[導讀]
明渠流量計的應用場所有城市供水引水渠、火電廠冷卻水引水和排水渠、污水治理流人和排放渠、工礦企業廢水排放以及水利工程和農業灌溉用渠道。本文重點討論前幾種工業和公用事業適用的流量測量方法和儀表.較少涉及大型的水利工程和農業灌溉用的流量測量方法。
4. 水式電磁流量計
潛水式電磁流量計需在渠道中置一擋板截流，擋板底部裝上潛水電磁流量傳感器，如圖10所示。擋板截住渠道，迫使水流只能從流量傳感器中流過，以較原來高的流速通向下游從而抬高擋板上游的水位，產生擋板上下游水位差h，此水位差的勢能轉變為流速V的動能，即
（4）
式中 K——系數
g——重力加速度
潛水式電磁流量計工作時，液體流動狀況屬于淹沒孔口流，孔口流出速度與孔口在自由表面下的沉沒深度無關，僅取決于上下游的水位差。也就是說，流量測量值與流量傳感器（或分流模型）安裝位置無關，但要求盡可能低使之在運行過程中始終處于淹沒流狀態。
通過流量傳感器的流速一般為2～3.5m/s 上游抬高水位在100～300mm。
在流量較大而又不能用較大口徑流量傳感器時，為了避免水位差過大，可以用分流模型來擴大流通能力。分流模型的流通通道形狀尺寸與流量傳感器完全一樣。n個分流模型和一臺傳感器一起安裝在擋板上并用，實際總流量即為傳感器實測流量乘上（n+1）倍。
潛水式電磁流量計的特點為：
（1）無活動件，可測量含有固體顆粒或懸浮體的液體。
（2）可使用于受潮水等形成下游側水位變化的渠道。
（3）因設置擋板截流，測量與渠道形狀和上游直渠道狀況無關。
（4）水頭損失較小，流量傳感器內必須保持滿管流。
（5）擋板前會有一些固形物堆積，要定期清理。
5. 非滿管電磁流量計
非滿管電磁流量傳感器外形與傳統電磁流量傳感器相似，同樣除利用法拉弟定律檢測液體流速外，還要用某種方法檢測測量管內流動液體高度，亦即過液流截面積，兩者相乘求得流量。現例舉最早推向市場的Fischer+Porter公司PART1-MAGⅡ型儀表為例闡明其工作原理。
如圖11所示，測量管中央同一圓周上，水平軸及其下方分裝3對電極檢拾流速信號，上下兩激磁線圈交替正向和反向串接通電，產生兩種磁場強度和磁力線分布，測得兩個不同流速信號，兩信號之間的比值和測量管中液位高度成一定函數關系。從這一關系便可求得液位高度，亦即取得過液流截面積與電極上流速信號進行運算，求得流量。它可測高于測量管內徑10%液位的流量。
其他設計型號有：愛知時計電機公司采用相似原理，只是交替兩線圈串接同時通電激磁和單獨一線圈通電激磁。電極則是一對弧條形電極緊貼襯里；東芝公司設計的兩線圈軸線水平布置磁力線是水平方向。測量管底部置一電極測量其與測量管端部接地環之間的電位差。東芝公司稱，得到的信號是與液位、流速兩者均成比例，不需作液位演算處理，不受浮游物及液位波動等影響，可測液位高度30mm；Krohne公司的設計是利用在測量管底部10%內徑高度的一對電極測量流速，與液體接觸襯里面的背面，置有多塊大面積電極，以相似于電容液位計原理檢測測量管內的液位高度。
非滿管電磁流量計的測量精確度因設計型號而異，在滿管運行時為±1%R～±1.5%Fs， 在非滿管運行時為±3%R～±2%Fs； 可供應口徑范圍為150～2000mm。
非滿管電磁流量計的特點：
（1）測量精確度在各明渠流量測量方法中較高，無需現場實流校準。
（2）能作正、逆方向雙向測量；既可測量非滿管流，也可測量滿管流。
（3）應用于圓形暗渠安裝簡便，將流量傳感器直接接入即可。流量傳感器流通通道無撓流、阻流體。
（4）應擴于池、槽排放，或連接于渠形明渠時，必須要有一段平滑過渡段。還應有10倍管徑的前置直管段。
（5）在不同坡度管道所測得的某同一流量，平緩坡度場所的流量傳感器內液位高于急陡坡度場所。傳感器內液位高度應低于臨界深度（Critical Bepth 液流為臨界流時的截面液深）。
（6）未見國內生產本儀表。儀表本身價格比滿管電磁流量計貴許多。但應用于圓形暗渠無需額外管渠工程費用。
6. 液位-流速演算式流量計
在一定坡度管渠內液體自由表面自然向下流動,其平均流速V（m/s）與水力半徑R（m）、壁面粗糙度（n）、坡度（i）間的關系如曼寧公式（式5）所示。流量Q如式（6）。
（5）
（6）
式中 A——過液流路斷面（m2）
n——管渠壁面粗糙度；混凝土管一般為0.015
對于矩形渠，A=h•B，R=h•B/（2h+B）。已安裝好的渠段n、i、B均為常數。平均流速和流量Q僅是液位高度h的函數。圖12所示是矩形和圓形截面液位高度與流速/流量的特性曲線。
天津大學用微壓傳感器在坡度可調管徑200mm圓形管道的簡易實驗裝置上作試驗。管道坡度設在2/1000，以電磁流量計作標準表對原型樣作流量比對試驗。流量在24L/s時，h/d均為0.9。h/d為0.3～0.45時實際相對誤差≤30%（引用相對誤差<7%），h/d在>（0.45～0.8）時，實際相對誤差為5%～9%（引用相對誤差<4%）。
液位-流速演算流量計的特點
（1）在管渠適當位置直接設置簡單方便，無須變動管渠流路。但難以獲得正確坡度和壁面粗糙度，因此測量精確度相對較低。
（2）測量段無阻撓流件（如用超聲液位計）或設置很小的檢測件（如侵入式壓力傳感器），無阻力損失或阻力損失很小。測量過程不會形成固形物沉淀堆積。
（3）使用過程中可能受日久附著層而改變壁面粗糙度，測量值可能隨之而變。
（4）費用較省，但國內尚未見到定型產品。
7. 噴嘴流量計
一種開式噴嘴裝在圓形暗渠排放形成自由排放，如圖13所示。圖14所示KenNIson噴嘴即其一例。其中表所示其口徑規格，最大流量等性能和主要外形尺寸。引壓口接裝浮子液位計等儀表。從所測液位求取流量。
噴嘴規格/
英寸（mm） 最大流量/
（m3•h-1 ） 最大流速/
（m •s-1） 上游管坡度 A B F 重量/（kg） （mm） 6（150） 45 0.67 0.0070 152 305 280 62.5 8（200） 73 0.67 0.0050 203 406 343 70.5 10（250） 127 0.7 0.0040 254 508 406 109 12（300） 193 0.79 0.0033 305 610 483 161 16（400） 430 0.91 0.0027 406 914 597 272 20（500） 704 1 0.0023 508 1016 699 413 24（600） 1180 1.13 0.0021 610 1219 813 625 30（750） 1930 1.13 0.0020 762 1524 984 954 36（900） 6180 1.13 0.0020 914 1829 1168 1326
圖14 Kennison噴嘴外形和性能
Kennison噴嘴排放口斷面形狀下部為弓形。中部為梯形。上部為矩形，使在10%～100%Qmax（最大流量）范圍內呈線性的液位-流量特性和±2%實測值的測量誤差,5%Qmax時為±5%。阻力損失略高于一個管直徑的水頭。緊接噴嘴上游管段的坡度不能過陡,超過規定值（0.002～0.007）應在噴嘴前設置一段無坡度緩沖段。流速限制為0.67～1.13m/s。
噴嘴流量計的特點為：
（1）只能裝在圓形暗渠排放口，測量精確度較高。
（2）液中固形物隨液流排放，幾乎不沉淀。
（3）阻力損失小，測量不會過多抬高上游液位。
8. 常用液（水）位計和積算儀表
堰式、槽式、流速-水位式、液位-流速演算式、噴嘴流量計均需配用相應的液（水）位計。明渠流量計常用的液位計有浮子式、電容式、壓力式和超聲式。
浮子式液位計在槽（或堰）的水位測量點經導水管通至靜水井（見圖5）。液位計的浮子在靜水井內隨著水位變化而升降。通過液位計內凸輪機構等將液位-流量的指數函數關系轉換成流量。
一種新型的電容式液位計是通過測量棒形電極外套絕緣套管與液體為另一電極的電容量來檢測液位的。該電容式液位計有液位比例輸出型和液位函數輸出型兩類。前者如用于堰槽還需配用相應的函數轉換器使之線性化。后者的絕緣套管按照堰（或槽）的液位-流量特性函數輸出設計成特殊形狀。
應用于明渠流量測量的壓力式液位計有壓力式水深儀、吹氣式液位計和小型壓力傳感器3種。
超聲液位計是測量超聲波從超聲傳感器（換能器）以一定的速度發射經氣-液界面反射回到換能器的時間，以求取水位的液位計，稱之氣介式液位計，圖7所示即為其使用安裝例。用于明渠流量測量的超聲液位計除氣介式外，還有在液體中向上傳送超聲波經液-氣界面反射的液介式液位計。超聲傳感器置于水中。氣介式為非接觸液體測量，適用于有污濁物和腐蝕性液體。但比氣介式受溫度變化影響小。超聲波波長為氣介式的1/5，分辨力和測量精確度較高。
配套于明渠流量儀表的專用轉換器，通常帶有總量積算功能而無需再配后位積算儀表。若配用只有標準化輸出信號的液位計，則還需后位積算儀表。
云南省水利水電科學研究所提出一種簡便的利用普通水表積算堰、槽流量的實用新型法（專利號86206884.89706926）。堰、槽排放水量經調整管分流一部分與排放總量成比例的水量由水表計量（見圖15），乘以分流倍率，即獲得排放總量。調整管上有一排相隔等距離的小孔，它們是按堰槽液位流量問的函數關系計算出的每層面積不等的一個或幾個小孔，愈上層流通面積愈大。
四 選用考慮要點
1. 概述
針對城市供水引水渠、工業引水和排放渠、污水治理渠道等流量測量特點，應考慮以下因素選擇合適的測量方法。
（1）水路大小和形狀，流速范圍，最大流量和最小流量；
（2）測量精確度要求；
（3）流量計設置場所和環境條件；
（4）液體狀況、潔凈程度、含有固相濃度、腐蝕性等；
（5）現場允許落差（或升高水位）和渠道坡度；
（6）與液體接觸的儀表零部件材料；
（7）選用超聲流量計和電磁流速計時要分別對液體濁度或電導率作調查。
2. 估算渠道流量和抬高水位
對于新建單位可通過工藝流程計算渠道流量與擬安裝位置，再選用儀表規格。對于老企業添置儀表需要估計既有渠道流量和確認儀表上游允許升高水位，即確定流量儀表規格和流量范圍要取決于渠道峰流量和允許升高水位兩個因素。
（1）估計峰流量
通常有投浮子法和日排放量估算法兩種方法。
（a）投浮子法：既有明渠可采用投浮子法測定和估算流量。選定在最大流量時兩人距離L（20～50m）立于直渠道旁上游一人投放浮子（一般是木制圓片），下游一人在投放木片的瞬間啟動計時，當浮子到達時停止計時，測得時間t，求出渠道表面流速v=L/t（m/s）。再測出渠道流通截面積A（m2）。便可從式（7）估算流量Q。
表2 渠用流量儀表性能比較
較項目 堰法
（薄壁堰） P槽法 PB槽法 流速—水位法 潛水電磁法 非滿管電磁法
流位—流速演算式法
噴嘴流量計法 適用渠道
類型 明渠 明渠 圓形暗渠 明渠、暗渠 明渠、暗渠 圓形暗渠 明渠、暗渠 圓形暗渠排放口 流量檢測結構特征 渠道要截流，檢測件結構簡單 渠道— 段要裝入槽
檢測件結構較復雜 渠道— 段
要裝入槽檢
測件結構較
復雜 不必改動渠
道流量檢測
要用流速計 渠道要截
流檢測件 為本體，
分流模型
擴大流量 不改動暗渠，
接入流量
傳感器即可 不改動渠道裝上液位儀表即可 裝于渠道排
放末端 檢測儀表 液位計 液位計 液位計 流速計+液位計 本儀表
直接測量 本儀表
直接測量 液位計 液位計 渠寬、喉寬或口徑
（mm） 渠寬：
450- 8000 喉寬
25-240
（152000） 口徑：
150-
1800（3000） 渠寬：
300-10000
口徑：
300- 500 口徑：
50-
400（600） 口徑：
150- 2000 口徑150- 800 流量或流
速范圍流速 15-40000
m3/h
三角堰
小流量
矩形堰
中流量
等寬堰
大流量 30-15000
（330000）m3/h 20-12000
（42000）
m3/h 流速：0-20m/s 10-5000
m3/h 30-110000m3/h 最大 流速：1m/s 45-3180m3/h 測量精確
度誤差/
（±%FS） 1- 3 3- 5 3- 5 3- 5 獨傳感器：1.5
帶分流模型：2.5 3- 5R 4- 10 2- 5R
流量范圍
度 （10-20）:1 （20-
30）:1 （20-30）:1 （20-
100）:1 10:1 （10-50）:1 （5-10）:1 （10-20）:1 抬高水位
（mm） 200（120）- 800 75- 200 口徑的
（1/20-1/10） 無 100- 500 無 無 最大1個管徑 上游側固
態物是否
會沉積和排泄程度 會沉積，
不會排泄，
要定期清除 不會沉，隨流排泄 不會沉積，
隨流排泄 不會沉積，
隨流排泄 會沉積，
能部分隨
流 不會沉積，
隨流排泄 不會沉積，
隨流排泄 不會沉積，
隨流排泄 上游直渠
段長度要求（mm） 1500-24000
（其中整流
流部690- 12000） 300- 2000 上游側：
≥（5- 10）
倍口徑
下游側：
≥2倍口徑 上游側：
≥（1O-15）
倍渠寬（或口徑）
下游側：
≥5倍渠寬
（或口徑） 上游側 ≥
5-10倍口徑；
下游側3倍口
上游側管道坡
度：≤0.05測
管內不能有持
的漩渦和水躍 測量段內應無水躍 上游側一般為8倍
內徑：坡度過大另需設緩沖段 對流體的
要求 無特殊要求 無特殊要求 無特殊要求 傳播時間法
超聲流速計：
濁度≤
5000mg/L
多普勒法
超聲流速計：
濁度60- 50000mg/L 液體導電率
≥10-4/cm測量廢水、下水不存在問題 無特殊要求
無特殊要求
Q=KVAX3600m3/h （7）
式中K——修正系數。因表面流速大于平均流速，一般取0.84～0.90。
（b）從日排放量Qd估算峰流量Qp：在沒有條件用投浮子法或新建系統，可采用實際（或設計）的排放量來估計峰流量，估算公式如式（8）或（9）。
Qp=KuQd/24 （8）
Qp=QdH （9）
式中 Ku——不均勻系數。如為均勻連續排放，Ku可取1.1～1.2。
H——每天集中排放累計小時數。如為不均勻連續排放，則按集中排放小時計算。
（2）確定抬高水位
除流速-水位流量計、非滿管電磁流量計和液位-流速演算式流量計外，渠道安裝流量計后，其上游均要抬高水位。對于新設計的渠系可按測量流量范圍和周邊環境條件全面考慮確定升高水位高度。對于現有渠道在選定流量計時，要考慮上游渠系水位抬高后的影響（如水位是否會漫溢出渠道）。然后再按確定的水位升高高度和峰流量值選定儀表規格。
3. 渠用流量儀表適用范圍和性能比較
常用渠用流量儀表適用范圍和性能比較歸納如表2所示。