Измерване на дебит в открити канали с ултразвук: преобразуване на нивото в дебит чрез преливници, улеи и уравнението на Менинг

Измерването на открит канален поток е определянето на обемния дебит в канал, водосточна тръба или частично напълнена тръба, където течността се движи под действието на гравитацията със свободна повърхност, отворена към атмосферата. Тъй като геометрията на канала е фиксирана и известна, потокът може да бъде изведен от единично измерване на нивото: ултразвуков трансмитер за ниво измерва височината на водата над референтна точка — напорът — и трансмитерът или изчислител за поток преобразува този напор в дебит, използвайки уравнението за отвеждане на инсталирания първичен елемент, като V-образен преливник или паршалов улей, или, за правоъгълни и естествени канали, уравнението на Манинг. Този подход от ниво към поток се прилага в комуналните предприятия за вода и отпадъчни води, защото е безконтактен, изисква ниска поддръжка и обикновено е точен до ±1–2% от дебита, когато първичният елемент е правилно инсталиран и трансдюсерът е правилно монтиран. За предприятия, които трябва да измерват непрекъснато и доказуемо отпадъчни води, напоителни доставки и дъждовни води, базираното на напор ултразвуково измерване остава най-рентабилният стандарт.

Защо откритият канален поток се измерва чрез ниво

Откритите канали са навсякъде във водната индустрия: входни и изходни канали в пречиствателни станции, напоителни канали и водовземни съоръжения, дъждовни оттоци и промишлени отвеждащи линии, които се вливат в общински канализации или приемащи водни басейни. Определящата характеристика на открития канален поток е свободната повърхност. За разлика от затворена тръба, напълнена догоре, където потокът може да се изчисли от измерване на скоростта и площта на напречното сечение на тръбата, откритият канал има ниво на течността, което се повишава и понижава с промяната на потока — и това ниво е пряка, възпроизводима функция на дебита, при условие че потокът се контролира от известно напречно сечение.

Това е ключовият принцип зад измерването на поток чрез ниво. Ако инсталирате хидравлична контролна структура с известна форма — преливник, който принуждава водата да прелива през горния му ръб, или улей, който стеснява потока през гърлото — тогава за тази структура съществува уникална връзка между нивото на водата преди структурата (напорът) и преминаващия поток. Измерете точно напора и потокът следва от просто изчисление, без движещи се части, нищо не се вкарва в потока и няма какво да се запуши или замърси. Ето защо този метод остава основен за измерване на нивото на вода и отпадъчни води от входа на станцията до крайния изход.

Връзката се описва с уравнение за отвеждане от общата форма Q = C·h^n, където Q е дебитът, C е коефициент, който зависи от геометрията на структурата и използваните единици, h е напорът, измерен над референтна кота, а n е показател, определен от формата на структурата. Ето защо първичните елементи се изработват с точни размери: точността на цялото измерване произтича от известната геометрия и отчитането на напора.

Първични елементи и техните уравнения за отвеждане

Изборът на първичен елемент е най-важното инженерно решение при инсталация за измерване на открит канален поток, защото елементът определя обхвата на потока, обхвата на напора, който ултразвуковият трансмитер трябва да разреши, и чувствителността на измерването. WELK's открит канален ултразвуков разходомер за ниво е програмиран със стандартните уравнения за водно количество за всички често срещани преливници и улеи, така че трансмитерът се конфигурира просто чрез избор на типа елемент и въвеждане на неговите размери.

V-образни (триъгълни) преливници

V-образният преливник е тънка плоча с триъгълен отвор, монтирана напречно на канала, така че целият поток преминава през отвора. Неговото уравнение за водно количество е Q = C·h^2.5; показателят 2.5 дава отлична чувствителност при нисък дебит, тъй като малка промяна в напора предизвиква пропорционално по-голяма промяна в дебита. Това прави V-образните преливници идеални за ниски дебити като пилотни инсталации, дозиращи потоци, напоителни отклонения и входни води на пречиствателни станции през нощта. Компромисът е, че разделителната способност намалява при високи напори, ръбът трябва да остане остър и чист от отпадъци, а напорът трябва да се измерва на определено разстояние преди преливника — обикновено три до четири пъти максималния напор — за да се избегне кривата на понижение близо до ръба.

Правоъгълни и притиснати преливници

Правоъгълните преливници са тънки плочи с хоризонтален правоъгълен отвор. Притиснатият правоъгълен преливник обхваща цялата ширина на канала, така че страничните свивания се елиминират; свит преливник има вертикални странични свивания. Уравнението за водно количество е Q = C·h^1.5, като C включва дължината на ръба и коефициента на водно количество. Показателят 1.5 подхожда на средни и по-високи дебити, където обхватът на напора е умерен. Правоъгълните преливници са лесни за производство и калибриране, но споделят общите ограничения на преливниците: натрупване на утайки преди тях, износване на ръба и необходимост от свободно падаща струя след ръба.

Улеи на Паршал

Улеят на Паршал е предварително оформена стеснена отворена канавка със сближаващ се вход, гърло и разширяващ се изход, разработена първоначално за напоителни канали. Определящото му предимство е, че работи с минимална загуба на напор и не изисква водата преди него да се задържа зад язовирна стена, така че обработва вода, носеща суспендирани твърди частици и пясък, без утаяване, от което би страдал преливник. При условия на свободен поток уравнението за водно количество е Q = C·h^1.55. Показателят 1.55 е по-нисък от този на преливник, което дава на паршаловия улей по-широк полезен диапазон на напора и по-линейна характеристика. Напорът се измерва в определена точка на стесняващия се участък, приблизително на две трети от височината на входа от гърлото. Тъй като улеите се самопочистват и пропускат отломки, те са предпочитаният първичен елемент при отпадъчни и дъждовни води.

Улеи Palmer-Bowlus

Улеят Palmer-Bowlus (P-B) се монтира вътре в съществуващи тръби — обикновено кръгли канализационни тръби с диаметър 150–900 mm — чрез повдигане на дъното и стесняване на гърлото. Често се инсталира в шахта без изкопаване на линията, което го прави икономичен за общини, модернизиращи мониторинга на отточните води. Неговата зависимост на дебита е Q = C·h^n, където коефициентът и показателят са таблични за всеки размер на тръбата; показателят обикновено е около 1.5, но варира с диаметъра. Улеят P-B поддържа тръбата относително свободно течаща, минимизирайки претоварването и обратния подпор в сравнение с преливниците, но трябва да бъде оразмерен спрямо диаметъра на тръбата и работния диапазон, така че гърлото да не бъде наводнено.

Уравнението на Менинг за правоъгълни и естествени канали

Преливниците и улеите са първични елементи, защото налагат известна геометрия на потока. Но не всеки канал може да бъде оборудван с тях. Дълги напоителни канали, естествени потоци и облицовани трапецовидни канали обикновено се измерват директно с уравнението на Менинг:

Q = (1/n) · A · R^(2/3) · S^(1/2)

където n е коефициентът на грапавост на Менинг, A е площта на напречното сечение на потока, R е хидравличният радиус (площ, разделена на намокрения периметър), а S е енергийният градиент, апроксимиран от наклона на канала. За правоъгълен канал с известна ширина, площта и хидравличният радиус могат да бъдат изчислени от едно измерване на дълбочината, така че ултразвуков предавател може да решава уравнението на Менинг непрекъснато и да извежда дебита директно.

Предупрежденията са важни за точността. Уравнението на Менинг предполага стабилен, равномерен поток — условия, рядко изпълнени точно на терен. Коефициентът на грапавост трябва да бъде избран според облицовката на канала (бетон, пръст, трева, каменна настилка) и се променя със сезона, растежа на водорасли и утайки. Напречното сечение трябва да бъде еднородно на представителна дължина, а наклонът трябва да е известен. Поради тези несигурности, измерването на дебит на базата на Менинг обикновено се цитира с точност ±5–10% от стойността — приемливо за много оперативни и регулаторни цели, но по-слабо от инсталация с преливник или улей. Остава стандарт за големи канали, където първичен елемент би бил прекалено скъп или хидравлично разрушителен.

Как ултразвуков предавател измерва напора и го преобразува в дебит

Ултразвуков предавател за ниво измерва напора, като излъчва високочестотен акустичен импулс (обикновено 30–90 kHz) от трансдюсер, насочен към водната повърхност, измерва времето за отиване и връщане на ехото и изважда измереното разстояние от известната височина на монтаж, за да получи нивото на течността. Трансдюсерът е монтиран на фиксирана височина над референтната точка на първичния елемент — ръба на преливник или дъното на улей — така че показанието за разстояние се превръща в напор над тази референция. След като напорът е известен, предавателят прилага избраното уравнение за дебит и извежда моментния дебит, общ обем и сигнал 4–20 mA, пропорционален на дебита, за PLC или SCADA системата на инсталацията.

Тъй като преобразувателят никога не докосва течността, системата не носи никакви санкции за замърсяване, корозия или загуба на налягане, както при вградените устройства, и може да бъде монтирана над канала, без да спира потока. За изходен сигнал, захранван от веригата двупроводен ултразвуков трансмитер за ниво доставя 4–20 mA директно в съществуващите контролни вериги, докато разделен ултразвуков измервател на ниво с дистанционен дисплей държи преобразувателя при канала, а дисплея в панелното помещение — често срещано решение за измервателни станции, където електрониката трябва да е на закрито.

Точността на преобразуването зависи от три неща: първичния елемент (известна геометрия), измерването на нивото (ултразвукова повторяемост от ±0.2–0.5% от обхвата) и монтажа. При правилно оразмерен елемент и правилно позициониран преобразувател, общата точност на системата от ±1–2% от дебита е реалистична.

Изисквания за монтаж на ултразвуковия преобразувател

Където е разположен преобразувателят е също толкова важно, колкото и какво измерва. Точката на измерване на нивото се определя от стандарта за първичния елемент — за паршалов канал, две трети нагоре по конвергентния вход; за преливник, определено разстояние нагоре по течението от ръба. Преобразувателят трябва да е разположен точно над тази точка с чист, безпрепятствен път на звука до водата.

Три правила за монтаж доминират в полевата практика. Първо, дръжте преобразувателя достатъчно далеч от елемента и от входовете, така че турбулентността и повърхностните вълни да не смущават отчитането на нивото; минимално разстояние на подход от няколко пъти максималното ниво е типично, а успокоителен кладенец често се използва за заглушаване на вълните. Второ, стойте извън зоната на заглушаване на инструмента (мъртвата зона в близкото поле на лицето на преобразувателя) и потвърдете, че трансмитерът компенсира температурата, която променя скоростта на звука. Трето, избягвайте насочването към пяна, аерирани зони или разбита, бързо движеща се вода, всички от които разсейват импулса. Където потокът е груб или каналът е дълбок и тесен, успокоителен или байпасен кладенец, свързан с точката на измерване, дава най-надеждното отчитане.

Ултразвуков срещу други методи за измерване на поток

Ултразвуковото измерване на поток на базата на ниво е една от няколкото технологии, достъпни за водната индустрия, и изборът е компромис между точност, цена и физическите ограничения на обекта. Таблицата по-долу обобщава най-често срещаните опции.

Доплерови и площ-скоростни разходомери

Доплеровите разходомери измерват дебита, като отразяват звука от включени частици или мехурчета и изчисляват скоростта от доплеровото отместване, след което умножават по намокреното напречно сечение. Те работят с утайки, суспензии и претоварени тръбопроводи, където не може да се използва преливник или улей, и могат да бъдат инсталирани без модификация на канала. Компромисът е, че точността зависи от предполагаемия профил на скоростта, а сензорите изискват частици в течността — чистата вода ги прави неизползваеми. Типичната точност е ±2–5% от дебита.

Магнитни разходомери

Електромагнитните разходомери измерват напрежението, индуцирано, когато проводима течност се движи през магнитно поле, което дава истинската средна скорост, и са сред най-точните измервателни уреди за дебит с точност ±0.5–1% от дебита. Но те са вградени устройства за пълни тръби: тръбата трябва да е пълна и измервателният уред трябва да остане потопен, което ги изключва за гравитационни открити канали. Те са естественият избор за тръбопроводи след помпи и други затворени пълни тръби, но на значително по-висока цена за измервателна точка отколкото станция с ниво и първичен елемент.

Радарни и хидростатични алтернативи

Където ултразвукът е непрактичен — тежка пяна, конденз или много голям обхват — радарен разходомер за ниво за открити води предлага същата логика ниво-към-поток с микровълново измерване на нивото. Радарът прониква през пари и известна пяна по-добре от ултразвука, при по-висока цена за еквивалентно приложение. Където повърхността е твърде смутена за надеждно безконтактно отчитане, потапяем хидростатичен трансмитер за ниво може да бъде поставен в успокоителна тръба и да измерва налягането на течността, с цената на мокър сензор, който изисква повече поддръжка. Пълно сравнение на технологиите за измерване на ниво е налично в нашето ръководство за избор на сензори за измерване на ниво във вода и отпадъчни води.

Ограничения и как да ги преодолеем

Ултразвуковото измерване на поток на базата на ниво е надеждно, но има добре дефинирани ограничения, които инженерите трябва да вземат предвид при проектирането.

Пяна. Ултразвуковите импулси се разсейват и абсорбират от пяна, причинявайки загуба на ехо или грешни показания. Лека, стабилна пяна често може да се управлява с успокоителна тръба или честота на трансдюсера, която прорязва пяната; тежка или подвижна пяна може да наложи преминаване към радар или друга технология.

Твърди частици и отломки. Преливниците задържат потока отгоре и утаяват пясък; улеите се самопочистват, но все пак могат да бъдат запушени от големи парцали в канализационни услуги. Редовна инспекция и отстраняване на утайки отгоре за преливниците принадлежат към плана за поддръжка.

Претоварване. Ако улей или преливник бъде потопен надолу по течението — потокът се връща назад над ръба или през гърлото — уравнението за свободен поток вече не важи и показаният дебит е грешен. Инсталацията трябва да позволява свободно падане, или станцията трябва да премине към изчисление за потопен поток, което изисква второ измерване на нивото.

Ефекти от обратна вода. Нивата надолу по течението, които се покачват в зоната на измерване, изходи, повлияни от приливи, или препятствия надолу по течението изкривяват връзката между напор и дебит. Първичният елемент трябва да бъде оразмерен и поставен така, че да работи в условия на свободен поток в целия очакван диапазон.

Разделителна способност при нисък напор. Поради степенната зависимост, дъното на диапазона на напора е мястото, където малките грешки в нивото водят до най-големи грешки в дебита. Оразмеряването на елемента така, че нормалният поток да попада в горните две трети от диапазона на напора, значително подобрява точността.

Често задавани въпроси

Колко точни са ултразвуковите измервания на открит канален поток? При правилно инсталиран първичен елемент и трансдюсер, общата точност на системата обикновено е ±1–2% от скоростта за преливници и улеи, и ±5–10% за измервания по уравнението на Менинг в естествени канали. Самото отчитане на напора обикновено е ±0,2–0,5% от диапазона; повечето от неопределеността идва от геометрията на конструкцията и инсталацията.

Каква е разликата между преливник и улей? Преливникът е плоча, която прегражда потока и го принуждава да премине през ръб, създавайки басейн отгоре и загуба на напор. Улеят е стеснение на канала, което ускорява потока през гърло с малко задържане отгоре. Преливниците са по-прости и по-евтини и подходящи за чисти, ниски потоци; улеите пропускат по-лесно утайки и отпадъци и са предпочитани в канализационни услуги.

Може ли ултразвуковото измерване на дебит да се справи с пяна и парцали в отпадъчни води? Пяната разсейва ултразвуковия импулс, а парцалите могат да запушат преливния ръб или гърлото на улей. Леката пяна се управлява с успокоителен кладенец, но при тежка пяна или поток с отпадъци е по-добре да се използва улей на Паршал или Палмър-Боулус с редовна инспекция — или да се премине към радарна или площно-скоростна технология.

Нужен ли ми е успокоителен кладенец? Не винаги, но се препоръчва там, където повърхността е вълниста, турбулентна или аерирана. Успокоителен или байпасен кладенец, свързан към точката на измерване на напора, осигурява спокойна, стабилна повърхност за трансдюсера и е почти задължителен при високи дебити и канали със силна входна турбулентност.

Може ли ултразвуковото измерване на нивото да замени магнитен дебитомер? За открити канали и гравитачни потоци — да, магнитен дебитомер не може да работи, защото тръбата трябва да е напълно пълна. Когато магнитен дебитомер с пълна тръба е приложим, той е по-точен (±0,5–1% от обхвата), но и по-скъп. Решението зависи от това дали потокът е в пълна тръба или в открит канал.

Получете безплатна препоръка за пакет за открит канал

Оразмеряването на станция за открит канал означава съчетаване на три неща: геометрията на канала (ширина, кота на дъното и налична дължина нагоре по течението), обхвата на дебита (минимален, нормален и пиков дебит, плюс допустимата загуба на напор) и самата течност (чиста вода, дъждовна вода или отпадъчни води с твърди частици). Ако тези три неща са правилни, останалото — тип на първичния елемент, модел на трансмитера, проект на успокоителния кладенец и изходния сигнал — си идва на мястото. Инженерите на WELK работят ежедневно с професионалисти в областта на водата и отпадъчните води и могат да препоръчат правилния пакет за открит канал от гама от над 66 продуктови модела, покриващи ултразвукова, радарна и хидростатична апаратура за измерване на ниво за всяко приложение. Изпратете размерите на канала и очаквания обхват на дебита на WELK за безплатна препоръка за пакет за открит канал, включваща избор на първичен елемент, спецификация на трансмитера и указания за монтаж — с директна поддръжка от завода от проектирането до пускането в експлоатация.