流速仪流量计：水文现代化与新技术

上述声学流量计技术先进，自动化程度高，但价格较高，结构复杂，比较适用于一些中大河流和重要输水渠道，一些小河尤其是中小渠道很少会应用这些仪器。而中小渠道的流量（水量）计量直接关系到水资源的分配和水量的计量，也需要较准确的自动流量计。为此，出现了一些较简单的流量计，流速仪流量计就是其中的一类。

2.5.3.1　流速仪流量计的工作原理和仪器类型

1.工作原理

如果将中小渠道（河流）的过水断面经过人工改建而成为一量水涵洞，并保证在渠道水位变化时，此量水涵洞始终保证在“满管”水流状态。那么，过水断面面积就恒定为此量水涵洞截面积。这样，只要测出量水涵洞内的平均流速，就能计算出流量。

因为量水涵洞不会很大，可以用特种流速仪测量涵洞内一点的流速v，再通过比测确定这一点流速和平均流速的关系。于是，只要特种流速仪能在此使用环境下长期可靠工作，并输出能自动记录的信号，就能换算成流量，达到自动测量记录流量的目的。

这种方法俗称为“等截面流速仪”法，常应用于管道中。而管道中常用的同类型流量计往往只能适用于无漂物清水（自来水）。近几年已开始出现能用于天然渠道中的定型产品。

2.仪器类型

这类仪器基本都应用转子式流速仪测量流速。有些仪器应用前，需要在小河、较大渠道上建造某种型式的过水涵洞，用来安装流速仪流量计。一些应用于小渠道上的仪器带有已制作好的专用设备，供测流之用。

应用非转子式流速仪来测量流速，其价格太高，而且，伸入水流中的传感器会被漂浮物挂住，使它不能工作。但目前有专门设计的转子式流速仪，基本不会受漂浮物影响。

2.5.3.2　应用仪器介绍

1.仪器的结构组成

现以应用较多、应用成功的LBX—7型浑水流量计为例进行介绍。

测流设施由浑水流量计和量水涵洞两部分组成。量水涵洞需要经设计后在渠道上专门修建。浑水流量计及其量水涵洞如图2.58所示，LBX—7型浑水流量计外形如图2.59所示。

图2.58　浑水流量计及其量水涵洞

1—量水涵洞；2—浑水流量计；3—流量计转子；4—流量计计数显示器

图2.59　LBX—7型浑水流量计

浑水流量计安放在量水涵洞的仪器室内，它的流速感应转子是旋杯式结构，出露在涵洞上部水流中。渠道中的水流全部通过量水涵洞流入下游，浑水流量计的转子在涵洞上部测量该处的流速。量水涵洞是一等截面（过水断面不变）的、水平的、有压过水涵洞。在渠道输水时，渠道上下游水位一直高于涵洞顶部，使得涵洞中一直处于“满管”状态。保证过水断面就是涵洞截面，过水断面面积恒定。

涵洞都设计为矩形，所以，A＝Bh，B为涵洞宽，h为涵洞高，单位为m。

涵洞的设计建造将保证涵洞内的水流比较有规律，其流速分布稳定，平均流速和某一点的流速有稳定的关系。将流量计安装在某一点上测得的流速v测再乘上一固定的系数K后可以代表。这样，流量计算式为：

式中：v测为流量计测得的所在点的流速，m/s。

流量计测量点流速为：

式中：K1为流量计常数，m；n为流量计转子的转速，转/s。

流量计转子的转速为：

式中：R为在测速历时T（s）内流量计转子的总转数。(www.xing528.com)

将式（2.22）代入式（2.21）得：

v测＝K1R/T

Q＝KK1SR/T

累计用水量为：W＝QT＝K K1SR；再设K K1S＝K0，称为综合流量系数，则W为：

流量计自动累计用水量，则是在计数器上设置综合流量系数K0值。K0也称单元用水量，即流量计旋杯转子每一转，相当于水流通过量水涵洞一个单元水量K0（m3）。流量计的计数器会自动按设置的K0值累加水量，时段末流量计上显示的累加数也就是这段时间内通过量水涵洞的总水量W（m3）。

浑水流量计本身由流量计感应部分、发信部分、信号记录部分组成，仪器是一个整体。感应部分是一个六杯形旋杯部件，其构造和工作情况和常规流速仪类似，旋杯每转一圈产生一个干簧管通断信号。仪器上部装有计数记录器，记下旋杯感应部分的转数，并可以按预置的K0值得到时段输水量W。

建造量水涵洞时要按各不同渠道的情况而设计，产品制造厂会提供量水涵洞的具体设计要求，包括了涵洞的大小、长度、位置等数字的设计步骤。为了保证涵洞的“满管”输水，涵洞的高低位置和涵洞的高度是决定性因素，涵洞有三种类型：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。

Ⅰ型应用最多，如图2.58所示，涵洞底部与渠道底部等高。最不影响水流原有状态，流速平稳；涵洞底平，不易淤积；涵洞建造也容易。但输水量小，水位低时，最可能出现非“满管”状态。

Ⅱ型应用较少，涵洞底部低于渠道底部，涵洞顶部高于渠道底部，呈半埋入地下状态。水流要向下后再向上流出，对流态有一定影响；涵洞半埋地下，可能淤积；为保证水流平顺，涵洞要长一些，加大了工程量；但可较好地保证小流量、低水位时的“满管”状态。

Ⅲ型涵洞完全埋入地下，涵洞顶部与渠道底部等高，此型基本不用。

此种浑水流量计输出干簧管通断信号，用于自动测报系统时可以配用一般的遥测终端机和通信设施。但这种流量计的信号频率高于翻斗雨量计，要注意遥测终端机的适应性。

2.仪器性能

（1）对产品的基本技术要求。产品应能应用于各种自然水体，包括漂浮物和泥沙较多的水流；结构应比较简单，易于使用推广；流量及水量测量应能基本满足水量计量要求；能自动计量水量，能方便地实现遥测；价格低，便于普及。

（2）典型产品技术介绍。LBX—7型浑水流量计是一种流速流量计产品，它的主要技术性能如下。流速测量范围：0.2～3.0m/s；流量测量范围：0.1～10m3/s，视量水涵洞和测流要求而定；连续工作时间：大于30d；流速测量准确度：相对均方差±3.5%；输出信号：干簧管通断；接点容量：5V、10m A；累计水量，≤999999.99m3；工作环境：0～40℃，95%RH；水温及含沙量：0～40℃，20kg/m3；电源：3VDC（用于自计流量时）。

这种流量计能适应绝大多数中小型渠道的流量和水量自动测量，对水质和漂浮物多的适应性很好。

2.5.3.3　流速仪流量计的安装和应用

1.安装

长期自动测量流量的仪器基本上都用于渠道流量测量，安装前先要设计和建设量水涵洞。量水涵洞上方建有方筒形仪器室，将浑水流量计垂直放入仪器室，使流量计的旋杯转子出露在涵洞上部水流中，并用固定装置使流量计稳定地垂直定位。安装完毕后开启上部流量记录器，经过正确的K0值设置后，流量计就开始计测流量。用于遥测时，将流速信号线直接接入遥测终端机（注意信号频率的适应性），信号在测站或在中心站简单处理后就可以得到总水量。

用于较小渠道上临时应用的流速仪流量计连同仪器一起提供了已制成的过水涵洞或过水管，将它们简单地埋放在渠道断面上就可工作，不用时可以整体拆走。

2.应用

（1）现场流量比测。以LBX—7型浑水流量计为例来说明现场流量比测。LBX—7型浑水流量计的测速原理和转子式流速仪一样，但是在实际使用时将应用实测综合流量系数K0计算流量，并不需要应用流量计本身的流速计算公式。应用前要和配用的量水涵洞一起进行现场比测检定，得到综合流量系数K0值。比测检定方法是用常规流速仪以流速—面积法测量的渠道流量作为参照标准，来标定本系统的综合流量系数K0。测量流量应该在可能的流量变化范围内进行，分析得到的实测综合流量系数的误差分布，确定可以实际应用的系数值。

一些用于小渠道上的流速仪流量计，连同仪器一起提供了已制作好的过水涵洞，也一起提供了由流速仪信号数进行总水量计算的公式。可以直接应用，不需要再进行现场比测。

（2）应用。将流速仪信号线与计数器连接好后，开启电源，将计数复零，或记下起始计数。按水量计量时段，定时再去读数，计算或直接得到总水量。还将流速仪信号直接插入遥测系统，远距离遥测。

2.5.3.4　流速仪流量计的特点和准确性分析

等截面流速仪流量计的结构不复杂，所用流速仪也都比较简单，使用者很容易掌握。它的单价不高，在中小流量测量时，准确度很好。所以很适用于平原中小渠道和部分管道。但要在渠道上建设专用量水涵洞，会对渠道输水能力产生一点影响。

量水涵洞的过水断面是人工建造的，断面面积的误差可在1%以内。的误差估计很复杂。用量水涵洞顶部一点的流速，只乘以一个固定系数，推求不同水位时的断面平均流速，误差会在2%～3%范围内。流速仪本身误差也会有2%～3%。各误差合成后，流量误差将可能超过3%。水位（流量）变化较大时误差还会更大。实际应用时，是用实测流量进行检定校测后，得到综合流量系数K0。所有误差主要反映在K0上。而K0的误差是由实测流量的准确性、建立总水量W和流量计旋杯转数R的线性关系而定的，与量水涵洞本身形式、形状有很大关系。一种较精密仪器的测试，流量测量误差可以达到3%。由此可推算，上述浑水流量计的流量误差可控制在3%～5%。

2.5.3.5　流速仪流量计的维护

尽管这类流量计都具有很好的密封防水功能，但是长期在天然水体中工作，都会有水、沙侵入仪器内部，影响仪器测速的准确性。因此，需要按仪器要求进行定期拆洗，拆洗方法和一般机械仪器或转子式流速仪类似。要清除附在转动部件上的水生物和输水涵洞中的淤积。