量計傳感(gǎn)⛷️器安裝👉方式有☂️抱(bào)箍式❌安裝和杆式(shì)安裝，如圖2、圖3所示(shì)。
 
　　抱箍式安裝優點(diǎn)是安裝形式簡潔(jié)，在污水管道中不(bú)容易鈎挂垃圾導(dǎo)緻管道堵塞。但抱(bao)箍安裝時的固定(ding)💜問題決定✏️了該形(xing)式較适用于新建(jiàn)管網管道，現狀管(guan)道需做臨時性堵(dǔ)水處🐆理，保證安裝(zhuang)時的無水環境。且(qiě)未來維護時，需要(yào)人員下井進入管(guan)道潛水作業。
杆式(shì)安裝的優點是，在(zài)管道位置和井室(shi)結構清楚的前🌐提(tí)❓下，安裝時無需人(ren)員下井，可以在低(di)水位時帶水安裝(zhuang)‼️。日常維護方便，傳(chuan)感器容易取出進(jin)行清理。缺點是容(róng)易纏繞垃圾，爲了(le)彌補這一-缺點，減(jiǎn)少💋杆式安裝日常(chang)維護的頻率，可将(jiāng)底部固定傳感器(qì)的底闆加長🚩，讓傳(chuán)感器更加深入管(guǎn)道内部，減少垃圾(ji)纏繞的幾🆚率✌️，避免(miǎn)對監測數據的影(yǐng)響。
3.2多聲道超聲波(bō)流量計
　　時差法超(chāo)聲波流量計 本質(zhì)上是以超聲脈沖(chòng)傳播速度與流體(tǐ)流速進行矢量疊(die)加爲基礎，通過測(ce)量聲波在順、逆流(liu)過程傳🍉播所花時(shí)間來确定流體軸(zhóu)向平均流速。基于(yu)該原理的流⛹🏻‍♀️量計(ji)，目前在工業上應(ying)用得較爲廣泛。由(you)于單聲道測量受(shòu)管道參數、流體㊙️運(yùn)動參數變化影響(xiang)較大，具有一定的(de)局限性，所以用多(duo)聲💘道布置以避免(mian)或消除徑❄️向速度(dù)分量引入的偏差(cha),增加聲道對測量(liang)截面的覆蓋率。 多(duō)聲道超聲波流量(liàng)計 在多層面對流(liu)體進行測量，通常(chang)采用4到5對傳感器(qì)，誤差約爲±1%，适🌈用于(yu)滿管、非滿管的流(liú)體情況，也适用于(yú)不同管道材料，如(ru)金屬💯、水泥等。同時(shi)，配套有儀表井、外(wài)部儀表箱及信号(hao)裝置，安裝環境相(xiàng)對較好，便于後期(qī)維㊙️護。多聲道超聲(shēng)波流量計儀表💃井(jing)實景圖如圖4所示(shì)。
 
　　常見的多聲道超(chāo)聲波流量計分爲(wèi)外夾式和插入式(shì)。外🈲夾式多聲道流(liú)量計由安裝在管(guan)壁上的多對超聲(sheng)換能👨‍❤️‍👨器組合而成(cheng)，每條聲道均過軸(zhóu)中心線,可視爲多(duō)台單聲道儀表的(de)疊加。
　　插入式流量(liang)計 是将換能器直(zhí)接插入管壁開孔(kǒng)處以測量流體流(liu)💘動🤩，避免了😄信号在(zai)管壁中傳播這--過(guo)程，一定程度上提(ti)升了流量計計量(liang)🏃‍♂️性能。一般在流道(dào)中不同高度位置(zhi)處平行布👣置多條(tiáo)🐉聲道，每條聲道💰測(cè)得的線速度可以(yǐ)代⭐表待測截面.上(shàng)相應♈平行帶内❌流(liu)體的平均速度，然(rán)後對各條聲道讀(dú)數進行加權平均(jun)即可🈲估算出整個(ge)流通截面的流量(liang)。
　　上述兩種形式相(xiang)比，外夾式流量計(jì)可以直接在管道(dao)外部安🈲裝，或在現(xian)狀管網.上的閥門(mén)井内安裝，無需設(shè)置專門的流量計(jì)井。在排水管網監(jiān)測改造項目中，更(gèng)不容易👅受到土建(jiàn)條件的制約🏒。但值(zhi)得注意👨‍❤️‍👨的是，利用(yong)閥門井安裝， 外夾(jia)式流量計 容易受(shòu)到閥門擾流的幹(gan)擾，影響測量的精(jing)度及穩定🔞性，此外(wai)，外夾式要求管道(dào)爲均質式管材。與(yu)外夾式流量計相(xiang)比🥵，插入式多聲道(dao)流量計聲道空間(jiān)覆蓋率更㊙️高，閥門(men)擾流條件下測🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量(liang)結果的誤差波動(dong)範圍更小，數據重(zhòng)複💁性更好，因而更(gèng)能反映出真實流(liu)場分布信息"。但插(chā)入式流量計需設(shè)置專用的流量計(jì)井,以方便安裝與(yǔ)後期維護。
3.3非滿管(guan)電磁流量計
　　傳統(tong)的電磁流量計是(shi)基于法拉第電磁(cí)感應原理🐕,測🔴:量📐滿(mǎn)管👅狀況下的流量(liang)，在此基礎上， 非滿(mǎn)管電磁流量計 增(zēng)加了管道内液位(wèi)測量的功能，進而(ér)通過面積速度🈲法(fǎ)計算得🔅到流量。非(fei)滿管電磁流量計(ji)常見的液位測量(liàng)形🌈式有📞以下兩種(zhong)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼:
(1)在傳統的電磁流(liu)量計相鄰位置的(de)管道正上方居中(zhōng)部⭐位開孔，外加超(chāo)聲波液位計。
(2)通過(guò)在管道内設置發(fā)射電極,将電極間(jian)的電容值通🧡過💋一(yī)定的比例關系換(huàn)量成流體的液位(wei)高度，增加電極對(dui)數可以提高測🔞量(liang)精度，一般爲4~6個4。
　　測(cè)得液位，進而可以(yǐ)得到非滿管流體(ti)的截面面積，結合(hé)🛀流速，計算出流量(liàng)。
　　非滿管電磁流量(liang)計維護工作量通(tōng)常較小，但考慮到(dào)污㊙️水👨‍❤️‍👨可能會在傳(chuan)感器内壁附着，形(xing)成的積聚層會對(duì)傳感器電導率産(chan)生影響，并且由于(yú)非滿管電🚶‍♀️磁流量(liàng)計傳感器均位于(yu)管道🐆内部，不易進(jin)行人工清潔維護(hu)，所以該流量計一(yi)般♉适用于流速大(dà)于3m/s的管道，這樣一(yī)-定程度上可以減(jiǎn)輕污染物附着沉(chén)積的現象。此外，非(fēi)滿管電磁流量計(ji)需要專用的儀表(biǎo)✌️井，以方便儀表的(de)安裝與維護。
4幾種(zhong)流量計的綜合比(bi)較
　　從流量計的性(xìng)能來看，多聲道超(chāo)聲波流量計精度(du)相對較高，一般誤(wu)差爲1%~2%，是其核心優(you)勢之一，且流速的(de)測量範圍較大。多(duō)普勒式流量計和(he)非滿管電磁♉流量(liang)計精度相當，誤差(chà)約爲3%~5%，且與多聲道(dào)超聲波液㊙️位計相(xiàng)比，流速測量範圍(wéi)相對較小。
　　從應用(yong)場景及安裝條件(jian)來看，多普勒式流(liú)量計安裝形🈚式靈(líng)🌍活，特别是在老舊(jiu)的現狀管網中，更(gèng)容易找到合适㊙️安(ān)裝的點位;儀表安(an)裝地點爲管道檢(jian)查井，無需過多額(e)外的土建施工，但(dan)在現狀管網中加(jiā)裝該流量計時,應(yīng)對相應位置📧的檢(jian)查井進行勘查，并(bing)根據實際情況做(zuò)适當改造，以滿足(zú)設備的安放。多聲(shēng)道超聲波流量計(jì)在安裝時，在管道(dào)外操作，且可以在(zài)管道帶壓狀态下(xià)進行,方便施工;多(duō)數情況下配有專(zhuan)用儀表井，儀表箱(xiāng)及信号裝🔴置安裝(zhuāng)環境相對較好，便(bian)于後期維護。對于(yú)👄非滿管電磁流量(liang)計💋，由于其檢測電(dian)極通常以管道襯(chèn)裏的形式設置，再(zai)🔞将該段管道整體(ti)嵌入管網中，通常(chang)要在新建管網🏒中(zhong)提⛱️前考慮安裝位(wei)置,并‼️設置儀🛀🏻表井(jǐng)。雖然安裝要求較(jiào)高，但🧡後期維護工(gong)作相對較少。.
　　從經(jīng)濟性來看，多普勒(le)式流量計由于機(jī)箱、蓄電池等相關(guan)設備置于管道或(huo)檢查井内，環境較(jiao)爲惡劣✨，對設備的(de)🌏防護等級及維護(hù)頻率提出更高要(yào)求;安裝時常爲帶(dài)水作業，需要聘請(qing)具有潛水作業資(zi)質㊙️的人員進行安(ān)裝。基于以上原因(yin)，除流量計本身造(zao)🔞價較高外，安裝及(ji)後期維護還需要(yao)額外投入。與之相(xiang)比，多聲道超聲波(bō)流量計造價相對(dui)較低，但需考👨‍❤️‍👨慮儀(yi)表井、管線開挖等(děng)額外的土建費用(yong)。非滿管電磁流量(liàng)計目前在國内應(ying)用較少,産品多爲(wei)國外進口，價格較(jiào)高。影響經濟性的(de)因㊙️素較多，本文不(bú)做更多讨論，實際(jì)項目中，須結合具(ju)體情況，對各種流(liu)量計的經濟性🏒進(jìn)行評價。
5結論
(1)多普(pǔ)勒式流量計，安裝(zhuāng)形式靈活，可以利(lì)用現狀檢查井作(zuò)爲安裝地點，建議(yì)用于現狀管網智(zhi)慧化監📱測改造的(de)項目🈚中。在選擇流(liu)量計安裝位置時(shí)，盡量選在管道直(zhi)線段，且注🈚意檢查(cha)井前後管道無過(guò)大的高差，防🥰止井(jing)内渦流或跌水現(xiàn)象對測🏃🏻量精度産(chǎn)生影響。由于涉及(ji)下井帶水作業，施(shi)工現場需進行☂️相(xiàng)關施工安全組織(zhī)，請具有潛水作業(yè)資質的人員進行(hang)安裝，同時需🐪要協(xie)調排水管網管理(li)單位，降低管網内(nei)水位。
(2)多聲道超聲(sheng)波流量計，測量精(jīng)度高，測量範圍廣(guǎng)，在設計時要提前(qián)考慮流量計及專(zhuan)用井位置，滿足直(zhi)管段和儀表井尺(chi)寸的要求。建議用(yong)于新建管網的流(liu)量監測項目中，相(xiang)關管線及結構專(zhuān)業可以較早的介(jie)入。若在現狀管網(wang)加裝該流量計，需(xū)考慮是否👣有合适(shì)位置滿足流量計(jì)設置要求并且便(biàn)于土建🧑🏾‍🤝‍🧑🏼施工。
(3)非滿(man)管電磁流量計解(jie)決了傳統電磁流(liu)量計隻能👅測:滿管(guǎn)工‼️況的問題，但其(qi)結構較爲複雜，且(qiě)該流量計安裝後(hou)将成爲管道的✍️一(yi)部分，具有較大的(de)局限性。此外，考慮(lǜ)其成本較🐆高、國内(nèi)應用經驗較少等(deng)因素，目前不✉️建議(yi)非滿管電磁流量(liang)計在污水管網中(zhong)應用。

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