楊靜芬，張俊萍，李瑞秀

（河北工業(yè)職業(yè)技術大學，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)仍存在超標排放污水的情況，使得我國的水環(huán)境遭到了嚴重損害，外加污水處理技術的相對落后，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程。為了改善污水現狀，保護生態(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《關于做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作的指導意見》，要求科學確定生態(tài)流量，嚴格生態(tài)流量管理，強化生態(tài)流量監(jiān)測預警，加快建立目標合理、責任明確、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。

在污水計量領域，目前世界最先進的流量計主要集中在歐、美、日，以超聲波流量計、渦輪流量計和電磁流量計為主，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，其成分復雜，且排污流量變動大，不均衡，多數以明渠排放，現有技術中的流量計量產品往往未能適應污水流量計量的要求。比如電磁流量計、槽式流量計、堰式流量計等，這些污水計量計在環(huán)境惡劣、流質差異大狀況下易被懸浮物、泥沙等雜質堵塞，因而會造成測量結果不準確、流量計易受到不同程度的損壞、適用范圍窄等問題[2]。此外，國外流量計普遍價格昂貴，維修困難，不適合在我國大范圍使用。因此如何準確檢測污水及對污水進行治理成為亟待解決的問題之一。

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

1 阿牛巴的特點及測量原理

1.1 阿牛巴的特點

阿牛巴式流量計是一種差壓式流量計，該流量計具有無可動部件的可靠結構、安裝維護簡單、壓力損失小、穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點，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、熱風爐助燃空氣等，廣泛應用于動力工業(yè)、化學工業(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（又稱笛形均速管流量計和托巴管流量計）是基于皮托管測量原理設計的，測量時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的平均流速分布，迎流面的多點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，背流面一側有一個（或數個）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達到測量流量的目的[4]。根據用戶的要求，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。阿牛巴結構及測量原理如圖1所示。

圖1 結構及測量原理示意圖

根據經典伯努利方程，可知流量計算公式如（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；ε為流束膨脹系數，不可壓縮性流體ε=1，可壓縮性流體ε<1；A為管道內截面面積，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 基于氣泡技術的阿牛巴式防堵抗腐污水流量計的設計

2.1 氣泡技術原理

污水和工業(yè)廢水中所含有的雜質和垃圾較多、泥沙沉積，在對其進行流量監(jiān)測時，流量計的檢測孔在使用過程中容易被堵塞物堵塞，進而影響到檢測計的使用。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，在硬件裝置設計中采用了氣泡技術，確保流量計長期可靠工作。氣泡原理，即加設吹氣裝置，就是間斷性地向阿牛巴管內輸送高壓空氣（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，達到防堵的效果。吹氣時將自動停止測量，并維持原值，保證不影響測量數據，以此達到連續(xù)測量的目的。

2.2 污水流量計硬件裝置組成

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

圖2 流量監(jiān)測裝置硬件組成

裝置中各部分結構功能及選型如下。

結構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，通過氣泵加壓將測壓孔處的堵塞物沖開。

結構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。經過多次試驗檢驗，綜合測量精確度、體積大小、輕重、操作難易程度以及價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。

結構3為容置架，即外殼，主要用戶保護內部設備。

結構4為內置電源，主要為裝置中的DTU 數傳模塊、觸摸屏等電子設備進行供電。經過多種電池的比較，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。

結構5為測壓管，測壓管是測量液體相對壓強的一種細管狀儀器，是以液柱高度為表征測量點壓強的連通管。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，故而在實際硬件設計中測壓管選用了阿牛巴管。

結構6為觸摸屏，可接受觸頭等輸入信號的感應式液晶顯示屏，可將采集到的數據按照用戶需求進行顯示，目前選用的是昆侖通態(tài)MCGS 觸摸屏。

結構7 為控制臺，其上有觸摸屏以及壓力調節(jié)旋鈕等。

結構8為數據轉換模塊，通信時，負責在傳輸數據的鏈路兩端發(fā)送數據信息的模塊單元，用于將數據傳輸到觸摸屏，目前選用DTU 數據轉換模塊，其專門用于將串口數據轉換為IP 數據或將IP 數據轉換為串口數據并通過無線通信網絡進行傳送的終端設備。

2.3 基于氣泡技術的阿牛巴式防堵抗腐污水流量計的測量原理

在氣泵配合下，將阿牛巴傳感器和氣管組成的復合管插入污水管道液面下，考慮到實際的堵塞情況，氣泵采用循序漸進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的壓力差，通過觸摸屏實時顯示壓差值。

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

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

圖3 測量過程

3 結束語

阿牛巴流量計具有測量穩(wěn)定、壓損低、價格低廉、安裝方便、重復性好等優(yōu)點。對于具有高密度的塵埃物質的介質或者污水流量測量時，超聲波流量計、電磁流量計等無法滿足測量要求，無法保證測量數據準確。本文設計的基于氣泡技術的阿牛巴式防堵抗腐污水流量計，在對污水進行測量時，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，達到準確測量的目的。