楊靜芬，張俊萍，李瑞秀

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北石家莊 050091）

水，是生命之源，但在利益面前，一些不法企業(yè)仍存在超標(biāo)排放污水的情況，使得我國的水環(huán)境遭到了嚴(yán)重?fù)p害，外加污水處理技術(shù)的相對落后，致使我國的水環(huán)境污染得不到很好的治理，威脅著社會公眾的身體健康，也阻礙了我國的城市化進(jìn)程。為了改善污水現(xiàn)狀，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，國家提出了一系列整頓措施。2020年4月，水利部發(fā)布了《關(guān)于做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作的指導(dǎo)意見》，要求科學(xué)確定生態(tài)流量，嚴(yán)格生態(tài)流量管理，強(qiáng)化生態(tài)流量監(jiān)測預(yù)警，加快建立目標(biāo)合理、責(zé)任明確、保障有力、監(jiān)管有效的河湖生態(tài)流量確定和保障體系，加快解決水生態(tài)損害突出問題，不斷改善河湖生態(tài)環(huán)境。

在污水計(jì)量領(lǐng)域，目前世界最先進(jìn)的流量計(jì)主要集中在歐、美、日，以超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和電磁流量計(jì)為主，測量精度高，但主要適用于潔凈單相流體[1]。污水常帶有腐蝕性，其成分復(fù)雜，且排污流量變動大，不均衡，多數(shù)以明渠排放，現(xiàn)有技術(shù)中的流量計(jì)量產(chǎn)品往往未能適應(yīng)污水流量計(jì)量的要求。比如電磁流量計(jì)、槽式流量計(jì)、堰式流量計(jì)等，這些污水計(jì)量計(jì)在環(huán)境惡劣、流質(zhì)差異大狀況下易被懸浮物、泥沙等雜質(zhì)堵塞，因而會造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確、流量計(jì)易受到不同程度的損壞、適用范圍窄等問題[2]。此外，國外流量計(jì)普遍價(jià)格昂貴，維修困難，不適合在我國大范圍使用。因此如何準(zhǔn)確檢測污水及對污水進(jìn)行治理成為亟待解決的問題之一。

本系統(tǒng)基于氣泡技術(shù)，以阿牛巴式傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)具有防堵抗腐能力的污水流量計(jì)，保證污水流量監(jiān)測的精度。

1 阿牛巴的特點(diǎn)及測量原理

1.1 阿牛巴的特點(diǎn)

阿牛巴式流量計(jì)是一種差壓式流量計(jì)，該流量計(jì)具有無可動部件的可靠結(jié)構(gòu)、安裝維護(hù)簡單、壓力損失小、穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可安裝于圓形、矩形管路，特別是用于大口徑管路，適于各種氣體、液體、蒸汽流量的測量，尤其是高溫高壓流體，如高溫高壓蒸汽、鍋爐引送風(fēng)、熱風(fēng)爐助燃空氣等，廣泛應(yīng)用于動力工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石油、金屬冶煉等工業(yè)以及工礦企業(yè)的高爐煤氣、壓縮空氣、蒸汽和其他液體、氣體的流量測量中[3]。

1.2 阿牛巴的測量原理

阿牛巴流量計(jì)（又稱笛形均速管流量計(jì)和托巴管流量計(jì)）是基于皮托管測量原理設(shè)計(jì)的，測量時(shí)將其沿管道的徑向插入管道，迎流面有一對或多對檢測孔，所測總壓反映了管道內(nèi)的平均流速分布，迎流面的多點(diǎn)檢測孔測出的是總壓P1，將平均總壓引出管通過閥門連接至差壓變送器的高壓端，背流面一側(cè)有一個（或數(shù)個）背壓檢測孔，所測背壓P2由背壓引出管通過閥門接至差壓變送器低壓端。通過差壓變送器測得差壓ΔP達(dá)到測量流量的目的[4]。根據(jù)用戶的要求，阿牛巴傳感器可與三閥組、差壓變送器、流量積算儀、調(diào)節(jié)儀表、記錄儀表以及執(zhí)行器等組成流量測量或流量自動控制系統(tǒng)。阿牛巴結(jié)構(gòu)及測量原理如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)及測量原理示意圖

根據(jù)經(jīng)典伯努利方程，可知流量計(jì)算公式如（1）所示。

式中：ΔP為全壓與靜壓之差，Pa；Qv為被測流體的體積流量，m3/s；α為流量系數(shù)；ε為流束膨脹系數(shù)，不可壓縮性流體ε=1，可壓縮性流體ε<1；A為管道內(nèi)截面面積，m2；ρ為被測流體密度，kg/m3。

由上述流量的基本公式可知，只要有效地測出均速管的輸出差壓ΔP，就可測出流體的流量值，這就是阿牛巴的測量原理[5]。

2 基于氣泡技術(shù)的阿牛巴式防堵抗腐污水流量計(jì)的設(shè)計(jì)

2.1 氣泡技術(shù)原理

污水和工業(yè)廢水中所含有的雜質(zhì)和垃圾較多、泥沙沉積，在對其進(jìn)行流量監(jiān)測時(shí)，流量計(jì)的檢測孔在使用過程中容易被堵塞物堵塞，進(jìn)而影響到檢測計(jì)的使用。為了改善流量檢測裝置在檢測過程中容易堵塞而影響測量精度等的問題，在硬件裝置設(shè)計(jì)中采用了氣泡技術(shù)，確保流量計(jì)長期可靠工作。氣泡原理，即加設(shè)吹氣裝置，就是間斷性地向阿牛巴管內(nèi)輸送高壓空氣（0.4～0.6 MPa），使阿牛巴測量孔瞬間爆發(fā)大量氣泡，使堵塞物甚至塑料袋、紙板、樹枝等被沖開，達(dá)到防堵的效果。吹氣時(shí)將自動停止測量，并維持原值，保證不影響測量數(shù)據(jù)，以此達(dá)到連續(xù)測量的目的。

2.2 污水流量計(jì)硬件裝置組成

基于氣泡技術(shù)的阿牛巴式防堵抗腐污水流量計(jì)主要由氣泵、阿牛巴傳感器、壓力傳感器、電源、觸摸屏以及連接線等組成。具體硬件裝置設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 流量監(jiān)測裝置硬件組成

裝置中各部分結(jié)構(gòu)功能及選型如下。

結(jié)構(gòu)1為氣泵，是從一個封閉空間排除空氣或從封閉空間添加空氣的一種裝置，主要作用之一是測量過程中阿牛巴管的測壓孔處有堵塞物時(shí)，通過氣泵加壓將測壓孔處的堵塞物沖開。

結(jié)構(gòu)2為壓力傳感器（差壓變送器），是能感受壓力信號，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號的器件或裝置，主要用于測量阿牛巴管的全壓與靜壓。經(jīng)過多次試驗(yàn)檢驗(yàn)，綜合測量精確度、體積大小、輕重、操作難易程度以及價(jià)格等多方面因素考慮，最終選擇松下Panasonic 型號為PAA-10LXi/3bar/03-00060-02的電容式壓力傳感器。

結(jié)構(gòu)3為容置架，即外殼，主要用戶保護(hù)內(nèi)部設(shè)備。

結(jié)構(gòu)4為內(nèi)置電源，主要為裝置中的DTU 數(shù)傳模塊、觸摸屏等電子設(shè)備進(jìn)行供電。經(jīng)過多種電池的比較，選用24 V 可充電鋰電池作為該污水流量監(jiān)測裝置的電源。

結(jié)構(gòu)5為測壓管，測壓管是測量液體相對壓強(qiáng)的一種細(xì)管狀儀器，是以液柱高度為表征測量點(diǎn)壓強(qiáng)的連通管。在測量中該測壓管可選擇阿牛巴管或者威力巴管，然而，從實(shí)際使用成本的角度考慮，威力巴管雖具有一定的防堵能力，且精度較高，但成本更為昂貴，而阿牛巴管雖在精度和防堵能力上均不如威力巴管，但成本低，易于大范圍推廣，并且采用氣泵對測壓孔加壓也可在相當(dāng)程度上改善阿牛巴管的測壓孔容易被堵塞物堵塞的問題，故而在實(shí)際硬件設(shè)計(jì)中測壓管選用了阿牛巴管。

結(jié)構(gòu)6為觸摸屏，可接受觸頭等輸入信號的感應(yīng)式液晶顯示屏，可將采集到的數(shù)據(jù)按照用戶需求進(jìn)行顯示，目前選用的是昆侖通態(tài)MCGS 觸摸屏。

結(jié)構(gòu)7 為控制臺，其上有觸摸屏以及壓力調(diào)節(jié)旋鈕等。

結(jié)構(gòu)8為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，通信時(shí)，負(fù)責(zé)在傳輸數(shù)據(jù)的鏈路兩端發(fā)送數(shù)據(jù)信息的模塊單元，用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接|摸屏，目前選用DTU 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，其專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP 數(shù)據(jù)或?qū)P 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的終端設(shè)備。

2.3 基于氣泡技術(shù)的阿牛巴式防堵抗腐污水流量計(jì)的測量原理

在氣泵配合下，將阿牛巴傳感器和氣管組成的復(fù)合管插入污水管道液面下，考慮到實(shí)際的堵塞情況，氣泵采用循序漸進(jìn)且間歇性的吹起方式，通過測量阿牛巴傳感器全壓和靜壓管內(nèi)的壓力差，通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示壓差值。

在正常狀態(tài)下，阿牛巴管內(nèi)部的壓力宜為0.2 MPa（可根據(jù)不同的使用場景靈活設(shè)置），當(dāng)阿牛巴傳感器深入待測流體后，使左右兩側(cè)的取壓孔與待測流體的流向相平行，此時(shí)壓力傳感器所采集的左右兩側(cè)的取壓孔的壓力信號即為壓差值。正常狀態(tài)下測量時(shí)，壓差值的絕對值一般不會超過0.5 MPa。

若測量過程中一側(cè)的取壓孔被堵塞物堵塞后，在左右兩側(cè)的取壓孔上的壓差值會大于±0.5 MPa，此時(shí)應(yīng)加大氣泵壓力，進(jìn)行間斷式吹氣加壓，排出堵塞物，觀察差壓波動小于±0.5 Pa 時(shí)，將氣泵壓力調(diào)整回0.2 MPa，繼續(xù)測量。測量過程見圖3。

圖3 測量過程

3 結(jié)束語

阿牛巴流量計(jì)具有測量穩(wěn)定、壓損低、價(jià)格低廉、安裝方便、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。對于具有高密度的塵埃物質(zhì)的介質(zhì)或者污水流量測量時(shí)，超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)等無法滿足測量要求，無法保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。本文設(shè)計(jì)的基于氣泡技術(shù)的阿牛巴式防堵抗腐污水流量計(jì)，在對污水進(jìn)行測量時(shí)，采用氣泵間斷式加壓吹氣的方式，將污水中容易堵塞阿牛巴測壓孔的堵塞物吹開，達(dá)到準(zhǔn)確測量的目的。