Pomiar przepływu w kanałach otwartych za pomocą przelewów i koryt pomiarowych

Pomiar przepływu w kanałach otwartych za pomocą przelewów i koryt pomiarowych

Czujnik poziomu w kanale otwartym mierzy wysokość spiętrzenia, którą zweryfikowana charakterystyka elementu pierwotnego przelicza na przepływ. Błąd wysokości jest wzmacniany zgodnie z nachyleniem tej charakterystyki. Pełna niepewność obejmuje też geometrię przelewu lub koryta, współczynnik, warunki dopływu i pomiar geodezyjny rzędnej odniesienia.

Wzór decyduje o wrażliwości na błąd

Dla przelewu z wycięciem V o kącie 90° przy swobodnym przepływie przykładowe przybliżenie w SI ma postać:

Q = 1.38 × h^2.5 (Q w m³/s, h w metrach). Współczynnik przyjęto jako przykład, nie uniwersalną charakterystykę; stosuj zatwierdzone równanie lub kalibrację dla rzeczywistego wycięcia i instalacji.

Charakterystyki przelewów prostokątnych i koryt również zależą od dokładnej geometrii oraz warunków hydraulicznych. Proste przybliżenie dla przelewu prostokątnego może stosować wykładnik wysokości bliski 1.5, ale trzeba ustalić współczynnik i poprawki na kontrakcję. Dla charakterystyki Q = C × h^n wrażliwość pierwszego rzędu na mały błąd wysokości wynosi:

ΔQ/Q ≈ n × (Δh/h)

gdzie n jest wykładnikiem. Błąd wysokości 1% przy n = 2.5 daje błąd przepływu 2.5%.

Przykład obliczeniowy. Przelew z wycięciem V 90° przy h = 0.20 m: Q = 1.38 × 0.2^2.5 = 1.38 × 0.0179 ≈ 0.0247 m³/s ≈ 89 m³/h. Błąd poziomu 10 mm, łatwo wywołany źle umieszczoną łatą, pianą lub nieskalibrowanym czujnikiem, daje ΔQ/Q = 2.5 × (0.01/0.2) = 12.5%, czyli 11 m³/h fikcyjnego przepływu. Przy h = 0.40 m te same 10 mm daje już tylko 6.25%. To cecha zasady pomiaru: układy przelewowe tracą dokładność właśnie przy małych przepływach, zwykle najważniejszych w sprawozdawczości środowiskowej.

Wysokość spiętrzenia trzeba mierzyć na spokojnej wodzie we właściwym miejscu

Wzór zakłada, że wysokość spiętrzenia jest poziomem przed urządzeniem, mierzonym w strefie spokojnej i reprezentatywnej powierzchni wody:

Lokalizacja: powyżej krzywej obniżenia zwierciadła — dla wycięcia V w określonym przekroju pomiarowym; dla tradycyjnego przelewu V 90° z pełną kontrakcją co najmniej cztery maksymalne wysokości spiętrzenia w górę cieku, nigdy w strefie opadania przy wycięciu.

Uspokojenie: zapewnij odpowiedni odcinek dopływowy lub zatwierdzony układ uspokajający bez zaburzania hydrauliki elementu pierwotnego. Fale zwiększają rozrzut; radar nie zawsze mierzy ich szczyt. Zweryfikuj uśrednioną w czasie wysokość i odpowiedź przyrządu.

Zero: rzędna korony przelewu lub dna koryta stanowi zero i wymaga pomiaru geodezyjnego, nie założenia na podstawie rysunku. Błąd zera 5 mm daje trwałe przesunięcie przepływu przy każdej wysokości.

Bezkontaktowy radar lub ultradźwięki eliminują zanurzony czujnik, ale wymagają sztywnego mocowania i wolnej drogi sygnału. Przesunięcie wspornika 3 mm może bezpośrednio stać się błędem wysokości. Czujniki ciśnienia wprowadzają założenie gęstości i mogą podlegać wpływowi osadu, zabrudzeń lub zatkanego króćca ciśnieniowego; osiadły materiał nie zwiększa automatycznie wysokości słupa wody według swojej pełnej gęstości.

Swobodny przepływ to warunek, nie nadzieja

Charakterystyka swobodnego przepływu obowiązuje tylko w określonych warunkach hydraulicznych. Dla przelewu sprawdź wentylację pod strugą i dopuszczalny poziom dolnej wody, a dla koryta granicę zatopienia właściwą dla rozmiaru oraz przekroje pomiarowe. Dla niektórych konstrukcji istnieją poprawki na przepływ zatopiony, ale nie są zamienne z charakterystyką swobodnego przepływu.

Jeśli możliwa jest cofka — przez pływy, pracę zasuw lub ulewy — mierz także poziom poniżej urządzenia i koryguj zatopienie albo wybierz inną zasadę pomiaru. Wzór użyty w warunkach zatopienia niepostrzeżenie daje przekonujące, błędne liczby.

Wybór przelewu lub koryta pomiarowego

Dobierz element pierwotny do wymaganego zakresu przepływu, strat wysokości, cząstek stałych, dolnej wody i właściwej metody sprawozdawczej. Wycięcie V może służyć małym przepływom czystej cieczy; odpowiednie koryto może lepiej przepuszczać cząstki, ale żadna konstrukcja nie jest bezobsługowa.

Pytania z projektów kanałów otwartych

Pytanie 1. Czy czujnik poziomu może znajdować się bezpośrednio nad przelewem?

Nie. Musi leżeć powyżej niego w określonej strefie uspokojenia albo mierzyć przez studzienkę uspokajającą połączoną z kanałem. Nad wycięciem mierzy obniżone zwierciadło, czego właśnie nie dopuszcza wzór.

Pytanie 2. Czy radar jest wystarczająco dokładny?

Dostępne są radary o dokładności milimetrowej, ale zwykle dominują mocowanie i wyznaczenie zera. Zaplanuj sztywność instalacji i pomiar geodezyjny bazy przed wyborem parametrów czujnika.

Pytanie 3. Co z bardzo małymi przepływami?

Przy dolnej granicy charakterystyki ważne stają się napięcie powierzchniowe, zachowanie strugi i niepewność wysokości. Stosuj zweryfikowaną minimalną wysokość dla danego wycięcia i geometrii dopływu. Może być potrzebny inny kąt lub element pierwotny; nie deklaruj jakości przepływu wymaganej przepisami poniżej potwierdzonego zakresu.

Powiązane poradniki techniczne

• Dokładność radarowego przetwornika poziomu: czego nie mówi liczba w karcie katalogowej
• Sygnały wyjściowe radarowego przetwornika poziomu: wybór właściwego

Omów swoje zastosowanie pomiarowe z METRAVON

Źródła techniczne

• Biuro Melioracji USA (USBR): warunki stosowania przelewów z wycięciem V