Первичный преобразователь потока для открытых каналов- выбор размеров

В серии статей  Выбор первичного преобразователя расхода мы коснулись проблем выбора между водосливом и лотком и выбора типа водослива или лотка. В этой последней статье цикла мы обсудим выбор размеров первичного преобразователя расхода.

  Основные моменты при  определении размеров лотка или водослива заключаются в том, способен ли прибор работать в полном диапазоне предполагаемых расходов и попадают ли минимальное и максимальное значение расхода в  рабочий диапазон измерений .

  Минимальное значение расхода

  Следует  ясно понимать, что любой первичный преобразователь расхода имеет нижнюю границу измерений , ниже которой его показания и их точность не определены.Минимальные  значения расхода/напора являются четко установленными величинами ,и  в  случае выхода за установленные пределы не существует никаких инструкций  как корректировать  показания .

  Таблицы расходов

  Таблицы расходов для лотков ,водосливов или расходомеров от производителей, которые указывают «0» в качестве нижнего предела показаний, надо рассматривать с известной долей скептицизма ,поскольку это или свидетельствует или о непрофессионализме, или ,что  намного хуже, о намеренном желании ввести в заблуждение покупателя.

  Расходомеры

 Конечно ,сами по себе расходомеры могут показывать и «0» ( и даже иногда отрицательные значения, если калибровка прибора выполнена неправильно ),но важно понимать, что ниже установленной границы напора/расхода ,первичный преобразователь расхода не обеспечит точности измерений, которая заявлена для установленного диапазона измерений, – и никаких указаний, как внести корректирующую поправку к показаниям ,не существует.

  Водосливы

   Минимальный напор для водосливов с тонкой стенкой (треугольных и прямоугольных)составляет 0,2 фута (6,096 см).При этом струя еще не прилипает к внешней грани водослива.

  Лотки

   Значение минимального расхода зависит от типа лотка и от его размера. В целом,

лотки H-типа способны  точно измерять самые малые расходы, далее идут  лотки с трапециевидным каналом и RBC. Лотки Паршалла, Монтана и без горловины имеют хороший приемлемый во многих случаях  нижний предел измерений. И ,наконец, лотки Палмера-Боулюса самым высоким минимальным измеряемым расходом.

  Максимальное значение расхода

  Если имеется минимальный расход/напор, значит , должен быть и максимальный ,при превышении которого точность также не гарантируется или же не хватает шкалы прибора измерения уровня. В общем случае, даже , если максимальный предполагаемый расход известен, рекомендуется оставлять запас в размере 10 % от верхнего края шкалы для возможных непредвиденных ситуаций.

  Водосливы

  Треугольные водосливы(V-notch) имеют максимальный напор  2 фута (60,996 см). Для прямоугольных водосливов (с боковым сжатием или без) максимальный напор равен половине  ширины порога. Лабораторные эксперименты показывают ,что нарушение этого правила не сильно влияет на погрешность ,особенно при ширине водослива в пределах 1-4 футов (от 30,48 до 121,9 см) ,но для достижения максимальной точности этот предел на практике стараются соблюдать.

  Лотки

  В тарированных лотках, исследователи сознательно не калибруют верхнюю часть – интуитивно понимая, что возможны флуктуации, незначительные колебания уровня поверхности , водовороты и т.п. Это резервный запас по уровню (расстояние между верхним краем лотка и уровнем заполнения при установленном максимальном расходе )

как раз  и принимает естественные возмущения  ,которые  возникают в потоке в нормальных условиях.

  Для лотков Паршалла и Монтана запас по уровню составляет 1/6 глубины лотка ,для лотков RBC -1/8 , для лотков страпециевидным каналом – 1/9 глубины лотка.

  В отличие от остальных типов лотков , где задано расстояние между уровнем наполнения при максимальном измеряемом расходе и верхним краем лотка , лотки H-типа и лотки без горловины откалиброваны до самого верха . Любые возмущения поверхности ,волны и турбулентные явления ,равно ,как и увеличение потока на этом уровне могут привести к переливу ,поэтому при работе на максимальных расходах на этих лотках следует соблюдать дополнительные меры предосторожности.

   Таблицы расхода

  Важно отметить ,что некоторые производители лотков и расходомеров проводят калибровку  лотков  с трапециевидным каналом ,принимая за плоскость отсчета верх лотка. Это завышает значение максимального расхода и не оставляет запаса для флуктуаций поверхности потока.

   Фактор пикового расхода

 Когда максимальный предполагаемый расход неизвестен ,обычно используют множитель или фактор пикового расхода 2,5 ,умножая на него средний расход. Это правило (из серии франко-потолок) может работать или не работать в конкретной ситуации. Ливневые стоки или залповые сбросы могут потребовать большего пикового фактора ,поскольку эти потоки имеют максимальное значение вначале , а затем толькоослабевают.

  Иногда отсутствуют даже сведения о средних расходах ,тогда могут помочь сопутствующие данные  об объекте ( число домохозяйств, площадь водосбора и т.п.) .

   Когда есть сомнения ,лучше выбрать прибор большего размера ,чем меньшего .

Даже ,если разрешающая способность уменьшится , это все равно будет лучше ,чем перелив и потеря данных  при выходе  за диапазон измерений.

Первичный преобразователь расхода – выбор типа лотка или водослива для открытого канала

В первой  статье  настоящего цикла о выборе первичного преобразователя расхода речь шла о том, какие критерии используются при выборе измерительных водосливов и гидрометрических лотков. Здесь же мы остановимся на выборе того или иного типа лотка или водослива.

   Выбор того или иного  типа прибора определяется тремя факторами :

- особенностями объекта ,

- формированием потока,

- предполагаемым диапазоном расходов.

Особенности объекта

     Некоторые  требования важно учитывать при выборе  между водосливом и лотком (например, высота стенок подводящего канала ограничивает максимальный напор на

измерительном приборе) ,другие касаются конкретного типа первичного преобразователя расхода (например ,наличие пространства для аэрации для измерительного водослива).

    Выбирая тот  или иной тип преобразователя расхода ,исходя из условий конкретного объекта , мы тем самым управляем  расходами на монтаж и установку . Конечно ,при условии ,что обеспечивается измерение  во всем диапазоне  предполагаемых расходов.

     Водосливы

    Для  нормальной работы водослива требуются аэрация (подвод воздуха) под струю ,

которая переливается через порог. Недостаточная аэрация  может служить  причиной

прилипания  струи к  наружной стенке водослива. Неэффективная аэрация , вызванная неудачной геометрией отводящих стенок или недостаточным перепадом  между гребнем порога и поверхностью воды в нижнем бьефе , способна увеличить расход на 25 %. Таким образом, вопросы обеспечения адекватной  аэрации, искусственной или естественной ,всегда должны приниматься во внимание.

    Другой вопрос – размеры верхнего бьефа. Надлежащее устройство верхнего бьефа необходимо для нормальной работы любых водосливов, но некоторые их  типы ,в частности, водослив с треугольным вырезом  ,требует более широких/длинных/выше расположенных подводящих участков ,чем другие типы водосливов при таком же расходе.

Гидрометрические лотки

 Лотки имеют различную форму поперечного сечения :

·         Прямоугольные (Паршалл, H-тип, Монтана, лотки без горловины (Cutthroat))

·         Трапециевидные ( лотки RBC , лотки с трапециевидным каналом (Trapezodal))

·         U-образные (Палмер-Боулюс и Leopold-Lagco)

  Во многих случаях именно форма канала определяет тип лотка , который будет использоваться  в данном конкретном случае. Например, при установке на водопропускных каналах прямоугольной формы естественным выбором будут лотки Паршалла ,Монтана ,H-типа или лотки без горловины , но уж никак не U-образные лотки.

  Аналогично , лотки RBC или Trapezoidal лучше выбрать для установки в ирригационных канавах ,поскольку их форма соответствует форме водотока. Подбор лотка по типу сечения потока позволит существенно уменьшить расходы на установку и повысить точность измерений.

   На объектах с небольшим уклоном – где   невозможно реконструировать  канал , где низкие стенки или невозможно обеспечить условия свободного истечения  - хорошо работают лотки безгорловины ,лотки с трапециевиднымканалом и лотки RBC.

  Там , где обеспечивается условие свободного истечения, лучшим выбором будут лотки Паршалла, Монтана или лотки H-типа.

  В случае незаполненных трубопроводов , следует помнить ,что многие типы лотков поставляются с разнообразными концевыми адаптерами или перегородками ,которые могут комплектоваться соединительными патрубками ,кольцами под чеканку  или фланцами.  Даже лотки H-типа   для установки на трубопроводах предлагаются со специальной  перегородкой ,соединяющей входную секцию и подводящий канал.

  В то же время, некоторые виды лотков (например ,лоток с трапециевидным каналом ) могут  быть легко адаптированы под любые поперечные сечения каналов .

  Поэтому соответствие формы лотка форме канала не всегда является определяющим фактором.

 Состав потока

   Для водосливов состав воды в потоке в общем случае не является главенствующим критерием, хотя его не стоит недооценивать. Главной задачей является определение наличие наносов и нерастворимых веществ ,которые будут скапливаться перед  треугольным  водосливом. Если наносы имеются, то предпочтительней выбрать водослив Чиполетти или прямоугольный водослив ( с боковым сжатием или без), если нет возможности организовать соответствующее техническое обслуживание водослива с треугольным вырезом.

   Лотки гораздо лучше пропускают нерастворимый осадок ,хотя в этом отношении они не все одинаково хороши. Лотки, у которых в горловине имеется возвышение (RBC, Palmer-Bowlus и  Leopold-Lagco) более склонны к аккумулированию наносов ,мусора,осадка ,чем лотки с горловиной плоской формы (Parshall, H-flume, Trapezoidal и  Montana).

  И ,наконец, лотки с узкой горловиной (меньше 3 дюймов или 7,62 см) не должны использоваться на неочищенных сточных водах ( в частности, хозяйственно-

бытовых ) из-за высокой вероятности засорения.

  Диапазон ожидаемых расходов

  Способность первичного преобразователя измерять весь предполагаемый диапазон расходов является особенно важной – как правило, более важной ,чем  местные условия на объекте или состав воды в потоке. Если измерительный  преобразователь не перекрывает заявленный диапазон ,какой ,вообще ,смысл в его установке.

Водосливы и диапазон измерений расходов

   При больших расходах  ,водосливы Чиполетти и прямоугольныеводосливы имеют преимущество перед  треугольными водосливами. Даже ,если треугольные водосливы подходят по диапазону измерений, их обслуживание обходится дороже.

    Выбор типа водослива может быть усложнен, если  расход потока имеет большой динамический диапазон  .В таких случаях  может помочь комбинированный водослив.

Как пример, треугольный водослив с углом раскрыва 90˚(для измерения малых расходов)  выполнен в виде выреза в пороге прямоугольного водослива с тонкой стенкой или водослива Чиполетти ,который используется для измерения больших расходов.

   Если рассматривать водосливы в порядке увеличения  измеряемого расхода, последовательность будет такой:

• треугольный водослив
• водослив Чиполетти
• прямоугольный водослив с боковым сжатием
• прямоугольный водослив без бокового сжатия

    Лотки и диапазон измерений расходов

  Если предполагается измерение малых расходов, то обычно используются трапециевидные лотки, лотки HS-типа и (в меньшей степени) лотки RBC- хотя могут подойти и лотки Паршалла ,Монтана или лотки без горловины небольших размеров в зависимости от состава воды в потоке.

  В больших потоках для измерений ,как правило, используются лотки Паршалла и HL-типа. Укороченные лотки Паршалла(лотки Монтана) теоретически также могут применяться,  но из-за специфических требований к установке , редко встречаются с шириной горловины более 36 дюймов.

   На очень больших потоках применяются исключительно лотки Паршалла(из бетона).

   Некоторые типы лотков имеют  большое количество  доступных типоразмеров (Паршалл /Монтана -22 , лотки без горловины -16, лотки HS/H/HL-14), в то время как другие ограничены в предложении( RBC – 5, Trapezoidal – 9). Понятно, что чем меньше количество размеров, тем меньше вероятность того, что данный тип лотка подойдет длятребуемого диапазона измерения расходов.

    Для случаев ,когда предполагаемый расход может существенно вырасти со временем,некоторые виды лотков могут вкладываться друг в друга .Вложенный лоток меньшего размера используется для измерения изначальных малых расходов. Впоследствии ,по мере наполнения потока ,меньший лоток снимается и измерения производятся на большем лотке. Там ,где колебания потока носят периодический ,например, сезонный характер, снятый лоток может быть позже возвращен на место.

   Обычно , для вкладки используются лотки одного типа (Parshall in a Parshall), однако это не всегда так. Иногда вложенные  лотки разных типов лучше работают в разных диапазонах. Так, например ,возможно совместно использование трапециевидных лотков и лотов без горловины (Trapezoidal in a Cutthroat).