摘要:簡述了污水自動監(jiān)測系統(tǒng)中流量測量的原理和組成，通過對標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽明渠流量計(jì)流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型的分析，總結(jié)出污水在線監(jiān)測系統(tǒng)中影響流量測量精度的5項(xiàng)主要因素，并對各項(xiàng)因素進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)分析。
0引言
隨著環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，我國對建立環(huán)境管理體系，加大環(huán)境監(jiān)測力度提出了更高要求。目前，國內(nèi)重點(diǎn)排污企業(yè)均安裝了污水自動監(jiān)測系統(tǒng)，保證污水排放的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)，上傳至市、省環(huán)境監(jiān)測部門和國家環(huán)保主管部門。為了保證上傳數(shù)據(jù)的有效性，國家環(huán)保部發(fā)布了HJ/T355-2007《水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行與考核技術(shù)規(guī)范》和HJ/T356-2007《水污染源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性判別技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范性文件。這些文件對有關(guān)水質(zhì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)(如化學(xué)需氧量COD。、氨氮NH,-N、總磷TP、pH值)等，詳細(xì)規(guī)定了試驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)據(jù)要求1-2],但對如何保證水量的流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確，卻沒做要求。
隨著主要污染物總量減排監(jiān)測要求的提出，這種情況8益被發(fā)現(xiàn)和重視。2013年底環(huán)境監(jiān)測部門已有人提出關(guān)于污水流量監(jiān)測質(zhì)量監(jiān)督檢查的技術(shù)和方法3。但從流量計(jì)量專業(yè)的角度來看，環(huán)監(jiān)部門提出的方法僅對相關(guān)計(jì)量檢定規(guī)程項(xiàng)目進(jìn)行了簡化和重組，并沒有進(jìn)行深人的計(jì)量技術(shù)分析，無法保證現(xiàn)場流量數(shù)據(jù)的精度。而本文則根據(jù)現(xiàn)場檢定明渠污水流量計(jì)的大量樣本數(shù)據(jù)，做出了一定的分析，為進(jìn)一步正確實(shí)現(xiàn)污水流量在線監(jiān)測打下了--定的基礎(chǔ)。
1污水流量測量
1.1原理及組成
由于排污口標(biāo)準(zhǔn)化和視頻監(jiān)控的需要，污水流量自動監(jiān)測系統(tǒng)以堰槽式明渠流量計(jì)為流量計(jì)量的主要方式。堰槽式明渠流量計(jì)的原理是在明渠中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)量水堰槽(如巴歇爾量水槽和矩形薄壁堰等)，并按規(guī)定位置測量水位，則流過堰槽的流量與水位呈單值關(guān)系，根據(jù)相應(yīng)流量公式或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，將測出的水位值換算成流量值。流量計(jì)由標(biāo)準(zhǔn)量水堰槽和液位流量轉(zhuǎn)換儀表(二次儀表)所組成。如圖1所示。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，本次試驗(yàn)污水流量自動監(jiān)測系統(tǒng)共計(jì)338臺堰槽式明渠流量計(jì)。其中，巴歇爾槽式占68.2%,矩形薄壁堰占14.5%，其他堰槽類型占17.3%，本文以標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽明渠流量計(jì)為例進(jìn)行分析。
1.2標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽明渠流計(jì)算的數(shù)學(xué)模型
標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽流量Q按下式計(jì)算:
式中:C為流量系數(shù);b為喉道寬度，m;ha為實(shí)測液位，m。
由標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽明渠流量計(jì)的基本原理和流量計(jì)算公式可知，流量測量的精度直接依賴于流量系數(shù)C的精度、喉道寬度測量的精度和實(shí)測液位的精度。其中，實(shí)測液位的精度評估又包含三個(gè)因素的影響:液位計(jì)測量的精度、測量液位計(jì)零點(diǎn)的儀器的測量精度和液面的擾動情況。
2現(xiàn)場流量測量精度的影響因素
通過上述分析，我們可以總結(jié)出基于明渠流量計(jì)的污水在線監(jiān)測系統(tǒng)中，影響流量測量精度的主要因素有以下幾個(gè)方面:
1)堰槽的類型，主要確定流量系數(shù)的測量精度;
2)實(shí)測液位的精度，主要取決于液位計(jì)測量的精度和測量液位計(jì)零點(diǎn)的儀器的測量精度;
3)液位測量的重復(fù)性，由液面的擾動或平穩(wěn)程度決定，主要影響多次液位測量讀數(shù)的平均值的測量精度;
4)堰槽的幾何尺寸，主要取決于喉道寬度(或其他堰槽中的板、槽尺寸)的測量儀器的精度;
5)水位-流量轉(zhuǎn)換誤差，由流量計(jì)二次儀表的軟件產(chǎn)生。由于各種堰槽明渠流量計(jì)的流量計(jì)算公式涉及多個(gè)參數(shù)，流量計(jì)生產(chǎn) 廠家在軟件系統(tǒng)進(jìn)行換算時(shí)，各個(gè)參數(shù)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)尺寸范圍以數(shù)據(jù)庫函數(shù)的方式進(jìn)行存儲，由于存儲空間的限制造成無法足夠精確的設(shè)置參數(shù)，因此造成流量計(jì)顯示值的誤差。
2.1堰槽的類型
明渠流量計(jì)在進(jìn)行堰槽選擇時(shí),現(xiàn)場主要考慮流量范圍和設(shè)計(jì)施工難度等因素。根據(jù)國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG771-1990《明渠堰槽流量計(jì)試行檢定規(guī)程》[5]和各種類型堰槽的相關(guān)ISO國際標(biāo)準(zhǔn)[6-10]，幾種常用堰槽的流量范圍和流量系數(shù)所引入的測量誤差如表1所示。
通過表1可知，幾種堰槽的流量系數(shù)所引入的測量誤差相差不大，各種堰槽類型在技術(shù)上并無高下之分。在綜合考慮流量適用范圍和現(xiàn)場設(shè)計(jì)施工難度后，巴歇爾槽和薄壁堰具有--定的優(yōu)勢。兩者相比，薄壁堰的優(yōu)點(diǎn)是制作方便，安裝簡單，缺點(diǎn)是水頭損失較大，污水中的泥沙和懸浮物容易在堰前沉積使水位提高而影響測量的精度。巴歇爾槽的優(yōu)點(diǎn)是測量范圍寬，水頭損失小，污水中懸浮物不易沉積，但加工和安裝較為復(fù)雜”。
2.2液位測量的精度
明渠流量計(jì)中的實(shí)際液位測量涉及液位計(jì)零點(diǎn)(即液位零點(diǎn))和液位計(jì)測量精度等兩個(gè)方面，早期的浮子式液位計(jì)由于測量精度太低已經(jīng)被淘汰，壓力式液位計(jì)由于易受污水腐蝕和沉積物覆蓋影響也較少使用"，現(xiàn)在主要使用超聲波液位計(jì)。超聲波測液位為非接觸式測量，可以不受液體性質(zhì)的影響，但液體表面浮沫和固體漂浮物較多時(shí)也會受到影響。
本次試驗(yàn)的明渠流量計(jì)全部采用的超聲波液位計(jì),廠家標(biāo)稱的測量精度為不大于3mm,滿足環(huán)保行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T15-2007《環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求超聲波明渠污水流量計(jì)》中對液位測量誤差的要求[12]。但實(shí)際測量結(jié)果卻相差很大，具體數(shù)據(jù)如圖2所示。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場使用的超聲波液位計(jì)問題很多。零點(diǎn)不準(zhǔn)的原因主要在于液位計(jì)安裝時(shí)沒有做好零點(diǎn)的設(shè)置和校準(zhǔn)。水位超差的原因一部分在于液位計(jì)安裝后沒有做好現(xiàn)場校準(zhǔn)，另一部分在于液位計(jì)使用過程中傳感器探頭老化，測量精度不達(dá)標(biāo)。
2.3液位測量的重復(fù)性
明渠流量計(jì)液位測量的重復(fù)性主要取決于液面的穩(wěn)定程度。液面平穩(wěn)時(shí)，液位測量的重復(fù)性就容易達(dá)標(biāo);反之，水流不平穩(wěn)，有大量漩渦、波浪、泡沫時(shí)，液位測量的重復(fù)性就不滿足要求。具體情況如圖3所示。
上述水流不平穩(wěn)的情況，主要原因是明渠流量計(jì)安裝位置前端的行進(jìn)渠道長度不滿足要求。根據(jù)規(guī)程要求，巴歇爾槽的安裝條件為前端順直行進(jìn)渠道長度應(yīng)不小于5倍的行進(jìn)渠道寬度，而薄壁堰則要求為10倍。很多用戶受現(xiàn)場環(huán)境條件的限制，無法建造足夠長度的行進(jìn)渠道進(jìn)行整流，造成流量計(jì)處的流場條件十分惡劣，無法滿足明渠流量計(jì)的正常使用。針對這種情況，有兩種方式可以進(jìn)行改善。一種方式為:在流量計(jì)的前端增加整流格柵，減小水流的波動，但通過現(xiàn)場試驗(yàn)觀察，效果有限;另一種方式為:在渠道旁邊設(shè)置一靜水井，由連通管與渠道水流相通，靜水井底應(yīng)低于渠道中最低水位150mm，連通管管底距井底至少300mm,靜水井頂面應(yīng)大于預(yù)計(jì)最高水位300mm,這樣靜水井內(nèi)的水位與渠道中水位相同，把渠道中的漩渦和水流的脈動進(jìn)行了隔離，同時(shí)也能大大減少水面的泡沫。現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，這種方式能夠有效改善液面不穩(wěn)的情況，保證液位測量的重復(fù)性要求。
2.4堰槽的幾何尺寸
堰槽幾何尺寸的誤差對測量結(jié)果精度的影響主要有兩個(gè)方面:一是改變了流量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，造成流量計(jì)二次儀表計(jì)算的顯示值產(chǎn)生誤差，這種影響我們通過兩個(gè)實(shí)例可以看到。由表2可以看出，堰槽幾何尺寸誤差的增大可以造成流量測量誤差的增大，且影響量不斷遞增;二是影響到了水流經(jīng)過堰槽時(shí)的水位，從而對液位的測量產(chǎn)生附加誤差。
造成堰槽幾何尺寸誤差的原因有三點(diǎn):一是制造精度問題，一些企業(yè)為了節(jié)省成本，自己加工堰板和槽體，由于條件所限無法保證加工精度，造成堰槽的實(shí)物與設(shè)計(jì)尺寸產(chǎn)生誤差;二是安裝技術(shù)問題，一些流量計(jì)的堰板和槽體在安裝過程中，由于施工者的操作因素造成安裝尺寸誤差，或是施工經(jīng)驗(yàn)和溫度原因影響，造成堰板和槽體受渠壁擠壓產(chǎn)生形變;三是用戶主觀因素，一些企業(yè)為了省事，在已建好的不規(guī)則的渠道中安裝明渠流量計(jì)，為了適應(yīng)渠道，只能將標(biāo)準(zhǔn)的堰板或槽體進(jìn)行改造，造成幾何尺寸的偏差。
2.5水位一流量轉(zhuǎn)換誤差
水位-流量轉(zhuǎn)換誤差直接影響流量計(jì)的顯示值，其產(chǎn)生的主要原因?yàn)?明渠流量計(jì)通過液位傳感器得到的是原始信號為液位信號，需通過二次儀表把液位信號轉(zhuǎn)換為流量值。由于明渠流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型都比較復(fù)雜，儀表一般使用查表法把液位轉(zhuǎn)換成流量。即每測到一一個(gè)液位，到存儲器內(nèi)找對應(yīng)液位點(diǎn)的流量替代。如果測到的液位在水位流量表中兩點(diǎn)液位之間，用線性插值法算出對應(yīng)的流量(3]。因此，設(shè)置水位-流量表的點(diǎn)數(shù)越多，轉(zhuǎn)換精度越高。
通過現(xiàn)場試驗(yàn)，取兩個(gè)主要廠家軟件數(shù)據(jù)庫內(nèi)的水位一流量表進(jìn)行驗(yàn)證，具體數(shù)據(jù)如圖4所示。
通過圖4可以看出:廠家一的軟件設(shè)置為30點(diǎn)對照，且液位點(diǎn)均勻分布，而廠家二設(shè)置為10點(diǎn)，不均勻分布，則廠家一顯示的水位流量轉(zhuǎn)換誤差明顯小于廠家二。
3結(jié)論
污水流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度，受到多方面因素的影響，在配套設(shè)施方面，需要保證行進(jìn)渠道的長度,正確設(shè)立靜水井。在一次元件方面，需選擇合適的堰;槽類型，堰槽尺寸保證一定的加工精度，液位傳感器滿足相應(yīng)精度要求;在二次儀表方面，需要正確的進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，通過這些才能保證流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效。
通過上述分析,我們看到實(shí)現(xiàn)污水流量監(jiān)測的堰槽式明渠流量計(jì)，不僅僅是一個(gè)計(jì)量器具，而且作為一個(gè)計(jì)量系統(tǒng)牽涉到選型、設(shè)計(jì)、加工、建筑、安裝、調(diào)試和設(shè)置，--旦建造成型，出現(xiàn)誤差后很難從根本上進(jìn)行糾正，并且在現(xiàn)場受到各種環(huán)境條件的影響，使用中需要經(jīng)常維護(hù)。因此，作為強(qiáng)制檢定的涉及環(huán)境保護(hù)的計(jì)量器具，我們計(jì)量部門不僅要按時(shí)周期檢定，更應(yīng)該積極參與到環(huán)境監(jiān)測部門對自動監(jiān)測設(shè)備驗(yàn)收和日常核查等技術(shù)文件的制定中，從而保證環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)、準(zhǔn)確和有效，為實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)，減少污染做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
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