一：概述
非滿管狀態(tài)流動(dòng)的水路稱作明渠，測(cè)量明渠中水流流量的儀表稱作明渠流量計(jì)。明渠流通剖面除圓形外，還有U形、梯形、矩形等多種形狀。
水路按其形態(tài)分類，各形態(tài)如圖.1所示。ISO通常稱滿水管為封閉管道，流動(dòng)是在水泵壓力或高位槽位能作用下的強(qiáng)迫流動(dòng)。明渠流則是靠水路本身坡度形成的自由表面流動(dòng)。
部分滿水管流是在非滿水管系中局部場(chǎng)所作滿水管流者，如圖2所示下水管道設(shè)置的蓄水機(jī)構(gòu)中低于原暗渠的管段10為滿水管流。在此管段內(nèi)設(shè)由表面流的明渠滿水管路置的流量?jī)x表應(yīng)為滿管流量?jī)x表（圖例為電磁流量計(jì)），因此非滿水管系在特定條件下也可用封閉管道流量計(jì)測(cè)量流量。
明渠流量計(jì)應(yīng)用場(chǎng)所有城市供水引水渠、火電廠冷卻水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工礦企業(yè)廢水排放以及水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道。本文重點(diǎn)討論前面幾種工業(yè)和公用事業(yè)適用的流量測(cè)量方法和儀表，不包括較大型的水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用的流量測(cè)量方法。
國(guó)外有人估計(jì)，1995年全球工業(yè)和公用事業(yè)用明渠流量計(jì)銷售臺(tái)數(shù)約占流量?jī)x表整體的1.6%，約3.5萬(wàn)臺(tái);若包括較簡(jiǎn)易的堰等使用者可自行制造未向市場(chǎng)采購(gòu)的儀表，實(shí)際裝用還要多些。國(guó)內(nèi)應(yīng)用尚無(wú)估計(jì)數(shù)據(jù)。
二：類型
工業(yè)和公用事業(yè)常用的明渠流量?jī)x表按測(cè)量原理大體可分為堰法、測(cè)流槽法、流速-水位計(jì)算法和電磁流量計(jì)法，如圖3所示。
1)堰(weir)法 在明渠適當(dāng)位置裝一擋板，水流被阻斷，水位升到檔板上端堰(缺)口，便從堰口流出。水流剛流出的流量小于渠道中原來(lái)的流量，水位繼續(xù)上升，流出流量隨之增加，直到流出量等于渠道原流量，水位便穩(wěn)定在某一高度，測(cè)出水位高度便可求取流量。
2)測(cè)流槽(flume,簡(jiǎn)稱槽)法 縮小渠道一段通道斷面成喉道部，喉道因面積縮小而流速增加，其上游水位被抬高，以增加流速所需動(dòng)能(即增加的動(dòng)能由所抬高水位位能轉(zhuǎn)變過(guò)來(lái))，測(cè)量抬高水位求取流量。
3) 流速-水位計(jì)算法(簡(jiǎn)稱流速-水位法) 測(cè)出流通通道某局部(點(diǎn)、線或小面積)流速，代表平均流速，再測(cè)量水位求得流通面積，乘局部流速與平均流速間的系數(shù)，經(jīng)演算求取流量。
4)電磁流量計(jì)法 又分為潛水式電磁流量計(jì)和非滿管電磁流量計(jì)兩類，后者目前國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)發(fā)。
潛水式電磁流量計(jì)是在渠道中置一擋板截流，擋板近底部開(kāi)孔并裝潛水電磁流量傳感器，水流從流量傳感器流過(guò)從而測(cè)出其流量。
非滿管電磁流量計(jì)的傳感器直接在管道裝上同口徑圓形暗渠，測(cè)量流速的原理與傳統(tǒng)電磁流量計(jì)的相同，但還具備測(cè)量?jī)x表內(nèi)水位的功能，電極、磁路和測(cè)量電路則有較大差別。
5）、液位-流速演算式法：利用非滿管或明渠自由表面自然流下液體的液（水）位和平均流速間的函數(shù)式，測(cè)量流動(dòng)的管渠水位以求取流量的一種方法。
6）、噴嘴流量計(jì)法：一種開(kāi)式噴嘴裝于非滿圓管排放口，測(cè)量噴嘴上游水位求取流量。
三、原理與特點(diǎn)
1、堰式流量計(jì)
堰式流量計(jì)由堰和相應(yīng)的液位計(jì)組成，薄壁堰的測(cè)量原理如圖4所示，流量Q按式（1）計(jì)算。
Q=Khn（1）
式中K——流量系數(shù)
h——堰頂水頭，即離堰口水位高度
n——取決于堰缺口形狀的指數(shù)，為5/2或3/2
常用薄壁堰按缺口形狀分為三角堰、矩形堰和等寬堰，它們的尺寸范圍、流量范圍、堰口尺寸和表面粗糙度要求可查閱標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程ISO1438-1，CJ/T3008.1，CJ/T3008.2，JJG771，均有具體規(guī)定。若迎流側(cè)堰口長(zhǎng)期使用后磨損成圓角以及迎流側(cè)堰壁粗糙度變化均會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。堰式流量計(jì)除堰板部分外，還包括相應(yīng)液位計(jì)以及堰板上游足夠長(zhǎng)的直渠段和整流段等。
堰式流量計(jì)的特點(diǎn)：
（1）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般情況下價(jià)格便宜，測(cè)量精確度高，可靠性好；
（2）、因水頭損失大，不能用于接近平坦地面的渠道；
（3）、堰上游易堆積固形物，要定期清理。
2、槽式流量計(jì)
槽式流量計(jì)的常用測(cè)流槽有多種型式。在渠道中收縮其中一段截面積，收縮部分液位低于其上游液位，測(cè)量其液位差以求流量的測(cè)量槽，一般稱作文丘里槽。1922年在文丘里槽的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了適用于矩形明渠的巴歇爾槽（Parshallflume，簡(jiǎn)稱P槽），1936年開(kāi)發(fā)了適用于圓形暗渠的帕爾默．鮑魯斯槽（PalmerBowlusflume，簡(jiǎn)稱PB槽）。在歐洲文丘里槽用得較多；在我國(guó)則以P槽和PB槽居多，下文即以此兩槽闡明原理與特點(diǎn)。
(1)、P槽
P槽外形如圖5所示，喉道寬為25mm至15m，已有定型寸。流量Q和喉道上游液位ha間的關(guān)系式Q=Chna中，系數(shù)C和指數(shù)n均因規(guī)格而異。P槽可以用鋼板或木板制成，也可以在現(xiàn)場(chǎng)用混凝土現(xiàn)澆。國(guó)內(nèi)已有用聚氯乙烯塑料或玻璃鋼制成的定型商品。ISO9826、CJ/T3008.3和JJG711對(duì)槽的尺寸、流量范圍、系數(shù)、表面粗糙度和尺寸公差均提出了要求。
P槽流量計(jì)的特點(diǎn)是：
（a）、水中固態(tài)物質(zhì)幾乎不沉積，隨水流排出；
（b）、水位抬高比堰小，僅為1/4，適用于不允許有大落差的渠道。
（2）、PB槽
P槽不能用于圓形暗渠，PB槽為圓形暗渠專用。PB槽原理如圖6所示，圓形斷面收縮成倒梯形喉道，喉道部產(chǎn)生射流（平均流速比水面?zhèn)鞑サ乃ㄋ俣瓤斓牧鲃?dòng)），測(cè)量上游側(cè)水位ha，求取流量Q：
Q=Chan（2）
式中系數(shù)C和指數(shù)n是取決于PB槽口徑和各構(gòu)件形狀尺寸的常數(shù)。倒梯形喉道的PB槽，n大約為2。
PB槽公稱口徑為250～3000mm，與混凝土管尺寸相對(duì)應(yīng)，其長(zhǎng)度是公稱口徑的2～4倍（小口徑段為4倍，大口徑段為2倍）。最大流量范圍通常如表1所示，但國(guó)內(nèi)若干型號(hào)產(chǎn)品常為其較小值，達(dá)到最高允許水位的范圍度標(biāo)準(zhǔn)值為30:1。
表1PB槽口徑和最大流量范圍
注：口徑1350mm以上為參考值
PB槽流量計(jì)尚無(wú)國(guó)際、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)亦無(wú)相應(yīng)國(guó)家檢定規(guī)程，僅有地方性檢定規(guī)程，即浙江省地方計(jì)量檢定規(guī)程JJG（浙）49-93《P-B槽明渠流量計(jì)》。規(guī)程中提出了技術(shù)要術(shù)、檢定條件和檢定方法，但無(wú)結(jié)構(gòu)尺寸、流量計(jì)算公式和系數(shù)等。
PB槽的特點(diǎn)是：
（a）、在維持自由水面流的管渠內(nèi)，管壁粗糙度等條件變化會(huì)導(dǎo)致流量值變化，而PB槽幾乎不受管壁粗糙度等條件變化的影響，測(cè)量值的長(zhǎng)期變化小；
（b）、PB槽的水頭損失在非滿管流儀表中屬于較小的，喉道部槽頂（Crest）自清洗效果顯著，幾乎不必?fù)?dān)憂固定物的沉淀和堆積；
（c）、作為渠道不發(fā)生自射流的條件，PB槽上游暗渠坡度必須在20/1000以下，然而實(shí)際渠道幾乎沒(méi)有會(huì)超過(guò)該坡度者。
（d）、渠道下游側(cè)水深必須小于上游側(cè)水深的85%，不能滿足此條件，測(cè)量精確度會(huì)下降，有時(shí)甚至無(wú)法測(cè)量。
3、流速-水位流量計(jì)
圖7所示是電傳播時(shí)間法超聲流速計(jì)和超聲液位計(jì)組成的流速-水位流量計(jì)一例，所測(cè)流速是線平均流速，水位是測(cè)量水面和超聲液位傳感器之間的距離間接求得。也有以測(cè)量點(diǎn)流速或局部小面積平均流速（例如多普勒法超聲流速計(jì)）和實(shí)際水位（例如壓式液位計(jì)）組成的流速-水位流量計(jì)，圖8漆所示即其一例，適用于圓形暗渠。
流速計(jì)除超聲式外，還有電磁式流速計(jì)以及現(xiàn)在用得較少的旋杯式流速計(jì)和旋槳式流速計(jì)。
圖7所示流速傳感器的位置相距渠床高度Y通常為0.1B（B為渠寬），ISO6418附錄A則規(guī)定了3～300m聲道長(zhǎng)度范圍內(nèi)最小的Y值。
圖9所示是流速-水位流量計(jì)信號(hào)系統(tǒng)和運(yùn)算框圖，VL是流速計(jì)實(shí)測(cè)的線平均流速，VL乘上線流速修正系統(tǒng)數(shù)KL求得流通面積A的平均流速
，即
。流量Q為
式中Kq——流量系數(shù)，Kq=AKL。
Kq的值取決于流通面積形狀（矩形倒梯形、圓形或U形）和渠壁粗糙度。圖中水深判斷部分用于判斷水位是否低于流速傳感器，若低于流速傳感器則保持在此之前的流速信號(hào)，使之能繼續(xù)運(yùn)算。
測(cè)量“點(diǎn)流速”的流速-水位流量計(jì)要引入點(diǎn)修正系數(shù)KP，即實(shí)測(cè)點(diǎn)流速與流通截面積平均流速之比。
流速-水位流量計(jì)的特點(diǎn)為：
（1）、渠道截面形狀不限于矩形，圓形、倒梯形或U形均適用.流量范圍度寬。
（2）、水位離渠床距離從接近零到滿位均能測(cè)量。暗渠即使達(dá)到滿管，壓力顯著增加時(shí)還能測(cè)量，而水位低于流速傳感器而無(wú)法測(cè)流速時(shí)，還可利用此前的流速信號(hào)作流量運(yùn)算。
（3）、由于從流速和水位兩個(gè)信號(hào)求取流量，即使在受背壓狀態(tài)下流動(dòng)，也能測(cè)量：同樣也可測(cè)逆向流（使用多普勒法流速計(jì)則應(yīng)注意，因型號(hào)而異）。
（4）、幾乎不會(huì)發(fā)生固形物堆積現(xiàn)象。超聲流速計(jì)和液位計(jì)不會(huì)阻礙流路，其他型式流速傳感器和液位傳感器尺寸相對(duì)較小，對(duì)流路阻礙也很小。
（5）、對(duì)于已有渠道，安裝容易，無(wú)需改造渠道工程。
（6）、易受來(lái)流流速分布影響，測(cè)量場(chǎng)所上下游要有足夠長(zhǎng)的直渠渠道。如圖7所示設(shè)計(jì)例，有關(guān)文獻(xiàn)列舉了多種渠道布置上/下游撓流件（如彎道、合流、落差、閘門等）的5～50倍渠寬的直渠段長(zhǎng)度要求。
4、水式電磁流量計(jì)
潛水式電磁流量計(jì)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(guò)，以較原來(lái)高的流速通向下游從而抬高擋板上游的水位，產(chǎn)生擋板上下游水位差h，此水位差的勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉賄的動(dòng)能，即
式中K——系數(shù)
g——重力加速度
潛水式電磁流量計(jì)工作時(shí)，液體流動(dòng)狀況屬于淹沒(méi)孔口流，孔口流出速度與孔口在自由表面下的沉沒(méi)深度無(wú)關(guān)，僅取決于上下游的水位差。也就是說(shuō)，流量測(cè)量值與流量傳感器（或分流模型）安裝位置無(wú)關(guān)，但要求盡可能低使之在運(yùn)行過(guò)程中始終處于淹沒(méi)流狀態(tài)。
通過(guò)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(shí)，為了避免水位差過(guò)大，可以用分流模型來(lái)擴(kuò)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(gè)分流模型和一臺(tái)傳感器一起安裝在擋板上并用，實(shí)際總流量即為傳感器實(shí)測(cè)流量乘上（n+1）倍。
潛水式電磁流量計(jì)的特點(diǎn)為：
（1）、無(wú)活動(dòng)件，可測(cè)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(cè)水位變化的渠道。
（3）、因設(shè)置擋板截流，測(cè)量與渠道形狀和上游直渠道狀況無(wú)關(guān)。
（4）、水頭損失較小，流量傳感器內(nèi)必須保持滿管流。
（5）、擋板前會(huì)有一些固形物堆積，要定期清理。
5、非滿管電磁流量計(jì)
非滿管電磁流量傳感器外形與傳統(tǒng)電磁流量傳感器相似，同樣除利用法拉弟定律檢測(cè)液體流速外，還要用某種方法檢測(cè)測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)液體高度，亦即過(guò)液流截面積，兩者相乘求得流量。現(xiàn)例舉最早推向市場(chǎng)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(cè)量管中央同一圓周上，水平軸及其下方分裝3對(duì)電極檢拾流速信號(hào)，上下兩激磁線圈交替正向和反向串接通電，產(chǎn)生兩種磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁力線分布，測(cè)得兩個(gè)不同流速信號(hào)，兩信號(hào)之間的比值和測(cè)量管中液位高度成一定函數(shù)關(guān)系。從這一關(guān)系便可求得液位高度，亦即取得過(guò)液流截面積與電極上流速信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，求得流量。它可測(cè)高于測(cè)量管內(nèi)徑10%液位的流量。
其他設(shè)計(jì)型號(hào)有：愛(ài)知時(shí)計(jì)電機(jī)公司采用相似原理，只是交替兩線圈串接同時(shí)通電激磁和單獨(dú)一線圈通電激磁。電極則是一對(duì)弧條形電極緊貼襯里；東芝公司設(shè)計(jì)的兩線圈軸線水平布置磁力線是水平方向。測(cè)量管底部置一電極測(cè)量其與測(cè)量管端部接地環(huán)之間的電位差。東芝公司稱，得到的信號(hào)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(dòng)等影響，可測(cè)液位高度30mm；Krohne公司的設(shè)計(jì)是利用在測(cè)量管底部10%內(nèi)徑高度的一對(duì)電極測(cè)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(jì)原理檢測(cè)測(cè)量管內(nèi)的液位高度。
非滿管電磁流量計(jì)的測(cè)量精確度因設(shè)計(jì)型號(hào)而異，在滿管運(yùn)行時(shí)為±1%R～±1.5%Fs，在非滿管運(yùn)行時(shí)為±3%R～±2%Fs；可供應(yīng)口徑范圍為150～2000mm。
非滿管電磁流量計(jì)的特點(diǎn)：
（1）、測(cè)量精確度在各明渠流量測(cè)量方法中較高，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流校準(zhǔn)。
（2）、能作正、逆方向雙向測(cè)量；既可測(cè)量非滿管流，也可測(cè)量滿管流。
（3）、應(yīng)用于圓形暗渠安裝簡(jiǎn)便，將流量傳感器直接接入即可。流量傳感器流通通道無(wú)撓流、阻流體。
（4）、應(yīng)擴(kuò)于池、槽排放，或連接于渠形明渠時(shí)，必須要有一段平滑過(guò)渡段。還應(yīng)有10倍管徑的前置直管段。
（5）、在不同坡度管道所測(cè)得的某同一流量，平緩坡度場(chǎng)所的流量傳感器內(nèi)液位高于急陡坡度場(chǎng)所。傳感器內(nèi)液位高度應(yīng)低于臨界深度（CriticalBepth液流為臨界流時(shí)的截面液深）。
（6）、未見(jiàn)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)本儀表。儀表本身價(jià)格比滿管電磁流量計(jì)貴許多。但應(yīng)用于圓形暗渠無(wú)需額外管渠工程費(fèi)用。
6、液位-流速演算式流量計(jì)
在一定坡度管渠內(nèi)液體自由表面自然向下流動(dòng),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(guān)系如曼寧公式（式5）所示。流量Q如式（6）。
式中A——過(guò)液流路斷面（m2）
n——管渠壁面粗糙度；混凝土管一般為0.015
對(duì)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(shù)。平均流速和流量Q僅是液位高度h的函數(shù)。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(xué)用微壓傳感器在坡度可調(diào)管徑200mm圓形管道的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置上作試驗(yàn)。管道坡度設(shè)在2/1000，以電磁流量計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)原型樣作流量比對(duì)試驗(yàn)。流量在24L/s時(shí)，h/d均為0.9。h/d為0.3～0.45時(shí)實(shí)際相對(duì)誤差≤
