食盐浓度法测流原理及优点

食盐浓度法测流最主要的优点是用于计算流量的各项数据具有明确的可以估算的误差值，从而使得有可能按照误差理论估算所测流量的综合误差，不必通过另外的标准方法进行实流标定。因此，它特别适宜于管道系统大流量的精确测量。例如水泵或水轮机原型装置效率的精确测量和大口径流量计的标定测量。实践证明，采用这种方法测量水泵的流量可以达到±（1.0～1.5）%的精确度。食盐浓度法测流原理系统图，如图3-21所示。

图3-21　食盐浓度法测流原理系统图

1—盐水筒；2—射流混合器；3—计量泵；4—盐水喷射栅；5—水泵叶轮；6—第一断面取样管；7—第二断面取样管

（一）测量原理

在水泵的进水侧注入恒定流量q的食盐溶液，它通过紊动水流质点的互相掺混和碰撞，以及水泵叶轮的搅拌作用后，在水泵出水侧与原水充分混合处取出水样，分别测定原水和混合水中氯离子的浓度并与由注入溶液和原水配制的标准混合液相比，即可求出混合水样的稀释倍数，并确定水泵的流量，这就是食盐浓度法测流的基本原理。

假定原水中注入含食盐溶液的浓度（用氯离子Cl-的含量表示浓度）为C0；注入溶液中的浓度为C1；混合水样中的浓度为C2，根据质量平衡原理可得下列方程：

式中：Q为原水流量（即注入断面前流向水泵入口的流量），L/s；q为注入食盐溶液的流量，L/s；C0、C1、C2分别为原水、注入液、混合液中氯离子的浓度，mg/L。

上式整理后得：

令Q/q=R，通过水泵的流量为（Q+q）=QP，则

和

式中：R为稀释比；（R+1）称为稀释倍数。

显而易见，利用化学法分别测出C0、C1、C2，即可用式（3-26）计算稀释倍数，再根据注入溶液流量q，即可由式（3-27）算出水泵的流量QP。

根据实践经验，利用食盐浓度法测量水泵的流量，必须正确掌握以下几项技术：即食盐溶液的注入；食盐溶液与原水的均匀混合；水样采集以及化学测试等。目前，用此法测量大型轴流泵的流量，难度最大的是食盐溶液的恒定注入和充分混合。

（二）一般要求

（1）这种方法的使用不需要测量过流断面的几何尺寸，不要求均匀对称的流速场，因此不要求平直管段，相反，混合水流通过弯管、扩散管等复杂管路更有利于注入溶液与原水的均匀混合，但要保证不存在倒流或滞流区。

（2）要求预先测定原水中氯离子的含量，如果原水中氯离子含量较高，就不宜采用氯化钠（NaCl）作为注入物。

（3）必须正确设计注入装置，使注入盐水溶液与原水均匀混合。

（4）必须使注入溶液的浓度和流量保持稳定。

（5）必须准确地测量注入盐水溶液的流量q，如果采用管式流量计测量，要求流量计的精度不低于0.5级。

（6）必须正确取样。取样容器要编号，并与取样管相对应；所取试样不能混入其他液体：每次投盐后，在注入断面前方、混合水取样断面处及注入溶液取样断面处，必须同时分别取出至少三批试样，对混合水则要求取出十批试样。

（7）必须准确测定稀释倍数R+1；所用测量仪器，都要事先校正；同一组数据的测量操作人员与仪器应不变。

（三）误差分析

从流量计算公式中可见，水泵流量的测量误差来源于注入盐水流量的测量误差和稀释倍数的测定误差，只要分别确定这两项误差，就可以确定水泵流量的测量误差，国际上把浓度法测流称为绝对测流，其根据即在于此。

1.注入盐水流量测量误差

该项误差决定于测量的方法，如采用体积法测量注入流量，则其误差包含标定容器的标准差σv，液位读数的标准差σh，及记时的标准差σt，分别求出上述三项标准差后即可计算注入流量的总标准差或相对总标准差。

如果采用管式流量计测量注入流量，则按仪器标定的误差和读数或显示仪表的误差来考虑，仍按方和根法计算注入流量的标准差或相对标准差。

例如采用涡轮流量计测量注入流量q，取数字频率计的10次读数来计算流量波动的平均值相对标准差σf；若涡轮流量变送器的精确度等级为0.5级，即极限相对误差δ=±0.5%；计数器时标误差为σt，故注入盐水流量的极限相对误差为：

2.稀释倍数的测量误差

（1）标准稀释溶液配制误差。配制标准稀释溶液过程中使用的量器，读数估计到小数后第二位，对10mL的计量而言，读数误差为始末两次累计值即0.02mL，则相对标准差为0.2%，量器本身的误差已在测量中进行了校正。

（2）标准稀释溶液的测定误差，对不同稀释倍数的标准稀释溶液进行测定，可得理论稀释倍数（R+1）和实测稀释倍数（R'+1），由于仪器性能不稳定及滴定管、仪表读数不准确，或者产生吸附作用，使理论值与实测值之间存在误差，此项相对标准差不应超过0.2%。(www.xing528.com)

（3）混合水样测定误差此项误差包含容器误差、滴定误差以及读数误差，实际操作时对同一水样重复测量2～3次，要求测定值的相对标准差不超过0.2%。

（4）混合水样不均匀误差，混合不均匀度是指同一工况、同一批水样，同一取样断面各个取样点之间水样浓度的差异，平均值相对标准差应控制不超过0.4%。

（5）混合水样浓度测量的重复性误差在水泵工况稳定情况下，在一次连续注入盐水的过程中，取出10批水样，对各批水样分别进行测定，并计算其标准差；平均值相对标准差不应超过0.3%。

3.综合误差

相对标准差：

在95%置信度时，水泵流量的极限误差为相对标准差的两倍。如果用流量计直接测量注入流量q，当流量计的精确度以极限相对误差表示时，可以直接用极限误差按方和根法合成，求得测量流量的极限相对误差。

4.误差估算示例

食盐浓度法测定流量的误差来源于注入盐水流量和稀释倍数的测定误差。

（1）注入盐水流量的测量误差σq/q。用体积法测量注入流量时，其误差应包括容器的标准差、液位计读数标准差和计时标准差等。根据试验的等级要求，选择适合的容器和仪表，例如经过校正的容器标准差为0.25%；液位计读数（时段开始和终了）标准差为0.2%；时间测量标准差为0.02%。则注入盐水流量的总相对标准差：

用流量计直接测定注入流量时，其误差取决于流量计的精确度（包括变送器和显示仪表），以及注入盐水流量q的稳定性和读数误差。例如用0.5级的涡轮流量变送器来测量注入流量，则极限相对误差包括以下几项：①变送器的极限相对误差，由标定试验确定；②注入流量q的不稳定误差取10次读数相对标准差的两倍，根据实测资料进行误差计算确定；③频率计时标准误差由仪表特性参数查得。

故盐水流量的相对极限误差为上述各项误差的平方和的平方根值。例如，①频率计显示数据的误差估算：在投盐和取样时段内，读取频率计显示的10次数据为：253，254，253，254，253，253，254，253，253，253。平均值=253.3。平均值的相对标准差为：=0.06%；②涡轮流量计经标定，其精度等级为0.5级，即相对极限误差为±0.5%。③数字频率计时标误差为±0.01%，可略去。④盐水流量的相对极限误差为：=±0.51%。

（2）稀释倍数的测定误差。

1）标准稀释混合液配制误差σ1。在化学分析时，配置标准溶液，使用经过校核的移液管和容量瓶，读数时小数后第二位是估算的，对10mL计量而言，读数误差为始末两次累计值0.02mL，即相对标准差为0.2%。

2）标准稀释混合液的测定误差σ2。每一工况都按不同稀释倍数（R+1）配制3～4种标准稀释溶液，对每一试样进行滴定，可得稀释倍数理论值（R+1）和实测值（R'+1）两者之间的误差，这项误差是由仪器性能不稳定及滴定管和仪表读数的不准确而引起。取三次的平均值作为相对标准差（见表3-6）。

表3-6　标准溶液相对标准差

3）混合水样测定误差σ3。测定混合水样浓度时，对同一个水样要求重复测量三次，控制每两次测量误差不超过0.4%，故标准差取为0.2%。

4）混合不均匀误差σ4。以5个水样为例，将取样断面上五根取样管取出5瓶水样分别进行浓度测定，根据每个相同体积水样滴定所消耗的硝酸银的毫升数，计算不均匀误差。

如实测5个水样滴定相同体积所消耗的硝酸银毫升数为：19.962，19.991，19.967，20.041，19.997。均匀值=19.988；均匀值标准差σn（n-1）=0.0628；均匀值的相对标准差。

5）混合水样重复性误差σ5。混合水取样断面氯离子浓度稳定后，每隔10s取一次水样，分别测定同一工况下各批水样的浓度，计算误差。

实测同一工况10批水样滴定相同体积所用硝酸银的毫升数如下：14.40，14.45，14.40，14.40，14.44，14.40，14.44。均匀值=14.40；均匀值标准差σn（n-1）=0.0105；均匀值的相对标准差。

6）稀释倍数（R+1）的极限相对误差。根据上述五项误差按方和根法合成求得稀释倍数的相对标准差：

95%置信度的稀释倍数的极限相对误差为相对标准差的两倍，所以极限相对误差为：

（3）综合误差。根据注入流量的极限相对误差和稀释倍数的极限相对误差，按方和根法合成，求得流量极限相对误差：

（四）食盐浓度法的应用范围与条件和优点

（1）食盐浓度法可用于测量明渠和管道中水的流量，特别适合于在管道中直接测量单台水泵的流量。

（2）被测水流中含氯离子的浓度越低越好，如果C1-含量较高，就要相应降低稀释倍数或改用其他注入物质。

（3）在注入断面和取样断面之间要有足够的混合距离，或者允许采用特殊的混合装置。

（4）对于安装离心泵的排灌站，由于注入溶液在泵内受到强烈的搅拌，同时又经过弯头、闸阀和较长的管路，能使注入溶液与原水混合均匀，使测量结果达到较高的精确度。

（5）采用食盐浓度法测流的关键是要求混合均匀，不必考虑流道或管道的形状尺寸。因此用这种方法解决低扬程大流量的轴流泵、贯流泵或混流泵以及水轮机的流量测量问题具有独特的优点。

插入管道中的注入和取样装置，一般不影响水泵性能，也不改变管路的流速分布，所以用这种方法在现场标定水泵管路系统的差压与流量的关系曲线或流量系数，具有足够的精确度。

（6）作为一种绝对测流法，在泵站现场测试中，其误差一般可以控制在±1.5%。用它来标定差压流量系数，解决泵站正常运行流量测量问题，具有较大的经济意义。同时又是研究大型流量计现场标定精确度的一种值得重视的方法。