流量測試儀的原理和實際測試情況

流量測試儀的原理和實際測試情況

北京康高特科技有限公司

張鑫宇

流量檢測儀可以計算河流、小溪、溝渠、山泉等流動水源的流量，單獨使用可以預估全年排量，探索季節變化對高山融雪的影響等，多用于生態、水文研究，水源開發等。配合其它水質檢測和生物檢測儀器可以綜合評估該地區水源被污染的程度、凈化能力等。多用于環境生態檢測，污染物排放控制檢測。

任何流量檢測儀都不可能直接測出水源的流量，而是通過流速和面積與流量的關系計算出河流流量，理想狀態下其關系如下：

式中v為河流平均流速，S為橫截面積

由上式可以看出，只要知道了河流的流速*可以計算得到總的流量。而測量流速的方法很多，其中比較方便和便宜的是利用螺旋漿測量（機械方法），螺旋槳轉動的速度*是水流流動的速度。通過速度傳感器，可以將其顯示在屏幕上。目前使用機械原理制成的流量儀并不太多，大多數儀器只能測量一點的流速，依次記錄后手工計算出流量。因此螺旋槳測量方法一般只在單獨測量流速時使用。測量結果更加*的是利用多普勒原理制成的超聲波或激光流速計，傳感器發出超聲波或激光遇到水流反射，如果水流速度較快，則反射波的頻率較高，進而測出流速。使用多普勒原理制成的儀器計算功能*比較強大了，一般支持流量測量，更有甚者用戶可以選擇不同的流速、流量測量方法進行加權計算，使結果更符合實際情況。

螺旋槳測速儀

多普勒超聲測速儀

多普勒激光測速儀

在實際情況下計算流速和流量當然不會像*初的理想情況那么簡單，還需要考慮到河道不同深度的水流速度和距岸邊不同距離的深度。

水流速度的測量

測量流速時，要根據實際水流狀況和風向選取合適的測量方法，在一個橫斷面上取多點進行測量。只有流速測量結果正確時，流量才能近似等于實際情況。如果流速偏差很大，則流量計算也沒有實際意義。

先來考慮不同深度水流速度的變化情況。在無風和水流逆風流動的情況下，河道中水流的速度類似于下圖的曲線。因為空氣和泥沙的阻力使得水面和水底的流速度變慢，河道中部的水流速度*快。此時測量水流速度時推薦使用0.2/0.8法[1]，原因是水流平均速度出現在A、B兩點。如果使用0.6法[2]，則*后得到的流速值偏大。

如果水流順風流動，則河面上的流速要大于河底流速，如下圖所示。此時再使用0.2/0.8法測量結果*不盡如人意了---因為風速不斷變化，所以河流的表面流速也隨之變化。為了使測量結果更穩定，建議使用0.6法，直接測量C點河流中部的水流速度。

*后一種較極端的情況也比較多見，溝渠中的水基本不流動，但是水面由于風力作用產生流速，如下圖所示（多出現在鄉鎮河流、支流上）。此種情況下，各種測量水流速度的方法都不能完全代表實際流速，建議單獨測量水面流速后更改深度（20cm左右），只計算頂層的流量。

    上述測量方法僅為測量一點流速，實際測量時要在一個橫斷面上取多點進行測量。不同位置的流速變化規律也類似圖1，靠近岸邊流速較低，靠近中心流速較高。計算時，也可類比使用0.2/0.8法。

橫截面積的估算

一般來說對于河道，越向中心深度越大，因此大致可以認為河道橫截面為梯形。對于山泉則可以用長方形截面近似代替。而如果需要測量不規則的池塘或溝渠則需要取不同點的深度進行估算。

河道近似

山泉溪流近似

不規則近似

對于一般測量流量來說，簡單估算橫截面積并測量平均流速*能夠滿足精度要求了，如果對流量的計算結果要求較高，*需要考慮橫斷面上不同點的流速變化情況，分別進行測量。國際通行的測量流量方法是中間值法，該方法是對不規則近似的一種擴展，示意圖如下所示：

中間值法首先將河道分為等距的段落，圖示為W1-W11。使用流速計在每個段落的中心位置測量流速，流速測量方法根據上面的建議選擇。依次測量完11個段落進行計算。表示為公式如下所示：

在實際情況中，中間值法一般用于山泉溪流的流量測量，因為這些水源深度較淺，寬度適中，流速較大，可以獲得很準確的測量數據。

測量河道流速時，如果河流深度較淺，底部沒有淤泥，測量人員可以達到河道中央時，也可以使用中間值法進行測量，計算流量。但是如果河道較深較寬，底部有淤泥或沒有橋梁時，使用中間值法測量非常麻煩，不但需要測量大量流速數據，有時甚至需要借助小船才能到達河道中央，又因為船體不斷運動，流速測量值也不準確。此時只能使用上述方法進行估算。

流量的測量一直是一個比較困難的課題，因為其測量方法比較單一，只能通過流速計算，是一個間接值，而流速又受各種環境和測量方法的影響。面對復雜情況，往往沒有條件使用中間值法*測量，此時*要對測量結果進行近似處理。近似的方法有多種多樣，上述方法只是其中之一。隨著測量經驗的不斷增加，和對大量數據的歸納總結，久而久之*能夠形成一套應對不同情況的近似計算方法。

名詞解釋

[1]0.2/0.8法：該方法為測量距水面20%處流速，再測量距水面80%處流速，*后進行加權計算，得到平均流速。

[2]0.6法：該方法為測量距水面60%處流速。