浮力式超聲波明渠流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，敘述了一種工作可靠的使用浮力式傳感器的明渠流量計(jì)，首先介紹了改進(jìn)的帕歇爾槽結(jié)構(gòu)并給出了它的流量計(jì)算方法;詳細(xì)說明了浮力式液位傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，介紹了智能化的轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，最后給出了流量計(jì)的實(shí)際標(biāo)定數(shù)據(jù)。            

　　在工廠及城市污水排放、污水處理廠的某些生產(chǎn)環(huán)節(jié)和農(nóng)田水利灌溉等場(chǎng)合，水流多是處于明渠的形式或不滿管流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)其流量的測(cè)量無法使用常規(guī)的流量?jī)x表。隨著人們對(duì)水資源合理利用意識(shí)的提高和日益增長(zhǎng)的污水處理的需要，渠用流量計(jì)的研究與生產(chǎn)也越來越得到重視。

　　Flow Measuremnt and Instrumentation為明渠流量測(cè)量出版了專輯〔1〕。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO設(shè)有專門的明渠流體流量技術(shù)委員會(huì)。在國(guó)內(nèi)，渠用流量計(jì)也開始受到人們的關(guān)注，已經(jīng)有若干單位正在研究渠用流量計(jì)，并已有一些產(chǎn)品應(yīng)用于生產(chǎn)過程之中，確實(shí)解決了一些實(shí)際問題。但是，明渠流量測(cè)量裝置要擴(kuò)大應(yīng)用面、增強(qiáng)適應(yīng)性還有許多基礎(chǔ)性的工作要做。本文將介紹作者在明渠流量測(cè)量方面的初步研究成果及下一步研究計(jì)劃。

　　2明渠流量測(cè)量原理及流量計(jì)算

　　流體在管道中流動(dòng)通常都是充滿管道的。因此，對(duì)充滿管道的流體流動(dòng)進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)，管內(nèi)流體的流動(dòng)形態(tài)—流形，通常被認(rèn)為是“軸對(duì)稱”的。常規(guī)流量測(cè)量方法絕大多數(shù)都是基于這一“軸對(duì)稱”的前提下得到的。而流體在明渠中流動(dòng)卻根本無法滿足“軸對(duì)稱”這一前提。于是，常規(guī)流量測(cè)量方法無法適用于明渠流量的測(cè)量。

　　對(duì)明渠流量的測(cè)量方法主要有直接法和間接法兩大類。直接法是對(duì)明渠中流體的某些質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量，找出這些質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度與流體在明渠中的平均流速之間的關(guān)系，以及明渠的橫截面積，進(jìn)而得到通過明渠的流量;直接法由于很難找出某些質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度與流體在明渠中的平均流速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此很少被采用。間接法是在明渠中安裝量水器具，使之對(duì)明渠中的被測(cè)流體形成約束阻力，從而在量水器具的上、下游形成與明渠橫截面上平均流速有關(guān)的液位差。如果能夠保證量水器具下游出口處的液位不變(只要使下游液位不高于量水器具下游出口即可)，則量水器具的上游液位即可反映明渠橫截面上的平均流速。找出其對(duì)應(yīng)關(guān)系，用測(cè)量量水器具上游液位的方法即可得到明渠橫截面上的平均流速，進(jìn)而達(dá)到明渠流量測(cè)量的目的。間接法在明渠流量測(cè)量中應(yīng)用比較廣泛，是研究的對(duì)象。

　　超聲波明渠流量計(jì)由量水器具、液位傳感器和顯示儀表組成。前兩部分安裝于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，通過電纜將信號(hào)傳輸給安裝在控制室內(nèi)的顯示儀表，也可以將顯示儀表安裝在現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)成就地顯示型儀表。

　　間接法所用的量水器具分為堰式和槽式兩大類。堰式量水器具最常用的是圖1所示的三角堰和矩形堰，將其插入明渠之中即可使用。堰的上游側(cè)特定點(diǎn)處的水位h與瞬時(shí)流量9有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系:h=f(q),只要測(cè)出該點(diǎn)的水位h即可求出流量Q.

　　槽式量水器具最常用的是帕歇爾水槽，如圖2所示。測(cè)井與水槽的底部相通，其水位h與瞬時(shí)流量q也具有確定的關(guān)系。如果帕歇爾槽各部位的尺寸嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[2]的要求制作，那么流量計(jì)算可用該文獻(xiàn)給出的下述公式:

　　綜上所述.不論堰式還是槽式明渠流量計(jì)，都是在渠道中加裝量水器具，流體通過量水器具時(shí)受到阻擋而使渠道特定斷面處的液位h發(fā)生變化，而通過渠道的流體流量q與h之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，明渠流量計(jì)的研究工作主要由以下三部分組成:①對(duì)于特定的量水器具，確定q與h之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系式;②準(zhǔn)確地測(cè)出液位h值;③計(jì)算出對(duì)應(yīng)的流量值并做相應(yīng)的輸出。

　　由于帕歇爾水槽與堰式量水器具相比具有水位損失小(約為堰的1/4)、水中固態(tài)物質(zhì)不易沉淀堆積以及測(cè)量精度比較高等優(yōu)點(diǎn)，因而得到更為廣泛的應(yīng)用。本研究工作僅以帕歇爾水槽為對(duì)象，其研究方法也可應(yīng)用于堰式明渠流量計(jì)。

　　文獻(xiàn)[2]所給出的標(biāo)準(zhǔn)帕歇爾水槽(圖2)，形狀復(fù)雜、尺寸要求嚴(yán)格，制造、加工困難且底面凹陷處容易積存沉降物。為了擴(kuò)大其適用范圍，作者設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單的量水器具，稱之為改進(jìn)的帕歇爾槽，如圖3所示。主要改進(jìn)在于把底面展開。結(jié)構(gòu)尺寸的變化必然導(dǎo)致其流量q與水位h之間函數(shù)關(guān)系的改變，作者為此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)表法進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)表為0. 2級(jí)精度的電磁流量計(jì)。表1、表2為喉部尺寸b分別是76mm和25mm的改進(jìn)的帕歇爾槽的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和用文獻(xiàn)[2]所給出的標(biāo)準(zhǔn)帕歇爾水槽計(jì)算公式計(jì)算所得到的數(shù)據(jù)以及兩者間的偏差，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，這種改進(jìn)槽的實(shí)測(cè)流量值與根據(jù)文獻(xiàn)[2]計(jì)算得到的流量值有較大偏差，因此不能再用該公式進(jìn)行流量計(jì)算。

　　作者根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用最小二乘曲線擬合法[3]擬合出了如F形式的流量計(jì)算公式:

　　由于作者設(shè)計(jì)的水位傳感器(詳見后文)與水位h呈正比的輸出信號(hào)為頻率F，故在儀表中實(shí)際應(yīng)用的流量計(jì)算公式為:

擬合公式(3)的流量計(jì)算精度優(yōu)于0. 3%，完全可以滿足流量計(jì)算的要求。

3浮力式水位傳感器

　　無論采用何種形式的量水器具，均需要測(cè)出水位才能得到瞬時(shí)流量值并進(jìn)而得到累積流量。因此尋求一種適當(dāng)?shù)�、可靠的水位測(cè)量傳感器就成了關(guān)鍵性問題。由于明渠流量測(cè)量經(jīng)常用于工礦企業(yè)污水排放、污水處理裝置以及農(nóng)田灌溉用水等場(chǎng)合，被測(cè)流體中一般均含有懸浮物、漂浮物以及油污等雜質(zhì)，為更好地適應(yīng)這些特點(diǎn)，研制了一種浮

　　圖中的測(cè)井即圖2帕歇爾水槽旁的測(cè)井。浮球采用光滑的不銹鋼薄壁圓球。這種測(cè)水位的方法雖然是一種接觸式測(cè)量，但由于采用的浮球表面極為光滑，且為不銹鋼制成，應(yīng)用實(shí)踐證明它的抗沾污性和抗腐蝕性均可滿足工程實(shí)用要求。電感式液位傳感器是由原、副邊線圈組成的螺線管型互感線圈，當(dāng)原邊電壓為E時(shí)，副邊感應(yīng)電壓Uo=MXE，其中M是互感系數(shù)。與浮球相連的鐵芯隨水位的升降而改變其在電感線圈中的長(zhǎng)度。鐵芯在線圈中的長(zhǎng)度不同將改變互感系數(shù)M的數(shù)值，使U0發(fā)生變化。將得到的副邊電壓U0進(jìn)行檢波、放大以及電壓/頻率轉(zhuǎn)換，使得電路輸出信號(hào)的頻率與所測(cè)液位呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而達(dá)到檢測(cè)液位的目的。信號(hào)檢測(cè)電路原理如圖5所示。

　　4智能明渠流量顯示儀

　　智能明渠流量顯示儀的主要功能是將采集到的水位傳感器的頻率信號(hào)F按照式(3)計(jì)算出瞬時(shí)流量q,并進(jìn)而得到累積流量。顯示儀采用LED數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)字顯示，瞬時(shí)流量4位數(shù)字顯示，累積流量8位數(shù)字顯示，使用按鍵在兩個(gè)顯示內(nèi)容間進(jìn)行切換。顯示儀的原理框圖如圖6所示。顯示儀以MCS-51單片機(jī)為核心，它接收來自水位傳感器的頻率信號(hào)。顯示儀高阻抗的輸入電路，使傳感器至顯示儀的最大傳輸距離可以達(dá)到1000米，并且采用光電隔離，使外部電信號(hào)不直接與單片機(jī)發(fā)生電氣連接，保證了單片機(jī)運(yùn)行的可靠性。程序存儲(chǔ)器用來存放單片機(jī)的運(yùn)行指令，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要用于存放累積流量值，并對(duì)其進(jìn)行掉電保護(hù)，保護(hù)時(shí)間十年。單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，故加了一套驅(qū)動(dòng)電路。運(yùn)行電路是一個(gè)定時(shí)器，一旦程序跑飛或死機(jī)可強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位，并兼有上電復(fù)位功能。提高了儀表的抗性能。

　    5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　對(duì)文獻(xiàn)[2]給出的5種小型帕歇爾槽超聲波明渠流量計(jì)均進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。表3,4為其中兩種規(guī)格流量計(jì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)流量由0. 2級(jí)電磁流量計(jì)給出。

　　從表3,4的實(shí)驗(yàn)表3,4結(jié)果可見，其測(cè)量誤差均小于2.5%，滿足2. 5級(jí)儀表要求。

　　表5給出了已研制成功的五種小型帕歇爾槽明渠流量計(jì)的流量范圍。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐結(jié)果證實(shí)改進(jìn)的帕歇爾槽明渠流量計(jì)有效地防止了淤積;測(cè)量?jī)x表運(yùn)行可靠;浮力式水位傳感器具有較好的抗沾污性及環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)環(huán)境溫度、濕度變化不敏感，能適用于各種水質(zhì)，不受水中浮沫、懸浮物等雜質(zhì)影響;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工、安裝方便;計(jì)量準(zhǔn)確度可以滿足實(shí)際需要，是一種應(yīng)用前途廣闊的明渠計(jì)量裝置。

　　改進(jìn)的帕歇爾水槽用于明渠流量測(cè)量解決了沉淀淤積問題。但是，由于結(jié)構(gòu)形狀的變化，槽上液位與通過流量之間不再適用原來的公式。目前，只是對(duì)幾種特定尺寸改進(jìn)的帕歇爾水槽進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，擬合出了相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，而適用于改進(jìn)的帕歇爾水槽的通用公式尚未得到。要得到通用關(guān)系式還需進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，這正是以后要進(jìn)行的工作。