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超声波多普勒流量计在排水管网流量监测中的应用

时间:2011/5/3 15:15:04 点击:1881

  核心提示:1概述  目前,北京已建成的污水处理厂的处理能力已基本满足城区污水处理量的要求。但是,部分污水厂处理流域内的污水水量存在较严重的不平衡现象,因此,用先进的检测设备准确地获取各个污水厂流域内排水管网系统水量的变化规律,并通过采取必要的手段进行水量调配,则是解决该问题的根本所在。  2多普勒流量计用于排...

  1 概述

  目前,北京已建成的污水处理厂的处理能力已基本满足城区污水处理量的要求。但是,部分污水厂处理流域内的污水水量存在较严重的不平衡现象,因此,用先进的检测设备准确地获取各个污水厂流域内排水管网系统水量的变化规律,并通过采取必要的手段进行水量调配,则是解决该问题的根本所在。

  2 多普勒流量计用于排水管网中的试验

  多普勒流量计是一种完全独立的便携式流量计,可以同时记录管道中瞬时流量、总流量、流速、pH值以及井下温度等多种参数。其测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础,根据声学多普勒效应,当声源和观察者之间有相对运动时,观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。

  在多普勒超声波流量测量方法中,超声波发射器为一固定声源,随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用,固体颗粒把入射到其表面上的超声波反射回接收器,发射声波与接收声波之间的频率差,就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速,所以测量频差可以求得流速,进而可以得到流体的流量。

  目前,多普勒流量计一般配合使用面积/速率传感器,传感器上配置有超声波发射器和水深压力传感器,分别用于探测液体的瞬时流速和过水面积,进而得出瞬时流量。2006年下半年,北京排水集团管网分公司决定利用该类型流量计在清河污水厂某个局部流域污水管网进行流量监测试验,其目的是为了积累该类型流量计的安装经验和测试其具体性能,了解和掌握污水厂流域管线在某一时期内管网污水流量增减规律,同时也为其他各流域管网水量的调查工作做计划,并为下一步可能进行的跨流域水量调配做好准备工作。

  该流量监测试验主要围绕在北京清河污水厂流域局部支、干线展开,全部安装工作从2006年10月24日正式开始,至12月7日全部检测完毕。

  流量监测试验分为两部分进行,一是严格按照流量计的使用要求,利用固定环将面积/速率传感器固定于管底标准位置,以便校核流量监测的准确度;二是利用流量计中的“铅鱼”设备,快速检测管道内污水流量。

  2.1 固定安装流量计面积/速率传感器进行流量监测

  2006年10月24日开始,对某管线中的38号、25号、24-2号、24号、16号支、14号等6座检查井共安装了5台950型流量计和1台910型流量计,见图1。其中,管径1000mm的检查井2座(38号,25号),管径800mm的检查井2座(24号,14号),管径500mm的检查井1座(16号支),管径400mm的检查井1座(24-2号)。2006年11月9日拆下流量计,历时共17d。其中2d的监测点的液位、流速、流量测量结果见表1;2号流量计液位、流速曲线变化见图2。


图1 某管线流域流量计布置示意图

表1 11月2-3日流量监测结果


  注:1.地点编号为00000002;文件名称为00000002.000。

  2.时间周期为1d。


图22号流量计液位、流速曲线变化图

  从图2可以看出,14号井总流量与16号支井总流量之和应该与24号井总流量一致,24号井总流量与24-2号井总流量之和应该与25号井总流量一致。但表2则反映出:24号井总流量比14号井总流量与16号支井总流量之和相差0.11×1000m3,误差率在6%左右;25号井总流量比24号井总流量与24-2号井总流量之和相差0.28×1000m3,误差率在11%左右。流量计检测数据的相对准确率在92%左右。

  分析其误差产生的原因,有以下几个方面:

  (1)流量计本身存在的误差。试验前,工作人员对6台流量计的水深压力传感器进行了校核,差异很小;考虑到几台流量计的安装位置非常接近,水流、水质状况也可以认为基本一致。该类型流量计使用说明中标示精确度大于95%,因此可以认为,流量计本身存在的误差对试验结果有一定的影响,但不是主要原因。

  (2)流量计面积/速率传感器安装误差。试验方案中,要求把流量计面积/速率传感器安装在管道下方正中位置,但在实际安装过程中,由于现场测量手段比较简单以及安装人员的不同,面积/速率传感器的安装位置可能存在一定的偏差,给最终的监测结果带来影响。

  (3)现况水力条件原因。由于是第一次做流量监测试验,考虑到安装及读数的方便,现场选点时,刻意选择水量比较小、设施比较新、交通状况比较好的位置。但是在监测过程中发现,由于水量比较小,管径又比较大,管道中水深比较浅,从图2中曲线可以看出,凌晨1∶00至6∶00期间,由于管道内水量较小,液位比较低(6cm以下),该时间段流速和液位的变化曲线明显存在偏差,说明在该水力条件下所测得的流量将存在一定的偏差。

  综合以上流量监测结果及对产生误差原因的分析,可以说明流量计监测结果之间的误差主要是由于传感器安装及水力条件等客观原因造成的。为了减少误差,要求在安装速率/面积传感器时位置一定要准确,同时,所检测管段的液位最好在6cm以上,流量计本身的相对精确度基****够满足使用要求。

  2.2 便携安装流量计传感器进行流量检测

  由于该型号流量计体积较小、质量较轻,方便携带,适合对管道中的瞬时流量进行检测,因此,为了便于现场安装传感器,特要求流量计厂家配置了“铅鱼”。

  为了使得到的流量、流速等数据相对准确,安装传感器时需要将“铅鱼”悬吊在管道正中央贴近管底的部位。因此,固定“铅鱼”、稳定“铅鱼”在管道中的位置就成了安装流量计过程中最为重要的步骤。

  根据管径大小分为两种安装方式,即:(1)当管径小于DN1200时直接将“铅鱼”安装在井口固定螺栓上;(2)当管径大于DN1200时将“铅鱼”通过管顶上方打孔安装的膨胀螺栓或者救生爬梯悬吊在管道正中。

  具体安装方法见图3、图4。


图3 管径小于DN1200时流量计的固定方法


图4 管径大于DN1200时流量计的固定方法

  该种方式检测污水管道内的流量虽然方便、快捷,但是也存在一定的问题:

  (1)测量误差较大。由于“铅鱼”悬沉于管道中,具体位置不是很精确,同时传感器的方向也可能存在一定的偏差,导致计算出的流量值存在误差。

  (2)不适用长时间监测。由于现况污水管道内各种垃圾非常多,导致在很短时间内“铅鱼”传感器上以及悬挂“铅鱼”的钢丝绳上覆盖了大量垃圾,最终导致传感器无法工作。

  因此,使用“铅鱼”的方式检测流量误差比较大,该种方式主要适用于瞬时检测管道内的液体流量,从而对管道内的真实流量进行估算,不适合做长期监测。

  3 建议与结论

  3.1 建议

  实施一项流量监测任务,要按以下几个步骤进行:

  (1)首先要对监测区域内的排水设施进行全面的调查,核实相应的技术资料是否准确;

  (2)选择需要实施监测的支、干线,并确定流量具有代表性,同时水流相对平稳,便于观察和采集数据的监测点;

  (3)流量计传感器一定要按照设计的位置进行安装,同时要准确记录该处的水深以及淤积物厚度的数据;

  (4)要定期对处于监测状态的流量计数据进行采集,并及时进行分析判断,确认各类数据的变化曲线是否符合常规,若发现疑问,需要及时检查流量计的设置及传感器的状态是否存在问题。

  3.2 结论

  (1)运用多普勒超声波流量计的测量原理并配以相应的速率/面积传感器,可适用于现况排水管道中的流量监测,再配合各类数据的曲线图,就能够较真实和全面地反映现况排水管道中的流量变化规律,以及能够测量相对真实的流量数据。

  (2)对于北京城市地下排水管道的实际运行状况,若要测量比较准确的流量数据,流量计传感器需要使用固定环设备,同时尽量确保传感器的安装位置与计划安装位置一致。用“铅鱼”方式检测管道内的流量,只适用于快速检测某一流域内支、干线的流量,为估算该流域内的水量组成提供根据。

  (3)多普勒超声波流量计配备相应数据发送和采集设备,可以对现况排水设施流量的动态进行监测,并实时掌握排水管网内水量的变化情况,再结合排水运行监控信息管理系统,利用GIS技术可以实现更为灵活、准确和实时的综合分析、优化运行和调度模式,为实现北京“数字排水”创造条件。

  参考文献:

  [1]罗守南,刘岩,冯冠平.连续波超声多普勒管道流量测量[J].仪表技术与传感器,2004,(12):44-46.

作者:佚名 来源:不详
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