電磁式流量計--計測原理
第一篇 污水流量計之計測原理、應用及校驗
1-1.設施之界定
放流口
放流口係依「事業水污染防治措施及排放廢污水管理辦法」（以下簡稱「污水管理辦法」）第一條規定，設於週邊界，可供採樣之陰井。
排放通道
所有排放廢污水之通道，可為明管、暗管或明溝(渠)，係將放流水彙集到申報之放流口通道。原則上，此通道應避免雨水流入。
流量計測設備
依據「污水管理辦法」規範：「流量計測設備」主體為所謂「累計型流量計」，惟儀表應配合相關量水構造物，令其量水器具能符合水理條件。
準此，所謂「累計型流量計」通常應裝於排放通道末端或出口，或通稱「放流口」或「放流水採樣井」之前後緣。
1-2.功能需求
量水設備最重要功能為符合環保查核之要求，較大規模之工廠並可供內部之生產管理或製程改善之用。
功能需求概要如下 :
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環保稽核需求 |
事業單位要求 |
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計測特性
廢（污）水水質與自來水差異大。
批量式排放者，常運行於計器之極端值，累計誤差增大。
使用條件
廢（污）水排放通道可（需）兼顧水質採樣口。
放流水頭多為低壓排放，為滿足水理條件時，需抬高流路水位。（抽至高池或從低池泵出）
1-3.品管與校驗
檢校核心：
流量計設備之安裝及使用的正確與否，有時比其本身的器差大小更為重要。」（雲科大研究報告）
電子式計器多數可調整比率係數，因而現場直接查驗為必要之程序；單憑型式認證無法確保計量之可信度。
計量品管與稽核管理方法簡表
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稽 核 管 理 事 項 |
方 法 或 配 備 |
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如何確保操作可信度 |
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儀器如何校核 |
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如何查證記錄資料正確性 |
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2-1.計測原理
流量計之品種繁多。但因「水」之計量通常以長時間連續流通之總量為數，且其尚非高價商品，因此，計測水量之流量計相對於油品之計量，即較為簡單粗放，多採用綜合容積原理計測，而鮮少考慮到質量。
本手冊乃以實用之觀點，挑選實務上適用於「長期自動積算」之類型，概略敘述其計測原理與用法；其個別詳細內容請參考有關文獻專著。
除機械水錶型流量計外，大多流量計通常包含感測部份與積算部份，感測部份並包含結構體與訊號輸出元件，積算部份則係對感測訊號予以轉換、並依時間而累計。
此外，工業上常用之「流量計」尚有：浮子式、鉗夾型超音波式。
便宜實用之「浮子式流量計」因不易引出測值訊號，未具「累計」功能；
靈活使用、冬功能之「鉗夾型超音波式流量計」，則因其裝設方法，較不具長期固定性，因而多用在其相對成本較低之大型管路。前述管路型流量計，多數用在廠內生產流程中各類流體之監測，其適用條件及使用方法，與廢（污）水排放之計量，實有頗大差異。
依據「污水管理辦法」之整合規範：「流量計測設備」應裝於排放通道末端或出口（或通稱「放流口」或「放流水採樣井」）之前後緣，以配合廢（污）水排放之水質及水量之管理。於此，明渠型態之「堰槽式流量計」似乎較具應用適合性。
管路式－流速感應器
量測流速 x 乘截面積 => 流率
管路式流量計大多感測管路中流体截面積或特定截面之平均流速，該流速測值乘上面積即得管路流率。另以機械齒輪組累計水量之水錶型流量計則依特定配比，直接以齒輪進位單位累計流通水量。
常見之管路流量計，除機械水錶型流量計外，皆以感測單元之輸出訊號乘上流量係數而得出流率；而此流量係數除管徑、水力係數等較固定參數外，尚包括感測元件之訊號轉換調校係數，並往往受流体密度及溫度之影嚮。因此，一般管路式流量計，大多需個別經由校驗系統率定其流量係數，且使用一段時間後，尚需再度校驗修正係數，以避免測值因漂移而增大誤差。
通用之管路型流量計可概分為：流通式（電磁式及超音波式），差壓式（孔口板、文氏管、噴流嘴等）、輪葉式、渦桿式。
各型管路型流量計之感測原理請參考以各圖。
管路型流量計通常須在積算部份輸入參數與係數，參數包括管徑、水質等，係數則主要在於零流率之訊號調平（Zero）及流率轉換比率（Scale或Gain），有的係數並包括流量計個體之調校修正係數。感測部份並包含結構體與訊號輸出元件，積算部份則係對感測訊號予以轉換、並依時間而累計。
電磁式流量計--計測原理
堰槽式－水位計
量測水位－自動換算流量
依據各型量水構造物（堰板）之水理公式，由流量計主機將測得之水位數值轉換為瞬間流量，亦稱為“流率”。流量計主機具有內部石英計時鐘時，自動每秒將流率（L/sec）數值加入計數器，即可得到“累計水量”數值。
堰槽式流量計主體為「明渠型測流裝置」。在污水排放之應用上，薄壁堰之量水槽為相當通用之型式；少數流量極大、重力排放水位差（水頭）又較小之場合，可利用自由排水之「文式槽」（Venturi Flume，類似文式管原理；亦稱「文丘里渠」）。除了量槽構造尺寸較為考究之負擔外，文式槽在污水排放之水理與渠道之保養上，皆優於量水堰槽。
然而，以一片不銹薄板（2 mm厚），將水流堵湧，量水流溢過堰板之水深而換算流率之方法，卻為公認最簡單易用、又具備足夠精度之量水方法。（詳ISO 標準手冊16：明渠水流測量）
量水堰型流量計之感測原理請參考如圖
文式槽（文丘里渠）之原理請參考如下圖
至於習知應用於明渠之「巴歇爾量水槽」（Parshall Flume），雖具備影響水流小、流路不沉積、可用於大流量等優點，但因其尺寸及型態較「文式槽」更為複雜，因而較少機會應用於污水之排放。
水位之感測
水位之感測為堰槽式流量計之計測主體。其精密度與測值正確性主宰了流量測值之可信度。
在量水堰槽之適當位置量測水位，可應用之感測元件繁多，包括浮筒式、超音波式、水壓式、電容式、探測式等。
個別感測儀器之概略原理，請參考第參篇及其他有關文獻專著
流量之積算
在量水堰槽之正確位置測得水位值，通常可直接套用各型量水構造物（堰板）包含尺寸之換算公式。
由於量水堰槽之尺寸不會變化，其流率數據單純依水位測值轉換得出，並可由對照表核對；而流量計量測之訊號（變數）為單一水位，最易現場校核。因此，在維持流量測值之可信度上，量水堰型最能滿足。
2-2.使用要件
本手冊乃以實用之觀點，挑選實務上適用於「長期自動積算」之類型，依設備結構與流體學理，概述其應用之流路條件。
流路之水理條件是否滿足，並非「對／錯」之二分法，而在系統不確定度之大小；通常較易出現問題者，多在接近「有效量測範圍」上限時，水流狀況變差而令流量公式不能適用。
管路式
若污水放流口係直接以管路排出，可設置管路型流量計；
管路式測流法有下列限制﹕
所有污水須經由該段管路排出(原則上需在水質取樣口之後)。
裝設流量計(感應器)之接管需有直管段，前後合計直管長度約需管徑之15倍，且出口部須抬高，使管路保持滿管狀態。
因出口部須抬高以保持滿管，日久管路淤堵，或流量計需拆下校驗與檢修時，較多困擾。
流量數值須在檢校場逐部校驗，裝設後無法在現場重予驗證，若有故障或準確度偏移，不易察覺。尤於葉輪式水錶，更快出現此問題。
葉輪式水錶只能適用於清水之計量。
當放流污水以管路排出，管路不能充分滿管時，可以借助 V 形向下之彎管結構。詳下圖：
彎管，可選用沖洗連接
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區分 |
感應器上游 |
感應器下游 |
| 90。彎管 |
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| T型管 |
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| 擴大管 |
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| 縮小管 |
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| 各式閥門 |
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| 幫浦 |
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堰槽式
若污水放流口係明渠(溝流)型式，極適宜設置堰槽式流量計；
其原理為：特定形狀之堰板會對水流形成固定之水位－流量關係公式，只要量測水位，即可換算出可靠度極佳之流量數值。
堰流式測流法係水利上最通用可靠之方法，其精度在1∼3%之間。
堰流式測流法優點如下﹕
測流數值「直觀」，可隨時查看堰上水尺之刻度，依水位－流量對照表，校核流量計是否正常或準確。
測流設備與放流設施互不影響，尤其於既設堰槽之放流口更是現成，儀器裝設與維修皆不影響正常之排放作業。
堰流式測流法亦有下列限制﹕
堰槽尺寸須需合乎水理條件﹕放流排出口應低於堰板基點十公分，避免出現「潛流」。
廢污水於終沉池以管路自由（重力式）排出者，若則該排放管路之長度較長，則管徑應與加大，或量水堰槽應予降低，避免溢池。
若重力排放之終沉池至排放口外下水道之水位差（高程）不足，則不適合採用「堰板式」；可改採「文式槽」。
2-3.選型要點
選型主要考量：
符合法規要求
合於現場放流條件、設施經費小
易查核測值(直接驗證瞬間流量與累計量)
維護管理簡易、操作成本低
故障率低，修復需時短
必要時，可擴增功能，有助於生產管理或製程改善
選管路式之條件：
既設管路已被核可、且無設量水堰槽空間者
水量小，既設排放通道為管徑50mm以下
水質良好，且具備維護人員，可定期保養者(6-12個月一次)
具備儲槽，可供校核流量測值者
堰槽式應避免之情況：
批次排放者，瞬間最大流量應確實估算，以免堰槽容量不足
流路高程須有足夠水頭落差，堰槽尺寸須符水理
附表 市售 污水流量計 之類型及特性一覽表
管路式
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測流特點/適用性 |
計器類型 |
優 點 |
弱 點 |
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既設管路已被核可者
須使管流維持滿管 |
葉輪式 &(水錶) |
裝設便宜 |
管流型共同限制 |
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差壓式 |
傳統技術產業成熟 |
管流型共同限制 |
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渦桿式 |
水質影響小 |
管流型共同限制 |
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電磁式 @ |
不受水質影響 |
管流型共同限制 |
堰槽式
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測流特點/適用性 |
計器類型 |
優 點 |
弱 點 |
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放流口為溝渠型式者
須較大平面空間 |
超音波式 @ |
不與液面接觸 |
堰流型共同限制 |
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水壓式 |
感測穩定性尚可 |
堰流型共同限制 |
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類超音波式 @ * |
無須靜水井管 |
堰流型共同限制 |
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浮筒式 @ |
感測精密穩定性高 |
堰流型共同限制 |
註：@ 為目前裝設較多之類型 & 因須常拆卸清理，使用者終將汰換更新
＊一般常用於量水堰槽之超音波流量計，其主要特徵為「液位感測探頭固裝於測點之液位上方」，隔空發射一束超音波，測量該音波由液面反射回到探頭之時間差，再乘上超音波在空間行進速度，換算出探頭距液面之高度，計入零點之相對距離，即可得出測點之水位高度。
亦有人將感測探頭(超音波發射及接收器)固裝於液中之零點以下，其目的係為避免音波行進路徑之介質密度變化不定(受溫度及流場影響)；同時亦可提高音波頻率而提高測距解析度。
3-1.校驗要點
檢校核心：
「流量計設備之安裝及使用的正確與否，有時比其本身的器差大小更為重要。」（雲科大研究報告）
電子式計器多數可調整比率係數，因而現場直接查驗為必要之程序；單憑型式認證無法確保計量之可信度。
檢校要項
現場安裝水理條件
流量計設備特性是否符合放流水之長期使用
設備安裝之水理條件是否滿足（流路長度與水頭高程）
器械尺寸是否正確
實際管徑與設定係數是否符合（應避免可再調設）
堰板尺寸角度是否與流量換算公式一致
管路式流量計日常校驗重點
管流是否滿管
轉換係數是否偏移（日久積垢）
堰槽式流量計日常校驗重點
堰板零點是否正確
水位測值是否精確
人為因素
下列影響計量可靠度之人為因素，為所有品牌共通事項：
是否繞流 ( 堰槽式：加蓋即可防止 )
是否尺寸改變
是否停電不累計等
3-2.管路式校驗方法
管路式流量計之基本檢定：
習知之水量計檢定方法為：將儀錶拆下，送至水錶檢驗場檢定。
各處檢驗場，對中大型水錶亦有使用堰槽作為校驗基準者：如自來水北區水錶修理廠，美國USGS等。
管路式流量計「拆錶送檢」之缺失：
工廠之排放管路受影響；
儀表之拆裝、運送、校驗等費用不貲；
目前之校驗場所有限，其檢校能量恐無法負荷（排隊候檢）。
若放流管路之實際使用條件不符規範，則校定合格不代表實裝之測值可信。
管路式流量計之就地檢驗：
事實上，依據度量衡國家標準認證體系，受國家標準室驗室認可之檢驗機構，可持經過追溯校驗之儀器至現場校驗。
管路式流量計若符合下列條件，亦可就地檢驗：
具備足夠長度、水理條件與待檢件相同之管路，可以串接基準流量計直接比對校核。
廠內具備截面積規則之終沈池，以「池水水位之下降量乘以時間」，可對待測流量計做容積式校核。
鉗夾式超音波流量計因存在排放管材質及管厚等變數影響，用以做為校核時，其精度較差。
若裝設之管路式流量計，確知易因水質影響導致感測元件變鈍（計量變小），則可要求較密集之校檢週期，或加強抽檢。
3-3.堰槽式校驗方法
堰槽式流量計之基本檢定：
初安裝時，查看排放最大流量之流況─水理條件是否符合
確認其安裝條件是否妥善。
量度堰板尺寸是否與內設公式相符─流量換算公式是否符合
量度三角堰之角度及梯型堰、短形堰之底寬等。
查驗校驗水尺之零點是否正確
查驗水位側值是否與水尺一致
調整大、中、小不同水位（流量），核對流量計之水位側值是否與水尺一致。（流量數值由儀器內部依水位換算）
堰槽式流量計之定期校驗：
前述堰槽式流量計之校驗方法，前三項一經確認，爾後每年校正時，只要核對水位即可。
正規使用時，堰槽式流量計需校驗者：除了內部程式換算之流量公式是否無誤外，主要只在「水位感應器是否精確性」一項。包括：
感測精密性
線性度
長期穩定性
對水質適應性
「堰槽式流量計」就地校驗所需經追溯之標準器，包括：
長度領域之『標準直尺』、『水平儀』及計時器即可。
3-4.校驗體系
地區性檢定設備
建議由各主要工業區污水處理廠附設基本檢定系統，可作基本檢校
工業區中各工廠可能選設之型式較多，檢定設備需為多功能型
地區性校驗團隊
因現場安裝為重要關鍵，安裝成果之查核為首要步驟；
建議由環檢機構負責，地方環保局或工業區管理中心複核。
前有關人員須具備完整水理及計器知識
在有關型式認證與檢定規範未訂頒之前，先委託「工業污染防治技術服務團」或「工研院量測中心」，對各工業區管理人員辦理「污水用流量計」之講習，建立「就地校驗」之方法與準則。
「量水堰法」為環保署環檢所研訂公告之「環境檢測方法」中，目前較具體化且適於長期計量之水量測定方法（NINE W021.50T）。（詳附錄二）
雖「量水堰法」非專為「累計型流量計」而訂，然結合量水堰與水位計組成之流量計，確為極實用之設備；只要掌握重點水理條件，即可成為穩定、易用、好管理之儀表，
附錄二已詳細描述「量水堰法」之有關細節，下列僅挑出實務重點，供各類放流條件應用之參考。
針對各事業單位廢污水排放用途，本手冊僅納入實用之「薄壁堰」。
4-1.堰板結構
不論所使用的堰板形式如何，下列要點應符合：
堰板之內側(上游側)必須為直角。若板厚在2mm以內，則下游側只要平滑即可(如圖3.6.2)。主要目的在避免越過堰口板之水流黏附在板面上。
堰板在水平及垂直方向皆需垂直於流道的軸線，且水流越過之開口接觸面(crest)必須保持水平，以確保感測水位之代表性。
堰板與明渠之接合處必須以防水塗料密封。
堰板開口底端需高出下游最大水位高度，以確保自由流(free flow，可參考圖3.6.4)之狀態。
在「量水堰法」規範中，列出直角三角堰、矩形堰、全堰三型。而在ISO標準手冊中，梯形堰亦為極實用之堰型。
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堰型 |
主要特點 |
適用流量 |
使用限制 |
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直角三角堰 |
極小流量仍可適用 小流量解析度高 |
流量小；水頭高程沒限制時 |
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矩形堰 |
堰板簡單，且可隨堰口寬度調節解析度 |
流量中等；水頭高程限制小時 |
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全堰 |
過流斷面與流路渠道等寬，堰板對渠道水位回湧最小 |
流量大；水頭高程不夠時 |
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梯形堰 |
融合三三角堰矩形堰之優點：避免水位回湧過高，又能在較小流量時提高精度 |
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4-2.堰板前水流
堰板上游直道長度應足夠，以維持堰板前水面之平穩，且渠道底部僅能容許很小(幾乎水平)的坡度。
4-3.水位之測點
4-4.水頭
4-5.誤差分析
5-1.污水暫存池與排放動力
5-2.堰板應高於排出管水位
5-3.排污管理之需求
5-4.排放口及流量計受外部之影響
5-5.管路壓損及污水暫存池之水位
5-6.雨水之排除
