工业污水流量监测中流量计的选型

傅其凤 杨亚磊 安旭朝

(河北科技大学机械工程学院，石家庄 050018)

在进行工业园区污水流量监测系统设计时，流量计的合理选型尤为关键。笔者在首先明确测量介质的前提下，对几种常用流量计的原理、应用范围和性能特点进行了综合比较，选择出运行稳定可靠、能够提供精确流量数据的流量计，为工程技术人员提供一定的参考。

1 电磁流量计①

1.1 工作原理

法拉第电磁感应是电磁流量计进行流量监测的基础。在结构上，电磁流量计由两部分组成：电磁流量传感器和转换器，如图1所示[1]。

图1 电磁流量计的组成

电磁流量计的传感器安装在工业污水排放管道上，利用导电介质在磁场中流动所产生的感应电动势信号，转换器接收此信号，然后再放大传感器送来的流量信号，输出与流量信号成正比的标准电信号，进而实现显示、累积与调节的控制。

1.2 适用范围

电磁流量计主要用于测量多种导电液体的体积流量，但其电导率最小应大于10-7s/m。不能测量非导电的流体(油品)、含有较大气泡的液体和蒸汽。按照结构电磁流量计主要分为一体型和分体型。分体型应用在振动剧烈、含有爆炸性气体和高温流体的场合；而一般情况下，一体型就能满足要求。

对于含有各种酸、碱、盐的强腐蚀性污水，各种水泥浆、矿浆及纤维溶液等具有较大磨损性的流体，奶类、酒类及糖浆等卫生要求十分严格的液体[2]，电磁流量计都是特别适用的。给排水工程中更多使用大口径流量计；而要求比较高、测量困难的场合则更多地使用小口径流量计。

1.3 应用特点

电磁流量计在运行过程中耗能最低，不受所测流体的水质、压力、温度、粘度及密度等影响。其流速调节范围大，可以实现连续调节，上限范围一般在0.3～10.0m/s，下限一般可为流量计量程的10%，建议流速为1～5m/s效果更好。在现场可以按照企业排污管道口径来选择流量计口径以满足测量精度要求。为了减少流体对衬里的磨损，可以把传感器中的流速降低；也可以为了避免流体中固体物沉淀而把传感器内的流速提高。

在实际应用中，为了防止含有固体颗粒物的污水对衬里、电极产生磨损，一般情况下选择的传感器口径比较大，并且其中的流速在3m/s以下为宜[3]，但为了确保流速的对称分布，要尽量加长上、下游的直管长度。

一般情况下要求电磁流量计满管测量，所以最好是所测污水从下往上，流量计垂直安装[4]，这样污水中所含的杂物可以沉积下来，油脂上升远离电极，从而达到流体充满管道，保证流量数据的可靠性。但在无法保证垂直的情况下，为避免污水中空气泡的干扰，测量电极应处于水平的轴线上，从而规避测量误差。

2 超声波流量计

2.1 工作原理

超声波流量计的测量方法很多，但在各种测量原理中，目前多普勒超声波流量计和时差超声波流量计是比较常用的两种类型。多普勒超声波流量计是通过向流动着的液体发射声波，测量从被测流体的散射体(固体颗粒或者气泡)上返回信号的多普勒频移fd来确定被测流体的流动速度v，即利用相位差法测量流速，基本原理如图2所示[5]。

图2 多普勒超声波流量计工作原理简图

时差超声波流量计通过测量随超声波传播速度而变化的逆流与顺流的时间差Δt来确定被测流体的流速v，即利用时间差法测量流速，基本原理如图3所示。

图3 时差超声波流量计工作原理简图

2.2 适用范围

时差超声波流量计适用于洁净、没有太多气泡或悬浮颗粒的均匀流体，要求杂质含量小于10g/L，且粒径小于1mm为宜[6]，如自来水公司和工业用水领域。

对于含有一定量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水及杂质含量稳定的工厂过程液等，则多普勒超声波流量计比较适用。

2.3 应用特点

超声波流量计维护工作量比较小，不同声道的标准型、高温型、防爆型及湿式型等流量计可以适应不同介质、不同场合和不同管道条件的流量测量。在安装使用中，要求前、后直管段比较长，而且对传感器的安装情况要求比较严格，实践中证明Z形安装，传感器的方向与水平位置的夹角小于45°时准确度高、运行稳定性好。特别适合于大口径管道流量的监测，并且不像其他流量计一样随着口径的变化价格也会升高。

3 V锥流量计

3.1 工作原理

V锥流量计的测量原理是基于伯努利和流体连续性方程[1]，当流体流经悬挂在管道中的V形锥与管壁所形成的间隙时，流体流速加快，在V锥的最大端压力达到最大，而在下游处压力最小，从而在V锥前、后产生压差Δp，通过对压差的测量达到对流量的监测，其结构原理如图4所示。

图4 V锥流量计结构原理简图

3.2 适用范围

V锥流量计适用于各种气体、液体、煤气、各种脏污气体介质、直管段不足的场所和对精度要求高的地方。特别适合测量液体中含气、气体中含水和液体或气体含有固定颗粒或其他杂质的介质流体。

3.3 应用特点

V锥流量计在使用中具有自整流、自清洗、自保护功能[7]，而且直管段要求极短，上游一般为3D左右，下游约为1D的长度，即使在没有直管段的情况下，也能保持±0.5%的测量精度，没有污染物的堆积，不会产生堵塞的情况，可以长期稳定地运行。V锥流量计的噪声很小(信噪比约为1∶0.0014)，压力损失也小，这是其他流量计所不及的特点。大范围的测量量程，稳定的压差信号，使得V锥流量计对于小流量的监测也很准确，同时不受安装位置的限制，可以水平、垂直或倾斜安装。

4 几种流量计的综合比较

电磁流量计、超声波流量计、V锥流量计都可以用于工业污水的监测。超声波流量计对所测介质的条件更为苛刻。本案例中所选的流量计是用于对工业园区企业污水排放量的计量收费，在测量精度方面，超声波流量计的稳定性和测量精度要比电磁流量计差一些，并且超声波流量计要求很长的直管段，这又对安装条件有限制。

电磁流量计与V锥流量计都适用于环境较恶劣的场合。在测量精度上，V锥流量计要比电磁流量计高，而且安装更灵活，对上、下游直管段的要求很短，但V锥流量计要比电磁流量计昂贵得多。电磁流量计的测量精度虽不及V锥流量计，但在此应用中完全可以满足要求，而且运行稳定性和流量数据准确度也很好。表1是使用电磁流量计对园区某个企业监测点连续4天的累积流量监测数据与理论流量的对比。

表1 电磁流量计测量数据与理论值比较 m3

从监测流量数据与理论流量值的对比可以看出，电磁流量计运行稳定，监测结果准确可靠，所以可选用电磁流量计对工业污水流量进行监测。

5 结束语

工业污水流量监测中被测对象在排放量、杂质及腐蚀性等方面的多变特点给流量计的稳定可靠运行和精确测量造成了很大困难。通过对几种常用流量计的分析、比较、实际论证和综合考量，认为电磁流量计对于监测工业污水的流量是一个很好的选择。