摘要：環(huán)保產(chǎn)業(yè)對污水流量的測量和控制的度、可靠性要求已越來越高, 本文介紹了電磁式、渦街式、節(jié)流式等幾種流量計的選型設(shè)計, 并結(jié)合污水處理工藝特點, 從理論和實踐兩方面闡述各自的特點。
  國外一位流量 F .C .King horo 曾經(jīng)說過 ,流量計是少數(shù)幾種使用比制造艱難的儀表之一。這是因為流量是一個動態(tài)量 , 處于運動狀態(tài)的液體內(nèi)部不僅存在著粘性摩擦作用 , 還會產(chǎn)生不穩(wěn)定的旋渦和二次流等復(fù)雜流動現(xiàn)象。測量儀表本身受到眾多因素,如 :管道 、口徑大小、形狀(圓形 、矩形)、邊界條件 、介質(zhì)的物性(溫度 、壓力 、密度 、粘度 、臟污性 、腐蝕性等)、流體的流動狀態(tài)(紊流狀態(tài)、速度分布等)以及安裝條件與水平的影響。
  面對國內(nèi)外十幾類、上百個品種的流量儀表(先后發(fā)展起來的有容積式、差壓式 、渦街式、電磁式、超聲波式和熱式流量計等類型), 如何根據(jù)流量、流態(tài)、安裝要求與環(huán)境條件、經(jīng)濟(jì)性等因素合理選型,是應(yīng)用好流量儀表的前提和基礎(chǔ)。除了儀表自身質(zhì)量要得到保證, 工藝數(shù)據(jù)的提供和儀表的安裝、使用 、維護(hù)是否合理也相當(dāng)重要 。本文介紹在污水流量測量中經(jīng)常使用的電磁式、渦街式 、節(jié)流式等幾種流量計的選型設(shè)計 , 并結(jié)合污水處理工藝特點, 從理論和實踐兩方面闡述它們各自的特點。

1、電磁流量計選型設(shè)計：
  電磁流量計自 20 世紀(jì) 50 年代末國內(nèi)首次工業(yè)應(yīng)用以來, 七八十年代在流量測量中運用和發(fā)展很快。電磁流量計的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律 ,即被測介質(zhì)垂直于磁力線方向流動,因而在與介質(zhì)流動和磁力線都垂直的方向上產(chǎn)生一感應(yīng)電動勢 Ex

  式中:Ex為感應(yīng)電動勢 ,V ;B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度 ,T ;D 為兩電極間的距離 , mm ;v 為被測介質(zhì)的平均流速 ,m/s。被測介質(zhì)的流量 Q 與 d(等同于 D , 均指兩極間距離)和 v 有關(guān)：

  其中 , K 為常數(shù) 。由式(4)可知 ,感應(yīng)電動勢 Ex與被測介質(zhì)流量(流速)成正比 ,電磁流量計不受溫度、壓力 、粘度 、密度等外界因素的影響 ,測量管內(nèi)部無收縮或凸出部分的壓力損失 ,另外, 流量元件檢測出的***初信號,是一個與流體平均流速成線性變化的電壓, 它與流體的其他性質(zhì)無關(guān) ,具有很大的優(yōu)越性 。
  根據(jù)污水具有流量變化大、含雜質(zhì) 、有一定的導(dǎo)電能力等特性 ,測量污水的流量, 電磁流量計是一個很好的選擇。它結(jié)構(gòu)緊湊、體積小 ,安裝、操作、維護(hù)方便 ,如測量系統(tǒng)采用智能化設(shè)計, 整體密封加強(qiáng),能在較惡劣的環(huán)境下正常工作?？蛇x用氯丁橡膠襯里, 含鉬不銹鋼(0Cr18Ni12M o2Ti)電極的電磁流量計, 即可滿足污水流量測量的要求 。
  某冶煉廠在生產(chǎn)中 ,由于生產(chǎn)工藝的需要, 會產(chǎn)生大量的工業(yè)污水 ,污水處理廠必須對污水的流量進(jìn)行監(jiān)控 。在以往的選型設(shè)計中 , 流量儀表不少都選用旋渦流量計和孔板流量計。而實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)測量的流量顯示值與實際流量偏差較大, 改用電磁流量計偏差大大減小 。

2 、渦街流量計選型設(shè)計：
  渦街流量計作為一種新型流量計, 20 世紀(jì) 80年代中期以來發(fā)展較快, 它在流量測量方面有著諸多的優(yōu)點和長處 ,在現(xiàn)代流量測量中應(yīng)用越來越廣泛。在國內(nèi)使用渦街流量計進(jìn)行流量測量也愈來愈得到重視, 目前我國已有性能優(yōu)良并有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品系列。渦街流量計是基于流體振動發(fā)展起來的, 根據(jù)旋渦的不同 ,檢測方式從熱絲式、熱敏式逐漸發(fā)展了應(yīng)力式、磁敏式及差動開關(guān)電容式 、超聲波式等。渦街流量計幾乎可用于一切可形成旋渦列的場合,不僅可用于封閉的管道,還可用于開放的溝槽。與渦輪流量計相比, 渦街流量計沒有可動的機(jī)械部件 ,維護(hù)工作量小 ,儀表常數(shù)穩(wěn)定;與孔板式流量計相比, 渦街流量計測量范圍大, 壓力損失小 ,準(zhǔn)確度高 ,安裝與維護(hù)簡單 。但渦街流量計的環(huán)境相關(guān)參數(shù)較多 ,容易在使用現(xiàn)場被忽略而影響流量計性能的正確發(fā)揮 。
  渦街流量計的原理是在流量計管道中, 設(shè)置一滯流件,當(dāng)流體流經(jīng)滯流件時 ,由于滯流件表面的滯流作用等原因, 在其下游會產(chǎn)生兩列不對稱的旋渦 ,這些旋渦在滯流件的側(cè)后方分開 ,形成所謂的卡門(Karman)旋渦列, 兩列旋渦的旋轉(zhuǎn)方向是相反的 ,卡門從理論上證明了當(dāng) h/ L =0.281(h 為兩旋渦列之間的寬度;L 為兩個相鄰旋渦間的距離)時 ,旋渦列是穩(wěn)定的 , 在此情況下, 產(chǎn)生旋渦的頻率 f 與流量計管道中流體流速v 的關(guān)系為 ;
  f =sv/ d
  v =d f / s
  式中:d 為圓柱形滯流件的直徑 ;s 為無量綱常數(shù),稱為 Strouhal 數(shù), 與流體流動狀態(tài)的雷諾數(shù) Re有關(guān) 。流量計圓截面管道的雷諾數(shù) Re 為 :
  Re =v dρ/ μ
  式中:v 為流體的流速, m/s ;ρ為流體的密度 ,kg/ m3;μ為流體的動力粘度 ,Pa·s 。
  而流體的流量:Q =A ×v
  從上式可見 ,流量 Q 不僅與 f 有關(guān) , 而且與雷諾數(shù) Re 也有關(guān)。雷諾數(shù) Re 是表征粘性流體流動特性的一個無量綱數(shù), 其物理意義是流體流動的慣性力與粘滯力的比值。因此, 流體的流動狀態(tài)對渦街流量計的使用也有一定的影響 。如果環(huán)境參數(shù)對流體流動狀態(tài)有影響也會影響到渦街流量計的使用性能 。經(jīng)過實踐 ,如下幾個方面對渦街流量計的使用都有影響 ,應(yīng)對這些問題進(jìn)行分析 :
  1)渦街流量計的測量范圍較大 , 一般 10∶1 , 但測量下限受許多因素限制 :Re >10000 是渦街流量計工作的***基本條件,除此以外, 它還受旋渦能量的限制 ,介質(zhì)流速較低,則旋渦的強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)速度也低,難以引起傳感元件產(chǎn)生響應(yīng)信號, 旋渦頻率 f 也小,還會使信號處理發(fā)生困難 。測量上限則受傳感器的頻率響應(yīng)(如磁敏式一般不超過 400Hz)和電路的頻率限制,因此設(shè)計時一定要對流速范圍進(jìn)行核算,根據(jù)流體的流速進(jìn)行選擇 。使用現(xiàn)場環(huán)境條件復(fù)雜 ,選型時除注意環(huán)境溫度 、濕度、氣氛等條件外,還要考慮電磁干擾。在強(qiáng)干擾如高壓輸電電站、大型整流所等場合, 磁敏式 、壓電應(yīng)力式等儀表不能正常工作或不能準(zhǔn)確測量 。
  2)振動是影響該類儀表的重要因素 。 因此在使用時注意避免機(jī)械振動 ,尤其是管道的橫向振動(垂直于管道軸線又垂直旋渦發(fā)生體軸線的振動), 這種影響在流量計結(jié)構(gòu)設(shè)計上是無法抑制和消除的 。由于渦街信號對流場影響同樣敏感 , 故直管段長度不能保證穩(wěn)定渦街所必要的流動條件時 ,是不宜選用的。即使是抗振性較強(qiáng)的電容式 、超聲波式 ,保證流體為充分發(fā)展的單向流 ,也是不可忽略的。
  3)介質(zhì)溫度對渦街流量計的使用性能也有很大的影響。如壓力應(yīng)力式渦街流量計不能長期使用在300 ℃狀態(tài)下 , 因其絕緣阻抗會由常溫下的 10M Ψ～100M Ψ急降至 1M Ψ～ 10kΨ, 輸出信號也變小 , 導(dǎo)致測量特性惡化 , 對此宜選用磁敏式或電容式結(jié)構(gòu)。在測量系統(tǒng)中 ,傳感器與轉(zhuǎn)換器宜采用分離安裝方式, 以免長期高溫影響儀表可靠性和使用壽命。
  渦街流量計是一種比較新型的流量計, 處于發(fā)展階段,還不很成熟, 如果選擇不當(dāng) ,性能也不能很好發(fā)揮。在經(jīng)過合理選型、正確安裝后 ,還需要在使用過程中認(rèn)真定期維護(hù) ,不斷積累經(jīng)驗 ,提高對系統(tǒng)故障的預(yù)見性以及判斷 、處理問題的能力, 從而達(dá)到令人滿意的效果。

3、節(jié)流式流量計選型設(shè)計：
  節(jié)流式流量計是早期大量使用的一種測量流量的計量裝置,其歷史***長 ,用量***多 。現(xiàn)在常見的為圓孔板型和錐形入口板型 , 其工作原理是在流體管道中加入一孔板節(jié)流件, 通過導(dǎo)壓管引入壓差變送器測出節(jié)流件上 、下游的壓差 ,根據(jù)所測的壓差經(jīng)過計算即得出流量的瞬時值 。由于導(dǎo)壓管內(nèi)水的不流動性 ,在較寒冷地區(qū) ,冬天室外安裝的孔板取壓管容易凍裂(凍住), 使差壓儀器無法正常工作 。測量較臟的污水時,孔板需經(jīng)常清洗 。如清洗不及時 ,測量準(zhǔn)確度降低, 取壓管經(jīng)常被污物堵死 , 儀表無法使用。用孔板的方式測流量時還有壓力損失大 、維護(hù)量大等缺點 。因此改變?nèi)悍绞?,例如用徑距取壓法,就可以減少污物的影響。

    現(xiàn)在的城市供水，引水渠、火電廠冷卻水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工礦企業(yè)廢水排放以及水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道的污水廢水的計量需要根據(jù)實際不同的流量（比如滿管流量和半管流量），管道內(nèi)的壓力不同，選擇合適的流量計來測量這些污水。
    污水流量計在自然流動或者管道壓力比較小不滿管流動的時候使用效果是非常好的。

污水流量計工作原理：
    流量計儀表直接測量的物理量是液位。用于測流量時，在安裝量水堰槽。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。

污水流量計的安裝要求：
　　1)、環(huán)境選擇
　　應(yīng)盡量遠(yuǎn)離具有強(qiáng)電磁場的設(shè)備，如大型電機(jī)、大型變壓器、大型變頻器等。安裝場所不應(yīng)有強(qiáng)烈震動，管道固定牢靠，環(huán)境溫度變化不大(防止固液兩相變化)。安裝環(huán)境應(yīng)便于安裝和維護(hù)。
　　2)、位置選擇
　　安裝位置必須保證管道內(nèi)始終充滿被測液體。
　　選擇液體流動脈沖小的地方，應(yīng)遠(yuǎn)離泵和閥門、彎頭等局部阻力件。
　　測量雙相(固、液和氣、液)液體時，應(yīng)選擇不易引起相分離的地方。
　　被測管道內(nèi)徑或周長容易測量，并且橢圓度應(yīng)較小。
　　3)、直管段長度
　　傳感器安裝管道上游側(cè)直管段長度應(yīng)大于或等于10D，下游側(cè)應(yīng)不小于5D(D為被測管道通徑)。
　　4)、 流量控制閥門和調(diào)節(jié)閥門
　　流量控制閥門應(yīng)安裝在傳感器上游側(cè)的被測管道內(nèi)，流量調(diào)節(jié)閥門應(yīng)安裝在傳感器下游側(cè)。
　　流量時，通常流量控制閥門應(yīng)處于全開狀態(tài)。
　　污水流量計的校準(zhǔn)是一項比較復(fù)雜的工作，因為對于污水來說，包括有氣體、液體和混合流體等具有不同物理特性的介質(zhì)，而且；被測污水流體的流動狀態(tài)可以是層流、紊流等等。此外還存在粘度大小不同等情況。

污水流量計用途范圍：
    與量水堰槽配合使用，測量明渠內(nèi)水的流量。主要用于測量污水廠、企事液單位的污水排放口、城市下水道的流量。由于這種儀表采用超聲波穿過空氣，以非接觸的方法測量。因此在粘污、腐蝕性液體情況下，比其它形式的儀表具有更高的可靠性。

4、結(jié)語：
  以上幾種污水流量測量流量計中 ,電磁流量計性能較好 ,節(jié)流流量計應(yīng)用范圍廣 ,而渦街流量計比較新型,并正在不斷發(fā)展。只有了解這幾種流量計各自的性能特點, 才能對流量計選型設(shè)計好 ,使污水流量的測量和控制達(dá)到度和可靠性要求。