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关于排水系统水流量实验室的设计和运行

发布于：2023-09-20 11:33:20 来自：给排水工程/给排水资料库 [复制转发]

导读： 分析了排水系统水流量实验室的价值、设计和运行中可能的影响因素。对这些影响因素值得做进一步的思考和实践，以便将不利影响降低到可控的范围，确保排水系统水流量室高精度、稳定可靠地运行。排水系统水流量实验室提供稳定的标准流量值，经过授权后可以对排水系统水流量计进行量值传递、溯源与检定测试，为贸易结算等提供依据。

排水系统的水流量计，包括电磁流量计、超声波互相关流量计、超声波多普勒流量计、雷达流量计和文丘里堰等。排水系统的水流量计普遍用于流量计量和贸易结算、管网诊断、外水排查、泵站管控和节能、智慧泵站、碳减排、截流井和调蓄池联动运行、污水处理厂的过程控制等。

随着排水系统数字化和智慧化的深化，对排水系统水流量计的测量误差和设备可靠性也提出越来越高的要求。排水系统水流量实验室提供稳定的标准流量值，经过授权后可以对排水系统水流量计进行量值传递、溯源与检定测试，为贸易结算等提供依据。因此，排水系统水流量实验室的重要性也越发凸显。

与满管和测量介质比较干净的给水系统不同，排水系统存在满管和非满管，测量介质中的杂质也比较多。因此，排水系统的水流量实验室不能照搬给水系统的水流量实验室。

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排水系统水流量实验室的用途和价值

根据 ISO 5725—1 (1994) 测试方法与结果的准确度 ( 正确度与精密度 ) 第 1 部分：基本原理与定义：

测量准确性 / 不准确性（ accurancy/unaccurancy ），描述测量值与真实值的接近程度；
测量精度，描述测量值的一致性。

一台好的水流量计，需要达到：

好的流量测量数据一致性（随机误差）；
相对高的测量准确性 / 不准确性（系统误差）。

排水系统水流量实验室是排水系统流量计量和测试技术发展的重要环节，可以确定流量计的仪表系数、随机误差、系统误差和量程范围等技术指标，也能研究排水系统流量测试方法并进行数据验证。加强排水系统水流量实验室的研究和建设，提高排水系统水流量计检定的精度、稳定性，建立完善的流量标准计量体系，对排水行业具有重要意义。

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排水系统水流量实验室的类型和组成

2.1 排水系统水流量实验室的类型

排水系统水流量实验室分为满管和非满管两大类。

（ 1 ）满管的排水系统水流量实验室，与给水系统水流量实验室类似，确保实现压力和满管情况下的稳定测量。

（ 2 ）非满管的排水系统水流量实验室可以分为动水槽和静水槽两种类型。其中：

非满管动水槽，是指传感器固定安装而并不运动，介质（水）运动；
非满管静水槽，是指水槽内的介质（水）保持静止；传感器固定在运动部件上，传感器随运动部件的运动而运动。

简而言之，动水槽是水在运动，传感器不运动；静水槽是水不运动，传感器运动。

非满管动水槽的典型案例，是德国 NIVUS 集团的实验室。在这个水槽中，测量介质（水）是运动的，流速传感器固定。国内计量院系统的水流量实验室，大部分都是动水槽。

德国 NIVUS 集团动水槽水流量实验室

非满管静水槽的典型案例，是瑞士联邦计量研究所（ Federal Institute of Metrology METAS ）运营的牵引水槽（ tow tank ）。静水槽中安装可以运动的牵引器，流速传感器固定在牵引器伸入水槽中的运动部件上；介质（水）是静止的，随着牵引器的速度变化，流速传感器与静止的水的相对速度会变化。流速传感器用于感知这个相对速度的变化。国内也有不少类似的静水槽实验室。

瑞士联邦计量研究所静水槽水流量实验室

国内已有为数不少的静水槽水流量实验室和动水槽水流量计实验室。这些实验室基本适用于水利行业或供水行业，目前尚无专业的排水系统水流量计实验室。

2.2 排水系统水流量实验室的组成（以 非满管 动水槽为例）

排水系统水流量实验室主要包括水池、水泵组、检测台位、标准器、控制系统和水塔等部分。水流量计的检定方法有标准表法、静态或动态质量法、静态或动态容积法等，或采用组合式的检定方法。

下图是一个典型非满管动水槽的排水系统水流量实验室。此实验室采用经过标定的电磁流量计作为标准器，其中的蜂巢填料用于降低水流的扰动，提高测量精度。

典型的动水槽水流量实验室

▲ （此图引自 Real time flow rate modelling in disturbed conditions from velocity profilers[D], 2013)

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排水系统水流量实验室设计和运行的注意事项

如前所述，排水系统存在满管和非满管，介质中的杂质也比较多，其设计和运行有一定的特殊性。

3.1 测量介质的影响

排水系统中大量使用的超声波互相关流量计和超声波多普勒流量计需要测量介质中存在杂质、气泡或矿物质，作为超声波的反射物，否则无法有效测量。

满管且带压情况下

使用含杂质的水，比如污水厂处理后出水作为测量介质，但污水厂处理后出水不适合长期存储使用。
清水中没有颗粒物和矿物质，通常不适合采用超声波多普勒和超声波互相关流量计。可以采取以下两种方式解决此问题：（ 1 ）投加一定浓度和颗粒粒径的 PAM ，用作超声波反射物；（ 2 ）设置气泡产生装置，在标准器和流量计之间喷入一定数量和粒径的小气泡，作为超声波反射物。这些细小颗粒物或气泡被超声波多普勒和超声波互相关流量计捕捉后，可以测量细小颗粒物或气泡的流速；而细小颗粒物或气泡的运动速度和流体的速度一致，因此可以测量清水的流速。

非满管的动水槽

使用含杂质的水，比如污水厂处理后出水作为测量介质，但污水厂处理后出水不适合长期存储使用。
清水中没有颗粒物和矿物质，通常不适合采用超声波多普勒和超声波互相关流量计。可以采取两种方式解决此问题：（ 1 ）投加一定浓度和颗粒粒径的 PAM ，用作超声波反射物；（ 2 ）当敞开渠道或管道中水的流速增加到一定程度并辅助气泡产生条件，会产生小气泡。这些细小颗粒物或气泡被超声波多普勒和超声波互相关流量计捕捉后，可以测量细小颗粒物或气泡的流速；而细小颗粒物或气泡的运动速度和流体的速度一致，因此可以测量清水的流速。

非满管的静水槽

静水槽中的水并不运动，水中无法自发形成小气泡；静水槽中运动的传感器会对静水产生扰动，并可能产生气泡，但这些气泡的位置通常在传感器的测量窗口的后侧，传感器无法测量到；静水槽中运动的传感器会对静水产生扰动，可能搅动底部的悬浮物，但这些悬浮物的位置通常在传感器测量窗口的后侧，传感器无法测量到。

可能的解决方案：

类似用瑞士联邦计量研究所运营的牵引水槽的做法，在水中投加一定浓度和颗粒粒径的 PAM 颗粒。这种 PAM 颗粒的粒径较小，密度与水接近，悬浮在水中可作为超声波反射物；
在静水槽侧面设置气泡产生装置，沿程喷入一定数量和粒径的小气泡，作为超声波反射物。

3.2 黏度的影响

测量介质的黏度越大，表示流体的流动性越差；流体的黏度越大，流体的阻力越大，流体的压头损失也越大。

污水的黏度大于清水的黏度；不同悬浮物含量的污水的黏度不同。黏度值直接影响流场分布和相关模型，也影响水流量的测量精度。因此，建议用实际的测量介质进行测量。

3.3 满管 / 非满管交替

可以在满足平直段长度要求的满管后设置高度可调的堰板，跌水进入后续的非满管渠道或管道，实现满管和非满管的测量。

但跌水会导致跌水段后方的流场紊乱，需要比较长的平直段才能保证流场的问题。因此，非满管段的长度会比较长。降低非满管平直段的长度要求的解决方法大致有：

在跌水处后方安装导流件，降低流场扰动；
在非满管后安装高度可调的堰板，抬高非满管渠道或管道的水位，降低流场扰动。

3.4 液位测量误差

满管情况下，不考虑液位测量的误差。在流速比较大和非满管情况下，液位的测量误差会加大。需要考虑超声波液位计、静压液位计和雷达液位计的冗余测量，确保液位测量的精度。

3.5 标准器的种类

给水系统水流量实验室的标准器通常为电子秤、金属量器和标准表。其中，质量法流量标准装置目前已经非常普遍。有些排水系统水流量实验室采用电磁流量计作为标准器。此电磁流量计需具有国家授权的法定计量检定机构出具的检定证书或符合 CNAS 实验室认可的校准证书。电磁流量计在高流速情况下的测量精度可以达到 0.5% ，但此测量精度受流速的影响比较大，尤其在低流速情况下误差明显加大，需要考虑测量下限的影响。

排水系统水流量实验室的标准器的选择，值得进一步探讨。

3.6 流量稳定性

水流量实验室的流量稳定性与装置水源的压力稳定性有直接关系。只要水源具有足够高的压力稳定性，就可以保证装置流量稳定。水流量实验室按稳压方法不同，可分为水塔稳压法、容器稳压法、变频稳压法、变频加容器稳压法等。其中高位水塔是经典的稳压方式。

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结语