一种非满管断续流瞬时流量的测量方法与系统与流程

本发明属于流量测量技术领域，特别涉及非满管断续流瞬时流量的测量方法与系统。

背景技术：

城市污水包括生活污水和工业废水，蕴含大量废热和污染物，经过一定处理可实现二次利用。相关资料表明，我国城市污水水温在5～35℃，全年波动不大，冬暖夏凉，是优良的低温热源。随着国民经济的发展,我国污水排放总量逐年增长,2015年达7353226.83万吨，污水热资源利用具有巨大潜力。

为控制水资源污染，实现循环利用，我国出台了多部规范对城市污水排放与处理进行把关，其中污水水量是重要的监测参数。城市污水排水系统及处理系统中液体多为非满管流动，含有部分杂质，并具有一定的腐蚀性，且流量易受当地人员的生活、生产习惯影响，管网规模越小，流量波动越剧烈，故实际情况中待测管道充满度变化不定，甚至呈断续流，监测现场条件比较恶劣，对流量计要求较高。

市面上常见的液体流量计分为容积式流量计和速度式流量计，前者采用标准固定体积对流体进行连续测量，但对流体洁净度有较高要求，后者通过测量管道内平均流速，结合管道截面积间接获得流量。以上两类传统流量计均不适用于非满管工况。近些年来，一些非满管流量计相继问世，应用比较广泛的有非满管电磁流量计和非满管超声波流量计，它们在传统流量计的基础上通过电磁技术或超声波技术增加了测量管内液位的功能，但这些流量计成本较高，安装时通常需要对管道进行开挖，施工量较大，且若要实现长期连续监测需保证现场有稳定的强电供应，此外，这些流量计在管道充满度较小的情况下也易造成较大误差，因而与恶劣的监测现场形成矛盾。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种非满管断续流瞬时流量的测量方法与系统，克服现有技术中非满管断续流瞬时流量的测量方法成本较高、误差较大的问题。

本发明的技术方案是：一种非满管断续流瞬时流量的测量系统,包括管道配合装置、自动翻桶装置、浮子开关记录装置和流量积算仪四大部件，所述管道配合装置是该系统的导流部件，整体呈直角，水平段与所测流体管道相连接，竖直段的正下方设置自动翻桶装置，自动翻桶装置是该系统的运动部件，由翻桶、支架、限位绳组成，翻桶为蓄水容器，安装于支架上，翻桶中部靠下位置设有偏心轴，桶底配有重物；所述翻桶内设置有浮子开关记录装置，浮子开关记录装置是该系统的记录部件，由浮子开关和开关量记录仪组成；浮子开关记录装置与流量积算仪相连接。

所述重物为长条形铁块，设置于翻桶底圆直径位置，贯穿整个桶底，其方向与偏心轴轴线垂直，重物靠近浮子开关记录装置的一侧偏重，确保空桶在初始状态向设置有浮子开关记录装置侧倾斜。

所述管道配合装置水平段外径略小于流体管路内径的圆管，竖直段为管道出口方向左、前、右侧均设有挡板的导流槽。

一种非满管断续流瞬时流量的测量方法,包括以下步骤：

(1)测量管段的选取：跌流出流口，管道下方有足够的安装空间；

(2)测量系统安装尺寸确定：需获得待测管道基本尺寸，管道与周围环境障碍物的间距，并根据现场具体情况确定系统的安装尺寸，确保翻桶在翻转过程中不被阻挡；

(3)将测量系统安装、固定，观察翻桶装置在流体冲击下能否连续运转，流量积算仪能否正常输出流体流量；

(4)采集数据和计算：检测时流体流入自动翻桶装置，浮子开关记录装置自动读取数据，流量积算仪计算并输出流量数据。

所述步骤(4)浮子开关记录装置自动读取数据是指流体自槽口落下后，翻桶开始蓄水，桶内水位到达一定高度时，浮子在浮力作用下移至上限位，开关打开，开关量记录仪进行记录，随着桶内水量增加，翻桶逐渐倾斜直至翻倒，桶内液体全部洒出，翻桶随后在底部配重的作用下快速翻回，并在限位绳的辅助下迅速回到初始位置，同时浮子落回下限位，开关关闭，记录仪同步进行记录，这时，一个运动周期结束，翻桶开始下一轮的蓄水活动。

所述步骤(4)流量积算仪计算是：

非满管流的瞬时流量g和累积流量mt计算公式如下：

上式中，

t——周期时长，s；

tf——接水阶段耗时，s；

tl——翻转阶段耗时，s；

g——水流流量，m³/h；

mf——翻水量，m³；

mt——第n个周期流下的水量，m³。

本发明的有益效果是：本发明提出的非满管断续流瞬时流量的测量方法，适用于具有一定落差的洁净或含有部分杂质的跌流，测量范围较大，特别适合管道流量波动很大的情况。测量装置制作材料易得，结构简单，安装方便，且可无须外接电源，成本较低，具有自动记录功能，适合长期连续监测，对野外现场有较强的适应性，适合大范围使用。

附图说明

图1非满管断续流瞬时流量测量系统流程图；

图2非满管断续流瞬时流量测量系统结构示意图；

图3开关量记录仪数据记录情况图；

图4现场安装示意图；其中(a)为主视图；(b)为侧视图；(c)为俯视图；

图5实施例1宿舍楼某日生活污水流量测量情况图；

其中，1、翻桶；2、支架；3、限位绳；4、浮子开关记录装置；5、流量积算仪；6、配重；7、管道配合装置；8、污水井；9、横梁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

非满管断续流瞬时流量测量系统包含四大部件：管道配合装置7、自动翻桶装置、浮子开关记录装置4和流量积算仪5,其流程图见图1,该装置基本结构如图2所示。管道配合装置7是该系统的导流部件，整体呈直角，其水平段为外径略小于流体管路内径的圆管，竖直段为管道出口方向左、前、右侧均设有挡板的导流槽，其具体形态如图2中7所示，水平段与实际管段相连用以延长管路，竖直段挡板用以卸下流体水平方向的冲力，达到导流的目的；自动翻桶装置是该系统的运动部件，由翻桶1、支架2、限位绳3组成，翻桶1为蓄水容器，安装于支架2上，在中部靠下位置设有偏心轴，桶底配有重物6，运行时遵循力学原理自行翻倒、翻回，限位绳3可辅助翻桶迅速回正；浮子开关记录装置4是该系统的记录部件，由浮子开关和开关量记录仪组成，运行时浮子上下移动引发开关动作，开关量记录仪同时记录下开关状态与对应日期、时刻；流量积算仪是该系统的计算部件，可读取记录仪存储的数据，并按一定算法计算、输出流量数据。

下面详细介绍系统的运行过程、数据采集情况以及流量计算方法：

实际使用时，管道配合装置7水平段插入流体管道，二者接触部分涂抹密封物质确保无流体漏出，竖直段槽口对准安装于下方的翻桶1桶口，二者竖直间距应大于翻桶1翻转所需间距，流体自槽口落下后，翻桶1开始蓄水，桶内水位到达一定高度时，浮子在浮力作用下移至上限位，开关打开，开关量记录仪进行记录，随着桶内水量增加，翻桶1逐渐倾斜直至翻倒，桶内液体全部洒出，翻桶随后在底部配重6的作用下快速翻回，并在限位绳3的辅助下迅速回到初始位置，同时浮子落回下限位，开关关闭，记录仪同步进行记录，这时，一个运动周期结束，翻桶开始下一轮的蓄水活动。

开关量记录仪作为数据采集装置，记录了浮子开关的开闭状态(或者说是浮子的高低位置)和对应的日期时刻，某次实验获得的记录数据如图3所示，由图可以发现：浮子开关呈周期性开闭，对应浮子周期性上下移动。以图中某周期a～a’为例，a～b时段，浮子开关由闭到开，此时翻桶刚开始蓄水，浮子逐渐浮至上限位；假设翻桶在c时刻翻倒，b～c时段，浮子开关始终打开，翻桶内水位上升，桶身逐渐倾斜，浮子始终位于上限位；c～a’时段，浮子开关由开到闭，对应翻桶翻倒、翻回，液体洒出，浮子最终落至下限位。

显然，a～c时段对应翻桶接水过程，c～a’时段对应翻桶翻转过程，经测量，翻桶每次翻倒倒出的液体质量为一定值，称翻水量，用mf表示，则a～c时段水流流下的水量即为翻桶的翻水量，故称a～c时段为tf，由实验得翻桶翻倒翻回耗时3～4s，此时长对应c～a’时段，称tl。

但有两种特殊情况需要注意：

第一，翻桶运转的首个周期，未使用时，浮子始终位于下限位，记录仪并不记录该信号，故首个周期时长无法得到完整记录，数据处理时应将该过程舍去；第二，如图3所示，浮子在周期交接处会出现快速上下翻动的情况，这是由于翻桶在翻回时发生了前后晃动，无法迅速稳定下来，此时浮子翻动的时长也应计入tl中。

因此，非满管流的瞬时流量g和累积流量mt计算公式如下：

上式中，

t——周期时长，s；

tf——接水阶段耗时，s；

tl——翻转阶段耗时，s；

g——水流流量，m³/h；

mf——翻水量，m³；

mt——第n个周期流下的水量，m³。

综上所述，非满管断续流瞬时流量测量的基本过程如下：

(1)测量管段的选取：跌流出流口，管道下方有足够的安装空间；

(2)测量系统安装尺寸确定：需获得待测管道基本尺寸，管道与周围环境障碍物的间距，并根据现场具体情况确定系统的安装尺寸(具体实施方式中针对具体现场进行了详细说明)，确保翻桶在翻转过程中不被阻挡；

(3)将测量系统安装、固定，观察翻桶装置在流体冲击下能否连续运转，流量积算仪能否正常输出流体流量；

(4)采集数据：装置自动读取并记录流量积算仪输出的流量数据。

实施例1：

本系统实际应用于某高校宿舍楼生活污水流量的测量，该建筑排水管道位于一污水检查井内，井身内径980mm，排水管道内径280mm，管道距井口1550mm，水面距井口3500mm，现场情况如图4所示，排水管道材质为pvc波纹管，伸出井壁长度较短，若直接将翻桶安装于管道下方，翻桶翻转过程中必将碰壁，因此需对监测现场进行简单改造：

本案例针对该现场确定了管道配合装置的材料和具体尺寸，由于生活污水具有腐蚀性，该装置采用镀锌钢制成，水平段圆管外径略小于排水管内径，包括插入段和伸出段，伸出段约等于井身半径，确保将排水管道延长至污水井8中心位置；竖直段导流槽横截面尺寸依据翻桶桶口大小确定，确保初始安装状态下槽口边缘不超过桶沿，导流槽竖直方向尺寸参照了排水管设计流量和设计充满度，通过估算污水最大水平流速确定其下跌过程中下落高度与前进距离之间的关系，前面已得出导流槽在水流前进方向的尺寸，根据该尺寸反推污水下落高度，则导流槽竖直方向的尺寸应大于该高度，并增加少量余量。实际使用时，管道配合装置的一端伸入排水管道中固定，翻桶装置安装于导流槽下方，经实地观察，污水击打导流槽竖直挡板贴板流入下方的翻桶，导流、翻转效果良好。由于该现场管道较深，装置安装支架较长，为避免支架在翻桶翻转时前后晃动幅度过大，特在井内延长管上方安装了横梁9进行限位。

安装完毕后，测量装置可在污水水流作用下持续运转，测得某日生活污水流量如图5所示。由图可推测：该宿舍楼学生用水集中在上午9时，其余时段用水较分散，但晚19时～0时用水量略大，早5时几乎无人用水，上述内容符合实际情况，因此本装置测得生活污水流量数据可信。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。