明渠流量計(jì)的核心測(cè)量原理是：通過測(cè)量渠道內(nèi)某一固定位置的水位高度，再根據(jù)水位與流量之間的穩(wěn)定關(guān)系（即水位-流量關(guān)系曲線），計(jì)算出瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。

簡(jiǎn)單來說，它測(cè)量的其實(shí)是水位，然后換算成流量。

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1. 基本原理：水位-流量關(guān)系

在形狀規(guī)則、坡度固定的明渠中，當(dāng)水流處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，水位和流量之間存在著確定的函數(shù)關(guān)系：Q = f(H)。

• Q?代表流量（單位：m3/s）

• H?代表水位高度（單位：m）

這個(gè)關(guān)系是通過水力學(xué)公式（如謝才公式、曼寧公式等）計(jì)算出來的，或者通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流標(biāo)定得到。一旦這個(gè)關(guān)系被確定下來，流量計(jì)只需要精確測(cè)量出水位的H，就可以通過內(nèi)置的公式或查表法得到實(shí)時(shí)的流量Q。

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2. 如何建立水位-流量關(guān)系？

主要有兩種方式，對(duì)應(yīng)著兩種不同類型的流量計(jì)：

方式一：利用標(biāo)準(zhǔn)堰槽（最常用、最標(biāo)準(zhǔn)的方法）

這種方法通過在渠道中安裝一個(gè)特定形狀的“障礙物”（堰或槽），人為地制造一個(gè)水位-流量的穩(wěn)定關(guān)系。由于堰槽的形狀、尺寸是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的，因此其水位-流量關(guān)系有現(xiàn)成的、精確的公式可用。

常見的標(biāo)準(zhǔn)堰槽類型：

• 三角薄壁堰：

  • 原理：?在渠道中插入一塊帶有V形缺口的薄板。

  • 特點(diǎn)：?測(cè)量精度高，尤其適用于小流量。流量與水位高度的5/2次方成正比（Q ∝ H^(5/2)）。但對(duì)水中雜物敏感，容易堵塞。

• 矩形薄壁堰：

  • 原理：?在渠道中插入一塊帶有矩形缺口的薄板。

  • 特點(diǎn)：?適用于中等流量。流量與水位高度的3/2次方成正比（Q ∝ H^(3/2)）。

• 巴歇爾槽（Parshall Flume）：

  • 原理：?在渠道中安裝一個(gè)由收縮喉道段和擴(kuò)散段組成的文丘里形狀的槽。

  • 特點(diǎn)：?這是目前應(yīng)用最廣泛的明渠流量計(jì)。?它的水頭損失小，不易堵塞，具有自清洗能力。流量關(guān)系較為復(fù)雜，但在自由流條件下，流量與上游水位高度有固定的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)應(yīng)。

• P-B槽（Palmer-Bowlus Flume）：

  • 原理：?通常安裝在非滿管管道（如圓形污水管道）的檢查井中。

  • 特點(diǎn)：?專為圓形管道設(shè)計(jì)，安裝方便，是城市排水、污水測(cè)量的主力軍。

使用堰槽的測(cè)量流程：

1. 在渠道中安裝一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)堰槽（如巴歇爾槽）。

2. 在堰槽的上游特定位置安裝一個(gè)水位傳感器。

3. 水位傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量水位高度?H。

4. 流量計(jì)的二次儀表（或計(jì)算核心）根據(jù)預(yù)置的該型號(hào)堰槽的標(biāo)準(zhǔn)公式 Q = f(H)，自動(dòng)計(jì)算出瞬時(shí)流量?Q。

方式二：流速-面積法

這種方法不依賴標(biāo)準(zhǔn)堰槽，而是直接測(cè)量水流速度和水流截面積。

• 原理：?流量?Q = 平均流速 V × 過水截面積 A

• 測(cè)量方法：

  1. 測(cè)流速：?使用多普勒超聲波流速儀向水中發(fā)射超聲波，通過測(cè)量水中懸浮顆粒或氣泡反射回來的超聲波的頻率變化（多普勒效應(yīng)）來計(jì)算流速。

  2. 測(cè)水位：?使用超聲波液位計(jì)或壓力式液位計(jì)測(cè)量水位高度?H。

  3. 算面積：?根據(jù)水位?H?和已知的渠道形狀（如矩形、梯形、圓形），計(jì)算出過水截面積?A。

  4. 算流量：?將測(cè)得的V和計(jì)算出的A相乘，得到流量Q。

特點(diǎn)：

• 適用于渠道形狀不規(guī)則或無法安裝堰槽的大型河道、排水管網(wǎng)。

• 精度受流速分布影響較大，通常需要多點(diǎn)測(cè)量或現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。

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3. 水位測(cè)量的常用技術(shù)

無論采用上述哪種方式，精確測(cè)量水位都是關(guān)鍵。常用的水位測(cè)量技術(shù)有：

• 超聲波液位計(jì)：?最常用。傳感器向水面發(fā)射超聲波，并接收回波，通過計(jì)算時(shí)間差來測(cè)量距離（水位）。非接觸式，安裝方便。

• 壓力式液位計(jì)（投入式）：?將傳感器投入水底，測(cè)量水壓，根據(jù)水壓換算成水位。精度高，但傳感器需浸入水中，可能受淤泥和腐蝕影響。

• 浮子式液位計(jì)：?利用浮子隨水位升降，通過機(jī)械或磁耦方式傳遞信號(hào)。經(jīng)典可靠，但機(jī)械結(jié)構(gòu)較多。