流量測試儀的原理和實際測試情況
北京康高特科技有限公司
張鑫宇
流量檢測儀可以計算河流、小溪、溝渠、山泉等流動水源的流量,單獨使用可以預估全年排量,探索季節(jié)變化對高山融雪的影響等,多用于生態(tài)、水文研究,水源開發(fā)等。配合其它水質(zhì)檢測和生物檢測儀器可以綜合評估該地區(qū)水源被污染的程度、凈化能力等。多用于環(huán)境生態(tài)檢測,污染物排放控制檢測。
任何流量檢測儀都不可能直接測出水源的流量,而是通過流速和面積與流量的關(guān)系計算出河流流量,理想狀態(tài)下其關(guān)系如下:
式中v為河流平均流速,S為橫截面積
由上式可以看出,只要知道了河流的流速*可以計算得到總的流量。而測量流速的方法很多,其中比較方便和便宜的是利用螺旋漿測量(機械方法),螺旋槳轉(zhuǎn)動的速度*是水流流動的速度。通過速度傳感器,可以將其顯示在屏幕上。目前使用機械原理制成的流量儀并不太多,大多數(shù)儀器只能測量一點的流速,依次記錄后手工計算出流量。因此螺旋槳測量方法一般只在單獨測量流速時使用。測量結(jié)果更加*的是利用多普勒原理制成的超聲波或激光流速計,傳感器發(fā)出超聲波或激光遇到水流反射,如果水流速度較快,則反射波的頻率較高,進而測出流速。使用多普勒原理制成的儀器計算功能*比較強大了,一般支持流量測量,更有甚者用戶可以選擇不同的流速、流量測量方法進行加權(quán)計算,使結(jié)果更符合實際情況。
螺旋槳測速儀
多普勒超聲測速儀
多普勒激光測速儀
在實際情況下計算流速和流量當然不會像*初的理想情況那么簡單,還需要考慮到河道不同深度的水流速度和距岸邊不同距離的深度。
水流速度的測量
測量流速時,要根據(jù)實際水流狀況和風向選取合適的測量方法,在一個橫斷面上取多點進行測量。只有流速測量結(jié)果正確時,流量才能近似等于實際情況。如果流速偏差很大,則流量計算也沒有實際意義。
先來考慮不同深度水流速度的變化情況。在無風和水流逆風流動的情況下,河道中水流的速度類似于下圖的曲線。因為空氣和泥沙的阻力使得水面和水底的流速度變慢,河道中部的水流速度*快。此時測量水流速度時推薦使用0.2/0.8法[1],原因是水流平均速度出現(xiàn)在A、B兩點。如果使用0.6法[2],則*后得到的流速值偏大。
如果水流順風流動,則河面上的流速要大于河底流速,如下圖所示。此時再使用0.2/0.8法測量結(jié)果*不盡如人意了---因為風速不斷變化,所以河流的表面流速也隨之變化。為了使測量結(jié)果更穩(wěn)定,建議使用0.6法,直接測量C點河流中部的水流速度。
*后一種較極端的情況也比較多見,溝渠中的水基本不流動,但是水面由于風力作用產(chǎn)生流速,如下圖所示(多出現(xiàn)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)河流、支流上)。此種情況下,各種測量水流速度的方法都不能完全代表實際流速,建議單獨測量水面流速后更改深度(20cm左右),只計算頂層的流量。
上述測量方法僅為測量一點流速,實際測量時要在一個橫斷面上取多點進行測量。不同位置的流速變化規(guī)律也類似圖1,靠近岸邊流速較低,靠近中心流速較高。計算時,也可類比使用0.2/0.8法。
橫截面積的估算
一般來說對于河道,越向中心深度越大,因此大致可以認為河道橫截面為梯形。對于山泉則可以用長方形截面近似代替。而如果需要測量不規(guī)則的池塘或溝渠則需要取不同點的深度進行估算。
河道近似
山泉溪流近似
不規(guī)則近似
對于一般測量流量來說,簡單估算橫截面積并測量平均流速*能夠滿足精度要求了,如果對流量的計算結(jié)果要求較高,*需要考慮橫斷面上不同點的流速變化情況,分別進行測量。國際通行的測量流量方法是中間值法,該方法是對不規(guī)則近似的一種擴展,示意圖如下所示:
中間值法首先將河道分為等距的段落,圖示為W1-W11。使用流速計在每個段落的中心位置測量流速,流速測量方法根據(jù)上面的建議選擇。依次測量完11個段落進行計算。表示為公式如下所示:
在實際情況中,中間值法一般用于山泉溪流的流量測量,因為這些水源深度較淺,寬度適中,流速較大,可以獲得很準確的測量數(shù)據(jù)。
測量河道流速時,如果河流深度較淺,底部沒有淤泥,測量人員可以達到河道中央時,也可以使用中間值法進行測量,計算流量。但是如果河道較深較寬,底部有淤泥或沒有橋梁時,使用中間值法測量非常麻煩,不但需要測量大量流速數(shù)據(jù),有時甚至需要借助小船才能到達河道中央,又因為船體不斷運動,流速測量值也不準確。此時只能使用上述方法進行估算。
流量的測量一直是一個比較困難的課題,因為其測量方法比較單一,只能通過流速計算,是一個間接值,而流速又受各種環(huán)境和測量方法的影響。面對復雜情況,往往沒有條件使用中間值法*測量,此時*要對測量結(jié)果進行近似處理。近似的方法有多種多樣,上述方法只是其中之一。隨著測量經(jīng)驗的不斷增加,和對大量數(shù)據(jù)的歸納總結(jié),久而久之*能夠形成一套應對不同情況的近似計算方法。
名詞解釋
[1]0.2/0.8法:該方法為測量距水面20%處流速,再測量距水面80%處流速,*后進行加權(quán)計算,得到平均流速。
[2]0.6法:該方法為測量距水面60%處流速。
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