摘(zhāi)要:簡述(shù)了污水(shuǐ)自動監(jian)測系統(tong)中流量(liang)測量的(de)原理和(he)組成，通(tong)🧡過對标(biao)準巴歇(xiē)爾槽明(ming)渠流量(liang)計
流量(liang)計算數(shu)學模型(xing)的分析(xī)，總結出(chū)污水在(zài)線監測(cè)系統中(zhong)影響流(liu)量測量(liang)精度的(de)5項主要(yao)因素，并(bing)對各項(xiang)因素進(jìn)行了相(xiang)應的技(jì)術分析(xī)。
0引言
随(sui)着環境(jing)污染問(wèn)題日益(yì)嚴重，我(wǒ)國對建(jiàn)立環境(jing)管🆚理⭐體(tǐ)系🈲，加大(dà)環境監(jiān)測力度(du)提出了(le)更高要(yào)求。目前(qian)，國内重(zhong)點排污(wu)企業均(jun1)安裝了(le)污水自(zi)動監測(cè)系統🥰，保(bao)證污水(shuǐ)排放的(de)數據能(néng)夠實時(shi)，上傳至(zhi)市、省環(huán)境監測(cè)部門和(he)國家環(huan)保主管(guǎn)部👣門。爲(wèi)了保㊙️證(zhèng)上傳數(shu)據的有(yǒu)效性，國(guo)家環保(bao)部發布(bu)了HJ/T355-2007《水污(wū)☁️染源在(zai)線監🔞測(ce)系統運(yun)行與✉️考(kǎo)核技術(shu)規範》和(he)HJ/T356-2007《水污染(rǎn)源在🌈線(xiàn)監測數(shù)據有💚效(xiào)性判别(bié)技術規(guī)範》等規(gui)☎️範性文(wen)件。這些(xiē)文件對(duì)有關水(shuǐ)質的🧑🏽🤝🧑🏻監(jiān)測數據(ju)(如化學(xue)需氧量(liàng)COD。、氨氮🤩NH,-N、總(zǒng)磷TP、pH值)等(děng)，詳細規(guī)定了試(shì)驗項目(mu)和數據(ju)要求🆚1-2],但(dàn)對如何(hé)保證水(shuǐ)量的流(liu)量監測(ce)數據的(de)正确，卻(què)沒做要(yao)🏃♂️求。
随着(zhe)主要污(wū)染物總(zǒng)量減排(pai)監測要(yao)求的提(ti)出，這種(zhǒng)情況8益(yi)🐇被發💰現(xian)和重視(shì)。2013年底環(huán)境監測(cè)部門已(yǐ)有人🔅提(tí)出⛹🏻♀️關于(yu)污水流(liú)量監測(ce)質量監(jiān)督檢查(cha)的技術(shù)和方法(fa)3。但從流(liú)量💛計量(liang)專業的(de)角度來(lai)看，環監(jian)部門提(tí)☀️出的方(fāng)法僅對(duì)相關計(ji)量檢定(dìng)規程項(xiàng)目進行(háng)了簡化(hua)和重組(zǔ)，并沒有(yǒu)進行深(shen)人的計(jì)量技💚術(shù)分析，無(wú)法保證(zhèng)現場流(liu)量數據(ju)的精度(du)。而本文(wen)則根據(ju)現場檢(jian)定明渠(qu)污水流(liú)量計的(de)大量樣(yàng)本數據(jù)，做出了(le)一定⭕的(de)分析，爲(wèi)進一步(bù)正确實(shí)現污水(shuǐ)流量在(zai)線監測(cè)打下了(le)--定的基(jī)礎。
1污水(shuǐ)流量測(ce)量
1.1原理(lǐ)及組成(cheng)
由于排(pái)污口标(biao)準化和(hé)視頻監(jian)控的需(xū)要，污水(shuǐ)流量自(zì)☂️動監測(cè)🌈系統以(yi)堰槽式(shì)明渠流(liú)量計爲(wei)流量計(ji)量的主(zhu)要方式(shi)。堰☀️槽式(shì)明渠♍流(liu)量計的(de)原理是(shì)在明渠(qu)中設置(zhì)标準量(liàng)水堰槽(cao)💚(如巴歇(xiē)爾量水(shui)槽和矩(jǔ)形薄壁(bì)堰等)，并(bìng)按規定(dìng)位置測(ce)量水位(wei)，則流過(guò)堰槽的(de)流🍓量與(yǔ)水位呈(cheng)單值關(guan)系，根據(jù)相應流(liu)量公式(shi)或經驗(yan)關系式(shi)，将測出(chū)的水位(wèi)值換算(suàn)成流量(liàng)值。流量(liàng)計由标(biāo)準量水(shui)堰槽和(he)液位流(liú)🌈量轉換(huàn)儀📱表(二(èr)次儀表(biǎo))所組成(chéng)。如圖1所(suo)示。
據統(tǒng)計，本次(cì)試驗污(wū)水流量(liang)自動監(jian)測系統(tǒng)共計338台(tai)堰槽🈲式(shì)明渠流(liú)量計。其(qi)中，巴歇(xie)爾槽式(shì)占68.2%,矩形(xing)薄壁🈲堰(yàn)占14.5%，其他(tā)堰槽類(lei)型⛹🏻♀️占17.3%，本(běn)文以标(biāo)準巴歇(xiē)爾槽明(ming)渠流量(liang)計爲例(li)進行分(fèn)析。
1.2标準(zhǔn)巴歇爾(ěr)槽明渠(qu)流計算(suàn)的數學(xué)模型
标(biao)準巴歇(xiē)爾槽流(liú)量Q按下(xia)式計算(suan):
式中:C爲(wei)流量系(xi)數;b爲喉(hou)道寬度(dù)，m;ha爲實測(ce)液位，m。
由(yóu)标準巴(bā)歇爾槽(cáo)明渠流(liú)量計的(de)基本原(yuan)理和流(liú)量計算(suàn)公式可(ke)知，流量(liàng)測量的(de)精度直(zhi)接依賴(lai)于流量(liang)系數C的(de)精度、喉(hou)🐅道寬度(du)測量的(de)精度和(he)實測液(yè)位的🔞精(jing)度。其中(zhong)，實測♻️液(ye)位的精(jing)度評估(gu)又包含(han)三個因(yin)素的影(ying)響:液位(wei)計測量(liang)的精度(du)、測量液(yè)位計零(líng)點的儀(yi)器的測(cè)量精度(dù)和液面(mian)的擾動(dong)情況。
2現(xiàn)場流量(liàng)測量精(jing)度的影(ying)響因素(su)
通過上(shàng)述分析(xī)，我們可(ke)以總結(jie)出基于(yú)明渠流(liú)量計的(de)污🎯水在(zài)線監測(cè)系統中(zhong)，影響流(liú)量測量(liàng)精度的(de)主要因(yīn)🌂素有以(yǐ)下幾個(gè)方面:
1)堰(yàn)槽的類(lèi)型，主要(yào)确定流(liú)量系數(shu)的測量(liang)精度;
2)實(shi)測液位(wei)的精度(du)，主要取(qǔ)決于液(ye)位計測(ce)量的精(jing)度和測(ce)量🔞液位(wèi)計零點(diǎn)的儀器(qi)的測量(liang)精度;
3)液(yè)位測量(liang)的重複(fu)性，由液(ye)面的擾(rǎo)動或平(píng)穩程度(dù)決🚶♀️定，主(zhǔ)要影響(xiang)多次液(yè)位測量(liàng)讀數的(de)平均值(zhi)的測量(liang)精度;
4)堰(yàn)槽的幾(jǐ)何尺寸(cùn)，主要取(qu)決于喉(hóu)道寬度(du)(或其他(ta)堰槽中(zhong)的闆、槽(cáo)尺寸)的(de)測量儀(yi)器的精(jing)度;
5)水位(wei)-流量轉(zhuǎn)換誤差(cha)，由流量(liàng)計二次(cì)儀表的(de)軟件産(chan)生。由于(yú)各種堰(yan)槽明渠(qú)流量計(ji)的流量(liang)計算公(gong)式涉💜及(ji)多個參(can)數，流量(liang)計生産(chǎn) 廠家在(zài)軟件系(xi)統進行(háng)換算時(shí)，各個參(cān)數🐪根據(jù)不同的(de)設計尺(chi)寸範圍(wéi)以數據(jù)庫函數(shù)的方式(shì)進行存(cún)儲，由于(yú)存儲空(kong)間的限(xian)制造成(chéng)無法足(zú)夠精确(que)的設置(zhì)參數，因(yīn)此造成(cheng)流量計(ji)顯🍓示值(zhí)的誤差(cha)。
2.1堰槽的(de)類型
明(míng)渠流量(liàng)計在進(jìn)行堰槽(cáo)選擇時(shi),現場主(zhǔ)要考慮(lü)流量範(fan)✔️圍和設(shè)計施工(gōng)難度等(deng)因素。根(gēn)據國家(jia)計量檢(jiǎn)定規程(cheng)JJG771-1990《明渠堰(yan)槽流🛀量(liàng)計✏️試行(hang)檢定規(guī)程》[5]和各(gè)種類型(xing)堰槽的(de)相關ISO國(guó)際标準(zhǔn)[6-10]，幾種常(cháng)用堰槽(cao)的流量(liàng)範圍和(he)流量系(xì)數所引(yin)入的測(cè)量誤差(cha)如表1所(suo)示。
通過(guò)表1可知(zhī)，幾種堰(yàn)槽的流(liú)量系數(shù)所引入(ru)的測量(liang)誤差相(xiang)差不大(dà)，各種堰(yàn)槽類型(xíng)在技術(shù)上并無(wu)高下🔱之(zhī)分。在綜(zōng)合考慮(lü)流🌏量适(shì)用範圍(wei)和現場(chang)設計施(shi)工難度(dù)後🔅，巴歇(xie)爾☁️槽和(he)薄壁堰(yàn)具有--定(ding)的❓優勢(shì)。兩者相(xiang)比，薄壁(bì)堰🔞的優(yōu)點是制(zhì)作方便(biàn)🏃🏻，安裝簡(jiǎn)單，缺點(dian)是水頭(tou)損失較(jiào)大，污水(shui)中的泥(ní)㊙️沙和懸(xuan)浮物容(rong)易在堰(yan)前沉積(ji)使水位(wèi)⛱️提高而(er)影響測(cè)量的精(jing)度。巴歇(xie)爾槽的(de)優點是(shi)測量範(fàn)圍寬，水(shuǐ)頭損失(shi)小，污🛀水(shuǐ)中懸浮(fú)物不易(yì)沉積，但(dàn)加工和(he)安裝較(jiào)爲複雜(zá)”。
2.2液位測(cè)量的精(jing)度
明渠(qu)流量計(jì)中的實(shi)際液位(wèi)測量涉(shè)及液位(wei)計零點(dian)(即💋液✉️位(wei)⚽零點😄)和(he)液位計(ji)測量精(jing)度等兩(liǎng)個方面(miàn)，早期的(de)浮🛀🏻子式(shi)液位🏃♂️計(ji)由于測(cè)量精度(dù)太低已(yǐ)經被淘(tao)汰，壓力(li)式液位(wei)計由于(yú)易受污(wū)水腐蝕(shí)和沉積(ji)物覆蓋(gai)影響也(yě)較少使(shǐ)用"，現在(zài)主要使(shi)用超聲(shēng)波㊙️液位(wei)計。超聲(sheng)波測液(yè)位爲非(fēi)接觸式(shì)測量，可(ke)以不受(shou)液體性(xing)質🤩的影(ying)響，但液(yè)體表面(mian)浮沫和(he)固體漂(piao)浮物較(jiao)多時也(ye)會受到(dào)影響。
本(ben)次試驗(yàn)的明渠(qu)流量計(jì)全部采(cai)用的超(chao)聲波液(yè)位計😍,廠(chang)家标💞稱(chēng)的測量(liàng)精度爲(wèi)不大于(yu)3mm,滿足環(huán)保行業(yè)🐕标準❗HJ/T15-2007《環(huan)境保護(hù)産品技(ji)術要求(qiú)超聲波(bō)明渠污(wū)水流量(liàng)計》中對(duì)液位測(cè)量誤差(cha)的要求(qiú)[12]。但實際(ji)測量結(jié)果卻相(xiang)差很大(da)，具體數(shu)⁉️據如圖(tú)2所☁️示。
試(shi)驗發現(xiàn)，現場使(shǐ)用的超(chāo)聲波液(yè)位計問(wen)題很多(duo)。零💰點不(bu)準💚的原(yuan)因主要(yao)在于液(ye)位計安(ān)裝時沒(méi)有做好(hao)零點的(de)設置和(hé)校準。水(shui)位超差(chà)的原因(yīn)一部分(fèn)在于液(ye)位計安(an)裝後沒(mei)有做🌐好(hao)現場校(xiao)準，另一(yi)部分在(zai)于㊙️液位(wei)計使用(yòng)過程中(zhōng)傳感器(qi)探頭老(lǎo)化，測量(liang)精度不(bú)🆚達标。
2.3液(ye)位測量(liang)的重複(fu)性
明渠(qu)流量計(ji)液位測(ce)量的重(zhong)複性主(zhu)要取決(jue)于液面(miàn)的📐穩定(ding)程度。液(ye)面平穩(wen)時，液位(wei)測量的(de)重複性(xing)就容🐅易(yì)達标;反(fan)之，水流(liu)不平穩(wěn)，有大量(liang)漩渦、波(bo)浪、泡沫(mò)時，液位(wèi)測量的(de)重複性(xìng)就不滿(mǎn)足😘要求(qiu)。具體情(qing)況如圖(tú)3所示。
上(shàng)述水流(liu)不平穩(wěn)的情況(kuàng)，主要原(yuán)因是明(míng)渠流量(liang)計安裝(zhuang)位置🔅前(qián)端的行(háng)進渠道(dao)長度不(bu)滿足要(yao)求。根據(ju)規程🐉要(yào)求，巴歇(xie)爾槽🏃🏻的(de)安裝條(tiáo)件爲前(qián)端順直(zhi)行進渠(qú)道長度(dù)應不🏒小(xiǎo)于5倍的(de)行進渠(qú)道寬度(dù)，而薄壁(bì)堰則要(yao)求爲10倍(bèi)。很多用(yong)戶受現(xian)場環境(jing)條件的(de)限制，無(wú)法建造(zao)足夠長(zhang)度的行(háng)進渠道(dào)進行整(zhěng)♉流，造成(cheng)流量計(jì)處的流(liu)場條件(jiàn)十分惡(e)劣，無法(fǎ)滿足明(ming)渠流量(liang)計的正(zhèng)常使用(yòng)。針對這(zhè)種情🐇況(kuàng)，有兩種(zhong)方式可(kě)以進行(háng)改善。一(yi)種方式(shi)爲:在流(liu)量計的(de)前端增(zēng)加整流(liú)格栅，減(jiǎn)小水流(liú)🐅的波動(dòng)，但通過(guò)現場試(shì)驗觀察(chá)，效果有(yǒu)限;另一(yī)種方式(shi)爲:在⛹🏻♀️渠(qu)道旁邊(bian)設置一(yī)靜水☔井(jǐng)，由連通(tong)管與渠(qú)道水流(liú)相通，靜(jing)水井底(di)應低于(yú)渠道中(zhong)最低水(shuǐ)位150mm，連通(tong)管管底(dǐ)距井底(dǐ)至少300mm,靜(jìng)水井頂(dǐng)面應大(dà)于預計(jì)最高❤️水(shuǐ)位300mm,這樣(yàng)靜水井(jing)内的水(shuǐ)位與✨渠(qu)道中水(shuǐ)位相同(tong)，把渠道(dao)中的漩(xuán)渦和水(shui)流的脈(mo)動進行(háng)了隔🐪離(lí)，同時也(ye)能大大(dà)減少水(shui)面的🔱泡(pào)沫。現場(chǎng)試驗驗(yan)證，這種(zhǒng)方式能(néng)夠有效(xiào)改善液(ye)面不穩(wěn)的情況(kuang)，保證液(yè)位測量(liàng)的重📐複(fú)性要求(qiú)。
2.4堰槽的(de)幾何尺(chi)寸
堰槽(cao)幾何尺(chǐ)寸的誤(wu)差對測(cè)量結果(guǒ)精度的(de)影響主(zhu)要有🌈兩(liang)個方🧡面(mian):一是改(gai)變了流(liú)量計算(suàn)的數學(xue)模型📧，造(zào)成流量(liang)計二☁️次(ci)儀表計(ji)算的顯(xiǎn)示值産(chan)生誤差(chà)，這種影(ying)響我們(men)通過兩(liang)個實例(li)可以看(kan)到。由表(biao)2可以看(kàn)出，堰槽(cao)幾何尺(chǐ)寸誤差(cha)的增大(dà)可以造(zao)成流量(liang)測量誤(wu)差的增(zeng)大♊，且影(ying)響量不(bú)斷遞增(zēng);二是影(ying)響到了(le)水流經(jing)過堰槽(cáo)時的水(shui)位，從而(er)對液位(wèi)的測量(liàng)産生附(fù)加誤差(cha)。
造成堰(yan)槽幾何(hé)尺寸誤(wu)差的原(yuán)因有三(san)點:一是(shì)制造精(jīng)度問題(tí)，一些企(qi)業爲了(le)節省成(chéng)本，自己(ji)加工堰(yàn)闆💁和槽(cáo)🏃體，由于(yú)條件所(suǒ)限無法(fa)保證加(jiā)工精度(dù)，造成堰(yan)槽的實(shi)物與設(she)計尺寸(cùn)産生誤(wu)🏃♀️差;二是(shì)安裝技(ji)術問🔞題(ti)，一些流(liú)量計的(de)堰✌️闆和(he)槽體在(zai)安裝過(guò)程中，由(yóu)于施工(gōng)者的操(cao)作因素(su)造成安(ān)裝尺寸(cun)誤差，或(huò)是施工(gong)經驗和(hé)溫度原(yuán)因影響(xiang)，造成堰(yàn)闆和槽(cao)體受渠(qu)壁擠♍壓(yā)産生形(xing)變;三是(shi)用戶主(zhǔ)觀因素(su)，一🌈些企(qi)業爲了(le)省事，在(zài)已建好(hao)的不規(guī)💰則的渠(qú)道中安(an)裝😄明渠(qú)流量計(jì)，爲了适(shì)應渠道(dao)，隻能将(jiang)标準的(de)堰闆或(huò)槽體進(jìn)行改造(zào)，造成幾(ji)何尺寸(cun)的偏差(chà)。
2.5水位一(yī)流量轉(zhuǎn)換誤差(cha)
水位-流(liu)量轉換(huàn)誤差直(zhi)接影響(xiang)流量計(ji)的顯示(shì)值，其産(chan)生的主(zhǔ)要原因(yīn)爲:明渠(qu)流量計(jì)通過液(yè)位傳感(gan)器得到(dào)的是原(yuán)始信号(hao)爲液位(wei)信号，需(xu)通過二(èr)次儀表(biao)把液位(wei)信号轉(zhuǎn)換爲流(liú)量值。由(you)🔆于明渠(qu)流量計(jì)的數學(xue)模型都(dōu)比較複(fu)雜，儀表(biao)一般❌使(shǐ)用查表(biǎo)法把液(yè)位🔆轉換(huàn)成流量(liàng)。即每測(ce)到一📐一(yi)個液位(wèi)，到存儲(chǔ)器内找(zhao)對應液(ye)位點的(de)流量替(tì)代。如果(guo)測到的(de)液位在(zai)水位🔞流(liú)量表中(zhong)兩點液(ye)位之間(jian)♌，用線性(xìng)插值法(fa)算出對(duì)應的流(liú)量(3]。因此(cǐ)，設置水(shuǐ)位-流量(liàng)表的點(diǎn)數越多(duō)，轉換精(jīng)度越高(gāo)。
通過現(xian)場試驗(yan)，取兩個(ge)主要廠(chǎng)家軟件(jian)數據庫(kù)内的水(shui)位一流(liú)量表進(jìn)行驗證(zheng)，具體數(shù)據如圖(tu)4所示。
通(tong)過圖4可(ke)以看出(chū):廠家一(yī)的軟件(jiàn)設置爲(wei)30點對照(zhào)，且液♍位(wei)點均勻(yun)分布，而(er)廠家二(èr)設置爲(wèi)10點，不均(jun1)勻分布(bù)👄，則廠家(jia)一顯示(shi)的水位(wèi)流量轉(zhuan)換誤差(chà)明顯小(xiao)于廠家(jiā)二。
3結論(lùn)
污水流(liu)量監測(ce)數據的(de)精度，受(shòu)到多方(fang)面因素(sù)的影響(xiǎng)，在配套(tào)☔設施方(fang)面，需要(yao)保證行(háng)進渠道(dao)的長度(du),正确設(shè)😘立靜🔞水(shuǐ)井。在一(yi)次元件(jiàn)方面，需(xū)選擇合(hé)适的堰(yan);槽類型(xing)，堰槽尺(chi)🧡寸保證(zheng)一定的(de)加工精(jīng)度，液位(wei)傳感器(qì)滿足相(xiang)應精度(dù)要求;在(zai)二次⭐儀(yi)表方面(mian)🈚，需要正(zheng)确🛀的進(jin)行軟件(jian)數據庫(kù)的設🧑🏽🤝🧑🏻計(jì)，通過這(zhe)些才能(neng)保證流(liu)💜量監測(ce)數據㊙️的(de)準确有(yǒu)效。
通過(guò)上述分(fen)析,我們(men)看到實(shi)現污水(shui)流量監(jian)測的堰(yan)槽💛式明(míng)渠流量(liàng)計，不僅(jin)僅是一(yi)個計量(liang)器具，而(er)且作爲(wèi)一個計(jì)量系統(tǒng)牽🏃🏻涉到(dao)選型、設(shè)計、加工(gong)、建築、安(ān)裝、調試(shì)和設置(zhi)，--旦🙇♀️建造(zào)成型，出(chu)現誤差(chà)後很難(nan)從根本(běn)💛上進行(hang)糾正，并(bìng)且在現(xiàn)場受到(dào)各種環(huan)境條件(jian)的影響(xiang)，使用中(zhong)需要經(jīng)常維護(hù)🐉。因此，作(zuo)爲強制(zhì)檢定的(de)涉😄及環(huán)境保護(hù)💃的計量(liàng)器具，我(wǒ)們計量(liang)部門不(bu)僅要按(an)時周期(qi)檢定，更(geng)應該積(ji)極參與(yǔ)到環境(jìng)監測部(bu)門對自(zì)動監測(cè)設備驗(yan)收和日(rì)常核查(chá)等技術(shù)文件的(de)制定中(zhong)，從而保(bǎo)證環境(jìng)監🍉測數(shu)據的真(zhen)實、準确(què)和有效(xiào)🐆，爲實現(xiàn)環境保(bao)護，減少(shao)污染做(zuò)出應有(you)的貢獻(xian)。
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