摘要(yao):結合市政(zheng)污水管網(wang)中常見的(de)非滿管狀(zhuang)态，介紹了(le)幾種常見(jian)的非滿管(guan)測量流量(liang)計 ，分析各(ge)種流量計(ji)測量原理(li)、計量性能(neng)、應用場景(jing)、安裝🏃🏻條件(jian)、經濟成本(ben)等。爲市政(zheng)污水管網(wang)流量監測(ce)項🈲目和越(yue)來🔆越多的(de)污水管網(wang)流量監測(ce)智能化改(gai)造項目中(zhong)流量計🌈的(de)合理選用(yong)提♈供一定(ding)🐇的參考。
1前(qian)言.
　　污水管(guan)網系統被(bei)稱爲“城市(shi)生命線”，在(zai)城市中承(cheng)擔着污水(shui)輸送、控制(zhi)水體污染(ran)及預防内(nei)澇溢流等(deng)作.用，是🐆保(bao)證城市生(sheng)活🍉正常運(yun)轉的重要(yao)基礎設施(shi)，因此對污(wu)㊙️水管網的(de)建設和監(jian)測至關重(zhong)要。污水管(guan)網的流量(liang)監測有助(zhu)于管網污(wu)染物溯源(yuan)能力的提(ti)升🐅、監控企(qi)業偷排漏(lou)排的管控(kong)、雨污混接(jie)的及時整(zheng)改、城市内(nei)澇的預警(jing)、海水倒灌(guan)的監測等(deng)，爲市政管(guan)網的維護(hu)提供數據(ju)支撐。如🙇‍♀️今(jin)，“建設智慧(hui)型城市”已(yi)成爲諸多(duo)市政工程(cheng)項♉目的重(zhong)要指導思(si)想之一，在(zai)水環境規(gui)劃與治理(li)項目中，市(shi)政污水管(guan)網的建設(she)或👣改造是(shi)重要的環(huan)節，其中⛷️，對(dui)于管網的(de)智能化、可(ke)視🚩化、實時(shi)性管👅理有(you)着越來越(yue)🔞廣泛的需(xu)求。在污水(shui)管🔞網的設(she)計階段，在(zai)線監測💜須(xu)被統籌考(kao)慮，特别在(zai)一些老舊(jiu)管網改造(zao)項目中，新(xin)增在線監(jian)🍉測通常存(cun)在💃🏻很多實(shi)際困難，針(zhen)對複雜的(de)管網環境(jing)，滿管與非(fei)滿🧑🏽‍🤝‍🧑🏻管并存(cun)的管道狀(zhuang)态，如何設(she)置适合的(de)流量計顯(xian)得尤爲關(guan)鍵。
2污水管(guan)網流量測(ce)量難點
　　污(wu)水管網内(nei)的流體來(lai)源中，工業(ye)污水和生(sheng)活污水占(zhan)🛀主要部分(fen)。
　　工業污水(shui)，流體一般(ban)爲自然流(liu)動，流量大(da)，并且非滿(man)管具有🔱自(zi)由水面，精(jing)确測量有(you)一定的難(nan)度。對污水(shui)☁️排入管網(wang)點位🔴的點(dian)源監測，以(yi)前多采用(yong)傳統槽式(shi)流量計，如(ru)圖1所示，不(bu)僅精度較(jiao)低，而且帶(dai)來較大的(de)水頭損失(shi)✏️，同時對上(shang)🔴遊渠道的(de)坡度及下(xia)遊水深也(ye)均有一定(ding)的要求，當(dang)不能滿足(zu)條件時測(ce)量精度會(hui)降低，有時(shi)甚至👉無法(fa)進行測量(liang)。如果用傳(chuan)統的 電磁(ci)流量計 來(lai)測量污水(shui)，則需要建(jian)造額外的(de)閘闆和堰(yan)闆以保證(zheng)滿管，這些(xie)附加的安(an)裝費用甚(shen)至會超出(chu)流量計本(ben)身的費用(yong)，大口徑管(guan)道🤟時更是(shi)如此，而且(qie)還增加了(le)管道堵塞(sai)的可能性(xing)。
 
　　生活污水(shui)來源比較(jiao)分散，排水(shui)管網末端(duan)流量小，不(bu)易👌測量，通(tong)常要在區(qu)域主幹管(guan)道上布設(she)流量計，對(dui)流量🈲計的(de)合理分布(bu)提出更高(gao)要求。生活(huo)污水流量(liang)具有相對(dui)明顯的時(shi)間🔴周期性(xing)，導緻管🧑🏾‍🤝‍🧑🏼網(wang)内水量産(chan)生波動，對(dui)🌈流量計測(ce)📧:量的穩定(ding)性是不小(xiao)🌐的考驗。
　　此(ci)外，排水管(guan)網流量測(ce)量還面臨(lin)以下問題(ti):排水管網(wang)内🌈垃🌈圾多(duo)、懸浮物高(gao)，導緻數據(ju)幹擾多,設(she)備維護成(cheng)本高;監測(ce)點通常分(fen)布較爲分(fen)散，給市政(zheng)電源的🍓接(jie)入帶來難(nan)度;監測設(she)備通常安(an)裝于檢查(cha)井内，對設(she)備的防護(hu)等級以及(ji)信号的傳(chuan)輸能力提(ti)出更高要(yao)求;現場環(huan)境複雜，安(an)裝不便,維(wei)護複雜等(deng)。
3常見的管(guan)網流量計(ji)介紹
　　爲解(jie)決上述管(guan)網流量監(jian)測中的難(nan)點與問題(ti)，須選用與(yu)實際工況(kuang)相适宜的(de)管網流量(liang)計。目前，常(chang)見的可檢(jian)測非💋滿管(guan)狀态的流(liu)量計有以(yi)下幾種:
3.1多(duo)普勒式超(chao)聲波流量(liang)計
　　采用連(lian)續波超聲(sheng)波多普勒(le)原理(速度(du)面積法),超(chao)聲波發射(she)器爲一固(gu)定聲源，随(sui)流體一起(qi)運動的固(gu)體顆粒起(qi)了與聲源(yuan)有相對運(yun)動的“觀察(cha)者”的作用(yong)，把入射到(dao)🏃‍♀️固體顆粒(li)上的超聲(sheng)波反射回(hui)接收據。發(fa)射聲波與(yu)接📱收聲波(bo)之間的頻(pin)率差，就是(shi)由于流體(ti)中固體顆(ke)粒運動而(er)産生的聲(sheng)波多普勒(le)頻移。這個(ge)頻率差正(zheng)比于流🔴體(ti)流速，則可(ke)通過測量(liang)頻率差求(qiu)得流速。
　　非(fei)滿管情況(kuang)下的流體(ti)斷面面積(ji)的測量要(yao)比滿管♍情(qing)況下💜複雜(za)一些，将管(guan)道本身的(de)斷面面積(ji)作爲已知(zhi)條件,進而(er)将🛀此問題(ti)轉換爲對(dui)管道内液(ye)位的測量(liang)，目前較爲(wei)常見的形(xing)式有以下(xia)幾種:
(1)在管(guan)道正上方(fang)居中位置(zhi)開孔，外加(jia) 超聲波液(ye)位計 。
(2)在管(guan)道内部的(de)正上方固(gu)定超聲波(bo)液位探頭(tou)。
(3)在管道内(nei)底部設置(zhi)壓力傳感(gan)器，可置于(yu)測流速的(de)超聲波聲(sheng)源傳感器(qi)内,通過所(suo)測流體壓(ya)力，結合管(guan)道斷面參(can)數等，反算(suan)📱出液位。得(de)到速度與(yu)面積，可計(ji)算出流體(ti)的流量。但(dan)這🐅樣的流(liu)量測量的(de)方式也導(dao)☎️緻了一定(ding)的局限性(xing)，即 多普勒(le) 式超聲波(bo)流量計 适(shi)用于規則(ze)的管道斷(duan)面，如圓形(xing)、矩形等。從(cong)測量介質(zhi)來看❌，該流(liu)量計比較(jiao)适用于雜(za)質含量較(jiao)多的市⛱️政(zheng)污㊙️水、污泥(ni)的測量。常(chang)見的多普(pu)勒式流量(liang)計傳感🙇🏻器(qi)安裝方式(shi)有抱箍式(shi)✉️安裝和💃杆(gan)式安🚩裝，如(ru)圖2、圖3所示(shi)。
 
　　抱箍式安(an)裝優點是(shi)安裝形式(shi)簡潔，在污(wu)水管道中(zhong)不容易鈎(gou)挂垃圾導(dao)緻管道堵(du)塞。但抱箍(gu)安裝時的(de)固定📧問題(ti)📱決定了該(gai)形式較适(shi)用于新建(jian)管網管道(dao)，現狀管道(dao)需做臨時(shi)性🌈堵水處(chu)理，保證安(an)裝時的無(wu)💋水環境。且(qie)未來維護(hu)時，需要人(ren)員下井進(jin)入管道潛(qian)水作業。
杆(gan)式安裝的(de)優點是，在(zai)管道位置(zhi)和井室結(jie)構清楚的(de)前☁️提下，安(an)✌️裝時無需(xu)人員下井(jing)，可以在低(di)水位時👌帶(dai)水安裝。日(ri)常維護方(fang)便，傳感器(qi)容易取出(chu)進行清理(li)。缺點是容(rong)易纏繞垃(la)圾，爲了彌(mi)補這一-缺(que)點，減少杆(gan)式安裝日(ri)常維護🔞的(de)頻率，可将(jiang)底部固定(ding)傳感器的(de)底闆加長(zhang)，讓傳感器(qi)更加深入(ru)管道内部(bu)，減少垃圾(ji)纏繞的幾(ji)率，避免對(dui)監測數🈲據(ju)的影響。
3.2多(duo)聲道超聲(sheng)波流量計(ji)
　　時差法超(chao)聲波流量(liang)計 本質上(shang)是以超聲(sheng)脈沖傳播(bo)速度與流(liu)體流速進(jin)行矢量疊(die)加爲基礎(chu)，通過測量(liang)聲波在順(shun)、逆流過程(cheng)傳播所花(hua)時間來确(que)定流體軸(zhou)向平均流(liu)速。基于該(gai)原理的流(liu)🔞量計，目前(qian)在工業上(shang)應用得較(jiao)🏃🏻爲廣泛。由(you)于單聲道(dao)測量受管(guan)道參數、流(liu)體運動參(can)數變化影(ying)響較大，具(ju)有一定的(de)局限性，所(suo)以用多聲(sheng)🌍道布置以(yi)避免或消(xiao)除徑向速(su)度分量引(yin)入的偏差(cha),增加聲⛹🏻‍♀️道(dao)對測量截(jie)面💔的覆蓋(gai)率。 多聲道(dao)超聲波流(liu)量計 在多(duo)層面對流(liu)體進行測(ce)量，通常采(cai)用4到5對傳(chuan)感器，誤♍差(cha)約爲±1%，适用(yong)于滿管、非(fei)滿管的流(liu)體情況，也(ye)适用于不(bu)同管道材(cai)料，如金屬(shu)、水泥等。同(tong)時，配套有(you)儀表井、外(wai)部儀表箱(xiang)及信号🌈裝(zhuang)置，安裝環(huan)境相對較(jiao)好，便于後(hou)期維護。多(duo)聲道超聲(sheng)波流量計(ji)儀表井實(shi)景圖⛷️如圖(tu)4所示。
 
　　常見(jian)的多聲道(dao)超聲波流(liu)量計分爲(wei)外夾式和(he)插入式。外(wai)夾❤️式多聲(sheng)道流量計(ji)由安裝在(zai)管壁上的(de)多對超聲(sheng)換能器組(zu)合而成，每(mei)條聲道均(jun)過軸中心(xin)線,可視爲(wei)多🌈台單聲(sheng)道儀表的(de)疊加。
　　插入(ru)式流量計(ji) 是将換能(neng)器直接插(cha)入管壁開(kai)孔處以測(ce)量流體流(liu)動✂️，避免了(le)信号在管(guan)壁中傳播(bo)這--過程，一(yi)定程度上(shang)🈲提升了流(liu)量計😍計量(liang)性能。一般(ban)在流道中(zhong)不同高度(du)位置處平(ping)行布置多(duo)條聲道，每(mei)條聲道🏃🏻‍♂️測(ce)得的線速(su)度可以代(dai)表待測截(jie)面.上相應(ying)平行帶内(nei)流體的平(ping)🔞均速度，然(ran)後對各條(tiao)聲道讀數(shu)進行加權(quan)平均即可(ke)⭐估算出整(zheng)個流通截(jie)面的流量(liang)。
　　上述兩種(zhong)形式相比(bi)，外夾式流(liu)量計可以(yi)直接在管(guan)道外部安(an)❤️裝，或在現(xian)狀管網.上(shang)的閥門井(jing)内安裝，無(wu)需設置專(zhuan)門的流量(liang)計井。在排(pai)水管網監(jian)測改造項(xiang)目中，更不(bu)容易受到(dao)土建條件(jian)的制約。但(dan)值得注意(yi)的是，利用(yong)閥門井安(an)裝， 外夾式(shi)流量計 容(rong)易受到閥(fa)門擾流的(de)幹擾，影響(xiang)測量的精(jing)度及穩定(ding)性，此外🧡，外(wai)夾式要求(qiu)管道爲均(jun)質式管材(cai)。與外夾式(shi)流👅量計相(xiang)比，插入式(shi)多聲道流(liu)量計聲道(dao)空間覆蓋(gai)率更高，閥(fa)門擾流條(tiao)件下測量(liang)結果的誤(wu)差波動範(fan)圍更小⭕，數(shu)據重複性(xing)更好，因而(er)更能反映(ying)出真實💰流(liu)場分布信(xin)息"。但插入(ru)式流量計(ji)需設😘置專(zhuan)用的流量(liang)計井,以方(fang)🎯便安裝與(yu)後期維護(hu)。
3.3非滿管電(dian)磁流量計(ji)
　　傳統的電(dian)磁流量計(ji)是基于法(fa)拉第電磁(ci)感應原理(li)🏃🏻,測:量滿管(guan)狀況下的(de)流量，在此(ci)基礎上， 非(fei)滿管電磁(ci)流量計 增(zeng)加了管道(dao)内液位測(ce)量的功能(neng)，進而通過(guo)面積速度(du)法計算得(de)到流量。非(fei)滿管電磁(ci)流量計常(chang)見的液位(wei)測量形式(shi)有以下兩(liang)種:
(1)在傳統(tong)的電磁流(liu)量計相鄰(lin)位置的管(guan)道正上方(fang)居中部位(wei)🤟開孔，外加(jia)超聲波液(ye)位計。
(2)通過(guo)在管道内(nei)設置發射(she)電極,将電(dian)極間的電(dian)容值㊙️通過(guo)一定的比(bi)例關系換(huan)量成流體(ti)的液位高(gao)度，增🤩加電(dian)極對數可(ke)以提⛱️高測(ce)量精度，一(yi)般爲4~6個4。
　　測(ce)得液位，進(jin)而可以得(de)到非滿管(guan)流體的截(jie)面面積，結(jie)合流速，計(ji)算出流量(liang)。
　　非滿管電(dian)磁流量計(ji)維護工作(zuo)量通常較(jiao)小，但考慮(lü)到污水💜可(ke)能會在傳(chuan)感器内壁(bi)附着，形成(cheng)的積聚層(ceng)會對傳感(gan)器電導率(lü)産生影響(xiang)，并且由于(yu)非滿管電(dian)磁流量計(ji)傳感器均(jun)位🧑🏾‍🤝‍🧑🏼于管道(dao)内部，不易(yi)進行人工(gong)清潔維護(hu)❗，所以該流(liu)量計一般(ban)适用于流(liu)速大于3m/s的(de)管道，這樣(yang)一-定程度(du)上可以減(jian)輕污染🙇🏻物(wu)附着沉積(ji)的現象。此(ci)外，非🆚滿管(guan)電磁流量(liang)計需要專(zhuan)用的儀表(biao)井，以方便(bian)🈲儀表的🚶安(an)裝與維護(hu)。
4幾種流量(liang)計的綜合(he)比較
　　從流(liu)量計的性(xing)能來看，多(duo)聲道超聲(sheng)波流量計(ji)精度相對(dui)📐較高♋，一般(ban)誤差爲1%~2%，是(shi)其核心優(you)勢之一，且(qie)流速的測(ce)量範圍較(jiao)大。多普勒(le)式流量計(ji)和非滿管(guan)電磁流量(liang)計精度相(xiang)當，誤差約(yue)爲3%~5%，且與多(duo)聲☔道超聲(sheng)波液位計(ji)相比，流速(su)測量☀️範圍(wei)相對較小(xiao)。
　　從應用場(chang)景及安裝(zhuang)條件來看(kan)，多普勒式(shi)流量計安(an)裝形式靈(ling)活㊙️，特别是(shi)在老舊的(de)現狀管網(wang)中，更容易(yi)找到合适(shi)安裝的點(dian)🐕位;儀🌈表安(an)裝地點爲(wei)管道檢查(cha)井，無需⛷️過(guo)多額外的(de)土建施工(gong)，但在現狀(zhuang)管網中加(jia)裝該流量(liang)計時,應對(dui)相應位置(zhi)的檢查井(jing)💜進行勘查(cha)，并根據實(shi)際😍情況做(zuo)适當改造(zao)，以滿足設(she)備的安放(fang)💰。多聲道超(chao)聲波流量(liang)計在安裝(zhuang)時，在管道(dao)外操作，且(qie)可以在管(guan)道帶壓狀(zhuang)态下進行(hang),方便施工(gong);多數情況(kuang)下配有專(zhuan)用儀表井(jing)🏃🏻‍♂️，儀表箱及(ji)信号裝🙇‍♀️置(zhi)安裝環境(jing)相對較好(hao)🔴，便于後期(qi)維護。對于(yu)非滿管電(dian)磁流量計(ji)，由于其檢(jian)測電極通(tong)常以管道(dao)襯裏的形(xing)式設置，再(zai)将該段管(guan)道整體嵌(qian)入管網中(zhong)，通常要在(zai)新建管網(wang)中提前考(kao)慮安裝位(wei)置,并設置(zhi)🛀儀表井。雖(sui)然安裝要(yao)👅求較高，但(dan)後期維護(hu)工作相對(dui)較👉少。.
　　從經(jing)濟性來看(kan)，多普勒式(shi)流量計由(you)于機箱、蓄(xu)電池等相(xiang)關⭕設備置(zhi)于管道或(huo)檢查井内(nei)，環境較爲(wei)惡劣，對設(she)備的防護(hu)🌐等級及維(wei)護頻率提(ti)出更高要(yao)求;安裝時(shi)常爲帶水(shui)作業，需要(yao)聘請具有(you)潛🔅水作業(ye)資質的人(ren)員進行安(an)裝。基于以(yi)上原因，除(chu)流量計本(ben)身造價較(jiao)高外，安🌈裝(zhuang)及後期維(wei)護還需要(yao)額外投入(ru)。與之♊相比(bi)，多聲道超(chao)聲波流量(liang)計造價相(xiang)對較低，但(dan)需考慮儀(yi)表井、管線(xian)開🚶‍♀️挖等額(e)🌈外的土建(jian)費用。非滿(man)管電磁流(liu)量計目前(qian)在國内應(ying)用較少,産(chan)品多爲國(guo)外進🐅口，價(jia)格較高。影(ying)響經濟性(xing)的因素較(jiao)多，本文不(bu)做更多讨(tao)論，實際項(xiang)目中，須結(jie)合具體情(qing)況，對各種(zhong)流量計的(de)經濟性進(jin)行評價。
5結(jie)論
(1)多普勒(le)式流量計(ji)，安裝形式(shi)靈活，可以(yi)利用現狀(zhuang)檢查井作(zuo)爲安裝地(di)點，建議用(yong)于現狀管(guan)網智慧化(hua)監測改造(zao)的項目中(zhong)。在選擇流(liu)量計安裝(zhuang)位置時，盡(jin)量選在管(guan)道直線段(duan)，且注意檢(jian)查井前後(hou)管道無過(guo)大的高差(cha)，防止井内(nei)渦♋流或跌(die)水現象對(dui)測☀️量精度(du)産生影響(xiang)。由于🎯涉及(ji)下井帶水(shui)作業，施工(gong)現場需進(jin)行⛷️相關施(shi)工安全組(zu)織，請具有(you)潛水作業(ye)資質的㊙️人(ren)員進行安(an)裝，同時需(xu)要協調㊙️排(pai)水管網管(guan)理單位，降(jiang)低管網内(nei)水位。
(2)多聲(sheng)道超聲波(bo)流量計，測(ce)量精度高(gao)，測量範圍(wei)廣，在設計(ji)時☁️要提前(qian)考慮流量(liang)計及專用(yong)井位置，滿(man)足直管段(duan)和儀表井(jing)尺寸的要(yao)求。建議用(yong)于新建管(guan)網的流量(liang)監🌍測項目(mu)中，相關管(guan)線及結構(gou)專業可以(yi)較早的介(jie)入。若在現(xian)狀管網加(jia)裝該流量(liang)計，需考慮(lü)是否💃有合(he)适位置✉️滿(man)足流量計(ji)設置要求(qiu)并且便于(yu)土建施工(gong)。
(3)非滿管電(dian)磁流量計(ji)解決了傳(chuan)統電磁流(liu)量計隻能(neng)測:滿管工(gong)況的問題(ti)，但其結構(gou)較爲複雜(za)，且該流量(liang)計安📱裝後(hou)将成爲管(guan)☂️道的一部(bu)分，具有較(jiao)大的局限(xian)性。此外，考(kao)慮其成本(ben)較高、國内(nei)應用經驗(yan)較少等因(yin)🍉素，目前不(bu)建議非滿(man)管電磁流(liu)量計在污(wu)水管網中(zhong)📐應用。

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