摘要(yao):簡述了污(wu)水自動監(jiān)測系統中(zhong)流量測量(liang)的原理和(he)組成㊙️，通🌈過(guò)對标準巴(ba)歇爾槽明(míng)渠流量計(ji)
流量計算(suan)數學模型(xing)的分析，總(zǒng)結出污水(shui)在線監測(ce)系統🐉中影(ying)響流量測(ce)量精度的(de)5項主要因(yin)素，并對各(ge)項因素進(jin)行了相應(yīng)的技🙇♀️術分(fen)析。
0引言
随(sui)着環境污(wū)染問題日(ri)益嚴重，我(wo)國對建立(lì)環境管理(li)體🤞系，加大(dà)環境監測(cè)力度提出(chū)了更高要(yao)求。目前，國(guó)内重點⛱️排(pái)污企業均(jun)安裝了污(wū)水自動監(jiān)測系統✍️，保(bǎo)證污水排(pái)放的數據(jù)能夠實時(shi)，上傳至市(shì)、省環境🚩監(jiān)測部門和(he)國家環保(bao)主管部👉門(mén)。爲了保證(zhèng)上傳數據(ju)的有效性(xìng)，國家環保(bǎo)部發布了(le)HJ/T355-2007《水污染源(yuán)在線監測(ce)系統運行(hang)與🙇🏻考核技(ji)術規範》和(he)HJ/T356-2007《水污染源(yuan)在線監測(cè)數據有效(xiao)性判别技(jì)術規範》等(děng)規範性文(wen)件。這些文(wen)件對有關(guān)水質的☎️監(jian)測數據(如(rú)化學需💃🏻氧(yang)量COD。、氨氮NH,-N、總(zǒng)磷TP、pH值)等，詳(xiang)細規定了(le)試驗項目(mu)和數據要(yào)求1-2],但對🌈如(ru)何保證水(shui)量的流量(liàng)監測數據(jù)的正确，卻(que)沒做要求(qiu)。
随着主要(yao)污染物總(zǒng)量減排監(jiān)測要求的(de)提出，這種(zhǒng)情況8益🤟被(bei)發現和重(zhòng)視。2013年底環(huan)境監測部(bù)門已有人(ren)提出關于(yu)污水流量(liang)監測質量(liang)監督檢查(cha)的技術和(hé)方法3。但從(cong)流量計量(liàng)專業的角(jiao)度來看，環(huán)監部門提(tí)出的方法(fa)僅對相關(guan)計量檢定(ding)規程項目(mù)進行了簡(jian)化和重組(zu)，并沒有進(jin)行深人的(de)計量技術(shu)分析，無法(fǎ)保證現場(chang)流量數據(ju)的精度。而(er)本文則根(gēn)據現場檢(jiǎn)定明渠污(wu)水流量💞計(jì)的大‼️量樣(yang)本數據，做(zuo)出了一定(ding)的分析，爲(wei)進一步正(zhèng)确實現污(wu)水流量在(zai)線監測打(da)☂️下了--定的(de)基礎。
1污水(shui)流量測量(liang)
1.1原理及組(zǔ)成
由于排(pái)污口标準(zhun)化和視頻(pín)監控的需(xu)要，污水流(liu)量自動監(jian)測系統以(yǐ)堰槽式明(ming)渠流量計(ji)爲流量計(ji)量的主要(yào)方式。堰槽(cao)式明渠流(liu)量計的原(yuán)理是在明(ming)渠中設置(zhi)标準量水(shui)堰槽(如巴(ba)歇爾量水(shui)槽和矩形(xíng)薄壁堰等(deng))，并按規定(dìng)位置測量(liàng)水位，則流(liu)過堰槽的(de)流🍉量與水(shuǐ)位呈單值(zhí)關系，根據(ju)相應流量(liàng)🔴公式或經(jing)驗關系式(shi)，将測出的(de)水位值換(huàn)算成流量(liang)值。流量計(jì)由📱标準量(liang)水堰槽和(he)🔞液位流量(liang)轉換儀表(biao)(二次儀表(biao))所組成。如(rú)圖1所示。
據(jù)統計，本次(ci)試驗污水(shui)流量自動(dòng)監測系統(tǒng)共計338台堰(yàn)槽式明渠(qú)流量計。其(qi)中，巴歇爾(er)槽式占68.2%,矩(ju)形薄壁堰(yan)占📱14.5%，其他🎯堰(yan)槽類型占(zhan)17.3%，本文以标(biāo)準巴歇爾(ěr)槽明渠流(liu)量計爲例(lì)進行分析(xi)。
1.2标準巴歇(xie)爾槽明渠(qu)流計算的(de)數學模型(xíng)
标準巴歇(xie)爾槽流量(liàng)Q按下式計(ji)算:
式中:C爲(wèi)流量系數(shù);b爲喉道寬(kuan)度，m;ha爲實測(cè)液位，m。
由标(biāo)準巴歇爾(ěr)槽明渠流(liu)量計的基(jī)本原理和(hé)流量計算(suàn)公式✏️可知(zhi)，流量測量(liàng)的精度直(zhí)接依賴于(yu)流量系數(shu)C的精度、喉(hou)道寬度測(ce)量的精度(du)和實測液(yè)位的㊙️精度(dù)。其中，實測(ce)液位的精(jīng)度評估又(yòu)包含三個(ge)因素的影(ying)響:液位計(ji)測量的精(jīng)度、測量液(ye)位計零點(dian)的儀器的(de)測量精度(du)和液面的(de)擾動情況(kuang)。
2現場流量(liàng)測量精度(dù)的影響因(yīn)素
通過上(shang)述分析，我(wo)們可以總(zong)結出基于(yú)明渠流量(liàng)計的污㊙️水(shui)在線監測(ce)系統中，影(yǐng)響流量測(ce)量精度的(de)主要因素(sù)有以下🌏幾(jǐ)個🌈方面:
1)堰(yan)槽的類型(xíng)，主要确定(ding)流量系數(shu)的測量精(jing)度;
2)實測液(ye)位的精度(du)，主要取決(jué)于液位計(ji)測量的精(jing)度和測量(liàng)液位計零(ling)點的儀器(qi)的測量精(jīng)度;
3)液位測(cè)量的重複(fú)性，由液面(miàn)的擾動或(huò)平穩程度(dù)決定，主要(yào)影響🐕多次(ci)液位測量(liàng)讀數的平(píng)均值的測(cè)量精度;
4)堰(yan)槽的幾何(hé)尺寸，主要(yao)取決于喉(hóu)道寬度(或(huò)其他堰槽(cao)🌂中的闆、槽(cáo)尺寸)的測(ce)量儀器的(de)精度;
5)水位(wèi)-流量轉換(huan)誤差，由流(liu)量計二次(cì)儀表的軟(ruǎn)件産生❌。由(you)🈲于🙇🏻各種堰(yan)槽明渠流(liú)量計的流(liú)量計算公(gōng)式涉及多(duō)個參數，流(liu)量計生産(chǎn) 廠家在軟(ruan)件系統進(jìn)行換✉️算時(shí)，各個參數(shù)根據不同(tong)的設計尺(chǐ)寸範圍以(yǐ)數據庫函(han)數的方式(shì)進行存儲(chu)，由于存儲(chǔ)空間的限(xiàn)制造成無(wú)法足夠精(jing)确的設置(zhì)參數，因此(ci)造成流量(liàng)計顯示值(zhi)的誤差。
2.1堰(yan)槽的類型(xing)
明渠流量(liang)計在進行(háng)堰槽選擇(zé)時,現場主(zhǔ)要考慮流(liú)量範圍和(hé)設計施工(gong)難度等因(yin)素。根據國(guo)家計量檢(jian)定規程JJG771-1990《明(ming)渠堰槽流(liu)量計試行(háng)檢定規程(cheng)》[5]和各種類(lèi)型堰槽的(de)相關ISO國際(jì)标準[6-10]，幾種(zhong)常用堰槽(cao)的流量範(fan)圍和流量(liang)系數所引(yǐn)入的測量(liàng)誤差如表(biǎo)1所示。
通過(guò)表1可知，幾(ji)種堰槽的(de)流量系數(shu)所引入的(de)測量♈誤差(cha)相差不大(dà)，各種堰槽(cáo)類型在技(jì)術上并無(wú)高下之分(fèn)。在綜💰合考(kao)慮流量适(shì)用範圍和(he)現場設計(jì)施工難度(du)後✂️，巴歇爾(er)槽和薄壁(bì)堰具有--定(dìng)的優勢。兩(liang)者相比，薄(báo)壁堰的優(you)點是🔴制作(zuo)方便，安裝(zhuāng)簡單，缺點(dian)是水👨❤️👨頭損(sǔn)失較大，污(wu)水中的泥(ni)沙和懸浮(fú)物容易在(zài)堰前沉積(jī)使水位🌍提(tí)高而影響(xiang)測量的精(jing)度。巴歇爾(ěr)槽的優點(dian)是測量範(fàn)圍寬，水頭(tou)損失小，污(wū)水中懸浮(fú)物不易沉(chen)積，但加工(gōng)和安裝較(jiào)爲複雜”。
2.2液(yè)位測量的(de)精度
明渠(qu)流量計中(zhong)的實際液(yè)位測量涉(shè)及液位計(jì)零點(即📞液(ye)💛位🈚零點)和(he)液位計測(ce)量精度等(deng)兩個方面(mian)，早期👣的浮(fú)子式🔞液位(wèi)⛹🏻♀️計由于測(cè)🈚量精度太(tai)低已經被(bèi)淘汰，壓力(li)式液位計(jì)由于易受(shou)污水腐蝕(shi)和沉積物(wu)覆蓋影響(xiǎng)也較少使(shǐ)用"，現在主(zhu)要使🆚用超(chao)聲波液位(wei)計。超聲波(bō)測液位爲(wei)非接觸式(shi)測量，可以(yǐ)不受液體(ti)性質的影(yǐng)響，但液體(ti)表面浮沫(mo)和固體漂(piao)浮物較多(duo)😄時也會受(shòu)到影響。
本(ben)次試驗的(de)明渠流量(liang)計全部采(cǎi)用的超聲(sheng)波液位計(jì)⛱️,廠家标稱(cheng)的測量精(jīng)度爲不大(da)于3mm,滿足環(huan)保行業㊙️标(biao)準‼️HJ/T15-2007《環境保(bao)護🙇♀️産品技(jì)術要求超(chāo)聲波明渠(qu)污水流⭐量(liang)計》中對液(yè)位測量誤(wu)差的要求(qiú)[12]。但實際測(cè)量結果卻(que)相差很大(da)，具體數據(jù)如圖2所😄示(shì)。
試驗發現(xian)，現場使用(yong)的超聲波(bō)液位計問(wèn)題很多。零(líng)點不準的(de)❓原因主要(yào)在于液位(wei)計安裝時(shi)沒有做好(hao)零點的設(she)置和校準(zhǔn)❄️。水位超差(chà)的原因一(yi)部分在于(yu)液位計安(an)裝後沒有(yǒu)做好現場(chǎng)校準，另一(yī)部分在于(yú)液位計使(shi)用過程中(zhōng)㊙️傳感器探(tàn)頭老化，測(ce)量精度不(bú)達标。
2.3液位(wèi)測量的重(zhòng)複性
明渠(qú)流量計液(yè)位測量的(de)重複性主(zhǔ)要取決于(yú)液面💞的穩(wěn)定😘程度。液(ye)面平穩時(shi)，液位測量(liàng)的重複性(xing)就容易達(dá)标;反之，水(shui)流不平穩(wen)🈚，有大量漩(xuán)渦、波浪、泡(pao)沫時㊙️，液位(wei)測量的重(zhòng)複性就不(bú)滿足要求(qiú)。具體情況(kuàng)如圖3所示(shi)。
上述水流(liu)不平穩的(de)情況，主要(yao)原因是明(ming)渠流量計(jì)安🈲裝位置(zhi)🔅前👅端的行(háng)進渠道長(zhǎng)度不滿足(zu)要求。根據(ju)規程要求(qiu)，巴歇爾槽(cáo)的安裝條(tiáo)件爲前端(duān)順直行進(jin)渠道長度(dù)應不小于(yu)5倍的行進(jin)渠道寬度(du)，而薄壁堰(yàn)則要求爲(wei)🌈10倍。很多用(yong)戶受現場(chǎng)環境條件(jian)的限制，無(wú)法建造足(zú)夠長度的(de)行進渠道(dào)進行整流(liú)，造成流量(liang)計處的流(liú)場條件十(shí)分惡劣，無(wu)🌈法滿足明(ming)渠流量計(jì)的正常使(shǐ)🈲用。針對這(zhe)種情況，有(you)兩種方式(shi)可以進行(háng)改善。一種(zhǒng)方式爲:在(zai)流量計的(de)前端增加(jiā)整流格栅(shān)🐪，減小水流(liú)🔱的波動，但(dan)通過現場(chǎng)試驗觀察(cha)，效果有限(xiàn);另一種方(fāng)式爲:在渠(qu)道旁邊設(shè)置一靜水(shui)井，由連通(tōng)🍓管與渠道(dao)水流相通(tong)，靜水井底(dǐ)應低于渠(qú)道中最低(di)👨❤️👨水位150mm，連通(tong)管管底距(jù)井底👈至少(shao)300mm,靜水井頂(dǐng)面應大于(yú)✔️預計最高(gāo)水位300mm,這樣(yang)靜水井内(nei)的水位與(yu)渠道中水(shuǐ)🆚位相同，把(bǎ)渠道🔱中的(de)漩渦和水(shui)流的脈動(dong)進行了👄隔(ge)🔱離，同時也(ye)能大大減(jian)少水面的(de)泡沫。現場(chǎng)試驗驗證(zheng)，這種方式(shì)能夠有效(xiao)改善液面(mian)不穩的情(qing)況，保證液(ye)位測量的(de)重複性要(yao)求。
2.4堰槽的(de)幾何尺寸(cun)
堰槽幾何(hé)尺寸的誤(wu)差對測量(liang)結果精度(du)的影響主(zhu)要有兩個(gè)方面:一是(shi)改變了流(liú)量計算的(de)數學模型(xíng)，造成流量(liàng)🔴計二次儀(yí)表計算的(de)顯示值産(chan)生誤差，這(zhè)種影響🤩我(wǒ)們通過兩(liǎng)個實例可(ke)以看到。由(you)表2可以看(kan)🌈出，堰槽幾(ji)何尺寸誤(wù)差的增大(da)可以造成(cheng)流量測量(liang)誤差的增(zēng)大，且影響(xiǎng)量不斷遞(dì)增;二是🏃影(ying)響到了水(shuǐ)流經過堰(yàn)槽時的水(shuǐ)位，從而對(duì)液位的測(cè)量産生附(fu)加誤差。
造(zào)成堰槽幾(ji)何尺寸誤(wu)差的原因(yin)有三點:一(yi)是制造精(jing)度問題🧑🏽🤝🧑🏻，一(yi)些企業爲(wèi)了節省成(chéng)本，自己加(jiā)工堰闆🚶和(hé)槽‼️體，由于(yú)條件所限(xiàn)無法保證(zhèng)加工精度(dù)，造成堰槽(cáo)的實❓物與(yǔ)設計尺寸(cun)産生誤🈲差(chà);二是安裝(zhuāng)技術問題(tí)，一些流🙇🏻量(liang)計的堰闆(pǎn)和槽體📧在(zai)安裝過程(cheng)中，由于⚽施(shī)工者的操(cao)作因素造(zào)成🔅安裝尺(chǐ)寸誤差，或(huo)是施工經(jīng)驗和溫度(du)原因影響(xiang)，造成堰闆(pǎn)和槽體受(shòu)渠壁擠壓(ya)産生形㊙️變(bian);三是用戶(hu)主觀因素(su)，一🈲些企業(yè)爲了省事(shi)，在已建好(hao)的不規㊙️則(ze)的渠道中(zhong)安裝🛀🏻明渠(qu)流量計，爲(wei)了适應渠(qú)道，隻能将(jiāng)标準的堰(yàn)闆或槽體(tǐ)進行改造(zào)，造成幾何(hé)尺寸♻️的偏(piān)差。
2.5水位一(yī)流量轉換(huan)誤差
水位(wei)-流量轉換(huan)誤差直接(jie)影響流量(liàng)計的顯示(shi)值，其産生(shēng)的主🙇♀️要💜原(yuán)因爲:明渠(qu)流量計通(tong)過液位傳(chuán)感器得到(dao)的是🈚原始(shi)⭕信号爲液(ye)位信号，需(xū)通過二次(ci)儀表把液(yè)位🛀🏻信号轉(zhuǎn)換爲流量(liàng)值。由于明(ming)渠流量計(jì)的數學模(mo)型都比較(jiao)複雜，儀表(biao)一般🌏使用(yòng)查表法把(ba)液位🔆轉換(huàn)成流量。即(ji)每測到一(yī)一個液位(wei)，到存儲器(qi)内找🧑🏽🤝🧑🏻對應(ying)液位點的(de)🤞流量替代(dai)。如果測到(dao)的液位在(zài)水位💃流量(liàng)表中兩點(dian)液位之間(jian)，用線性插(chā)☔值法算出(chū)對應的流(liu)量(3]。因此，設(shè)置水🔅位-流(liú)量表的點(diǎn)數🥵越多，轉(zhuan)換精度越(yuè)高。
通過現(xian)場試驗，取(qu)兩個主要(yào)廠家軟件(jiàn)數據庫内(nei)的💘水位一(yi)流量表進(jìn)行驗證，具(jù)體數據如(rú)圖4所示。
通(tong)過圖4可以(yǐ)看出:廠家(jia)一的軟件(jian)設置爲30點(dian)對照，且液(ye)位點均勻(yún)分布，而廠(chang)家二設置(zhi)爲10點，不均(jun)勻分布，則(zé)廠🤞家一顯(xian)示🏃的水🆚位(wèi)流量轉換(huan)誤差明顯(xian)小于廠家(jiā)二。
3結論
污(wū)水流量監(jiān)測數據的(de)精度，受到(dao)多方面因(yin)素的影響(xiǎng)，在☂️配套⛱️設(she)施方面，需(xū)要保證行(hang)進渠道的(de)長度,正确(què)設🔴立靜水(shui)井。在一次(ci)元件方面(miàn)，需選擇合(he)适的堰;槽(cao)類型，堰槽(cáo)尺寸保證(zheng)一定的加(jia)工精度，液(ye)位傳感器(qi)滿足相應(ying)精度要求(qiu);在二次儀(yí)表方面，需(xū)要正确的(de)進行軟件(jiàn)🏃♂️數據庫的(de)設計，通過(guò)這些才能(néng)保證流💔量(liàng)監測數據(ju)的準确有(you)效。
通過上(shang)述分析,我(wǒ)們看到實(shí)現污水流(liu)量監測的(de)堰槽式明(míng)渠✌️流量計(ji)，不僅僅是(shì)一個計量(liang)器具，而且(qie)作爲一個(ge)計量系💁統(tǒng)牽涉到選(xuǎn)型、設計、加(jiā)工、建築、安(an)裝、調試和(hé)設置，--旦建(jiàn)造成型，出(chū)現誤差後(hou)很難從根(gen)本♊上進行(háng)糾正，并且(qie)在🏃🏻現場受(shòu)到各種環(huan)境條件的(de)影響，使用(yòng)中需要經(jing)常維護。因(yīn)此，作爲強(qiáng)制檢定的(de)涉及環境(jing)保護的計(jì)量器具，我(wo)們計量部(bù)門不僅㊙️要(yào)按時周期(qi)檢定，更應(ying)✌️該積極參(can)與到環❤️境(jing)監測部門(men)對自動監(jiān)測設備驗(yàn)收和日常(cháng)核查等技(ji)術文件的(de)制定中，從(cóng)而保證環(huan)境監測數(shu)據的真實(shí)、準确和有(yǒu)效，爲實現(xiàn)環境保護(hu)，減少污染(ran)做出應有(yǒu)的貢獻。
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