Условия в канале перед лотком для правильной работы лотка Паршалла

Для правильной работы лотка Паршалла важно соблюдать определенные рекомендации при выборе места и при установке лотка. В частности, важнейшее  значение имеют условия на входе в лоток.Как правило, возникает желание  сказать, что там и так   места для установки лотка,  или что состояние потока вверх по течению от лотка вполне себе ничего ,ну  и так далее. К сожалению, несоблюдение требований к подводящему участку канала и к состоянию потока в канале  вверх по течению могут привести к большим погрешностям измерения расхода.

 Чтобы предотвратить образование волн и нестабильность водной поверхности, число Фруда не должно превышать 0,5 для всего диапазона ожидаемых потоков на участке  длиной 30хHа в верхнем бьефе (Hа- уровень потока в измерительном сечении лотка Паршалла , соответствующий данному расходу).

Течение должно быть спокойным (полностью развитое течение в длинном, прямом, умеренно гладком русле). В качестве общего правила, этому входному условию будет соответствовать прямой участок вверх по течению, длина которого в 10-20 раз превышает ширину горловины  лотка.

  Поток  должен находиться в докритическом состоянии. лоток  Паршалла  работает за счет ускорения потока  и переводе его из докритического режима в  сверхкритический, что позволяет использовать для определения расхода  одно измерение уровня перед горловиной лотка.

  Поток должен быть равномерно распределен по сечению канала. Неправильное распределение потока может привести к различиям в измерениях уровня, поскольку поток через горловину ускоряется неравномерно. В приведенном ниже примере показано, что поток приближается к лотку Паршалла  с горловиной  120 дюймов [304,8 см], где S-образный изгиб входного участка канала создает неравномерное распределение потока, о чем свидетельствует отсутствие турбулентности в правой части горловины. Кроме того, правая сторона также испытывает сверхкритические потоки. Оба условия были устранены только после того, как перед лотком  был установлен ограничитель скорости (в данном случае бетонный разделитель потоков).

Этому лотку Паршалла уже 30 лет

 

Этот лоток Паршалла был установлен 30 лет назад. Отводящий канал зарос, лоток подтопило ,и поток, рассчитанный с помощью штатного измерителя глубины, примерно на 40% больше, чем на самом деле.

Лотки Паршалла по ISO или по ASTM (США) –устранение путаницы вокруг стандартов измерения и мониторинга расхода

 ВВЕДЕНИЕ

Лоток Паршалла назван в честь его главного разработчика, доктора Ральфа Л. Паршалла,который в 1915 году, работая в качестве инженера-исследователя в Министерстве сельского хозяйства США  (USDA), обратил внимание  практические трудности с  измерениями расхода воды в открытых каналах.   В 1922 году под названием "Усовершенствованный лоток Вентури" он опубликовал результаты свои исследований  в Сельскохозяйственном  колледже штата Колорадо. Так лоток ,им предложенный , стал известен как лоток  Паршалла.

К 1953 году доктор Паршалл разработал соотношения глубины и расхода для своих лотков  шириной горловины от 3 дюймов до 50 футов. В течение многих лет  Руководство  по измерению расходов воды Бюро мелиорации США, впервые опубликованное в 1953 году, и Циркуляр Министерства сельского хозяйства США № 843, также опубликованный в 1953 году, служили справочным материалом по размерам лотков Паршалла, характеристикам потока в них  и областям применения.

  Со временем универсальность  лотка Паршалла  стала причиной его использования в различных областях, включая распределение прав на воду, мониторинг водосборных бассейнов и  измерение расхода на очистных сооружениях  сточных вод.  Лоток Паршалла стал оказывать  значительное влияние на справедливое распределение и надлежащее управление  потоками  воды в оросительных системах. Растущая популярность лотка также привела к ряду исследований принципов его работы,  использования и прикладной направленности, а также к расширению номенклатуры типоразмеров лотка  для  измерений как в области больших ,так и в области малых расходов.  В конечном счете, была осознана необходимость стандартизации лотка Паршалла мировыми организациями по технической  стандартизации - в частности, ASTM International и ISO.

 Поскольку  лоток  Паршалла имеет короткую горловину ,было важно, чтобы  его размеры  были точными и стандартизированными по допустимым отклонениям. Другими примерами лотков с короткой горловиной  являются лотки Кафаги, лотки H-flumes и лотки Палмера-Боулюса.

Лотки с длинной горловиной  – это прямоугольные лотки и  U-образные лотки критической глубины, трапециевидные лотки(Trapezoidal Flumes).

В 1991 году ASTM стандартизировала лоток  Паршалла по ASTM D1941-91

«Стандартный метод испытаний для открытого канала Измерение расхода воды с помощью лотка Паршалла». Этот  тип лотка Паршалла также известен как американский лоток  Паршалла.

Далее подключилась  ISO, и  в 1992 году последовал  стандарт ISO 9826:1992 «Измерение расхода жидкости в открытых каналах – лотки Паршалла и САНИИРИ (Средне-азиатский научно-исследовательский институт

ирригации).

За прошедшие годы стандарт ASTM претерпел несколько изменений, особенно в 1996, 2001, 2007 и 2013 годах. Стандарт ISO  не нуждался в обновлении с момента его публикации в сентябре 1992 года. Стандарты ISO пересматриваются каждые пять лет, и в 2018 году было подтверждено, что он является действующим.

УРАВНЕНИЯ ПОТОКА И МЕТОДОЛОГИЯ

Методология расчета расхода при помощи лотков Паршалла  соответствует стандарту ISO 9826:2018 и ASTM D1941-91 (2013). В обоих  стандартах  ISO 9826:2018 и ASTM D1941-91 (2013) представлены методы расчета расхода через лотки Паршалла. Поскольку лоток  Паршалла является стандартным лотком, эти два метода должны быть аналогичны, но тщательное сравнение приблизительных размеров и ширины горловины показывает различия

в двух стандартах. В ASTM D1941-91(2013) таблицы расхода лотков Паршалла  содержит страницы табличных данных, которые сложнее внедрить в компьютерную программу по сравнению с таблицами, рисунками и уравнениями  стандарта ISO 9826:2018. ISO 9826:2018 оперирует единицами измерения СИ (метрическая система) , в то время как ASTM D1941-91 (2013) использует имперскую и обычную для США системы измерений.

Лотки  Паршалла по стандарту ASTM D1941-91 (2013) определяются шириной горловины – размеры варьируются от 1 дюйма до 300 дюймов (25 футов).Стандарт  ISO 9826:2018 определяет диапазон измерений расходов лотков Паршалла  по номеру модели – от (P)1 до (P)21, а размер - по ширине горловины. Лотки Паршалла должны быть изготовлены с учетом их размеров в строгом соответствии со спецификациями, содержащимися в опубликованных документах стандартов ISO 9826:2018 и ASTM D1941- 91(2013). Каждый лоток Паршалла - это эмпирическое устройство, откалиброванное гидравлически и индивидуально, промежуточные размеры  не стандартизированы  ISO , либо ASTM.

Лотки  Паршалла не являются масштабными моделями друг друга. Чертежи основных размеров двух стандартов полного ассортимента лотков Паршалла, основанные на обоих стандартах, можно бесплатно получить у автора.

ПРОЦЕССЫ СТАНДАРТИЗАЦИЯ ISO И ASTM

 Стандарты важны в международной торговле, поскольку несоответствующие друг другу стандарты могут быть барьерами в торговле, дающими некоторым организациям преимущества в определенных регионах мира. Стандарты содержат четкие, идентифицируемые ссылки, которые признаны на международном уровне объединять и поощрять честную конкуренцию в странах со свободной рыночной экономикой. Стандарты облегчают торговлю за счет повышения качества и надежности продукции, большей функциональной совместимости и соответствия требованиям безопасности, большей простоте обслуживания и снижению затрат.

 Соответствие требованиям ISO, сертификация и аккредитация организации по стандартам ISO - это просто способ доказать , что организация действительно соответствует соответствующему стандарту (или стандартам ). От одних организаций требуется внедрять эти стандарты, а от других - демонстрировать свое соответствие им. Даже название организации ISO стандартизировано. Название “ISO” не является аббревиатурой, а произошло от греческого слова “isos”, означающего “равный”.(Отношение к стандартам таково, что если два объекты соответствуют одному стандарту, они должны быть одинаковыми.) Это название устраняет любую путаницу, которая может возникнуть в результате перевода “Международный Организация по стандартизации” на разные языки, что привело бы к различным аббревиатурам.

  ИСО - это добровольная организация , членами которой являются признанные органы по стандартизации, каждый из которых представляет одну страну. Основная часть работы ИСО выполняется 2 700 техническими комитетами, подкомитетами и рабочими группами. Каждый комитет и подкомитет возглавляет секретариат одного из государств-членов

организациями. Американский национальный Институт стандартов (ANSI) является представителем Соединенных Штатов в ISO.

 ASTM International не играет никакой роли в требовании или обеспечении соблюдения своих стандартов. Стандарты, однако, могут становятся обязательными, когда на них ссылается внешний контракт, компания или правительство. Компания может указать, что ее продукт соответствует стандарту ASTM , если организация проводит собственное тестирование/

проверку и подтверждает, что его продукт соответствует стандарту ASTM, ссылаясь на конкретное обозначение, например, указывая, что он соответствует стандартному методу испытаний ASTM D1941-91 (2013)  «Стандартная методика испытаний при измерениях расхода в открытых каналах с помощью лотков Паршалла»,

ASTM разрабатывает общеотраслевые программы сертификации, а не программы для отдельных организаций. Программы сертификации доступны через программы сертификации оборудования для обеспечения безопасности Института материалов, продуктов, систем и услуг, который  является дочерней компанией ASTM.

Заключение.

Наиболее эффективным способом получить ясное представление об использовании водомерных  лотков Паршалла  является ознакомление с публикациями, статьями и соответствующими стандартами, которые были выпущены для этих лотков. Такая информация и стандарты не только дают обзор лотка Паршалла, но и содержат необходимые базовые принципы и практические рекомендации о том, как выбрать наиболее подходящую конструкцию для конкретных требований и как выполнить гидравлической расчет  расходомерного устройства.

О том,как работает лоток Паршалла

 

Принцип работы гидрометрического лотка Паршалла состоит в следующем. Входящий поток ,который должен находиться в спокойном состоянии, ускоряется в конфузоре и в горловине и переходит в критический режим. В критическом режиме удельная энергия потока минимальна ,а его глубина пропорциональна расходу. Используя уравнение Бернулли для двух сечений –критического и контрольного  сечения невозмущенного потока на входе в лоток ,получают зависимость уровня потока в контрольном сечении от расхода или расходную характеристику лотка Паршалла. Выходя из горловины, поток попадает в диффузор, где частично теряет свою скорость, и далее поступает в отводящий канал.

К вопросу расчета и использования гидрометрического лотка Паршалла с современными приборами учета воды

 

Исходя  из  многолетнего  опыта  эксплуатации  оросительных систем, определение расхода воды в канале с небольшим расходом целесообразнее проводить с помощью гидрометрических сооружений.  Это  объясняется  тем,  что,  несмотря  на  многообразие  влияющих факторов,  гидрометрические  сооружения  –  достаточно  надежные  средства измерения, имеющие устойчивые высокие метрологические характеристики и погрешность измерения в 1,5–2,0 раза меньше, чем при определении расхода воды непреобразованным методом «скорость – площадь» [1, 2].

В  настоящее  время  с  появлением  новых  современных  приборов для измерения расхода воды, датчиков и приборов, преобразующих измеренный  параметр  в  количество  измеренного  расхода  воды,  актуальность этого способа повышается. К известным конструкциям гидрометрических устройств  и  сооружений  можно  отнести:  водосливы,  гидрометрические лотки, насадки, приставки, существующие ГТС в качестве расходомерных  сооружений  (перепады,  быстротоки,  градуированные  регуляторы-водовыпуски,  гидрометрические  створы  с  фиксированным  руслом  по ГОСТ Р 51657.3-20001). 

В последнее время все чаще рассматривается использование гидрометрических лотков с современными датчиками или приборами для измерения расходов воды на открытом канале [3, 4]. Использование лотков как водомерного устройства значительно упрощает процесс измерения, сводя его к определению всего одного гидравлического параметра в одном постоянном  месте.  В  связи  с  этим  легко  автоматизировать  в  перспективе процесс измерения этого параметра, регистрацию и передачу полученной информации в центры обработки данных на расстояние для контроля и регулирования  водораспределения.  Конструкции  гидрометрических  лотков просты.  Их  может  построить  на  месте  использования  служба  эксплуатации, они могут быть собраны из унифицированных блоков или изготовлены на заводах железобетонных изделий. Эксплуатация этих сооружений не сложная и не требует больших постоянных трудозатрат. Водомерное устройство со стандартными водосливами и лотками допускается комплектовать  буйковыми,  емкостными,  тензометрическими,  акустическими  уровнемерами,  дифманометрами-уровнемерами,  ультразвуковыми  и  погружными датчиками давления и другими современными приборами [5]. 

   Материалы  и  методы. 

Основная  функция  гидрометрических  сооружений состоит в придании потоку жидкости заданного характера и режима течения в пределах ограниченного русла и в обеспечении независимости этого движения от условий протекания жидкости в нижнем и верхнем  бьефах  сооружения  или  возможности  количественного  учета  этого влияния на определяемый расход воды. Для реализации этого гидрометрические сооружения и устройства преобразуют известный метод «скорость – площадь»  так,  что расход может определяться  не  двумя, а  только одним параметром,измеряемым в заданном месте. Таким образом, используемые методы  расчета  устанавливают  для  каждого  типа  сооружения  функциональную зависимость измеряемого параметра от изменения расхода воды. Существующие  методы  расчета  основаны  на  использовании  результатов измерений  либо  напора  при  открытом  свободном  потоке,  либо  разности напоров (перепада уровней или давлений) при напорном истечении жидкости. Уравнение расхода в этом случае имеет следующий общий вид [1]:

где  Aw  – площадь живого сечения, м2;

Vк  – средняя скорость в русле или канале, м/с;

f1,f2, f3 – функциональная зависимость измеряемого параметра;

h  – глубина канала или русла (напор с точкой отсчета от средней от-

метки дна), м;

Δh  – разность измеряемых напоров или уровней, м;

ΔP  – разность давлений, м.

В нашем случае рассматривается лоток Паршалла при свободном истечении потока воды с функциональной зависимостью расхода от одного измеряемого параметра во входной части лотка (напора), т. е. Q= f (h).

Результаты и обсуждение.

Для теоретического изучения применимости  гидрометрического  лотка,  оснащенного  современными  датчиками или приборами для выполнения измерений расходов воды на открытом канале,  был  выбран  лоток  Паршалла.  Рекомендуемая  конструкция  лотка Паршалла предназначена для измерения расхода жидкости в каналах и естественных водотоках, а также для измерения расхода воды, поступающей из небольших емкостей (водохранилищ, накопителей и др.). Для измерения расходов в широких каналах с небольшим наполнением необходимо, что бы выполнялось условие h/B ≤ 0,5 (где  h  – высота столба жидкости в канале, м;  B  – ширина сужающей входной секции). 

На  рисунке  1  представлен  общий  вид  лотка.  Лоток  имеет  прямоугольную форму поперечного сечения и состоит из трех основных частей: сужающей входной секции, секции горловины, расширяющейся выходной секции.

Входная секция имеет горизонтальное дно, которое называется порогом лотка, и вертикальные боковые стенки. Секция горловины имеет параллельные  боковые  стенки  в  плане.  Дно  горловины  плавно  понижается по направлению потока с постоянным для всех размеров лотков уклоном 3:8.Линия сопряжения дна входной секции с секцией горловины называется гребнем порога [6]. 

Гидрометрические  сооружения  на  базе  стандартных  лотков  представляют собой простое гидравлическое устройство, но требуют разработки  точного  проекта.  Критерии  определения  размера  гидрометрического лотка – величина наибольшего пропускного расхода воды, а также гидравлические  характеристики  подводящего  и  отводящего  участка  канала  или водоема [7]. 

  Гидравлический расчет лотка Паршалла сводится к нахождению ширины горловины лотка по заданному расходу и принятому верхнему пределу измерения напора при условии обеспечения свободного незатопленного истечения и спокойного режима в подводящем канале. 

 Выбор  размеров  лотка  желательно  сделать  в  расчете  на  свободное истечение (т. е. при отсутствии затопления со стороны нижнего бьефа).Критерием затопления является соотношение высот уровня воды над дном в верхнем (hв) и нижнем (h ) бьефах лотка. Отношение этих высот называется коэффициентом подтопления (η ), который равен:

                                                   η=h/ hв  (1)

Рассмотрим  пример.  При  определении  геометрических  параметров лотка Паршалла выбираем наибольший расход воды в подводящем канале – 1,5 м3/с. Ширину горловины лотка принимаем равной 1,0 м. Верхний предел измерения напора в лотке – 1,2 м, нижний – 0,7 м. Вычисляем коэффициент подтопления по формуле (1), который составляет 0,6, что по нормативному документу МИ 2406-97 соответствует допустимому значению [8].

С помощью рабочих расчетных формул [6] находим размеры основных элементов лоткаПаршалла с расходом до 1,5 м3/с при свободном незатопленном истечении и спокойном режиме в нижнем бьефе:

Высота порога лотка (K) составляет 0,25 м, превышение гребня порога над дном канала нижнего бьефа (Z) – 0,075 м, длина секции горловины (F) – 0,6 м, длина расширяющейся секции (V) – 0,9 м. 

Используя нормативный документ МИ 2406-97 [8], по данным таблиц  находим  геометрические  размеры  стандартного  лотка.  Отклонения от размеров  и  их  соотношений  при  расчете  параметров  лотка  Паршалла с расходом  до  1,5 м3/с  не  превышают  1,5 %  от  нормированных  значений размеров (соотношений), указанных в нормативе.В таблице 1 приведены нормализованные типоразмеры лотков Паршалла с шириной горловины до 1 м [8].

Измерение расхода воды с использованием лотка Паршалла основано  на  знании  зависимости  его  расхода  от  его  же  уровня  в  определенной точке лотка с известными геометрическими размерами.  В  данном случае для определения расхода воды, проходящего через лоток, и для наиболее точного  соответствия  результатов  расчета  используется  эмпирическая формула, полученная из опытных данных института «Южгипроводхоз» [6]. 

Эмпирическая формула для определения расхода воды (Q ) для лотка Паршалла следующая, м3/с: 

Таким образом, подставляя значение ширины горловины (b), равное 1 м, можно подсчитать расход воды, проходящий через лоток: 

   Расход воды с заданными параметрами лотка составляет 1,5 м3/с, что отвечает наибольшему расходу воды в подводящем канале. 

Для измерения уровня воды в лотке предлагается оснастить его современным  прибором-уровнемером.  В  настоящее  время  известно  много современных датчиков,  приборов-уровнемеров для измерения  уровня  воды, имеющих унифицированный выходной сигнал для работы с системой автоматического и дистанционного управления и контроля [9, 10]. Для надежности их работы в сложных эксплуатационных условиях и сохранности от вандализма предлагается их разместить в специальном успокоительном колодце, который соединен с лотком  трубой [8]. Диаметр трубы (d ), соединяющей поток воды в лотке с успокоительным колодцем, должен соответствовать условию, м: 

Для измерения уровня воды в лотке Паршалла можно использовать погружныегидростатические датчики давления, размещенные в успокоительном колодце. Критерием выбора датчиков может быть диапазон изменения уровней воды в канале или соответственно давления столба жидкости. Датчик монтируется непосредственно в воде на тросе или иной конструкции на дне колодца, принятого за начало отсчета уровня (измеренное значение уровня обусловлено давлением столба жидкости над датчиком).

Датчик  и  измерительный  преобразователь  давления  могут  находиться   в  одном корпусе. Блок дистанционного контроля и мониторинга располагается на крышке колодца в специальном антивандальном кожухе. На рисунке 2 показана схема установки датчика давления и блока дистанционного контроля и мониторинга в успокоительном колодце.

Блок  дистанционного  контроля  и  мониторинга  служит  для  приема,преобразования,  передачи  и  хранения  выходных  сигналов.  Он  состоит из контроллера-модема,  обеспечивающего  выполнение  заданного  расчетного  алгоритма,  с  функцией  GSM-передатчика  и  передающей  антенны.

Для обеспечения невозможности какого-либо вмешательства извне прибор помещается в опломбированный недоступный кожух или корпус и не имеет  каких-либо  выводов  или  гнезд  подключения,  воздействие  на  которые может исказить показания прибора. Энергонезависимость прибора достигается системой автономного питания. Современный технический уровень средств измерения допускает длительное использование прибора с питанием от батарей или аккумуляторов [11, 12].

Выводы. В последнее время все большее внимание уделяется точности  измерения  использованной  воды  на  открытых оросительных  каналах с небольшим  диапазоном  расходов.  С  появлением  новых  современных  приборов, преобразующих измеренный параметр в количество измеренного  расхода  воды,  возрастает  актуальность  их  использования  совместно с гидрометрическими  устройствами.  Для  измерения  расхода  воды  на  открытом  канале  предлагается  использование  лотка  Паршалла  с  современными приборами измерения, состоящими из погружного датчикадавления и блока дистанционного контроля и мониторинга, установленными в успокоительном колодце.

Л. В. Юченко, А. П. Васильченко

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация 

Список использованных источников

1 Филиппов, Е. Г. Гидравлика гидрометрических сооружений для открытых каналов / Е. Г. Филиппов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1990. – 288 с.

2 Кушер, А. М. Гидрометрические лотки для оросительных каналов / А. М. Кушер // Природообустройство. – 2016. – № 5. – С. 78–84.

3 Конев, А. В. Измерение расхода жидкости в безнапорных потоках. Анализ современных методов / А. В. Конев // Журнал «ИСУП». – 2019. – № 3(81). – С. 49–54.

4 Su, B. Water level sensor based on a new design structure for irrigation water measurement  /  B.  Su,  X.  Ma  //  IFAC  Proceedings  Volumes.  –  2010.  –  Vol.  43.  – Р.  39–44.  – DOI: 10.3182/20101206-3-JP-3009.00006.

5 Соболин, Г. В. Учет воды на оросительных системах / Г. В. Соболин, И. В. Сатункин, Ю. А. Гулянов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2004. – № 4. – С. 46–48.

6 Оснащение  гидротехнических  сооружений  мелиоративных  систем  нормированными  сужающими  устройствами  с  коммерческими  приборами  водоучета  типа  РОС-1. Альбом 5. Технические решения по измерению расхода стандартными водосливами и лотками. Типовой проект 91399 / Южгипроводхоз, Росводстрой, Ростовводмелиорация. – Ростов н/Д., 1991. – 28 с.

7 Шенбергер,  И.  В.  Способы  измерения  расхода  воды  в  безнапорных  потоках для открытых каналов с помощью стандартных гидрометрических лотков и водосливов / И.  В.  Шенбергер,  А.  В.  Ефименко  //  Водные  ресурсы  и  водопользование.  –  2019.  –№ 1(180). – С. 37–41. 

8 Расход  жидкости  в  безнапорных  каналах  систем  водоснабжения  и  канализации. Методика выполнения измерений при помощи стандартных водосливов и лотков:МИ  2406-97:  утв.  Всерос.  науч.-исслед.  ин-том  расходометрии:  введ.  в  действие с 15.05.97. – М.: ВНИИР, 1997. – 33 с. 

9 Матюгин,  М.  А.  Современные  приборы  и  методы  измерения  расхода  воды в открытых водотоках / М. А. Матюгин, Д. А. Мильцын // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. – 2015. – № 44. – С. 66–76. 

10 James,  C.  S.  Flow-measuring  structures  /  C.  S.  James  //  Hydraulic  Structures.  – 2020. – Р. 243–282. – DOI: 10.1007/978-3-030-34086-5_7.

11 Блок дистанционного контроля и мониторинга БДКМ-GSM-1 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https:intor.ru/ru/list_item/apparatura-i-uspd-uspd/blok-distantsionnogokontrolia-i-monitoringa-bdkm-gsm-1, 2020. 

12 Loizou, K. Water level sensing: State of the art review and performance evaluation of  a  low-cost  measurement  system  /  K.  Loizou,  E.  Koutroulis  //  Measurement.  –  2016.  – Vol. 89. – P. 204–214. – DOI: 10.1016/j.measurement.2016.04.019.