超聲波多普勒流量計在排水管網流量監測中的應用

　　1、概述
　　
　　目前，北京已建成的污水處理廠的處理能力已基本滿足城區污水處理量的要求。但是，部分污水廠處理流域內的污水水量存在較嚴重的不平衡現象，因此，用*的檢測設備準確地獲取各個污水廠流域內排水管網系統水量的變化規律，并通過采取必要的手段進行水量調配，則是解決該問題的根本所在。
　　
　　2、多普勒流量計用于排水管網中的試驗
　　
　　多普勒流量計是一種*獨立的便攜式流量計，可以同時記錄管道中瞬時流量、總流量、流速、pH值以及井下溫度等多種參數。其測量原理是以物理學中的多普勒效應為基礎，根據聲學多普勒效應，當聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發出的頻率。這個因相對運動而產生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比。
　　
　　在多普勒超聲波流量測量方法中，超聲波發射器為一固定聲源，隨流體一起運動的固體顆粒起了與聲源有相對運動的“觀察者”的作用，固體顆粒把入射到其表面上的超聲波反射回接收器，發射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運動而產生的聲波多普勒頻移。由于這個頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速，進而可以得到流體的流量。
　　
　　目前，多普勒流量計一般配合使用面積/速率傳感器，傳感器上配置有超聲波發射器和水深壓力傳感器，分別用于探測液體的瞬時流速和過水面積，進而得出瞬時流量。2006年下半年，北京排水集團管網分公司決定利用該類型流量計在清河污水廠某個局部流域污水管網進行流量監測試驗，其目的是為了積累該類型流量計的安裝經驗和測試其具體性能，了解和掌握污水廠流域管線在某一時期內管網污水流量增減規律，同時也為其他各流域管網水量的調查工作做計劃，并為下一步可能進行的跨流域水量調配做好準備工作。
　　
　　流量監測試驗分為兩部分進行，一是嚴格按照流量計的使用要求，利用固定環將面積/速率傳感器固定于管底標準位置，以便校核流量監測的準確度；二是利用流量計中的“鉛魚”裝置，快速檢測管道內污水流量。
　　
　　2.1固定安裝流量計面積/速率傳感器進行流量監測
　　
　　對某管線中的38號、25號、24-2號、24號、16號支、14號等6座檢查井共安裝了5臺950型流量計和1臺910型流量計，見圖1。其中，管徑1000mm的檢查井2座（38號，25號），管徑800mm的檢查井2座（24號，14號），管徑500mm的檢查井1座（16號支），管徑400mm的檢查井1座（24-2號）。2006年11月9日拆下流量計，歷時共17d。其中2d的監測點的液位、流速、流量測量結果見表1；2號流量計液位、流速曲線變化見圖2。　　　　　　　　
　　2.時間周期為1d　　　　
　　從圖2可以看出，14號井總流量與16號支井總流量之和應該與24號井總流量一致，24號井總流量與24-2號井總流量之和應該與25號井總流量一致。但表2則反映出：24號井總流量比14號井總流量與16號支井總流量之和相差0.11×1000m3，誤差率在6%左右；25號井總流量比24號井總流量與24-2號井總流量之和相差0.28×1000m3，誤差率在11%左右。流量計檢測數據的相對準確率在92%左右。
　　
　　分析其誤差產生的原因，有以下幾個方面：
　　
　　（1）流量計本身存在的誤差。試驗前，工作人員對6臺流量計的水深壓力傳感器進行了校核，差異很小；考慮到幾臺流量計的安裝位置非常接近，水流、水質狀況也可以認為基本一致。該類型流量計使用說明中標示度大于95%，因此可以認為，流量計本身存在的誤差對試驗結果有一定的影響，但不是主要原因。
　　
　　（2）流量計面積/速率傳感器安裝誤差。試驗方案中，要求把流量計面積/速率傳感器安裝在管道下方正中位置，但在實際安裝過程中，由于現場測量手段比較簡單以及安裝人員的不同，面積/速率傳感器的安裝位置可能存在一定的偏差，給zui終的監測結果帶來影響。
　　
　　（3）現況水力條件原因。由于是*次做流量監測試驗，考慮到安裝及讀數的方便，現場選點時，刻意選擇水量比較小、設施比較新、交通狀況比較好的位置。但是在監測過程中發現，由于水量比較小，管徑又比較大，管道中水深比較淺，從圖2中曲線可以看出，凌晨1∶00至6∶00期間，由于管道內水量較小，液位比較低（6cm以下），該時間段流速和液位的變化曲線明顯存在偏差，說明在該水力條件下所測得的流量將存在一定的偏差。
　　
　　綜合以上流量監測結果及對產生誤差原因的分析，可以說明流量計監測結果之間的誤差主要是由于傳感器安裝及水力條件等客觀原因造成的。為了減少誤差，要求在安裝速率/面積傳感器時位置一定要準確，同時，所檢測管段的液位在6cm以上，流量計本身的相對度基本能夠滿足使用要求。
　　
　　2.2便攜安裝流量計傳感器進行流量檢測
　　
　　由于該型號流量計體積較小、質量較輕，方便攜帶，適合對管道中的瞬時流量進行檢測，因此，為了便于現場安裝傳感器，特要求流量計廠家配置了“鉛魚”。
　　
　　為了使得到的流量、流速等數據相對準確，安裝傳感器時需要將“鉛魚”懸吊在管道正中央貼近管底的部位。因此，固定“鉛魚”、穩定“鉛魚”在管道中的位置就成了安裝流量計過程中zui為重要的步驟。
　　
　　根據管徑大小分為兩種安裝方式，即：（1）當管徑小于DN1200時直接將“鉛魚”安裝在井口固定螺栓上；（2）當管徑大于DN1200時將“鉛魚”通過管頂上方打孔安裝的膨脹螺栓或者救生爬梯懸吊在管道正中。
　　
　　具體安裝方法見圖3、圖4。　　　　　　
　　該種方式檢測污水管道內的流量雖然方便、快捷，但是也存在一定的問題：
　　
　　（1）測量誤差較大。由于“鉛魚”懸沉于管道中，具體位置不是很，同時傳感器的方向也可能存在一定的偏差，導致計算出的流量值存在誤差。
　　
　　（2）不適用長時間監測。由于現況污水管道內各種垃圾非常多，導致在很短時間內“鉛魚”傳感器上以及懸掛“鉛魚”的鋼絲繩上覆蓋了大量垃圾，zui終導致傳感器無法工作。
　　
　　因此，使用“鉛魚”的方式檢測流量誤差比較大，該種方式主要適用于瞬時檢測管道內的液體流量，從而對管道內的真實流量進行估算，不適合做長期監測。
　　
　　3、建議與結論
　　
　　3.1建議
　　
　　實施一項流量監測任務，要按以下幾個步驟進行：
　　
　　（1）首先要對監測區域內的排水設施進行全面的調查，核實相應的技術資料是否準確；
　　
　　（2）選擇需要實施監測的支、干線，并確定流量具有代表性，同時水流相對平穩，便于觀察和采集數據的監測點；
　　
　　（3）流量計傳感器一定要按照設計的位置進行安裝，同時要準確記錄該處的水深以及淤積物厚度的數據；
　　
　　（4）要定期對處于監測狀態的流量計數據進行采集，并及時進行分析判斷，確認各類數據的變化曲線是否符合常規，若發現疑問，需要及時檢查流量計的設置及傳感器的狀態是否存在問題。
　　
　　3.2結論
　　
　　（1）運用多普勒超聲波流量計的測量原理并配以相應的速率/面積傳感器，可適用于現況排水管道中的流量監測，再配合各類數據的曲線圖，就能夠較真實和全面地反映現況排水管道中的流量變化規律，以及能夠測量相對真實的流量數據。
　　
　　（2）對于北京城市地下排水管道的實際運行狀況，若要測量比較準確的流量數據，流量計傳感器需要使用固定環裝置，同時盡量確保傳感器的安裝位置與計劃安裝位置一致。用“鉛魚”方式檢測管道內的流量，只適用于快速檢測某*域內支、干線的流量，為估算該流域內的水量組成提供依據。
　　
　　（3）多普勒超聲波流量計配備相應數據發送和采集設備，可以對現況排水設施流量的動態進行監測，并實時掌握排水管網內水量的變化情況，再結合排水運行監控信息管理系統，利用GIS技術可以實現更為靈活、準確和實時的綜合分析、優化運行和調度模式，為實現北京“數字排水”創造條件。