摘(zhāi)要:結合市政(zhèng)污水管網中(zhōng)常見的非滿(mǎn)管狀态，介紹(shao)🐉了幾🔴種常見(jian)的非滿管測(ce)量流量計 ，分(fèn)析各種流量(liàng)計測量原理(lǐ)、計量性能、應(ying)用場景、安🌍裝(zhuang)條件、經濟成(cheng)本等。爲市政(zhèng)污水管網流(liú)量監測項目(mu)和越來越多(duo)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的污水管網(wǎng)流量監測智(zhi)能化改造❄️項(xiang)目中流量計(jì)的合理選用(yong)提供一定的(de)參考。
1前言.
　　污(wū)水管網系統(tǒng)被稱爲“城市(shi)生命線”，在城(chéng)市中承擔着(zhe)污水💁輸🈚送🐪、控(kòng)制水體污染(ran)及預防内澇(lào)溢流等作.用(yòng)，是保證城市(shì)生活正常✉️運(yùn)轉的重要基(jī)礎設施，因此(cǐ)對污水管網(wang)的建設和監(jiān)測至關重要(yào)。污水管網的(de)流量監㊙️測有(yǒu)助于管網污(wū)染📧物溯源能(neng)力的提升、監(jiān)控企業偷⛱️排(pai)漏排的管控(kòng)、雨污混接🤟的(de)及時整改、城(cheng)市内澇的預(yu)警、海水倒灌(guàn)的監測等，爲(wèi)市政管網的(de)維護提供數(shù)據☁️支撐。如今(jīn)，“建設智👅慧型(xing)城市”已成🏃‍♂️爲(wei)諸多市政工(gōng)程項目的重(zhong)要指導思想(xiǎng)㊙️之一，在水🧑🏾‍🤝‍🧑🏼環(huán)境規劃🐅與治(zhi)理項目中，市(shi)政🙇‍♀️污水管網(wang)的建設或改(gǎi)造是重要的(de)環節，其中‼️，對(duì)于管網的智(zhì)能化、可視化(hua)、實時性管💋理(lǐ)有着越來越(yuè)廣泛的需求(qiú)。在污水管❄️網(wǎng)的設計階段(duan)，在線監測須(xu)被統籌考慮(lü)，特别在一些(xie)老舊管網改(gai)造項目中，新(xīn)增在線監測(cè)通常存在很(hěn)多實際困難(nán)🌈，針對📱複雜的(de)管網環👈境，滿(man)管與非滿管(guǎn)并存的管道(dào)狀态，如何設(shè)置适合的流(liu)量計顯得👣尤(yóu)爲關鍵。
2污水(shui)管網流量測(ce)量難點
　　污水(shui)管網内的流(liu)體來源中，工(gōng)業污水和生(sheng)活污水占💜主(zhu)要部分🎯。
　　工業(yè)污水，流體一(yi)般爲自然流(liú)動，流量大，并(bìng)且非滿管具(ju)有自由水面(miàn)，精确測量有(yǒu)一定的難度(dù)。對污水排入(rù)管網點位👨‍❤️‍👨的(de)點源監測，以(yi)前多采用傳(chuan)統槽式流量(liàng)計，如圖1所示(shi)，不僅精度較(jiào)低，而且❓帶來(lai)較大的水頭(tou)損失✌️，同時對(dui)上遊渠道的(de)坡度及下遊(yóu)水深也均有(you)一定的要求(qiú)，當不能滿足(zú)條件時測量(liàng)精度會降低(di)，有時甚至無(wu)法進行測量(liàng)。如果用傳統(tǒng)的 電磁流量(liang)計 來測量污(wū)水，則需要建(jiàn)造額外的閘(zha)闆和堰闆以(yi)保證🛀🏻滿管，這(zhè)些附加的安(an)裝費用甚至(zhì)會超出流量(liàng)計本身的費(fei)用，大口徑管(guan)道時更是如(ru)此，而且還增(zeng)加了管道堵(dǔ)塞的可能性(xing)。
 
　　生活污水來(lai)源比較分散(sàn)，排水管網末(mo)端流量小，不(bu)易⭐測🛀🏻量🔞，通常(cháng)要在區域主(zhu)幹管道上布(bu)設流量計，對(dui)流量計的合(he)理♍分布提出(chu)更高要求。生(shēng)活污水流量(liang)具有相❗對明(ming)顯的時間周(zhou)期性，導緻管(guan)🙇🏻網内水量産(chan)生波動，對流(liu)量計測:量的(de)穩定🈲性是不(bú)小的考驗。
　　此(ci)外，排水管網(wang)流量測量還(hái)面臨以下問(wen)題:排水管網(wang)内垃圾多、懸(xuán)浮物高，導緻(zhì)數據幹擾多(duo),設備維護成(chéng)本高;監測點(dian)通常🙇‍♀️分布👈較(jiao)爲分散，給市(shì)政電源的接(jie)入帶來難度(dù);監測設📧備通(tōng)常安裝于檢(jiǎn)查井内，對設(she)備的防護等(děng)級以及信号(hào)的傳輸能力(lì)提出更高要(yào)求;現場環📐境(jing)複雜，安裝不(bu)便,維護複雜(zá)等。
3常見的管(guǎn)網流量計介(jie)紹
　　爲解決上(shang)述管網流量(liàng)監測中的難(nán)點與問題，須(xu)選用與實際(ji)☀️工🔞況相适宜(yi)的管網流量(liang)計。目前，常見(jian)的可檢測非(fēi)❌滿管狀态的(de)流量計有以(yi)下幾種:
3.1多普(pu)勒式超聲波(bō)流量計
　　采用(yòng)連續波超聲(sheng)波多普勒原(yuán)理(速度面積(jī)法),超聲波發(fā)射器爲一固(gu)定聲源，随流(liu)體一起運動(dong)的固體顆粒(lì)起了與聲💋源(yuán)有相對運動(dong)的“觀察者”的(de)作用，把入射(shè)到固體顆粒(lì)上的超聲波(bo)🌈反射回接收(shou)據。發射聲波(bō)與接🌂收聲波(bo)之🥰間的頻率(lǜ)🍉差，就是由于(yú)流體中💋固體(ti)顆粒運動而(ér)産生的聲波(bō)多普勒頻移(yí)。這個頻🍉率差(chà)正比于流體(tǐ)流速，則可通(tōng)🔞過測量頻率(lǜ)差求得流速(sù)。
　　非滿管情況(kuang)下的流體斷(duàn)面面積的測(ce)量要比滿管(guǎn)情況下複雜(za)❓一些，将管道(dào)本身的斷面(mian)面積作爲已(yǐ)知條件,進而(er)将此問題轉(zhuan)換爲對管道(dao)内液位的測(ce)量，目前較爲(wei)常見的形式(shì)有以下幾種(zhong):
(1)在管道正上(shàng)方居中位置(zhì)開孔，外加 超(chāo)聲波液位計(ji) 。
(2)在管道内部(bu)的正上方固(gu)定超聲波液(yè)位探頭。
(3)在管(guǎn)道内底部設(she)置壓力傳感(gǎn)器，可置于測(cè)流速的❗超聲(sheng)💜波🚩聲源傳感(gan)器内,通過所(suǒ)測流體壓力(li)，結合管📱道斷(duàn)面參數等☁️，反(fan)算出液❓位。得(dé)到速度與面(miàn)積，可計算出(chu)流體的流量(liàng)。但這樣的流(liu)量測量的方(fāng)式也導緻了(le)一定的局限(xiàn)性，即 多普勒(le) 式超聲波流(liu)量計 适用于(yú)規則的管道(dao)斷面，如圓形(xing)、矩形等。從測(cè)量介🈲質來看(kàn)，該💁流量計比(bi)較适用于雜(za)質含量較多(duō)的市政污📐水(shuǐ)、污泥的測量(liàng)。常見的多普(pǔ)勒式流量計(jì)傳感器安裝(zhuāng)🚶方式有抱箍(gū)式安裝和🔞杆(gan)式安裝，如圖(tú)2、圖3所示。
 
　　抱箍(gu)式安裝優點(diǎn)是安裝形式(shi)簡潔，在污水(shui)管道中🐉不🔞容(róng)易🏃🏻鈎🈲挂垃圾(jī)導緻管道堵(dǔ)塞。但抱箍安(ān)裝時的固定(dìng)問題決定了(le)該形式🔴較适(shì)用于新建管(guǎn)網管道，現狀(zhuang)管道需做臨(lin)時性堵水處(chu)理，保證安裝(zhuang)時的無水環(huán)境。且㊙️未來維(wei)護時，需要人(rén)員下井進🥵入(ru)管道潛水作(zuo)業。
杆式安裝(zhuang)的優點是，在(zai)管道位置和(he)井室結構清(qing)楚的前🔞提下(xia)，安裝時無需(xu)人員下井，可(ke)以在低水位(wei)時帶水🍉安裝(zhuang)。日常維護☀️方(fang)便，傳感器容(rong)易取出進行(háng)清理。缺點是(shi)容易🧡纏繞垃(la)圾，爲了彌補(bǔ)這一-缺點，減(jian)少✉️杆式安裝(zhuāng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼日常維護🌐的(de)頻率，可将底(di)部固定傳感(gǎn)器的底闆加(jiā)長，讓傳感器(qì)更加深入管(guan)道🤩内部，減少(shǎo)垃🔴圾纏繞的(de)幾率，避免對(dui)監測數據的(de)影響。
3.2多聲道(dao)超聲波流量(liàng)計
　　時差法超(chāo)聲波流量計(ji) 本質上是以(yǐ)超聲脈沖傳(chuan)播速度與流(liú)體流速進行(háng)☀️矢量疊加爲(wei)基礎，通過測(ce)量聲波在順(shun)、逆流過程傳(chuán)👈播所花時間(jian)來确定㊙️流體(tǐ)軸向平均流(liu)速。基于該原(yuán)理的流量計(jì)，目前在工業(yè)上應用得較(jiao)✊爲廣泛。由于(yu)單聲道測🌈量(liàng)受管道參數(shu)、流體運動參(cān)數㊙️變化影響(xiǎng)👌較大，具有一(yi)定的局限性(xìng)，所以用多聲(shēng)道布置以避(bi)免或消除徑(jing)向♉速度分量(liang)引入的偏差(chà),增加聲道對(dui)測量截面的(de)覆蓋🏃🏻‍♂️率。 多聲(sheng)道超聲波流(liu)量計 在多層(céng)面對流體進(jìn)行測量，通常(cháng)采用4到5對傳(chuan)感器，誤差約(yue)爲🔱±1%，适用于滿(mǎn)管、非滿管的(de)流體情況，也(yě)适用于不同(tong)管✉️道材料，如(rú)金屬、水泥等(deng)。同時，配套有(yǒu)儀表井、外部(bu)儀表箱💞及信(xìn)号裝置，安🔴裝(zhuang)環境相對較(jiào)好，便♉于後期(qī)維護。多聲道(dào)超聲波流量(liàng)計儀表🐅井實(shi)景圖如圖4所(suǒ)示。
 
　　常見的多(duo)聲道超聲波(bō)流量計分爲(wèi)外夾式和插(cha)入👈式❓。外夾式(shì)多聲道流量(liàng)計由安裝在(zai)管壁上的多(duo)對超聲換能(néng)器組合而成(chéng)，每條聲道均(jun)過軸中心線(xiàn),可視爲多🏃🏻台(tai)單聲道儀表(biao)的疊加。
　　插入(rù)式流量計 是(shì)将換能器直(zhí)接插入管壁(bì)開孔處以測(cè)量流體流動(dòng)，避免了信号(hào)在管壁中傳(chuan)播這--過程，一(yi)定程度上提(ti)升了流量計(jì)計量性能🛀。一(yi)般在流道中(zhōng)不同高度位(wèi)置處平行布(bù)👉置多條聲道(dào)，每⁉️條聲道測(cè)得的線速度(du)可以代表待(dài)測截✂️面.上相(xiàng)應平行帶内(nèi)流體的平⭕均(jun1)速度，然後對(duì)各條聲道讀(du)數進行加✊權(quan)平均即可估(gū)算出整個流(liú)通截面的流(liú)量🔅。
　　上述兩種(zhong)形式相比，外(wai)夾式流量計(jì)可以直接在(zai)管道外部安(an)裝，或在現狀(zhuàng)管網.上的閥(fá)門井内安裝(zhuang)，無需設♈置專(zhuan)門的流量計(jì)井。在排水管(guan)網監測改造(zào)項目中，更不(bu)容易受到土(tǔ)建條件🏒的制(zhi)約。但值得注(zhu)意的是，利用(yòng)✊閥門井安裝(zhuāng)， 外夾式流量(liang)計 容易受到(dao)閥門擾流的(de)幹擾，影響測(cè)量的精度及(ji)穩定🤞性，此外(wài)♻️，外夾式要求(qiu)管道爲均質(zhi)式管材。與外(wài)夾☁️式流量計(jì)📐相比，插入式(shì)多聲道流量(liàng)計聲道空間(jian)覆🌏蓋率更高(gāo)，閥門擾流條(tiáo)件下測量結(jie)果🔞的誤差波(bō)動範圍更小(xiao)🈲，數據重複🌈性(xìng)更好，因而更(geng)能反映出真(zhen)實👄流場分布(bu)信息"。但插入(ru)式📐流量計需(xū)設置專用的(de)流📧量計井,以(yǐ)方便安裝與(yǔ)後期維護。
3.3非(fei)滿管電磁流(liu)量計
　　傳統的(de)電磁流量計(jì)是基于法拉(lā)第電磁感應(yīng)原理,測:量🌈滿(man)管狀㊙️況下的(de)流量，在此基(ji)礎上， 非滿管(guan)電磁流量計(ji) 增加了管道(dào)内液位測量(liang)的功能，進而(er)通過面積速(su)度法計算🚩得(de)到流量。非滿(mǎn)管電磁流量(liang)計常見的液(yè)位測🚩量形式(shì)有♻️以下兩種(zhong):
(1)在傳統的電(diàn)磁流量計相(xiang)鄰位置的管(guan)道正上方居(jū)中部位開⭐孔(kong)，外加超聲波(bo)液位計。
(2)通過(guo)在管道内設(she)置發射電極(ji),将電極間的(de)電容值通☂️過(guo)一定的比例(li)關系換量成(cheng)流體的液位(wei)高度，增加電(diàn)極對數可以(yǐ)提高測量精(jīng)度，一般爲4~6個(ge)4。
　　測得液位，進(jin)而可以得到(dào)非滿管流體(tǐ)的截面面積(jī)⁉️，結合流速，計(jì)算出流量。
　　非(fēi)滿管電磁流(liú)量計維護工(gōng)作量通常較(jiào)小，但考慮到(dào)污水可能會(hui)在傳感器内(nei)壁附着，形成(chéng)的積聚層會(hui)對🏒傳感器電(dian)導率産生影(yǐng)響，并且由于(yu)非滿管電磁(cí)流量計傳感(gǎn)器均位💰于管(guan)道内部，不易(yi)進行人工㊙️清(qing)潔維護，所以(yǐ)該流量計一(yi)般适用于流(liú)速大于3m/s的管(guan)道，這樣一-定(ding)程度上可以(yǐ)減輕污染☎️物(wu)附着沉積‼️的(de)現象。此外，非(fēi)滿管電磁流(liu)量計需要專(zhuan)用的儀表井(jǐng)，以方便儀表(biao)的安裝與維(wéi)護。
4幾種流量(liang)計的綜合比(bi)較
　　從流量計(ji)的性能來看(kan)，多聲道超聲(shēng)波流量計精(jing)度相對較高(gāo)，一般誤差爲(wèi)1%~2%，是其核心優(you)勢之一，且流(liú)速的測♉量範(fàn)圍較大。多普(pu)勒式流量計(ji)和非滿管電(dian)磁流量計精(jīng)度相當，誤差(cha)🈚約爲3%~5%，且與多(duō)聲道超聲波(bō)液位計相比(bǐ)，流速測量範(fan)圍相對較小(xiǎo)。
　　從應用場景(jǐng)及安裝條件(jiàn)來看，多普勒(lè)式流量計安(ān)裝形式靈活(huo)🏃🏻‍♂️，特别是在老(lǎo)舊的現狀管(guan)網中，更容易(yi)找到合适安(an)裝的點位;儀(yí)表安裝地點(dian)爲管道檢查(chá)井，無需☔過多(duo)額外的土建(jian)施工，但在現(xiàn)狀管網中加(jia)裝該流量計(ji)時,應對相應(ying)位置的檢查(cha)井進行勘查(chá)❓，并根據實際(ji)情況做适當(dang)改造，以滿足(zú)設備的安放(fang)⛱️。多聲道超聲(sheng)波流量計在(zai)安裝時，在管(guan)道外操🛀作，且(qie)可以在管道(dào)帶壓狀态下(xià)🐅進行,方便施(shi)工;多數情況(kuàng)🌈下🚶‍♀️配有專用(yòng)儀表井，儀表(biǎo)箱及信号裝(zhuāng)置安裝環境(jìng)📞相對較好，便(biàn)于後期維🐕護(hu)。對于🤟非滿管(guǎn)電磁流👨‍❤️‍👨量計(jì)🚩，由于其檢測(ce)電極通常以(yi)管道襯裏的(de)形式設置，再(zai)将該段管道(dao)整體嵌入管(guǎn)網中，通常要(yào)在新建管網(wǎng)中提前考慮(lü)安裝位置,并(bing)設置儀🌏表井(jing)。雖然安裝要(yao)求較高，但後(hou)期維護工作(zuò)相對較少。.
　　從(cong)經濟性來看(kàn)，多普勒式流(liu)量計由于機(jī)箱、蓄電池🛀🏻等(děng)相關設備置(zhì)于管道或檢(jiǎn)查井内，環境(jing)較爲惡劣，對(dui)設備的防護(hù)等級及維護(hu)頻率提出更(geng)高要求;安裝(zhuang)時常✨爲帶水(shuǐ)作業，需👈要聘(pìn)請具有潛水(shui)作業資質的(de)人員進行安(an)裝。基于以上(shàng)原因，除流量(liàng)計本身造⛹🏻‍♀️價(jià)較高外，安裝(zhuang)及後期維護(hu)還需要額外(wài)投入。與之相(xiang)比，多聲道超(chao)聲波流量計(ji)造價相對較(jiao)低，但需考慮(lǜ)儀表井、管線(xiàn)開挖等額外(wài)的土建費用(yòng)。非滿管電磁(cí)流量計目前(qián)在國内應用(yòng)較少,産品多(duo)爲國外進口(kou)，價格較高。影(yǐng)響經濟性的(de)因素較多，本(ben)文不做更🏃🏻多(duō)讨論，實際項(xiàng)目中，須結合(he)具體情況，對(dui)各種流量計(ji)的經濟性進(jìn)行評價。
5結論(lùn)
(1)多普勒式流(liú)量計，安裝形(xíng)式靈活，可以(yǐ)利用現狀檢(jian)查井⛹🏻‍♀️作爲安(an)裝地點，建議(yi)用于現狀管(guǎn)網智慧化監(jiān)👣測改造的項(xiang)目🔞中。在選擇(zé)流量計安裝(zhuang)位置時，盡量(liàng)選在管道直(zhí)線段，且注🍉意(yi)檢查井前後(hou)管道無過大(dà)的高差，防止(zhi)井内渦流或(huo)跌水現象對(dui)測量精度産(chan)🔴生影響。由于(yú)涉及下井帶(dài)🌈水作業，施工(gong)🔅現場需進行(háng)相關施工安(an)🌈全組織，請具(jù)有潛水作業(yè)資質的人員(yuan)進行安裝，同(tóng)時需要協調(diao)排水管網管(guan)理單位，降低(dī)管網内水位(wei)。
(2)多聲道超聲(shēng)波流量計，測(cè)量精度高，測(cè)量範圍廣，在(zai)設計時要提(ti)前考慮流量(liàng)計及專用井(jǐng)位置，滿足直(zhí)管段和儀✏️表(biao)井尺寸的要(yao)求。建議用于(yú)新建管網的(de)流量監測項(xiang)目🌈中，相關管(guan)線及結構專(zhuān)業可以較早(zǎo)的介入。若在(zai)現狀管網加(jiā)裝該流量計(jì)，需💞考慮是否(fǒu)有合适位置(zhì)滿足流量計(ji)設置要求并(bìng)且便于土建(jian)⛱️施工。
(3)非滿管(guan)電磁流量計(jì)解決了傳統(tǒng)電磁流量計(jì)隻能測:滿管(guǎn)工況的問題(tí)，但其結構較(jiào)爲複雜，且該(gai)流量😄計安裝(zhuang)後将成爲管(guǎn)道的一部分(fen)，具有較大的(de)局限🤞性。此外(wai)，考慮其成本(ben)較高、國内應(yīng)用經驗較少(shao)等因素，目前(qian)不👄建議非滿(mǎn)✏️管電磁流量(liang)計在污水管(guan)網中🔞應用。

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