摘要：環(huán)保產(chǎn)業(yè)對(duì)污水流量的測(cè)量和控制的度、可靠性要求已越來(lái)越高, 本文介紹了電磁式、渦街式、節(jié)流式等幾種流量計(jì)的選型設(shè)計(jì), 并結(jié)合污水處理工藝特點(diǎn), 從理論和實(shí)踐兩方面闡述各自的特點(diǎn)。
  國(guó)外一位流量 F .C .King horo 曾經(jīng)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)的有容積式、差壓式 、渦街式、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 。本文介紹在污水流量測(cè)量中經(jīng)常使用的電磁式、渦街式 、節(jié)流式等幾種流量計(jì)的選型設(shè)計(jì) , 并結(jié)合污水處理工藝特點(diǎn), 從理論和實(shí)踐兩方面闡述它們各自的特點(diǎn)。

1、電磁流量計(jì)選型設(shè)計(jì)：
  電磁流量計(jì)自 20 世紀(jì) 50 年代末國(guó)內(nèi)首次工業(yè)應(yīng)用以來(lái), 七八十年代在流量測(cè)量中運(yùn)用和發(fā)展很快。電磁流量計(jì)的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律 ,即被測(cè)介質(zhì)垂直于磁力線方向流動(dòng),因而在與介質(zhì)流動(dòng)和磁力線都垂直的方向上產(chǎn)生一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Ex

  式中:Ex為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ,V ;B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度 ,T ;D 為兩電極間的距離 , mm ;v 為被測(cè)介質(zhì)的平均流速 ,m/s。被測(cè)介質(zhì)的流量 Q 與 d(等同于 D , 均指兩極間距離)和 v 有關(guān)：

  其中 , K 為常數(shù) 。由式(4)可知 ,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Ex與被測(cè)介質(zhì)流量(流速)成正比 ,電磁流量計(jì)不受溫度、壓力 、粘度 、密度等外界因素的影響 ,測(cè)量管內(nèi)部無(wú)收縮或凸出部分的壓力損失 ,另外, 流量元件檢測(cè)出的***初信號(hào),是一個(gè)與流體平均流速成線性變化的電壓, 它與流體的其他性質(zhì)無(wú)關(guān) ,具有很大的優(yōu)越性 。
  根據(jù)污水具有流量變化大、含雜質(zhì) 、有一定的導(dǎo)電能力等特性 ,測(cè)量污水的流量, 電磁流量計(jì)是一個(gè)很好的選擇。它結(jié)構(gòu)緊湊、體積小 ,安裝、操作、維護(hù)方便 ,如測(cè)量系統(tǒng)采用智能化設(shè)計(jì), 整體密封加強(qiáng),能在較惡劣的環(huán)境下正常工作?？蛇x用氯丁橡膠襯里, 含鉬不銹鋼(0Cr18Ni12M o2Ti)電極的電磁流量計(jì), 即可滿足污水流量測(cè)量的要求 。
  某冶煉廠在生產(chǎn)中 ,由于生產(chǎn)工藝的需要, 會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)污水 ,污水處理廠必須對(duì)污水的流量進(jìn)行監(jiān)控 。在以往的選型設(shè)計(jì)中 , 流量?jī)x表不少都選用旋渦流量計(jì)和孔板流量計(jì)。而實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)測(cè)量的流量顯示值與實(shí)際流量偏差較大, 改用電磁流量計(jì)偏差大大減小 。

2 、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), 20 世紀(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v 的關(guān)系為 ;
  f =sv/ d
  v =d f / s
  式中:d 為圓柱形滯流件的直徑 ;s 為無(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 :
  Re =v dρ/ μ
  式中:v 為流體的流速, m/s ;ρ為流體的密度 ,kg/ m3;μ為流體的動(dòng)力粘度 ,Pa·s 。
  而流體的流量:Q =A ×v
  從上式可見(jiàn) ,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 >10000 是渦街流量計(jì)工作的***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)是影響該類儀表的重要因素 。 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 10M Ψ～100M Ψ急降至 1M Ψ～ 10kΨ, 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。在經(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。

3、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***長(zhǎng) ,用量***多 ?，F(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)量準(zhǔn)確度降低, 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?,例如用徑距取壓法,就可以減少污物的影響。

    現(xiàn)在的城市供水，引水渠、火電廠冷卻水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工礦企業(yè)廢水排放以及水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道的污水廢水的計(jì)量需要根據(jù)實(shí)際不同的流量（比如滿管流量和半管流量），管道內(nèi)的壓力不同，選擇合適的流量計(jì)來(lái)測(cè)量這些污水。
    污水流量計(jì)在自然流動(dòng)或者管道壓力比較小不滿管流動(dòng)的時(shí)候使用效果是非常好的。

污水流量計(jì)工作原理：
    流量計(jì)儀表直接測(cè)量的物理量是液位。用于測(cè)流量時(shí)，在安裝量水堰槽。量水堰槽把明渠內(nèi)流量的大小轉(zhuǎn)成液位的高低。儀表測(cè)量量水堰槽內(nèi)的水位，再按相應(yīng)量水堰槽的水位-流量關(guān)系反算出流量。

污水流量計(jì)的安裝要求：
　　1)、環(huán)境選擇
　　應(yīng)盡量遠(yuǎn)離具有強(qiáng)電磁場(chǎng)的設(shè)備，如大型電機(jī)、大型變壓器、大型變頻器等。安裝場(chǎng)所不應(yīng)有強(qiáng)烈震動(dòng)，管道固定牢靠，環(huán)境溫度變化不大(防止固液兩相變化)。安裝環(huán)境應(yīng)便于安裝和維護(hù)。
　　2)、位置選擇
　　安裝位置必須保證管道內(nèi)始終充滿被測(cè)液體。
　　選擇液體流動(dòng)脈沖小的地方，應(yīng)遠(yuǎn)離泵和閥門、彎頭等局部阻力件。
　　測(cè)量雙相(固、液和氣、液)液體時(shí)，應(yīng)選擇不易引起相分離的地方。
　　被測(cè)管道內(nèi)徑或周長(zhǎng)容易測(cè)量，并且橢圓度應(yīng)較小。
　　3)、直管段長(zhǎng)度
　　傳感器安裝管道上游側(cè)直管段長(zhǎng)度應(yīng)大于或等于10D，下游側(cè)應(yīng)不小于5D(D為被測(cè)管道通徑)。
　　4)、 流量控制閥門和調(diào)節(jié)閥門
　　流量控制閥門應(yīng)安裝在傳感器上游側(cè)的被測(cè)管道內(nèi)，流量調(diào)節(jié)閥門應(yīng)安裝在傳感器下游側(cè)。
　　流量時(shí)，通常流量控制閥門應(yīng)處于全開(kāi)狀態(tài)。
　　污水流量計(jì)的校準(zhǔn)是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作，因?yàn)閷?duì)于污水來(lái)說(shuō)，包括有氣體、液體和混合流體等具有不同物理特性的介質(zhì)，而且；被測(cè)污水流體的流動(dòng)狀態(tài)可以是層流、紊流等等。此外還存在粘度大小不同等情況。

污水流量計(jì)用途范圍：
    與量水堰槽配合使用，測(cè)量明渠內(nèi)水的流量。主要用于測(cè)量污水廠、企事液?jiǎn)挝坏奈鬯欧趴凇⒊鞘邢滤赖牧髁?。由于這種儀表采用超聲波穿過(guò)空氣，以非接觸的方法測(cè)量。因此在粘污、腐蝕性液體情況下，比其它形式的儀表具有更高的可靠性。

4、結(jié)語(yǔ)：
  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)各自的性能特點(diǎn), 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。