淺談幾種污水流量測(cè)量流量計(jì)

一位流量專家F.C.King horo曾說(shuō)過(guò)，流量計(jì)是少數(shù)幾種使用比制造艱難的儀表之一。這是因?yàn)榱髁渴且粋€(gè)動(dòng)態(tài)量，處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的液體內(nèi)部不僅存在著粘性摩擦作用，還會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的旋渦和二次流等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。測(cè)量?jī)x表本身受到眾多因素，如：管道、口徑大小、形狀（圓形、矩形）、邊界條件、介質(zhì)的物性（溫度、壓力、密度、粘度、臟污性、腐蝕性等）、流體的流動(dòng)狀態(tài)（紊流狀態(tài)、速度分布等）以及安裝條件與水平的影響。面對(duì)國(guó)內(nèi)外十幾類、上百個(gè)品種的流量?jī)x表（先后發(fā)展起來(lái)的容積式、差壓式、渦輪式、面積式、電磁式、超聲波式和熱式流量計(jì)等類型），如何根據(jù)流量、流態(tài)、安裝要求與環(huán)境條件、經(jīng)濟(jì)性等因素合理選型，是應(yīng)用好流量?jī)x表的前提和基礎(chǔ)。除了儀表自身質(zhì)量要得到保證，工藝數(shù)據(jù)的提供和儀表的安裝、使用、維護(hù)是否合理也相當(dāng)重要。
1. 渦街流量計(jì)選型設(shè)計(jì)
渦街流量計(jì)作為一種新型流量計(jì)，80年代中期以來(lái)發(fā)展較快，它在流量測(cè)量方面有著諸多的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處，在現(xiàn)代流量測(cè)量中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在國(guó)內(nèi)使用渦街流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量也愈來(lái)愈得到重視，目前我國(guó)已有性能優(yōu)良并有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品系列。渦街流量計(jì)是基于流體振動(dòng)發(fā)展起來(lái)的，根據(jù)旋渦的不同，檢測(cè)方式從熱絲式、熱敏式逐漸發(fā)展了應(yīng)力式、磁敏式及差動(dòng)開(kāi)關(guān)電容式、超聲波式等。渦街流量計(jì)幾乎可用于一切可形成旋渦列的場(chǎng)合，不僅可用于封閉的管道，還可用于開(kāi)放的溝槽。與渦輪流量計(jì)相比，渦街流量計(jì)沒(méi)有可動(dòng)的機(jī)械部件，維護(hù)工作量小，儀表常數(shù)穩(wěn)定；與孔板式流量計(jì)相比，渦街流量計(jì)測(cè)量范圍大，壓力損失小，準(zhǔn)確度高，安裝與維護(hù)簡(jiǎn)單。但渦街流量計(jì)的環(huán)境相關(guān)參數(shù)較多，容易在使用現(xiàn)場(chǎng)被忽略而影響流量計(jì)性能的正確發(fā)揮。
渦街流量計(jì)的原理是在流量計(jì)管道中，設(shè)置一滯流件，當(dāng)流體流經(jīng)滯流件時(shí)，由于滯流件表面的滯流作用等原因，在其下游會(huì)產(chǎn)生兩列不對(duì)稱的旋渦，這些旋渦在滯流件的側(cè)后方分開(kāi)，形成所謂的卡門（Karman）旋渦列，兩列旋渦的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，卡門從理論上證明了當(dāng)h/L=0.281（h為兩旋渦列之間的寬度，L為兩個(gè)相鄰旋渦間的距離）時(shí)，旋渦列是穩(wěn)定的，在此情況下，產(chǎn)生旋渦的頻率f與流量計(jì)管道中流體流速υ的關(guān)系為：
f =sv/d （5）
v=df/s （6）
式中 d ——圓柱形滯流件的直徑；
s——無(wú)量綱常數(shù)，稱為Strouhal數(shù)，與流體流動(dòng)狀態(tài)的雷諾數(shù)Re有關(guān)。
流量計(jì)圓截面管道的雷諾數(shù)Re為：
（7）
式中 υ——流體的流速，m/s；
ρ——流體的密度，kg/m3；
μ——流體的動(dòng)力粘度，kg?m-1/s。
而流體的流量：
Q=A ＊v
從上式可見(jiàn)，渦街流量計(jì)選型設(shè)計(jì)完畢，流量Q不僅與f有關(guān)，而且與雷諾數(shù)Re也有關(guān)。雷諾數(shù)Re是表征粘性流體流動(dòng)特性的一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，其物理意義是流體流動(dòng)的慣性力與粘滯力的比值。因此，流體的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)渦街流量計(jì)的使用也有一定的影響。如果環(huán)境參數(shù)對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)有影響也會(huì)影響到渦街流量計(jì)的使用性能。
經(jīng)過(guò)實(shí)踐，如下幾個(gè)方面對(duì)渦街流量計(jì)的使用都有影響，應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分析。
（1） 渦街流量計(jì)的測(cè)量范圍較大，一般10：1，但測(cè)量下限受許多因素限制：Re＞10 000是渦街流量計(jì)工作的zui基本條件，除此以外，它還受旋渦能量的限制，介質(zhì)流速較低，則旋渦的強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)速度也低，難以引起傳感元件產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)，旋渦頻率f也小，還會(huì)使信號(hào)處理發(fā)生困難。測(cè)量上限則受傳感器的頻率響應(yīng)（如磁敏式一般不超過(guò)400Hz）和電路的頻率限制，因此設(shè)計(jì)時(shí)一定要對(duì)流速范圍進(jìn)行計(jì)算、核算，根據(jù)流體的流速進(jìn)行選擇。使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件復(fù)雜，選型時(shí)除注意環(huán)境溫度、濕度、氣氛等條件外，還要考慮電磁干擾。在強(qiáng)干擾如高壓輸電電站、大型整流所等場(chǎng)合，磁敏式、壓電應(yīng)力式等儀表不能正常工作或不能準(zhǔn)確測(cè)量。
（2） 振動(dòng)也是該類儀表的一大勁敵。因此在使用時(shí)注意避免機(jī)械振動(dòng)，尤其是管道的橫向振動(dòng)（垂直于管道軸線又垂直旋渦發(fā)生體軸線的振動(dòng)），這種影響在流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是無(wú)法抑制和消除的。由于渦街信號(hào)對(duì)流場(chǎng)影響同樣敏感，故直管段長(zhǎng)度不能保證穩(wěn)定渦街所必要的流動(dòng)條件時(shí)，是不宜選用的。即使是抗振性較強(qiáng)的電容式、超聲波式，保證流體為充分發(fā)展的單向流，也是不可忽略的。
（3） 介質(zhì)溫度對(duì)渦街流量計(jì)的使用性能也有很大的影響。如壓力應(yīng)力式渦街流量計(jì)不能長(zhǎng)期使用在300℃狀態(tài)下，因其絕緣阻抗會(huì)由常溫下的10 MΩ～100 MΩ急降至1 MΩ～10 KΩ，輸出信號(hào)也變小，導(dǎo)致測(cè)量特性惡化，對(duì)此宜選用磁敏式或電容式結(jié)構(gòu)。在測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器與轉(zhuǎn)換器宜采用分離安裝方式，以免長(zhǎng)期高溫影響儀表可靠性和使用壽命。
渦街流量計(jì)是一種比較新型的流量計(jì)，處于發(fā)展階段，還不很成熟，如果選擇不當(dāng)，性能也不能很好發(fā)揮。只有經(jīng)過(guò)合理選型、正確安裝后，還需要在使用過(guò)程中認(rèn)真定期維護(hù)，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，提高對(duì)系統(tǒng)故障的預(yù)見(jiàn)性以及判斷、處理問(wèn)題的能力，從而達(dá)到令人滿意的效果。
2. 節(jié)流式流量計(jì)選型設(shè)計(jì)
   節(jié)流式流量計(jì)是早期大量使用的一種測(cè)量流量的計(jì)量裝置，其歷史zui長(zhǎng)，用量zui多。現(xiàn)在常見(jiàn)的為圓孔板型和錐形入口板型，其工作原理是在流體管道中加入一孔板節(jié)流件，通過(guò)導(dǎo)壓管引入壓差變送器測(cè)出節(jié)流件上、下游的壓差，根據(jù)所測(cè)的壓差經(jīng)過(guò)計(jì)算即得出流量的瞬時(shí)值。由于導(dǎo)壓管內(nèi)水的不流動(dòng)性，在較寒冷地區(qū)，冬天室外安裝的孔板取壓管容易凍裂（凍住），使差壓儀器無(wú)法正常工作。測(cè)量較臟的污水時(shí)，孔板需經(jīng)常清洗。如清洗不及時(shí)，測(cè)量精度降低，取壓管經(jīng)常被污物堵死，儀表無(wú)法使用。用孔板的方式測(cè)流量時(shí)還有壓力損失大、維護(hù)量大等缺點(diǎn)。因此改變?nèi)悍绞剑缬脧骄嗳悍ǎ涂梢詼p少孔板污物的影響。

    以上幾種污水流量測(cè)量流量計(jì)中，電磁流量計(jì)性能較好，節(jié)流流量計(jì)應(yīng)用范圍廣，而渦街流量計(jì)比較新型，并正在不斷發(fā)展。只有了解這幾種流量計(jì)各自的性能，才能對(duì)流量計(jì)選型設(shè)計(jì)好，使污水流量的測(cè)量和控制達(dá)到度和可靠性要求。