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用流速仪法比测明渠堰槽流量计

作者:杭州特力声科技有限公司 时间:2013-03-27

目前,市场上有各种流量计可供使用者选用。为了供、用水单位准确计算供、用水流量和总量以及水费,选择双方认可的计量仪器很重要,也是防止或解决供、用水纠纷的基础。但是,每种流量计都有使用时间和条件限制。当流量计出现问题时,委托法定单位对仪器进行鉴定,得出明确结论,尤为必要。本文以某水库明渠为例,阐述了如何用流速仪法比测明渠流量计,并得出了比测结论。

    1 明渠概况

    该明渠是韶关市某水库供水给韶关某集团公司的供水渠,明渠为宽、深1.O0m的正方形、混凝土三面光断面。明渠堰槽流量计的上、下游无杂草和其它阻水物,渠道顺直,水流稳定并可认为是均匀流态。

    2 流速仪测验情况

    按照技术标准和规范进行测验,历时6a(见表1)。为使测验达到较高精度,在明渠堰槽处上游10m、25m、300m、500m设置了4个断面,采用L25-A3型流速仪、面积~流速精测法测流。断面附近渠道顺直,顺直距离远远大于渠宽的2~3倍,水流平稳,符合水文测验规范规定的流态和条件。一般有5~6条垂线,每条垂线2~3个测点,每测点测速历时均超过100s。

    表1 各年流量测验情况                                        单位:次

 

年份
1996
1997
1998
1999
2000
2001
合计
堰槽处上游10m
3
1
33
13
6
5
61
堰槽处上游25m
20
25
--
--
--
--
45
堰槽处上游300m
2
--
--
--
--
--
2
堰槽处上游500m
--
--
--
--
10
--
10
合计
25
26
33
13
16
5
118

 

    根据水文测验规范的要求和流量原始记录的分析,认为118次流量成果正确、合理,可用来分析计算。作为比测流量计的依据。

    3 明渠堰槽流量计与实测的流量比较

    流速仪施测流量时,记录了相应时段明渠堰槽流量计(以下称仪表)的平均流量对每测次计算仪表流量相对误差,统计分析见表2。

    表2 实测流量与仪表流量误差统计

 

项目
仪表流量
≤实测流量
仪表流量>
实测流量
误差≤±10%
±10%<误差
≤±30%
误差≥±30% 
系统误差
最大负
误差
最大正
误差
测次次数
87
31
102
12
4
-3.0%
-11.1%
+19.4%
累计频率
73.7%
26.3%
86.4%
10.2%
3.4%

 

    表2表明118次流量中有73.7%仪表流量比实测流量偏小,仪表流量系统偏小,最大偏小-11.1%。但仪表流量有86.4%误差小于±10%,有较高精度。进一步分析发现,流量越小,仪表测量值偏差越大。将计算流速仪实测流量和仪表流量进行相关分析,相关系数为R2=0.9798,回归方程为:

    Q=1.119×Q-0.166      (1)

    式中Q为计算流量,m3/s;Q显为仪表流量,m3/s。

    方程(1)使用范围是水位0.28~0.95m,仪表流量0.17~2.41m3/s。对方程(1)作误差统计分析见表3。

    表3 计算流量与仪表测量流量相关分析误差与统计

 

项目
仪表流量
≤实测流量
仪表流量>
实测流量
误差≤±10%
误差>±10%
系统误差
最大负
误差
最大正
误差
测次次数
65
53
106
12
-0.6%
-10.9%
+12.3%
累计频率
55.1%
44.9%
89.8%
10.2

 

    由表可见,通过简单相关转化后,仪表流量精度大幅度提高,系统误差由-3.0%提高到-0.6%,误差小于1O%的累积频率由86.2%提高到89.8%,误差和流量大小无关,即无论流量大小,误差呈随机分布。

    4 水位流量关系分析

    为率定渠道水位流量关系,点绘堰槽上游1Om处(此处水位与仪表记录水位相同)水位流量关系图,发现水位流量关系良好。水位流量关系回归方程如下:

    Q=2.8497×Z1.8922       (2)

    方程(2)适用范围是水位0.28~0.95 m、流量0.17~2.55m3/s。误差分析见表4。

    表4 堰槽上游1Om处水位流量关系(流量>O.20m3/s)误差统计

 

项目
误差≤0%
误差>0%
误差≤±10%
误差>±10%
系统误差
最大负误差
最大正误差
测次次数
56
56
111
1
0.1%
-8.3%
+9.2%
累计频率
50%
50%
99.1%
0.9%

 

    水位流量关系曲线精度很高,99.1%流量误差小于等于±1O%,最大正误差只有+9.2%,最大负误差为-8.3%,系统误差为0.1%。水位流量实测点标准差为4.21%,曲线无系统偏离,符合规范要求。所以水位0.28~0.95m,流量0.17~2.55m3/s可用方程(2)推算流量。

    5 仪表内置水位流量关系分析

    因为没有仪表内置水位流量关系,根据记录的仪表流量和堰槽处水位建立水位流量关系。水位流量关系非常好,各点均匀分布于曲线附近,误差很小,无系统偏离,水位流量关系方程如下:

    Q=2.6514×Z1.6540                    (3)

    方程(3)适用范围为水位0.28~0.95 m,流量0.17~2.55m3/s。

    6 实测水位流量关系与仪表内置水位流量关系比较

    为了从理论上分析仪表流量相对于实测流量的偏离情况,可设如下不等式组:

    2.6514×Z1.6540>2.8497×Z1.8922    (4)

    且0.28≤Z≤0.95

    解不等式组(4)得

    0.28≤Z<0.74               (5)

    仪表误差为

    Er=1-0.90× Z-0.2382        (6)

    当水位在[0.28,0.74]、流量在[0.17,1.61]时,仪表流量大于实测流量,误差随着水位减小按指数规律(6)逐渐偏大,误差区间为[O%,25.9%];当水位在[0.74,0.95]、即流量在[1.61,2.55]时,仪表流量小于实测流量,仪表流量误差随着水位增大按指数规律(6)逐渐偏小,误差区间为[-5.9%,0%]。

    7 明渠堰槽流量计检定分析

    该仪器原理是在堰槽上置一部超声波测量水面(深)的设备,配合已编好程序(水位或水深~流量关系方程)的计算机,使瞬时测出的水位(深)利用计算机立即显示为流量。通过水力学设计及实验数据定出堰槽过水断面水位(深)与流量的关系,利用测出水位(深)换算为流量。其优点是每日24h任何时候都可以用超声波测量水位(深)并利用内置程序显示流量并储存,前提条件是一定要用该流量计指定规格的测流堰槽及其对应公式;缺点是整套超声波、计算机系统均在野外进行,使用条件和仪器设定可能不一致,而且电源质量也不一定能配合。此外,测流堰槽的建造是否符合设定公式,必须与实测流量比较后才能投入正常运行。

    实测水位流量关系是用国标规定的方法,测出流速和过水面积,计算流量,并测定相应水位(深),建立水位(深)流量关系,利用水位换算流量。其优点是直观,渠道断面变化可以迅速重新测定,不随外界条件的变化而影响流量误差的变化,不会发生计量的根本错误,是验证和率定各种计量设施的基本依据。

    8 结论和建议

    该明渠堰槽流量计的内置公式为Q=2.6514×Z1.6540。当明渠水深小于0.74m时,流量计流量大于实际流量,水深越小,偏大越多;当明渠水深大于0.74m时,流量计流量小于实际流量,水深越大,偏小越多。因此,该明渠堰槽流量计记录的流量不能反映实际流量,计算流量时,需要进行修正,流量修正公式为方程(1)。但是,供水总量则还要根据实际供水时间才能正确计算。一般来说,流量计记录的供水时间是可以接受的,所以,计算供水总量就相当容易了。综上所述,流量计使用和检定应该严格按有关规范或标准建立、运行,方能使流量计量客观、准确,防止或解决供用水纠纷。

    另外,供、用水单位为计算供用水总量及水费,务必选择适当的计量仪器,并注意使用条件。使用过程中,委托具有相应资质的单位对仪器进行检定尤为必要。就明渠堰槽流量计来说,检定项目包括:

    (1)二次仪表误差检定;
    (2)堰槽过流状态,要求行近渠槽水流条件Fr≤0.5,并判断自由出流或淹没出流;
    (3)堰槽结构尺寸(宽度、长度)的不确定度;
    (4)行近渠槽长度、行近渠槽中心线与堰槽建筑物中心线重合程度;
    (5)水位零点的不确定度;
    (6)水位流量转换不确定度。





 

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