摘要(yào):簡(jiǎn)述(shù)了污水自(zì)動監(jiān)測系統中流量測量(liàng)的原理和(hé)組(zǔ)成，通過對(duì)标準巴歇爾槽明渠流量計(jì) 流量計算(suàn)數學模型(xíng)的分(fèn)析，總結出污(wū)水(shuǐ)在線監測系統中影響流量測(cè)量精度的(de)5項主(zhǔ)要因(yīn)素，并對各(gè)項因素進行了(le)相應的技術分析。
0引言
　　随(suí)着環(huán)境污染(rǎn)問題日益(yì)嚴重，我國對(duì)建立(lì)環境(jìng)管(guǎn)理體系，加大(dà)環境監測(cè)力度提出(chū)了更高要(yào)求。目(mù)前，國(guó)内重點排(pái)污企(qǐ)業(yè)均(jun1)安裝(zhuāng)了污(wū)水自動監測系統，保(bǎo)證污(wū)水排放的數據(jù)能夠實(shí)時(shí)，上傳至市、省環(huán)境監測部(bù)門(mén)和國家(jiā)環保(bǎo)主(zhǔ)管部門(mén)。爲了(le)保(bǎo)證(zhèng)上傳數據的(de)有效性(xìng)，國家環(huán)保部發布了(le)hj/t355-2007《水污(wū)染源在線監測系統運行(háng)與考核技術規範》和hj/t356-2007《水污(wū)染源在線(xiàn)監測數據有效性判别技術(shù)規(guī)範》等(děng)規範(fàn)性文(wén)件。這(zhè)些文件對有關(guān)水質的監測(cè)數(shù)據(如化學(xué)需氧量cod。、氨氮nh,-n、總(zǒng)磷tp、ph值(zhí))等，詳(xiáng)細規定了(le)試(shì)驗項目和數(shù)據要(yào)求1-2],但對(duì)如何保(bǎo)證水(shuǐ)量的(de)流量監測(cè)數據(jù)的正确，卻沒做(zuò)要求(qiú)。
　　随着主要(yào)污染物總量減排監(jiān)測要(yào)求的(de)提出，這(zhè)種(zhǒng)情況8益被發現和重(zhòng)視(shì)。2013年底(dǐ)環境監(jiān)測部(bù)門已有人提出關于污水(shuǐ)流量監(jiān)測質量監督(dū)檢查(chá)的技術和方法3。但從(cóng)流量計量(liàng)專業(yè)的角(jiǎo)度來看，環監部(bù)門提出的(de)方法(fǎ)僅對相關(guān)計量檢定(dìng)規程(chéng)項目(mù)進行了簡(jiǎn)化和(hé)重組(zǔ)，并沒(méi)有進行深人的(de)計量(liàng)技術分析(xī)，無法(fǎ)保證現場(chǎng)流量數據的精(jīng)度。而本文則根(gēn)據現場檢定明渠污(wū)水(shuǐ)流量計(jì)的大量樣本數(shù)據，做(zuò)出了一定(dìng)的分析，爲進一(yī)步正确實現污(wū)水流量在(zài)線監(jiān)測打下了--定的(de)基礎。
1污水(shuǐ)流量測量
1.1原理(lǐ)及組(zǔ)成
　　由于(yú)排(pái)污口(kǒu)标準(zhǔn)化和視頻監控的需要，污(wū)水流量自動監(jiān)測系統(tǒng)以堰槽(cáo)式明(míng)渠(qú)流量計爲流量計量的主要方式。堰槽(cáo)式明(míng)渠(qú)流量計(jì)的原理(lǐ)是(shì)在明渠中設置标準量水堰槽(如巴(bā)歇爾量水(shuǐ)槽和矩形薄壁堰等(děng))，并按規定位置測量(liàng)水(shuǐ)位，則流(liú)過堰槽(cáo)的(de)流量(liàng)與水位呈單值(zhí)關系，根據相應流量公式(shì)或經(jīng)驗關系(xì)式，将測出的(de)水位值換(huàn)算成流量值。流(liú)量計由标準量(liàng)水堰槽和液位流量轉換儀表(biǎo)(二次儀表)所組(zǔ)成(chéng)。如圖(tú)1所示。
 
　　據(jù)統計(jì)，本(běn)次試驗污水(shuǐ)流量自動(dòng)監測系(xì)統共計(jì)338台堰(yàn)槽式明渠流量計。其(qí)中，巴歇爾(ěr)槽(cáo)式占68.2%,矩形薄(báo)壁堰占14.5%，其(qí)他堰槽(cáo)類型占(zhàn)17.3%，本文(wén)以(yǐ)标準巴歇爾(ěr)槽明渠流(liú)量計(jì)爲例(lì)進行分析(xī)。
1.2标(biāo)準(zhǔn)巴歇(xiē)爾槽明(míng)渠流計(jì)算的(de)數學模型(xíng)
　　标準巴歇爾槽(cáo)流量(liàng)q按(àn)下式計(jì)算:
 
　　式中:c爲流量(liàng)系數;b爲喉道寬(kuān)度，m;ha爲實測液位(wèi)，m。
　　由标(biāo)準(zhǔn)巴歇爾(ěr)槽明渠流量計(jì)的基本(běn)原理和(hé)流量(liàng)計算(suàn)公式可知，流(liú)量測量(liàng)的精度直接依(yī)賴于流量系數c的精度、喉(hóu)道寬度測(cè)量的精度(dù)和實測液(yè)位的精度。其中，實測液位的(de)精度評估又包含(hán)三個(gè)因素的影響:液(yè)位計測量的(de)精(jīng)度、測量液(yè)位計零點的(de)儀(yí)器的(de)測量(liàng)精度(dù)和液(yè)面的擾動(dòng)情況(kuàng)。
2現場(chǎng)流量測量精度(dù)的影(yǐng)響因素
　　通(tōng)過上述分(fèn)析，我(wǒ)們(men)可以總(zǒng)結(jié)出基于明渠(qú)流量計的污水在線監測系統中，影(yǐng)響流量測(cè)量精度的(de)主要因素(sù)有以下幾(jǐ)個方(fāng)面(miàn):
1)堰槽(cáo)的(de)類型，主要确定流量系(xì)數的測(cè)量精(jīng)度(dù);
2)實(shí)測液位(wèi)的精度，主要(yào)取決于液位計(jì)測量的精度和(hé)測量液(yè)位計零(líng)點的儀器的測(cè)量(liàng)精度;
3)液位測(cè)量的重複性，由(yóu)液面(miàn)的(de)擾動或(huò)平穩程度(dù)決定(dìng)，主要影響多次(cì)液位測量讀數(shù)的平均值的測(cè)量精度;
4)堰(yàn)槽的(de)幾何尺寸，主要(yào)取決(jué)于喉道寬(kuān)度(或其他(tā)堰槽(cáo)中的闆、槽(cáo)尺(chǐ)寸)的測(cè)量儀器的精度;
5)水位-流量(liàng)轉換(huàn)誤差，由流(liú)量計二(èr)次儀表(biǎo)的軟件産生。由(yóu)于各種堰(yàn)槽明(míng)渠流量計的流(liú)量計(jì)算公(gōng)式涉(shè)及多個參數，流(liú)量計生(shēng)産　　廠家在軟件系統進(jìn)行換算(suàn)時，各個參數(shù)根據不同(tóng)的設計尺寸範(fàn)圍以(yǐ)數據(jù)庫函(hán)數的方式(shì)進行存儲，由于存儲(chǔ)空間的限(xiàn)制造(zào)成無法足夠精(jīng)确的設置(zhì)參數(shù)，因此造成流量(liàng)計顯示值(zhí)的誤(wù)差。
2.1堰(yàn)槽的類型(xíng)
　　明渠(qú)流量計在(zài)進行堰(yàn)槽選(xuǎn)擇(zé)時,現(xiàn)場主(zhǔ)要考(kǎo)慮流量範(fàn)圍和(hé)設計(jì)施工難度(dù)等因(yīn)素(sù)。根據國(guó)家計量檢定規程jjg771-1990《明渠堰槽流(liú)量計(jì)試行檢定規程(chéng)》[5]和(hé)各種類(lèi)型堰槽(cáo)的(de)相關iso國際标準(zhǔn)[6-10]，幾(jǐ)種(zhǒng)常用堰(yàn)槽的流(liú)量範圍(wéi)和流量(liàng)系數所引(yǐn)入的(de)測量(liàng)誤差如表(biǎo)1所示。
 
　　通過(guò)表(biǎo)1可(kě)知，幾種堰槽的(de)流量系(xì)數(shù)所引(yǐn)入的(de)測(cè)量(liàng)誤差(chà)相差(chà)不(bú)大，各種(zhǒng)堰槽(cáo)類型在技(jì)術上(shàng)并無高下(xià)之分(fèn)。在(zài)綜(zōng)合考(kǎo)慮流量适用範圍和(hé)現場設計(jì)施工難(nán)度後，巴(bā)歇爾槽(cáo)和薄壁(bì)堰具有--定的優(yōu)勢。兩(liǎng)者相比，薄(báo)壁(bì)堰的優(yōu)點是(shì)制作(zuò)方(fāng)便，安裝(zhuāng)簡單，缺點是水(shuǐ)頭損失較(jiào)大，污(wū)水中的泥(ní)沙和懸浮(fú)物容易在(zài)堰前沉積(jī)使水位提(tí)高而影響(xiǎng)測量的(de)精(jīng)度。巴(bā)歇爾(ěr)槽的優點(diǎn)是測量範圍寬，水頭損失小，污水中懸浮(fú)物不(bú)易沉積，但加工(gōng)和安裝較爲複(fú)雜”。
2.2液(yè)位測(cè)量的(de)精度
　　明渠流量(liàng)計中(zhōng)的(de)實(shí)際液(yè)位測量涉及液(yè)位計(jì)零(líng)點(即液(yè)位零點)和液位(wèi)計測(cè)量精(jīng)度等兩個方面(miàn)，早期(qī)的浮子式液位(wèi)計由于(yú)測量精度太低已經被(bèi)淘汰，壓力(lì)式液位計由于易受(shòu)污水腐蝕(shí)和沉積物(wù)覆蓋(gài)影響(xiǎng)也(yě)較少使用"，現(xiàn)在主要使用超(chāo)聲波液(yè)位(wèi)計。超(chāo)聲波測液位爲(wèi)非接觸式(shì)測量，可(kě)以不受液體(tǐ)性質(zhì)的影(yǐng)響，但液體表面(miàn)浮沫(mò)和固體漂浮物較多時也會受(shòu)到影響(xiǎng)。
　　本(běn)次試(shì)驗的明渠流(liú)量(liàng)計全部采用的(de)超聲波液位計(jì),廠家标稱的測量(liàng)精(jīng)度爲不大(dà)于3mm,滿足環保行業标準hj/t15-2007《環(huán)境保護産(chǎn)品技術要求超聲(shēng)波(bō)明渠污(wū)水流(liú)量計》中(zhōng)對液位測量(liàng)誤差的要求(qiú)[12]。但實際測(cè)量(liàng)結(jié)果卻(què)相差很大，具體(tǐ)數(shù)據如(rú)圖(tú)2所示(shì)。
 
　　試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現場(chǎng)使用(yòng)的超聲波液位計問(wèn)題很(hěn)多。零(líng)點不(bú)準的(de)原因主要在于液位計安裝時(shí)沒有做(zuò)好零點的設置和(hé)校準(zhǔn)。水位超差的原因一部分在于(yú)液位計(jì)安裝後沒有(yǒu)做好現場(chǎng)校準，另一部分(fèn)在于(yú)液位(wèi)計使(shǐ)用(yòng)過程中(zhōng)傳感(gǎn)器探(tàn)頭老化，測(cè)量精度不達标。
2.3液位(wèi)測量的重(zhòng)複性
　　明渠(qú)流量(liàng)計液位測(cè)量的(de)重複性主要取(qǔ)決于液面(miàn)的穩定程度。液面平穩時(shí)，液位測量(liàng)的重複性就容(róng)易達(dá)标;反之，水(shuǐ)流不平穩，有大(dà)量漩渦、波浪、泡(pào)沫時(shí)，液位(wèi)測量的重複性就不(bú)滿足要求。具(jù)體情況如圖(tú)3所示(shì)。
 
　　上述水流不平穩的(de)情況(kuàng)，主要原(yuán)因是明(míng)渠流(liú)量計(jì)安裝(zhuāng)位置(zhì)前端(duān)的(de)行(háng)進渠(qú)道長度不滿足(zú)要求(qiú)。根據規程要求(qiú)，巴歇爾槽(cáo)的安裝條件爲前端順直行進(jìn)渠道長度應不小于5倍的行進(jìn)渠道寬(kuān)度，而薄(báo)壁堰(yàn)則要求爲(wèi)10倍。很多用(yòng)戶受(shòu)現場(chǎng)環(huán)境條件(jiàn)的限制，無(wú)法建造(zào)足(zú)夠長(zhǎng)度的(de)行進渠(qú)道進行整流，造成流量(liàng)計處(chù)的(de)流場條(tiáo)件十(shí)分(fèn)惡劣，無(wú)法滿足明渠流量計的正常使(shǐ)用。針對這(zhè)種情(qíng)況，有(yǒu)兩(liǎng)種方式(shì)可以進行改善(shàn)。一種方式爲:在(zài)流量計(jì)的前端(duān)增加整流(liú)格栅，減小水(shuǐ)流(liú)的波(bō)動，但通(tōng)過(guò)現場(chǎng)試驗(yàn)觀察，效果(guǒ)有限(xiàn);另一種方(fāng)式爲(wèi):在渠(qú)道旁(páng)邊設(shè)置一靜水(shuǐ)井，由連(lián)通(tōng)管與(yǔ)渠道水(shuǐ)流相通(tōng)，靜水井(jǐng)底應低(dī)于渠道(dào)中(zhōng)最低(dī)水位150mm，連(lián)通管管(guǎn)底距井底至少(shǎo)300mm,靜水井頂(dǐng)面應大于預計最(zuì)高水位300mm,這樣靜水(shuǐ)井内(nèi)的(de)水位與(yǔ)渠道中水位相(xiàng)同(tóng)，把渠道(dào)中的(de)漩渦(wō)和(hé)水(shuǐ)流(liú)的(de)脈動進行(háng)了隔(gé)離，同時也(yě)能大(dà)大減少水面的(de)泡沫。現場試驗(yàn)驗證(zhèng)，這種方式(shì)能夠有效(xiào)改善(shàn)液面不穩的情(qíng)況，保證液(yè)位測(cè)量的重複(fú)性要(yào)求。
2.4堰(yàn)槽(cáo)的幾(jǐ)何(hé)尺寸
　　堰槽幾何(hé)尺寸(cùn)的(de)誤差對(duì)測量結(jié)果精度(dù)的(de)影響主(zhǔ)要有(yǒu)兩個方面(miàn):一是改變了流(liú)量計算的(de)數學模型(xíng)，造成(chéng)流(liú)量(liàng)計二次(cì)儀表計算的(de)顯示值産生(shēng)誤(wù)差，這種影響我(wǒ)們通過兩個實(shí)例可以看到。由表2可以看出，堰槽幾何尺寸誤差的增(zēng)大可以造成(chéng)流(liú)量(liàng)測量(liàng)誤差(chà)的增大，且(qiě)影響量不斷遞(dì)增;二是影(yǐng)響(xiǎng)到(dào)了水流經過堰(yàn)槽時的水(shuǐ)位，從而對(duì)液位的測(cè)量(liàng)産生(shēng)附加誤(wù)差。
 
　　造(zào)成堰槽幾(jǐ)何尺寸誤(wù)差的(de)原因(yīn)有三點:一(yī)是制造(zào)精度問(wèn)題，一些企業爲(wèi)了節省成(chéng)本，自(zì)己加工堰(yàn)闆和槽體，由于(yú)條件所限無法保證(zhèng)加工精度，造成(chéng)堰槽(cáo)的實(shí)物(wù)與(yǔ)設計尺寸産生誤差;二(èr)是安裝(zhuāng)技術問題，一些(xiē)流量計(jì)的堰闆(pǎn)和槽體在安裝(zhuāng)過程(chéng)中，由于施(shī)工者(zhě)的(de)操(cāo)作因素造(zào)成(chéng)安裝尺(chǐ)寸誤差(chà)，或(huò)是施(shī)工經驗和溫度原因影(yǐng)響，造成堰闆和(hé)槽體受(shòu)渠壁(bì)擠壓産生(shēng)形變;三是用戶(hù)主觀因素(sù)，一些企業(yè)爲了(le)省事(shì)，在已建好的不(bú)規則(zé)的渠道中(zhōng)安裝(zhuāng)明渠流量(liàng)計，爲(wèi)了(le)适應渠(qú)道，隻(zhī)能将(jiāng)标準的堰闆或槽體(tǐ)進行改造，造成幾何尺寸的偏(piān)差。
2.5水位一流量轉換(huàn)誤差
　　水位-流量轉換誤差(chà)直接(jiē)影響(xiǎng)流量(liàng)計的顯示值，其産生的主要原(yuán)因爲:明渠(qú)流量計通過液位傳(chuán)感器得到(dào)的是(shì)原始信号爲液(yè)位信号，需通過(guò)二次儀表把液(yè)位信号(hào)轉換爲流量值。由(yóu)于明(míng)渠流量(liàng)計(jì)的數(shù)學模(mó)型(xíng)都比較複雜，儀(yí)表一般(bān)使用查表法把(bǎ)液位(wèi)轉(zhuǎn)換成流(liú)量。即每(měi)測到一(yī)一個液位(wèi)，到存(cún)儲器(qì)内找對應(yīng)液位點(diǎn)的流量(liàng)替代(dài)。如果測到(dào)的(de)液(yè)位在水位(wèi)流量表中兩點(diǎn)液位之間(jiān)，用線(xiàn)性插值(zhí)法算出(chū)對應(yīng)的流(liú)量(3]。因此，設置水位-流(liú)量表的點(diǎn)數越(yuè)多，轉(zhuǎn)換精度越高。
　　通過現(xiàn)場試(shì)驗，取(qǔ)兩(liǎng)個(gè)主要(yào)廠家軟件(jiàn)數據庫内的水位一(yī)流量表(biǎo)進(jìn)行驗(yàn)證，具(jù)體數據如圖4所(suǒ)示(shì)。
 
　　通過圖(tú)4可以(yǐ)看出:廠家(jiā)一的軟件設置爲30點對照，且液位點均(jun1)勻分布(bù)，而廠(chǎng)家二設置(zhì)爲(wèi)10點，不均(jun1)勻分布，則廠家一顯示的水(shuǐ)位(wèi)流量(liàng)轉換(huàn)誤差明顯(xiǎn)小于廠家二。
3結(jié)論
　　污水流量監(jiān)測數(shù)據的精度，受到多方(fāng)面因(yīn)素的(de)影(yǐng)響，在配套設(shè)施(shī)方面，需(xū)要(yào)保(bǎo)證行(háng)進渠(qú)道的長度,正确(què)設立靜水(shuǐ)井。在(zài)一次(cì)元件方面，需選擇合适的(de)堰;槽(cáo)類(lèi)型，堰槽(cáo)尺寸保證(zhèng)一定的加工精度，液(yè)位傳感器滿足(zú)相應(yīng)精度要求;在(zài)二次儀表方(fāng)面，需(xū)要(yào)正确的(de)進行軟件(jiàn)數據庫的(de)設計(jì)，通過(guò)這些才能保證(zhèng)流量監測數據(jù)的準(zhǔn)确有(yǒu)效(xiào)。
　　通過上述分析,我(wǒ)們看到實現污(wū)水流量監測的堰槽式明(míng)渠流(liú)量計，不(bú)僅僅是(shì)一個計(jì)量器具，而且作(zuò)爲一個(gè)計量(liàng)系統牽涉到選(xuǎn)型、設計、加(jiā)工、建築、安裝、調(diào)試和(hé)設置(zhì)，--旦建(jiàn)造成型，出現誤(wù)差後很(hěn)難從根(gēn)本(běn)上進行糾正，并且在現場受到各種環(huán)境條(tiáo)件的(de)影(yǐng)響，使用(yòng)中需要經常維(wéi)護。因此，作(zuò)爲強(qiáng)制檢定的涉及(jí)環境保護的計量器具(jù)，我們計(jì)量部(bù)門(mén)不僅要(yào)按時周期檢定(dìng)，更應該積極參(cān)與到環境(jìng)監測(cè)部門對自動監測設備驗收和(hé)日常(cháng)核查等技(jì)術文(wén)件的(de)制定(dìng)中，從而保(bǎo)證環(huán)境監測數(shù)據的真實(shí)、準(zhǔn)确和有效，爲(wèi)實現環境(jìng)保護(hù)，減(jiǎn)少污染做出(chū)應有的貢(gòng)獻。

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