超声波多普勒流量计在排水管网流量监测中的应用

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
井号
１４ 号 １６ 号支
２４ 号 ２４－ ２ 号
２５ 号 ３８ 号
流量计 编号 ２ ６ １ ３ ４ ５
平均流量／ （ ｍ３／ｈ） ３６．３０ ６．１７ ４０．２１ １６．４６ ５０．８３ ９５．３６
平均流速／ （ ｍ／ｓ） ０．２９ ０．１１ ０．３２ ０．４４ ０．３７ ０．４４
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”装置， 快速检测管道内污水流量。
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。
总流量／ （ ×１０３ ｍ３）
１．７４ ０．３０ １．９３ ０．７９ ２．４４ ４．５７
注： １．地点编号为 ０００００００２； 文件名称为 ０００００００２．０００。 ２．时间周期为 １ ｄ。 图 ２ ２ 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 ０．１１×１ ０００ ｍ３， 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 ０．２８×１ ０００ ｍ３， 误差率在１１％左右。 流量计检测数据的相对准确率在 ９２％左右。
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 用固定环装置， 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依据。 （ 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。
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市政技术
ห้องสมุดไป่ตู้第 ２６ 卷
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。
摘 要： 当前北京部分已建成的污水厂处理流域的污水水量存在较严重的不平衡， 了解和掌握各流域内水量的变化规律，
通过采取必要的手段进行水量调配是解决该问题的根本所在。目前国内对排水管道内的流量监测主要采用液位探测的
方式， 所测得的结果误差较大。因此， 通过对超声波多普勒流量计在排水管道中的应用试验， 得出该流量计较适用于现况
（ 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
２００８ 年第 １ 期
超声波多普勒流量计在排水管网流量监测中的应用
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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 １０００ ｍｍ 的检查井 ２ 座（ ３８ 号， ２５ 号） ， 管 径 ８００ ｍｍ 的检查井 ２ 座（ ２４ 号， １４ 号） ， 管径 ５００ ｍｍ 的检查井 １ 座（ １６ 号支） ， 管径 ４００ ｍｍ 的检查井 １ 座 （ ２４－ ２ 号） 。２００６ 年 １１ 月 ９ 日拆下流量计， 历时共 １７ ｄ。 其中 ２ ｄ 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。
管网设施技术管理工作。
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［１］。
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。
排水管道中的流量监测， 可以真实和全面地反映现况排水管道中的流量变化规律的结论。
关键词： 排水； 管网； 多普勒超声波； 流量计； 流量监测
中图分类号： ＴＵ ９９２．４
文献标志码： Ｂ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｌｔｒ ａｓｏｎｉｃ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ ｆｏｒ Ｆｌｏｗ Ｒａｔｅ Ｍｏｎｉｔｏｒ ｉｎｇ ｏｆ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｄｒ ａｉｎａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ
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
收稿日期： ２００７－ ０８－ １５ 作者简介： 田志勇（ １９７５－ ） ， 男， 北京人， 工程师， 硕 士， 主要从事排水
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．
Ｔｉａｎ Ｚｈｉｙｏｎｇ
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
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。
第 ２６ 卷 第 １ 期 ２００８ 年 １ 月
市政技术 Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
文章编号： １００９－ ７７６７（ ２００８） ０１－ ００６２－ ０３
Ｖｏｌ．２６ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ，２００８
超声波多普勒流量计在排水管网流量监测中的应用
田志勇
（ 北京排水集团管网设施管理分公司， 北京 １０００３８）
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 （ ６ ｃｍ 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 ６ ｃｍ 以 上， 流 量计本身的相对精确度基本能够满足使用要求。 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。