基于气泡技术的阿牛巴式防堵抗腐污水流量计的设计

杨静芬，张俊萍，李瑞秀

（河北工业职业技术大学，河北石家庄 050091）

水，是生命之源，但在利益面前，一些不法企业仍存在超标排放污水的情况，使得我国的水环境遭到了严重损害，外加污水处理技术的相对落后，致使我国的水环境污染得不到很好的治理，威胁着社会公众的身体健康，也阻碍了我国的城市化进程。为了改善污水现状，保护生态环境，国家提出了一系列整顿措施。2020年4月，水利部发布了《关于做好河湖生态流量确定和保障工作的指导意见》，要求科学确定生态流量，严格生态流量管理，强化生态流量监测预警，加快建立目标合理、责任明确、保障有力、监管有效的河湖生态流量确定和保障体系，加快解决水生态损害突出问题，不断改善河湖生态环境。

在污水计量领域，目前世界最先进的流量计主要集中在欧、美、日，以超声波流量计、涡轮流量计和电磁流量计为主，测量精度高，但主要适用于洁净单相流体[1]。污水常带有腐蚀性，其成分复杂，且排污流量变动大，不均衡，多数以明渠排放，现有技术中的流量计量产品往往未能适应污水流量计量的要求。比如电磁流量计、槽式流量计、堰式流量计等，这些污水计量计在环境恶劣、流质差异大状况下易被悬浮物、泥沙等杂质堵塞，因而会造成测量结果不准确、流量计易受到不同程度的损坏、适用范围窄等问题[2]。此外，国外流量计普遍价格昂贵，维修困难，不适合在我国大范围使用。因此如何准确检测污水及对污水进行治理成为亟待解决的问题之一。

本系统基于气泡技术，以阿牛巴式传感器为基础，设计具有防堵抗腐能力的污水流量计，保证污水流量监测的精度。

1 阿牛巴的特点及测量原理

1.1 阿牛巴的特点

阿牛巴式流量计是一种差压式流量计，该流量计具有无可动部件的可靠结构、安装维护简单、压力损失小、稳定性好、精度高等优点，可安装于圆形、矩形管路，特别是用于大口径管路，适于各种气体、液体、蒸汽流量的测量，尤其是高温高压流体，如高温高压蒸汽、锅炉引送风、热风炉助燃空气等，广泛应用于动力工业、化学工业、石油、金属冶炼等工业以及工矿企业的高炉煤气、压缩空气、蒸汽和其他液体、气体的流量测量中[3]。

1.2 阿牛巴的测量原理

阿牛巴流量计（又称笛形均速管流量计和托巴管流量计）是基于皮托管测量原理设计的，测量时将其沿管道的径向插入管道，迎流面有一对或多对检测孔，所测总压反映了管道内的平均流速分布，迎流面的多点检测孔测出的是总压P1，将平均总压引出管通过阀门连接至差压变送器的高压端，背流面一侧有一个（或数个）背压检测孔，所测背压P2由背压引出管通过阀门接至差压变送器低压端。通过差压变送器测得差压ΔP达到测量流量的目的[4]。根据用户的要求，阿牛巴传感器可与三阀组、差压变送器、流量积算仪、调节仪表、记录仪表以及执行器等组成流量测量或流量自动控制系统。阿牛巴结构及测量原理如图1所示。

图1 结构及测量原理示意图

根据经典伯努利方程，可知流量计算公式如（1）所示。

式中：ΔP为全压与静压之差，Pa；Qv为被测流体的体积流量，m3/s；α为流量系数；ε为流束膨胀系数，不可压缩性流体ε=1，可压缩性流体ε<1；A为管道内截面面积，m2；ρ为被测流体密度，kg/m3。

由上述流量的基本公式可知，只要有效地测出均速管的输出差压ΔP，就可测出流体的流量值，这就是阿牛巴的测量原理[5]。

2 基于气泡技术的阿牛巴式防堵抗腐污水流量计的设计

2.1 气泡技术原理

污水和工业废水中所含有的杂质和垃圾较多、泥沙沉积，在对其进行流量监测时，流量计的检测孔在使用过程中容易被堵塞物堵塞，进而影响到检测计的使用。为了改善流量检测装置在检测过程中容易堵塞而影响测量精度等的问题，在硬件装置设计中采用了气泡技术，确保流量计长期可靠工作。气泡原理，即加设吹气装置，就是间断性地向阿牛巴管内输送高压空气（0.4～0.6 MPa），使阿牛巴测量孔瞬间爆发大量气泡，使堵塞物甚至塑料袋、纸板、树枝等被冲开，达到防堵的效果。吹气时将自动停止测量，并维持原值，保证不影响测量数据，以此达到连续测量的目的。

2.2 污水流量计硬件装置组成

基于气泡技术的阿牛巴式防堵抗腐污水流量计主要由气泵、阿牛巴传感器、压力传感器、电源、触摸屏以及连接线等组成。具体硬件装置设计如图2所示。

图2 流量监测装置硬件组成

装置中各部分结构功能及选型如下。

结构1为气泵，是从一个封闭空间排除空气或从封闭空间添加空气的一种装置，主要作用之一是测量过程中阿牛巴管的测压孔处有堵塞物时，通过气泵加压将测压孔处的堵塞物冲开。

结构2为压力传感器（差压变送器），是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置，主要用于测量阿牛巴管的全压与静压。经过多次试验检验，综合测量精确度、体积大小、轻重、操作难易程度以及价格等多方面因素考虑，最终选择松下Panasonic 型号为PAA-10LXi/3bar/03-00060-02的电容式压力传感器。

结构3为容置架，即外壳，主要用户保护内部设备。

结构4为内置电源，主要为装置中的DTU 数传模块、触摸屏等电子设备进行供电。经过多种电池的比较，选用24 V 可充电锂电池作为该污水流量监测装置的电源。

结构5为测压管，测压管是测量液体相对压强的一种细管状仪器，是以液柱高度为表征测量点压强的连通管。在测量中该测压管可选择阿牛巴管或者威力巴管，然而，从实际使用成本的角度考虑，威力巴管虽具有一定的防堵能力，且精度较高，但成本更为昂贵，而阿牛巴管虽在精度和防堵能力上均不如威力巴管，但成本低，易于大范围推广，并且采用气泵对测压孔加压也可在相当程度上改善阿牛巴管的测压孔容易被堵塞物堵塞的问题，故而在实际硬件设计中测压管选用了阿牛巴管。

结构6为触摸屏，可接受触头等输入信号的感应式液晶显示屏，可将采集到的数据按照用户需求进行显示，目前选用的是昆仑通态MCGS 触摸屏。

结构7 为控制台，其上有触摸屏以及压力调节旋钮等。

结构8为数据转换模块，通信时，负责在传输数据的链路两端发送数据信息的模块单元，用于将数据传输到触摸屏，目前选用DTU 数据转换模块，其专门用于将串口数据转换为IP 数据或将IP 数据转换为串口数据并通过无线通信网络进行传送的终端设备。

2.3 基于气泡技术的阿牛巴式防堵抗腐污水流量计的测量原理

在气泵配合下，将阿牛巴传感器和气管组成的复合管插入污水管道液面下，考虑到实际的堵塞情况，气泵采用循序渐进且间歇性的吹起方式，通过测量阿牛巴传感器全压和静压管内的压力差，通过触摸屏实时显示压差值。

在正常状态下，阿牛巴管内部的压力宜为0.2 MPa（可根据不同的使用场景灵活设置），当阿牛巴传感器深入待测流体后，使左右两侧的取压孔与待测流体的流向相平行，此时压力传感器所采集的左右两侧的取压孔的压力信号即为压差值。正常状态下测量时，压差值的绝对值一般不会超过0.5 MPa。

若测量过程中一侧的取压孔被堵塞物堵塞后，在左右两侧的取压孔上的压差值会大于±0.5 MPa，此时应加大气泵压力，进行间断式吹气加压，排出堵塞物，观察差压波动小于±0.5 Pa 时，将气泵压力调整回0.2 MPa，继续测量。测量过程见图3。

图3 测量过程

3 结束语

阿牛巴流量计具有测量稳定、压损低、价格低廉、安装方便、重复性好等优点。对于具有高密度的尘埃物质的介质或者污水流量测量时，超声波流量计、电磁流量计等无法满足测量要求，无法保证测量数据准确。本文设计的基于气泡技术的阿牛巴式防堵抗腐污水流量计，在对污水进行测量时，采用气泵间断式加压吹气的方式，将污水中容易堵塞阿牛巴测压孔的堵塞物吹开，达到准确测量的目的。