旋槳式流速儀在城市排水管網中的應用

楊志超

1.北京建筑大學，北京 100044；2.北京市理化分析測試中心，北京 100089

流體流速是描述流體運動的重要物理量。隨著現代城市對暴雨防洪、面源污染控制等要求的提高，需要一種可靠的實時監測方案，對管道內流速信息進行記錄、收集和發布。中國大多數城市排水管網因為修建時間較早，沒有配置監測系統和能源供給系統。

流速的檢測方法可分為接觸法和非接觸法兩類。對流體進行直接測量，并給出其中某些質點的運動流速被稱為接觸法測量，需要注意的是大多數接觸法測量得到的是某些特定區域的流速數值而非平均流速，并且對流場造成一定程度的干擾，需要后期將該流速轉化成平均流速，并考慮干擾因素后使用。而非接觸法則利用電磁、超聲波、激光等多種物理特性對流體流速進行測量，測量精度很高，但能耗較高不適合老舊管道布設。

隨著我國流速測量水平的穩步發展，各類不同類型、不同精度的流量計被應用于各種行業中。目前市面可供選擇的流速測量設備品種繁多，如電磁流速儀、超聲多普勒流速儀、激光多普勒流速儀、粒子成像測速系統等[1]。這些流速計各自具備一定的測量優勢，但其中造價高昂、能耗較高、無法適用各種管徑的排水管道、測量數據難以實時發布等缺點較為突出。在工廠排污、城市排水和農田水利灌溉等場合中，流體大多數都是以非滿管或明渠流形式出現，現有的很多流速監測設備并不適合使用[2]。

1 旋槳式流速儀

1.1 旋槳式流速儀原理

旋槳式流速儀是一種利用傳統方法的接觸式測量器具，利用旋槳葉輪和水流的相對運動，使槳葉繞軸旋轉提供脈沖信號，測量出流體流速，再將收集到的數據記錄在采集模塊上。旋槳式流速儀是一種通過國際標準（ISO）認可，并在各行業中最常使用的流速測量設備之一[3]。

旋槳式流速儀主要分為三個部分：（1）光電轉換部分；（2）旋槳式傳感部分；（3）計數器部分。當水流帶動旋槳開始沿軸向旋轉，流速計內光源通過轉軸上的三棱鏡反射后，被光敏三極管接收到并轉換為電信號，同時產生一次脈沖發送到計數器。漿軸每旋轉一周，三棱鏡反射3次，計數器接受3次脈沖信號。計數器在單位時間內接收到若干次脈沖信號，以此計算出流體流速[4]。

旋槳式流速儀中轉軸脈沖信號與流體流速之間的關系式為：

式中：V——流體流速（cm/s）；

K——傳感器比例常數（cm/信號脈沖數）；

N——測量時間內葉輪發出的信號脈沖數；

T——葉輪發出的轉動信號脈沖周期；

C——傳感器最小感應流速（cm/s）。

該旋槳式流速儀轉軸每旋轉1周發送3個脈沖信號，由于制造工藝和流速很難保證均勻，3個脈沖信號周期不會完全相同，可將3個脈沖周期合并進行求解，如公式（2）：

公式（1）是計轉速法，是指施測時間t內，葉輪發出的信號脈沖為N，當測量時間越短、流速越低時，接收到的信號脈沖數越少，測量讀數的絕對誤差就越大。而公式（2）是計周期測流速法，采樣周期越短其測量精度越高，采樣周期可人為設定，所以精度更容易控制。

1.2 旋槳式流速儀的精度和誤差

現在各行各業對流速計精度要求不一，我國的流速測量及檢定設備最佳精度可達到0.10級[5]。于此相對高精度的流速測量設備一般都是精密、高能耗儀器，而城市排水管網的測量環境惡劣，能源供給差。精密測量儀器無法長時間工作，為了滿足在惡劣環境中長時間工作，流速測量設備一般選擇傳統機械測量設備。旋槳式流速儀由于受限于自身物理性能，與激光、電磁等高精密設備相比存在差距，但也能達到0.2級。我國研究者通過多年努力建立出旋槳支承摩阻力矩、旋槳螺旋角、和速度變化之間的關系式，使旋槳式流速測量設備的精度和可靠性得到提升，可以滿足水利、水運等行業的使用要求[6]。

旋槳式流速儀誤差計算：

式中：δ——測點相對誤差；

v ——流速儀實測計算流速（m/s）；

vi——流速儀標準值（m/s）。

1.3 旋槳流速儀旋轉軸動態密封

旋槳式流速測量設備的防水、防腐蝕性能是影響測量結果和工作時長的核心因素[7]。槳葉帶動轉軸工作，轉軸的動態密封如果遭到破壞使其進水，測量儀器內摩阻將增大，使測量結果誤差變大甚至無法工作。為使泥沙等顆粒物進入儀器內部，首先應選用高精密加工的轉軸和密封圈，使其縫隙盡可能地阻止大顆粒泥沙的進入。在儀器內部設置油室，為軸承隨時加油保持其潤滑度。利用螺旋泵原理將密封裝置制作成螺旋形式，該結構高速旋轉時會產生泵送壓頭密封油室達到動態密封的效果。

2 旋槳流速儀在城市排水管網中的應用

在城市排水管網中存在大量垃圾、泥沙和污染物，一般常見的有N、P有機污染物；難以降解的油、脂類物質；帶有毒性的石油烴類（PHC）、多環芳烴（PAHS）類物質以及有害重金屬等物質。這些物質可能相互或在微生物的作用下發生一系列的生化反應，產生粘度更高的組織、有毒氣體甚至是能腐蝕管道的物質。流速檢測設備在這種環境中工作，相比水利、水運等行業有著更高的要求。

旋槳作為旋槳式流速儀的感應部分，一般選擇塑料材質，因為塑料材質在受力后只會產生彈性變形，更容易恢復原狀。但城市排水管網中腐蝕性物質含量較高，特別是油、脂、石油烴類、多環芳烴類等相較于水利、水運等施測環境含量更高。應選用更耐腐蝕、耐有機溶劑的塑料制作旋槳。

在城市排水管網運行中，存在大量垃圾、落葉、樹枝等大體積雜物，這些物體碰撞流速測量設備都可能造成測量數據的波動甚至導致儀器被破壞無法使用。可使用一定網眼密度的防撞網對流速測量儀器進行保護，但由于防護網的存在，流體被擾動導致測量數據誤差，可通過在可控流速水槽中進行多次測量，對比測量流速和實際流速的差距，降低擾動對實際測量的干擾。

3 結語

旋槳式流速儀不僅體積小巧、結構簡單、能耗較少，還滿足一定的精度要求，很適合城市排水管網測量的使用要求。在城市排水管網比較惡劣的施測環境中，旋槳式流速計因為其結構緊湊、不易變形、防沙、防水、防腐蝕等結構優點，能提供可靠的測量數據。又因為現在大多數城市排水管網不具備能源供給條件，其低能耗的特點能夠保證其長時間測量而不需要頻繁更換能源設備。為未來排水管網的流體流速測量工作的發展打下基礎，展望如下：

（1）信息發布功能：長時間的監測設備必須具有實時收集、發送數據的能力，旋槳式流速計產生的脈沖信號可直接發送到接收端，減少計算耗能。

（2）數據智能處理：接收端對流速數據進行收集、整理，不僅能計算流速計測量值，還可以根據測量環境的變化自動修正誤差，減小流體黏著或物理碰撞對測量值的干擾。

（3）更高性能、高精度的流速測量設備：旋槳式流速儀自身還具有發展空間，如轉軸旋轉一周所激發的脈沖信號數量、周期、穩定性；內部信號與發送裝置的信號通信利用光纖傳送；防撞設備低干擾能力的開發等。