小管径排水管网的高精度流量测量方法和设备选择

给水排水前言排水管网流量和液位测量是行业的痛点、技术难点和关注热点。在和同行的线下沟通中，我们发现普遍对流量测量存在某些误区。为了系统的介绍排水管网流量和液位测量，每周 NIVUS 的微信公众号将分别介绍一篇主旨文章、一篇相关产品简介、一篇典型案例、一篇应用拓展和一篇

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前言

排水管网流量和液位测量是行业的痛点、技术难点和关注热点。在和同行的线下沟通中，我们发现普遍对流量测量存在某些误区。为了系统的介绍排水管网流量和液位测量，每周 NIVUS 的微信公众号将分别介绍一篇主旨文章、一篇相关产品简介、一篇典型案例、一篇应用拓展和一篇有问有答。

可靠的流量测量数据，是排水管网诊断、黑臭水体治理、厂站网河一体化项目和水务数字化项目规划、建设和高效运营的前提和基础；也是这些项目的痛点和难点。

DN150至DN600的小管径排水管网的流量测量，更是这些场合流量测量的难点和痛点之一，也是需要解决的问题之一。

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小管径排水管网流量测量的应用领域和应用场景

在下面的应用领域，会遇到小管径排水管网流量测量：

入流入渗量的测量；

污水处理厂的提质增效；

确定汇水分区和改造范围；

确认调蓄池容积；

排水管网管理系统；

水力计算模型的校准依据；

进水水量的控制；

限流阀的流量控制；

确定新计费系统的基础数据。

小管径排水管网流量测量的应用场景是：

通常低流速，有时高流速；流速和流量波动大；如果流速低于0.1m/s，则不适合采用多普勒流量计；

通常低液位，但液位波动大，会出现满管的情况；

底部通常有沉积物。

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小管径排水管网流量测量设备的选择

下面对可能应用在小管径排水管网流量测量的设备进行分析：

2.1 超声波多普勒流量计

超声波多普勒流量计是排水管网流量测量中常用的设备。

多普勒流量计基于多普勒效应。多普勒流量计向水中发射连续超声波，超声波遇到水中颗粒后反射；多普勒流量计接收到的反射波的频率将发生变化。多普勒流量计将记录这个频率的变化值，并根据多普勒效应计算出这个点的颗粒的运动速度。然后通过预先设定的流场模型，计算出整个断面平均流速。

多普勒流量计受到奈奎斯特限制（Nyquist Limitation）的影响，即管道内流速与多普勒流量计的信号穿透深度成反比。

NIVUS的多普勒流量计的信号穿透深度通常0.3至0.5米。在管道流速比较高时，超声波多普勒流量计的信号穿透深度不足，加大测量误差。

更重要的是，多普勒流量计存在流速测量下限。如果管道流速低于0.1m/s，多普勒流量计通常无法检出流速。

因此，在小管径排水管网流量时，要重视管道内低流速对多普勒流量计的影响。

2.2 电磁流量计

电磁流量计是我们熟知的流量计，大量使用于各种管道的流量测量。而我们大家走上工作岗位，接触到的第一种流量计通常就是电磁流量计。

电磁流量计使用法拉第电磁定律（1832年）来确定管道中的液体流量。在电磁流量计中，会产生磁场并渗透到流经管道的液体中。遵循法拉第定律，导电液体流过磁场会导致电压信号被位于流量管壁上的电极收集。当流体运动得更快时，会产生更多的电压。生成的电压与速度和流量Q成正比。

电磁流量计的优点是：

用于污水和清水；

流场无阻碍；

在高流速下可以进行高精度的测量。

而电磁流量计也有缺点，具体如下：

只适合电导率>5 μS的液体；

最小测量流速约0.5 m/s ，低于0.5m/s通常就采用小流量切除；

电极上的隔离涂层会引起测量误差；

系统运行时无法安装，即无法带水安装；

通常用于满管；目前也有非满管电磁流量计，最低液位不能低于满管的1/3，同样不适合排水管网的大液位波动。

设备重；

安装费用高；

目前，国外也出现了将电磁流量计（24V）与膨胀气囊和弯头相结合，将气囊插入管道中并受压膨胀，造成管道满管后，利用电磁流量计进行小管径排水管网流量的方法。安装方式见下图。

这种方法的优点是：在高流速，比如2m/s时，测量精度很高。

这种方法的缺点也很明显：

小管道排水管网，尤其对于入流入渗测量，很多是低流速，而电磁流量计只适用于流速＞0.5m/s；

国内的排水管网中杂质多，电磁流量计部分会有沉积物，减少过流断面的面积，并影响电磁流量计的使用；

不同的管径，对应不同的电磁流量计，不同尺寸的电磁流量计不通用；因此，需要根据管径的不同更换电磁流量计；

通常使用的管径是DN100、DN150和DN250；而DN150和DN250的电磁流量计过重，一个人在检查井内无法完成安装；

实际使用中会出现满管的情况，这种情况下电磁流量计会浸泡污水中，设备寿命受影响；

电磁流量计要求至少前5x后3x，这样设计的后面的平直段长度不够。

由于上面问题，导致这种测量方法在国内小管道排水管网的适应性不足。

2.3 互相关流量计

互相关流量计的测量流速的方法是基于超声波反射原理。

工作时，流量计传感器发射固定角度的超声波脉冲，扫描雨污水中的反射物（微小颗粒，矿物或气泡），将得到的回波保存为图像或回波模式。间隔几毫秒后，接着进行第二次扫描，产生的回波图像或模式也被保存。由于反射物随雨污水介质在同步移动，通过比较前后两个相似图像或模式之间的相互关系可以识别反射物的位置来检测和计算流速。考虑到超声波的光束角度和脉冲重复率，通过空间分配最多可以直接测量流体中的16层微小颗粒的速度，从而直接计算得到高精度的管道断面流速：当流速＜1m/s时，测量不准确性为测量值的±0.5%+5mm/s；当流速＞1m/s时，测量不准确性为测量值的±1%。这也是互相关流量计的测量精度优于多普勒流量计的关键之处。

NPP管道断面流量仪是对经典的NFM750便携式互相关测量系统的扩展应用。由CSM管式传感器、压力管弯头、气囊、手持把手、夹紧环、压缩空气管、空压机和NFM750变送器组成。具体见下图。