引言
隨著科學(xué)的發(fā)展,水污染源流量測量逐漸由不定期瞬時(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)在線監(jiān)測,與其他污染物(如,CODCr,NH3-N)在線監(jiān)測儀器相配套,滿足了國家對排污源主要污染物總量控制的要求。目前,廣泛使用、方便、準(zhǔn)確可靠的污水排放計(jì)量手段是非接觸測量方式的超聲波明渠流量計(jì)。超聲波的特征是頻率高、波長短、衍射現(xiàn)象小、方向性好、在液體和固體中衰減小、穿透率大、遇到雜質(zhì)或分界面有顯著的反射[1]。根據(jù)計(jì)量要求,對污水排放企業(yè)安裝的在線設(shè)備必須進(jìn)行對比監(jiān)測。完成該項(xiàng)工作的單位主要為省、市級環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站,且以市級環(huán)境監(jiān)測站為主。對于污染物在線監(jiān)測設(shè)備的對比,一般采集平行樣,1個(gè)樣品在線儀器分析,另1個(gè)樣品送到化驗(yàn)室分析,然后進(jìn)行2個(gè)數(shù)據(jù)對比,確定污染物在線監(jiān)測設(shè)備是否合格。對于流量的監(jiān)測目前還比較困難,因?yàn)榇蟛糠质屑壵镜牧髁坑?jì)是旋槳轉(zhuǎn)子流量計(jì),與超聲波流量計(jì)配套的主要是溢流堰或槽,這些堰或槽不具備轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量條件。因此,必須采用全新的思路對明渠超聲波在線流量儀進(jìn)行比對。筆者是通過確認(rèn)明渠超聲波流量計(jì)是否正確安裝,對應(yīng)水頭高度與相應(yīng)的流量是否吻合來比對確認(rèn)在線
超聲波明渠流量計(jì)的。
1 比對測量的原理
目前,運(yùn)城市排污企業(yè)安裝的超聲波流量計(jì)主要是北京九波聲迪科技有限公司生產(chǎn)的WL-1A型超聲波明渠流量計(jì),常用的量水堰槽有直角三角堰、矩形堰和巴歇爾槽(見圖1)。其中,大部分企業(yè)安裝的是巴歇爾槽,只有極少數(shù)企業(yè)安裝的是三角堰、矩形堰。巴歇爾槽的水位—流量關(guān)系由實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定,且對于上游行進(jìn)渠槽條件要求較弱。由于三角堰和矩形堰的水位—流量關(guān)系來源于理論計(jì)算,因此容易忽略一些使用條件帶來附加誤差。
WL-1A儀表直接測量的物理量是液位。用于明渠測流量時(shí),在明渠上安裝量水堰槽。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。
1.1 測量水堰槽測流量的原理
渠內(nèi)的流量越大,液位越高;流量越小,液位越低(見圖2)。
一般渠道,液位與流量沒有確定的對應(yīng)關(guān)系,因?yàn)橥瑯拥乃?流量的大小還與渠道的橫截面積、坡度、粗糙度有關(guān)。在渠道內(nèi)安裝測量的水堰槽,由于堰的缺口或槽的縮口橫截面積比渠道的小,所以渠道上游水位與流量的對應(yīng)關(guān)系主要取決于堰槽的幾何尺寸。同樣的測量水堰槽放在不同的渠道上,相同的液位對應(yīng)相同的流量。量水堰槽的作用就是把流量轉(zhuǎn)成液位。量水堰槽的水位—流量關(guān)系可以從JJG 711—90明渠堰槽流量計(jì)中查到。
1.2 超聲波測液位的原理
超聲波測液位采原則見圖3。
超聲波測液位采用超聲波回聲測距法,探頭固定安裝在量水堰槽水位觀測點(diǎn)的上方,對準(zhǔn)水面發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)過t1時(shí)間,走過E1距離,碰到校正棒。一部分超聲波能量被校正棒反射,并被探頭接收(儀表在顯示器上“校波”的指示位置出現(xiàn)“▲”提示符)。儀表記錄這段時(shí)長t1。超聲波的另一部分能量繞過校正棒,經(jīng)過t2時(shí)到達(dá)水面。這部分能量被水面反射后,被探頭接收(儀表在顯示器上“回波”的指示位置出現(xiàn)“▲”提示符)。儀表記下這段時(shí)長t2。校正棒的長度E1是固定的。儀表根據(jù)t1與t2的比例,再乘以E1,求出水面到探頭的距離D。
根據(jù)北京九波生迪科技有限公司編寫的《WLA-1A型超聲波明渠流量計(jì)使用說明書(2007)》安裝儀表時(shí),通過按鍵已向儀表的存儲器內(nèi)設(shè)置了探頭(法蘭盤位置)到水位等于0的距離L。儀表從內(nèi)存讀取參數(shù)L。用L減去D,求出液位H,再根據(jù)堰槽類型,計(jì)算出水頭高度。
儀表的作用就是控制探頭發(fā)射和接收超聲波得到液位數(shù)據(jù),計(jì)算得到相應(yīng)的測量值,把液位轉(zhuǎn)成流量。
詳細(xì)操作參看儀表說明書。
2 安裝要求
堰或槽一般由正規(guī)廠家設(shè)計(jì)安裝,筆者只簡單介紹傳感器的安裝。
堰式流量計(jì)的超聲波或靜壓液位傳感器安裝在上游距堰板最大水頭的3倍~4倍處。研究發(fā)現(xiàn)置于3.5倍最大水頭處,將渠底進(jìn)行整平,保證測量時(shí)流量計(jì)固定不動,測量精度更高[2]。槽式流量計(jì)的巴歇爾槽和無喉道槽配接的超聲波或靜壓液位傳感器安裝在距喉道2/3收縮段長度的位置。
安裝超聲波液位傳感器注意事項(xiàng)是,a)超聲波液位傳感器發(fā)射聲波面要垂直對準(zhǔn)水面;b)超聲波液位傳感器的安裝高度不要過高,安裝高度稍大于最高水位加上盲區(qū)(此距離不能用于測量)的距離即可;c)超聲波液位傳感器有波束角,安裝時(shí)要使其聲波傳播路徑上沒有其他反射面[2]。
3 實(shí)際應(yīng)用
3.1 測量前的準(zhǔn)備
實(shí)際工作中,監(jiān)測人員帶上卷尺或測量尺(要求精確到0.001 m)和裝有Excel文件的手提電腦即可。在現(xiàn)場監(jiān)測人員觀察堰槽形狀,檢查設(shè)備安裝位置合格,設(shè)備完善后,測量堰槽的各種參數(shù),如,三角堰的角度及水頭高度,矩形堰測量渠寬、堰開口寬度及水頭高度,巴歇爾槽測量喉口的寬度和喉口上游水深,最后根據(jù)堰槽的各種參數(shù)確定應(yīng)使用的公式。
3.2 測量位置
矩形堰或三角堰水頭的測量位置位于出水口的上游緊靠渠壁的位置,測量水深H減去P值,得到水頭高度h值(見圖4)。巴歇爾槽測量位置位于緊靠近喉口的上游靠渠壁的位置。注意測量設(shè)備不能緊貼超聲波傳感器,防止對其形成干擾,同時(shí)測量器具要細(xì)且有一定的機(jī)械強(qiáng)度,如,測量巴歇爾槽水深時(shí),水流比較急測量工具容易變形,一些小尺寸的巴歇爾槽如果測量工具粗笨會使水面高度提高。
3.3 計(jì)算公式
每個(gè)企業(yè)的在線監(jiān)測設(shè)施都有驗(yàn)收報(bào)告。根據(jù)報(bào)告提供的計(jì)算公式計(jì)算流量,也可根據(jù)在線流量計(jì)說明書提供的計(jì)算公式計(jì)算流量。
3.4 方法應(yīng)用
對比監(jiān)測時(shí),首先把計(jì)算公式輸入計(jì)算機(jī)的Excel文件,設(shè)計(jì)好最快捷的計(jì)算方法,一般要用到Power函數(shù),然后開始測量深度或水頭高度,每讀取1個(gè)數(shù)值,立即輸入該數(shù)值,同時(shí)記錄在線流量計(jì)的數(shù)值。每次連續(xù)測量5個(gè)數(shù)值計(jì)算平均值,作為觀測結(jié)果。
只要堰槽安裝規(guī)范且儀表參數(shù)設(shè)定準(zhǔn)確,均能滿足對比測量的要求。
3.5 實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的一些問題
實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)即使流量計(jì)本身不存在問題,也會因安裝位置不對,參數(shù)設(shè)置或渠道地面等問題導(dǎo)致測量失敗[3]。通常的問題包括:
a)部分企業(yè)堰槽不符合設(shè)計(jì)要求,如,溢流口0.75 m的矩形堰,溢流口加寬到0.8 m;巴歇爾槽喉口上寬下窄,會造成計(jì)量結(jié)果偏低。工作中發(fā)現(xiàn),有些企業(yè)為了掩蓋排污總量故意把儀表設(shè)置成低于正常流量值的固定數(shù)值;
b)污水處理公司常常把進(jìn)出口在線流量計(jì)儀表的參數(shù)設(shè)置錯誤,致使處理量比實(shí)際明顯偏大,主要是為了完成當(dāng)?shù)卣逻_(dá)的減排目標(biāo),弄虛作假;
c)有些企業(yè)排污口在線流量監(jiān)測設(shè)施儀表位置安裝不規(guī)范,如,在線測量儀表沒有校正棒或測量儀表固定支架用軟鐵皮制成,有風(fēng)的情況下亂晃動等等;
d)有的污水處理廠巴歇爾槽的上端緊靠水流的轉(zhuǎn)角,水面由于向心力的作用,水流湍急且左右高度不一樣,造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確。
4 結(jié)語
安裝在線流量監(jiān)測系統(tǒng),可有效地核算污染物排放總量,便于環(huán)境保護(hù)主管部門對污染物排放量進(jìn)行管理。目前,企業(yè)污水排放口的在線流量計(jì)大部分使用明渠超聲波流量計(jì),該設(shè)備計(jì)量是否準(zhǔn)確需要進(jìn)行比對確認(rèn)。針對環(huán)保監(jiān)測部門目前使用的流量測量設(shè)備比較落后,且在線流量設(shè)備的渠道不具備測量條件的狀況,筆者提出根據(jù)明渠超聲波流量計(jì)測量原理,通過測量水深或水頭高度用公式計(jì)算流量的方法,通過實(shí)踐證明計(jì)算精準(zhǔn),可滿足在線明渠超聲波流量計(jì)比對確認(rèn)的要求。
這種通過測量水深用公式計(jì)算流量的方法可用于小型河流的流量測定,在河流河床較窄的地方固定兩邊的河堤壩和河床,形成1個(gè)矩形水渠,把流量測定轉(zhuǎn)換成深度測定,然后依有關(guān)資料和實(shí)踐,回歸水深和流量的函數(shù)模型,就可根據(jù)測量到的水深數(shù)據(jù)計(jì)算流量。
參考文獻(xiàn):
[1] 張國忠,趙家貴.檢測技術(shù)[M].北京:中國計(jì)量出版社,1998.
[2] 趙樹旗,李曉亮,周玉文,等.便攜式超聲波流量計(jì)的校準(zhǔn)及應(yīng)用[J].計(jì)量裝置及應(yīng)用,2010,20(4):26-28.
[3] 趙晉梅,薛梅花,閆玉會.超聲波測流技術(shù)和超聲波流量計(jì)的應(yīng)用[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量,2004(1):30-31.
作者簡介:史軍致,1970年生,男,山西萬榮人,1996年畢業(yè)于山西師范大學(xué)化學(xué)專業(yè),工程師