流量測試儀的原理和實際測試情況

北京康高特科技有限公司

張鑫宇

流量檢測儀可以計算河流、小溪、溝渠、山泉等流動水源的流量，單獨使用可以預(yù)估全年排量，探索季節(jié)變化對高山融雪的影響等，多用于生態(tài)、水文研究，水源開發(fā)等。配合其它水質(zhì)檢測和生物檢測儀器可以綜合評估該地區(qū)水源被污染的程度、凈化能力等。多用于環(huán)境生態(tài)檢測，污染物排放控制檢測。

任何流量檢測儀都不可能直接測出水源的流量，而是通過流速和面積與流量的關(guān)系計算出河流流量，理想狀態(tài)下其關(guān)系如下：

式中v為河流平均流速，S為橫截面積

由上式可以看出，只要知道了河流的流速*可以計算得到總的流量。而測量流速的方法很多，其中比較方便和便宜的是利用螺旋漿測量（機(jī)械方法），螺旋槳轉(zhuǎn)動的速度*是水流流動的速度。通過速度傳感器，可以將其顯示在屏幕上。目前使用機(jī)械原理制成的流量儀并不太多，大多數(shù)儀器只能測量一點的流速，依次記錄后手工計算出流量。因此螺旋槳測量方法一般只在單獨測量流速時使用。測量結(jié)果更加*的是利用多普勒原理制成的超聲波或激光流速計，傳感器發(fā)出超聲波或激光遇到水流反射，如果水流速度較快，則反射波的頻率較高，進(jìn)而測出流速。使用多普勒原理制成的儀器計算功能*比較強(qiáng)大了，一般支持流量測量，更有甚者用戶可以選擇不同的流速、流量測量方法進(jìn)行加權(quán)計算，使結(jié)果更符合實際情況。

螺旋槳測速儀

多普勒超聲測速儀

多普勒激光測速儀

在實際情況下計算流速和流量當(dāng)然不會像*初的理想情況那么簡單，還需要考慮到河道不同深度的水流速度和距岸邊不同距離的深度。

水流速度的測量

測量流速時，要根據(jù)實際水流狀況和風(fēng)向選取合適的測量方法，在一個橫斷面上取多點進(jìn)行測量。只有流速測量結(jié)果正確時，流量才能近似等于實際情況。如果流速偏差很大，則流量計算也沒有實際意義。

先來考慮不同深度水流速度的變化情況。在無風(fēng)和水流逆風(fēng)流動的情況下，河道中水流的速度類似于下圖的曲線。因為空氣和泥沙的阻力使得水面和水底的流速度變慢，河道中部的水流速度*快。此時測量水流速度時推薦使用0.2/0.8法[1]，原因是水流平均速度出現(xiàn)在A、B兩點。如果使用0.6法[2]，則*后得到的流速值偏大。

如果水流順風(fēng)流動，則河面上的流速要大于河底流速，如下圖所示。此時再使用0.2/0.8法測量結(jié)果*不盡如人意了---因為風(fēng)速不斷變化，所以河流的表面流速也隨之變化。為了使測量結(jié)果更穩(wěn)定，建議使用0.6法，直接測量C點河流中部的水流速度。

*后一種較極端的情況也比較多見，溝渠中的水基本不流動，但是水面由于風(fēng)力作用產(chǎn)生流速，如下圖所示（多出現(xiàn)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)河流、支流上）。此種情況下，各種測量水流速度的方法都不能完全代表實際流速，建議單獨測量水面流速后更改深度（20cm左右），只計算頂層的流量。

    上述測量方法僅為測量一點流速，實際測量時要在一個橫斷面上取多點進(jìn)行測量。不同位置的流速變化規(guī)律也類似圖1，靠近岸邊流速較低，靠近中心流速較高。計算時，也可類比使用0.2/0.8法。

橫截面積的估算

一般來說對于河道，越向中心深度越大，因此大致可以認(rèn)為河道橫截面為梯形。對于山泉則可以用長方形截面近似代替。而如果需要測量不規(guī)則的池塘或溝渠則需要取不同點的深度進(jìn)行估算。

河道近似

山泉溪流近似

不規(guī)則近似

對于一般測量流量來說，簡單估算橫截面積并測量平均流速*能夠滿足精度要求了，如果對流量的計算結(jié)果要求較高，*需要考慮橫斷面上不同點的流速變化情況，分別進(jìn)行測量。國際通行的測量流量方法是中間值法，該方法是對不規(guī)則近似的一種擴(kuò)展，示意圖如下所示：

中間值法首先將河道分為等距的段落，圖示為W1-W11。使用流速計在每個段落的中心位置測量流速，流速測量方法根據(jù)上面的建議選擇。依次測量完11個段落進(jìn)行計算。表示為公式如下所示：

在實際情況中，中間值法一般用于山泉溪流的流量測量，因為這些水源深度較淺，寬度適中，流速較大，可以獲得很準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。

測量河道流速時，如果河流深度較淺，底部沒有淤泥，測量人員可以達(dá)到河道中央時，也可以使用中間值法進(jìn)行測量，計算流量。但是如果河道較深較寬，底部有淤泥或沒有橋梁時，使用中間值法測量非常麻煩，不但需要測量大量流速數(shù)據(jù)，有時甚至需要借助小船才能到達(dá)河道中央，又因為船體不斷運動，流速測量值也不準(zhǔn)確。此時只能使用上述方法進(jìn)行估算。

流量的測量一直是一個比較困難的課題，因為其測量方法比較單一，只能通過流速計算，是一個間接值，而流速又受各種環(huán)境和測量方法的影響。面對復(fù)雜情況，往往沒有條件使用中間值法*測量，此時*要對測量結(jié)果進(jìn)行近似處理。近似的方法有多種多樣，上述方法只是其中之一。隨著測量經(jīng)驗的不斷增加，和對大量數(shù)據(jù)的歸納總結(jié)，久而久之*能夠形成一套應(yīng)對不同情況的近似計算方法。

名詞解釋

[1]0.2/0.8法：該方法為測量距水面20%處流速，再測量距水面80%處流速，*后進(jìn)行加權(quán)計算，得到平均流速。

[2]0.6法：該方法為測量距水面60%處流速。