摘要：針對大口徑流量計(jì)的現(xiàn)場量值溯源，結(jié)合實(shí)例，設(shè)計(jì)了一套指導(dǎo)換能器現(xiàn)場安裝的輔尺，較好地解決了直徑測量不準(zhǔn)、換能器定位問題;提出了針對檢測井、流量計(jì)上游處理、管道安裝等三個(gè)方面的設(shè)計(jì)建議，可為污水處理工藝設(shè)計(jì)和大口徑流量計(jì)量值溯源提供有益的指導(dǎo)與幫助。
0引言
大口徑流量計(jì)在水資源計(jì)量場合應(yīng)用非常多，電磁流量計(jì)因其無壓力損失且不受管道內(nèi)流體密度、溫度等因素的影響，成為污水處理企業(yè)的首選”。用于污水計(jì)量的電磁流量計(jì)口徑多為1000mm以上口，貿(mào)易結(jié)算量和涉及金額巨大田由于大口徑流量計(jì)安裝后一般無備用管路“,無法拆卸送檢，多數(shù)情況下只能采用外夾式超聲流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。
在校準(zhǔn)過程中，難免會遇到現(xiàn)場檢測條件不足的情況，包括檢測井空間或前后直管段不足，換能器定位不準(zhǔn)，流量計(jì)不滿管和介質(zhì)氣泡多等問題。本文將針對.上述問題進(jìn)行研究并提出設(shè)計(jì)建議。
1現(xiàn)場校準(zhǔn)方法
1.1外夾式超聲流量計(jì)工作原理
超聲波流量計(jì)以測量聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播的時(shí)間與流速的關(guān)系為原理。如圖1所示，A和B為換能器,L為聲道長度,D為管道外徑,h為管壁厚度.`?為超聲流量計(jì)測得的管道平均流速。通過D與h可得到管道過流面積s,其計(jì)算公式如式(1)，體積流量qv如式(2)
1.2標(biāo)準(zhǔn)器
用作標(biāo)準(zhǔn)器的外夾式超聲流量計(jì)精度等級較高,多為0.5級，一般需送至權(quán)威檢定機(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行標(biāo)定。
2換能器定位方法的研究
換能器安裝位置的正確與否直接關(guān)系到測量結(jié)果,難點(diǎn)有兩個(gè):一是兩個(gè)換能器之間的連線應(yīng)與管道中心軸線平行;二是確定平均管徑位置。如圖2所示,管道口徑為DN1800.以2聲程V法測量為例。AB為超聲流量計(jì)給出的兩個(gè)換能器之間的安裝距離(1325mm)。在實(shí)際安裝過程中，如果沒有其它的輔助手段，難以做到AB連線與管道中心軸線平行。假若偏離角α為1°,右側(cè)換能器的偏離距離近似等于弧長B′B,B′B=11.5mm。若管道口徑為DN2000，以表1中最長換能器安裝間距計(jì)算，AB=2984mm,則B′B=26mm,對測量結(jié)果將帶來不可忽略的影響。
由于待測管徑巨大，管道截面為非標(biāo)準(zhǔn)圓形。以DN1800管道為例，不同位置的外徑最大可差35mm,極限情況下,若傳感器安裝位置的直徑與平均直徑的差值恰好為外徑最大差即35mm,僅截面面積一項(xiàng)帶來的誤差就達(dá)3.8%。，傳統(tǒng)的圍尺測量直徑的方法獲得的是平均管徑，但無法指導(dǎo)檢測人員將換能器安裝在平均管徑位置;即使在換能器之間增加滑軌，也只能保證換能器安裝間距準(zhǔn)確，不能保證換能器連線的投影與軸線平行。因此,本文設(shè)計(jì)了一套便于攜帶、易于現(xiàn)場組裝的輔助設(shè)備即輔尺,用于定位、安裝換能器，基本結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。輔尺測量管徑范圍:800~2200mm,其主尺測.量不確定度U=0.5mm(k=2)。能夠測量管道截面任意位置的外徑,保證換能器連線平行于管道軸心，較好地解決換能器安裝位置不精準(zhǔn)帶來的問題,盡可能地降低測量過程中的人為影響,實(shí)用性強(qiáng)。
3排水設(shè)施的設(shè)計(jì)
3.1檢測井的設(shè)計(jì)
一般情況下,污水排放管道及用于計(jì)量的大口徑流量計(jì)均置于地下。現(xiàn)場校準(zhǔn)需有檢測井才能正常進(jìn)行。由于外夾式超聲流量計(jì)不能獲得流體剖面的信息，并受流速不對稱和流態(tài)變化影響，易產(chǎn)生測量誤差121。為盡量減小流體擾動(dòng)帶來的影響，現(xiàn)場測量時(shí)應(yīng)選取較長的前后直管段進(jìn)行檢測，因此，檢測井的位置選取十分重要，一般靠近流量計(jì)的.上游位置.直管段盡量保證至少前10D后5D(D為管道公稱通徑),若上游存在泵或彎頭、閥門時(shí),應(yīng)盡可能地延長直管段的距離13,控制在20D以，上。
通常井底離管底不少于0.2m,兩側(cè)井壁距管壁不少于1m。對于檢測井的長度，當(dāng)管徑范圍為DN1000~DN2000時(shí)，以FLEXIM601超聲流量計(jì)為例，配套CDK型換能器，分別采用V法和Z法以及不同的聲程測量時(shí),換能器的安裝間距如表1所示，其范圍對應(yīng)管道內(nèi)徑約為0.27D~1.5D.考慮現(xiàn)場檢測的人員活動(dòng)空間，因此檢測井長度以2D為宜。
3.2流量計(jì).上游處理設(shè)計(jì)
在排水管道中由于管道落差較大，按正常管道坡度無法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，會采取建設(shè)跌水井來滿足設(shè)計(jì)方案,同時(shí)還起到穩(wěn)流和排氣的作用。但若設(shè)計(jì)考慮不周，水流經(jīng)過跌水井后.上游帶來的大量氣泡依然會存在甚至增加，導(dǎo)致流量計(jì)無法正常工作。以長沙岳麓某污水處理廠為例，如圖5所示，該跌水井尺寸為4m×3m×5m,流量計(jì)為DN1800電磁流量計(jì)。.上游水源含有大量氣泡,流速約1.2m/s,水流方向如箭頭所示，從入口處直沖下游管道入口,夾帶大量新產(chǎn)生的氣泡進(jìn)入測量管道,導(dǎo)致電磁流量計(jì)數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定，外夾式超聲流量計(jì)無論采用V法還是Z法,均無法獲取測量信號，無法進(jìn)行校準(zhǔn)工作。
檢測人員建議污水處理廠對跌水井進(jìn)行改造，如圖6所示，在井中部增加一道鋼制擋水板，厚度為5mm,鋼板采用Q235C鋼材,槽鋼采用熱軋普通槽鋼(型號6.3),井壁預(yù)埋件施工采用植筋處理,鋼筋采用HRB400。擋板底部在下游入口中心線位置，擋板距離右壁約1.5m。改造后，上游水流沖擊在擋板處，起到了良好的排氣和穩(wěn)流作用。再次測量時(shí),超聲流量計(jì)信號正常，被測電磁流量計(jì)示值穩(wěn)定,較好地解決了現(xiàn)場污水的計(jì)量和流量計(jì)的量值溯源問題。
3.3管道設(shè)計(jì)
為保證大口徑流量計(jì)正常計(jì)量，其前后直管段、介質(zhì)滿管、不能存氣等要求是需要滿足的。但現(xiàn)場安裝條件各不相同，針對不同情況，從正確計(jì)量的角度出發(fā),本文提出了兩種管道鋪設(shè)及流量計(jì)安裝的建議,分別如圖7和圖8所示。管道直徑為D,跌水井長度為L，配置擋水墻，擋水墻底部距井底約0.5D,墻體距離右壁約0.4L,;排污排氣井為正方形,尺寸為1.5D×1.5D.即圖示L2=1.5D.內(nèi)置擋水墻,擋水墻頂與.上游管頂平齊，墻體距離右壁約0.4L2。
圖7為場地空間較充裕時(shí)，流量計(jì)所在的管道較長,管道的水平夾角較小，約為5°。圖8則為場地空間較小時(shí)的類U型設(shè)計(jì)，流量計(jì)在底部，所在管道的水平夾角約8°~10°,出口夾角為120°~135°。
4總結(jié)
1)本文設(shè)計(jì)的用于換能器安裝的輔尺，結(jié)構(gòu)簡單,便于攜帶，能幫助檢測人員提升管徑測量和換能器定位水平，提高了測量工作效率，并通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法良好的使用效果。該工裝的主尺為全鋼材質(zhì)，重量較大,可進(jìn)一步研究精簡結(jié)構(gòu)和重量的方法。
2)大口徑流量計(jì)的正常工作和現(xiàn)場量值溯源會受到安裝位置和上、下游工況條件的影響.這些問題需要在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行考慮并解決,一旦施工完成再改進(jìn)則成本巨大且不一定能達(dá)到預(yù)期的效果。本文針對檢測井、流量計(jì)上游處理、管道安裝等三個(gè)方面提出的設(shè)計(jì)建議，可為污水處理及水資源計(jì)量提供一定的參考。
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