[导读]
明渠流量计的应用场所有城市供水引水渠、火电厂冷却水引水和排水渠、污水治理流人和排放渠、工矿企业废水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。本文重点讨论前几种工业和公用事业适用的流量测量方法和仪表.较少涉及大型的水利工程和农业灌溉用的流量测量方法。
一 概述
明渠流量仪表是在敞开渠道或非满管状态下具有自由表面自然流的测量仪表。明渠流通剖面除圆形外，还有U形、梯形、矩形等多种形状。
水路按其形态分类如图1所示。ISO通常称满水管为封闭管道，水是在水泵压力或高位槽位能作用下被强迫流动的。明渠流则是靠水路本身坡度形成的自由表面流动。部分满水管流是在非满水管系中局部场所作满水管流者，如图2所示下水管道设置的蓄水机构中低于原暗渠的管段10为满水管流。在此管段内设由表面流的明渠满水管路置的流量仪表应为满管流量仪表（图例为电磁流量计），因此非满水管系在特定条件下也可用封闭管道流量计测量流量。
明渠流量计的应用场所有城市供水引水渠、火电厂冷却水引水和排水渠、污水治理流人和排放渠、工矿企业废水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。本文重点讨论前几种工业和公用事业适用的流量测量方法和仪表.较少涉及大型的水利工程和农业灌溉用的流量测量方法。
二 类型
工业和公用事业常用的明渠流量仪表按测量原理大体可分为堰法、测流槽法、流速-水位计算法、电磁流量计法、液位-流速演算式法和喷嘴流量计法，如图3所示。
（1）堰（Weir）法：在明渠适当位置装一挡板，水流被阻断，水位升到挡板上端堰（缺）口便从堰口流出。水流刚流出的流量小于渠道中原来的流量，水位继续上升，流出流量随之增加，直到流出量等于渠道原流量，水位便稳定在某一高度，测出水位高度便可求取流量。
（2）测流槽（Flume 简称槽）法：缩小渠道一段通道断面成喉道部，喉道因面积缩小而流速增加，其上游水位被抬高，以增加流速所需动能（即增加的动能由所抬高水位位能转变过来），测量抬高水位求取流量。
（3）流速-水位计算法（简称流速-水位法）：测出流通通道某局部（点、线或小面积）流速，代表平均流速，再测量水位求得流通面积，乘以局部流速与平均流速问的系数，经演算求取流量。
（4）电磁流量计法：又分为潜水式和非满管电磁流量计两类，后者截至本稿撰写完成时国内尚未开发。
潜水式电磁流量计是在渠道中置一档板截流，挡板近底部开孔并装有潜水电磁流量传感器，水流从流量传感器流过，从而可测出其流量。
非满管电磁流量计的传感器直接装在同口径圆形暗渠中，与传统电磁流量计相比，测量流速的原理相同，但还具备测量仪表内水位的功能，而电极、磁路和测量电路则有较大差别。
（5）液位-流速演算式法：利用非满管或明渠自由表面自然流下液体的液（水）位和平均流速间的函数式，测量流动的管渠水位以求取流量的一种方法。
（6）喷嘴流量计法：一种开式喷嘴装于非满圆管排放口，测量喷嘴上游水位求取流量。
三 原理与特点
1. 堰式流量计
堰式流量计由堰和相应的液位计组成，薄壁堰的测量原理如图4所示，流量Q按式（1）计算。
Q=Khn （1）
式中 K——流量系数
h——堰顶水头，即离堰口水位高度
n—— 取决于堰缺口形状的指数，为5/2或3/2
常用薄壁堰按缺口形状分为三角堰、矩形堰和等宽堰，它们的尺寸范围、流量范围、堰口尺寸和表面粗糙度要求可查阅标准或规程ISO1438-1，CJ/T3008.1， CJ/T 3008.2，JJG771，均有具体规定。若迎流侧堰口长期使用后磨损成圆角以及迎流侧堰壁粗糙度变化均会产生测量误差。堰式流量计除堰板部分外，还包括相应液位计以及堰板上游足够长的直渠段和整流段等。
堰式流量计的特点：
（1）结构简单，一般情况下价格便宜，测量精确度高，可靠性好；
（2）因水头损失大，不能用于接近平坦地面的渠道；
（3）堰上游易堆积固形物，要定期清理。
2. 槽式流量计
槽式流量计的常用测流槽有多种型式。在渠道中收缩其中一段截面积，收缩部分液位低于其上游液位，测量其液位差以求流量的测量槽，一般称作文丘里槽。1922年在文丘里槽的基础上开发了适用于矩形明渠的巴歇尔槽（Parshallflume， 简称P槽），1936年开发了适用于圆形暗渠的帕尔默．鲍鲁斯槽（Palmer Bowlusflume， 简称PB槽）。在欧洲文丘里槽用得较多；在我国则以P槽和PB槽居多，下文即以此两槽阐明原理与特点。
(1) P槽
P槽外形如图5所示，喉道宽为25mm至15m，已有定型寸。流量Q和喉道上游液位ha间的关系式Q=Chna中，系数C和指数n均因规格而异。P槽可以用钢板或木板制成，也可以在现场用混凝土现浇。国内已有用聚氯乙烯塑料或玻璃钢制成的定型商品。ISO9826、CJ/T3008.3和JJG711对槽的尺寸、流量范围、系数、表面粗糙度和尺寸公差均提出了要求。
P槽流量计的特点是：
（a）水中固态物质几乎不沉积，随水流排出；
（b）水位抬高比堰小，仅为1/4，适用于不允许有大落差的渠道。
（2）PB槽
P槽不能用于圆形暗渠，PB槽为圆形暗渠专用。PB槽原理如图6所示，圆形断面收缩成倒梯形喉道，喉道部产生射流（平均流速比水面传播的水波速度快的流动），测量上游侧水位ha，求取流量Q：
Q=Chan （2）
式中系数C和指数n是取决于PB槽口径和各构件形状尺寸的常数。倒梯形喉道的PB槽，n大约为2。
PB槽公称口径为250～3000mm，与混凝土管尺寸相对应，其长度是公称口径的2～4倍（小口径段为4倍，大口径段为2倍）。最大流量范围通常如表1所示，但国内若干型号产品常为其较小值，达到最高允许水位的范围度标准值为30:1。
表1 PB槽口径和最大流量范围
口径/mm 最大流量范围/(m3/h) 250
50～125
300 80～200 350 100～290 400 150～385 450 200～520 500 250～680 600 400～1080 700 600～1600 80 800～2240 900 2300～3020 1000 2900～3940 1100 3600～5790 1120 4500～6250 1350 6000～9660 1500 8000～12570 1650 10000～15950 1800 12000～ 19830 2000 16000～25810 2200 20000～32750
注：口径1350mm以上为参考值
PB槽流量计尚无国际、国家标准，我国亦无相应国家检定规程，仅有地方性检定规程，即浙江省地方计量检定规程JJG（浙）49-93《P-B槽明渠流量计》。规程中提出了技术要术、检定条件和检定方法，但无结构尺寸、流量计算公式和系数等。
PB槽的特点是：
（a） 在维持自由水面流的管渠内，管壁粗糙度等条件变化会导致流量值变化，而PB槽几乎不受管壁粗糙度等条件变化的影响，测量值的长期变化小；
（b） PB槽的水头损失在非满管流仪表中属于较小的，喉道部槽顶（Crest）自清洗效果显著，几乎不必担忧固定物的沉淀和堆积；
（c） 作为渠道不发生自射流的条件，PB槽上游暗渠坡度必须在20/1000以下，然而实际渠道几乎没有会超过该坡度者。
（d）渠道下游侧水深必须小于上游侧水深的85%，不能满足此条件，测量精确度会下降，有时甚至无法测量。
3. 流速-水位流量计
图7所示是电传播时间法超声流速计和超声液位计组成的流速-水位流量计一例，所测流速是线平均流速，水位是测量水面和超声液位传感器之间的距离间接求得。也有以测量点流速或局部小面积平均流速（例如多普勒法超声流速计）和实际水位（例如压式液位计）组成的流速-水位流量计，图8 漆所示即其一例，适用于圆形暗渠。
流速计除超声式外，还有电磁式流速计以及现在用得较少的旋杯式流速计和旋桨式流速计。
图7所示流速传感器的位置相距渠床高度Y通常为0.1B（B为渠宽），ISO6418附录A则规定了3～300m声道长度范围内最小的Y值。
图9所示是流速-水位流量计信号系统和运算框图，VL是流速计实测的线平均流速，VL乘上线流速修正系统数KL求得流通面积A的平均流速，即 。流量Q为
（3）
式中Kq——流量系数，Kq= AKL。
Kq的值取决于流通面积形状（矩形倒梯形、圆形或U形）和渠壁粗糙度。图中水深判断部分用于判断水位是否低于流速传感器，若低于流速传感器则保持在此之前的流速信号，使之能继续运算。
测量“点流速”的流速-水位流量计要引入点修正系数KP，即实测点流速与流通截面积平均流速之比。
流速-水位流量计的特点为：
（1）渠道截面形状不限于矩形，圆形、倒梯形或U形均适用.流量范围度宽。
（2）水位离渠床距离从接近零到满位均能测量。暗渠即使达到满管，压力显著增加时还能测量，而水位低于流速传感器而无法测流速时，还可利用此前的流速信号作流量运算。
（3）由于从流速和水位两个信号求取流量，即使在受背压状态下流动，也能测量：同样也可测逆向流（使用多普勒法流速计则应注意，因型号而异）。
（4）几乎不会发生固形物堆积现象。超声流速计和液位计不会阻碍流路，其他型式流速传感器和液位传感器尺寸相对较小，对流路阻碍也很小。
（5）对于已有渠道，安装容易，无需改造渠道工程。
（6）易受来流流速分布影响，测量场所上下游要有足够长的直渠渠道。如图7所示设计例，有关文献列举了多种渠道布置上/下游挠流件（如弯道、合流、落差、闸门等）的5～50倍渠宽的直渠段长度要求