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超声波明渠流量计

流速仪在超声波明渠流量计检测中的应用

流速仪在超声波明渠流量计检测中的应用在流速测量中,流速仪测量某点流速的准确度很高,检定的均方差一般都在±2.0%以内。同时,在明渠的结构设计中,明渠大多为规则的矩形或梯形断面,根据断面流量测量原理,规则断面带来的断面流量测量误差很小,此外,根据国家标准GB50179-1993《河流流量测验规范》之4.1.1条的规定:“流速仪法的测量成果可作为率定或校核其他测流方法的标准”,因此,根据前述理论依据,采用流速仪对明渠流量计进行检测是可行的。

                   

二、测流原理

流速仪广泛用于河道、渠道的断面流量测量,产品种类较多,包括旋桨式、旋杯式、电磁式、声学多普勒式等多种类型。本文在明渠流量测量中采用的是旋桨式流速仪,其工作原理是当水流作用到仪器的感应元件即桨叶时,桨叶产生旋转运动,转速和流速之间存在一定的函数关系,如式(1)所示:

V=f(n)=k×n+c(1)

式中:V——流速,m/sk——水力螺距,mn——转速,s-1(桨叶总转数与经历的时间的比值)c——仪器常数,m/s

流速仪根据断面中选择的垂线数和测点数进行点流速的测量,从而得出垂线平均流速,进而根据断面分段面积获得断面流量大小。渠道断面上的流速分布是不均匀的,以h代表水深、B代表水面宽,横断面上流速分布可用函数式V=f(hB)表示,则通过全断面的流量可用积分法求得:

式中:S——断面面积。

用式(2)计算的流量,相当于流量模型的总体积。因V=f(hB)的关系比较复杂,一般很少用积分式推算流量。实际上是把积分式变成有限差的形式推算流量,将横断面分成n个平面,此平面上的液体流速可以通过平面两侧的垂线流速进行计算,只要在各测速垂线上测深、测速,即可获得该平面的平均流速,从而获得该块面积的流量Qi。全断面的流量Q

式中:Qi——第i部分断面的流量,m3/sn——横断面分割后的平面个数。

这就是流速仪法测流所用的基本方法。实际测流时不可能将部分面积分成无限多,而是分成有限个部分http://www.dianciliuliangji01.com/,所以实测流速只是接近真值;渠道测流需时较长,不能瞬时完成,因此,实测流量是时段的平均值。测流工作实质上是测量横断面及流速两部分工作的组合。

三、流速仪在明渠流量中的测流方案

1.测速垂线选择方案

在断面上布设测速垂线的多少,取决于所测流量的准确度,此外还应考虑节省人力和时间,合理的测速垂线数目应为能充分反映横断面流速分布的蕞少的垂线数。考虑到明渠流量中渠道一般具有规则性(矩形或梯形),除去侧边的两条垂线应尽量靠边以减少波形系数带来的测量误差外,其他垂线之间的距离应均匀分布。

在断面选择上,通过试验得出选择方案,如表1所示。

1断面上垂线选择方案

2.垂线上测点选择方案

速测点的分布应符合下列规定:一条垂线上相邻两测点的蕞小间距不宜小于流速仪旋桨的直径;测水面流速时流速仪转子旋转部分不得露出水面;测渠底时应将流速仪下放至0.9m水深以下并应使仪器旋转部分的边缘离开渠底(25)cm

垂线上测速点的数目多少,也是主要考虑准确度要求、节省人力与时间等因素。测速垂线上测速点数目的选择应根据水深及流速仪的悬吊方式等条件而定。测速点的位置主要取决于垂线流速分布,当渠道宽度不大时,采用悬杆悬吊的方式,其垂线上的点数选择如表2所示,表2中测点位置的相对水深为仪器在水中的深度与垂线水深之比。

2垂线上点数选择方案

对于垂线的平均流速的计算如下:

11点法:

5点法:

3点法:

2点法:

1点法:Vm=V0.6

3.测速历时选择方案

由于流速脉动的影响,流速仪在某测点上测速历时愈长,实测时均流速愈接近真值。但历时太长,当断面流量不稳时,所测流量失去代表性,因此正确选择测速历时是非常重要的。在明渠测流试验中,由于明渠流量在一定时间段内可以认为控制得比较稳定,因此,采用的测速历时一般选择为60s,如果该段时间流量稳定且测点数目不多,可根据现场情况选择更大的测速历时。当采用直读瞬时流向仪的读数不稳定时,应等时距连续观测3次,取其平均值。

四、测量不确定度的评定

在用流速仪对明渠渠道断面测流时,其不确定度应包括以下几个方面:流速仪带来的不确定度分量、测深和测宽带来的不确定度分量、信号采集带来的不确定度分量、测点数目不足带来的不确定度分量、测线垂线数目带来的不确定度分量、测速历时带来的不确定度分量。

在本次试验中,我们采用重庆水文仪器厂生产的LS25-1型旋桨式流速仪对重庆市一家污水处理厂的巴楔尔槽的渠道流量进行测量,现根据试验方法和试验条件对各个分量进行不确定度评定。

1.流速仪带来的不确定度分量urel1

将流速仪在上一级计量标准装置上进行检测,其测量结果的不确定度为U=1.0%(k=2)。因此,流速仪本身带来的相对不确定度为

2.测深误差和测宽误差带来的不确定度分量urel2

测宽和测深采用钢直尺,蕞小分度为1mm,对于渠道壁的粗糙性和渠底的不平整性,我们均放大读数带来的误差,取测宽误差为5mm,测深误差为10mm。本次试验时所得测量宽度B1.352m,水深h1.007m。测深和测宽带来的不确定度分量是影响断面面积的主要分量,而断面面积为S=Bh,误差均匀分布,因此测深和测宽带来的相对不确定度为

3.信号采集带来的不确定度分量urel3

试验用流速仪为旋桨式流速仪,桨叶初始和结束时分别可能产生采集误差,估计转数为4转。在本次试验中,测速历时为60s,断面平均流速为2.75m/s,流速仪的流速检定公式为

V=0.2549×n+0.0094

则每秒所得桨叶转数为

则测速历时60s所得的桨叶总转数为60n。误差均匀分布,则流量计算机信号接收带来的相对不确定度为

4.测速历时带来的不确定度分量urel4

试验中,我们采用的测速历时为60s,为了估计测速历时导致的误差,我们采取对一定时间段内较稳定的流量进行某点的流速测量。通过读取该段时间明渠流量显示值,确定流量变化不超过1.0%。在该段时间内,重复测量10次,测量数据如表3所示。

3测速历时重复性试验

依据试验数据,单次试验标准差为

则由测速历时带来的相对不确定度

5.垂线上测点数目带来的不确定度分量urel5

根据前述的设计方案,我们采用3点法对某一垂线进行点速测量,根据计算公式计算该垂线的平均流速,结果如表4所示。

4垂线上流速测量试验

依据试验数据,垂线流速单次测量的试验标准差为

则由垂线上测点数目带来的相对不确定度为

6.测速垂线带来的不确定度urel6

依据表2及表3的设计方案,根据断面宽度选取5条测速垂线(测点数为3),起点距分别为0.07m0.37m0.67m0.97m1.27m,分别进行6次测量,并计算所得断面流量,具体试验数据及不确定度分析如表5所示。

5断面平均流速测量试验

依据试验数据,断面平均流速单次测量的试验标准差为

则断面平均流速测量的相对不确定度为

由于各个不确定度分量都是单独测定且相互没有影响,可以看成是独立的分量,因此,流速仪测量明渠渠道流量的总相对不确定度为

则扩展相对不确定度为

Urel=k×urel=2×1.12%=2.24%(k=2)

五、结束语

根据JJG711-1990《明渠堰槽流量计》检定规程的规定,可以进行现场比对,可以用流量不确定度小于或等于明渠流量计不确定度的流量计进行现场比测试验,同时,根据重庆市地方标准DB50/139-2009《污水处理终端排放计量系统现场校准方法》中的规定:明渠堰槽流量计污水排放计量系统的流量累积值蕞大允许误差为±6.0%,重复性为3.0%,根据上述法律法规以及流速仪测量不确定度的分析,用流速仪进行明渠流量计的现场检测是切实可行的。

点击次数:  更新时间:2018-09-20  【打印此页】  【关闭

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