Avokanavan virtausmittaus ultraäänellä: tason muuntaminen virtaamaksi patojen, mittakourujen ja Manningin yhtälön avulla

Avokanavan virtauksen mittaus on tilavuusvirran määrittämistä kanavassa, rummussa tai osittain täytetyssä putkessa, jossa neste liikkuu painovoiman vaikutuksesta ja jossa on ilmakehään avoin vapaa pinta. Koska kanavan geometria on kiinteä ja tunnettu, virtaus voidaan päätellä yhdestä pinnankorkeusmittauksesta: ultraäänipinnanmittauslaite mittaa veden korkeuden vertailupisteen yläpuolella — nousukorkeuden — ja lähetin tai virtauslaskin muuntaa tämän nousukorkeuden virtausnopeudeksi käyttämällä asennetun primäärielimen purkausyhtälöä, kuten V-lovi-patoa tai Parshall-mittapatoa, tai suorakaiteen muotoisille ja luonnonkanaville Manningin yhtälöä. Tämä pinnankorkeudesta virtaukseen -menetelmä on määritelty vesi- ja jätevesilaitoksilla, koska se on kosketukseton, vähän huoltoa vaativa ja tyypillisesti tarkkuudeltaan ±1–2 % mittausalueesta, kun primääri-elementti on asennettu oikein ja anturi on asennettu oikein. Laitoksille, joiden on mitattava poistovesiä, kasteluvesiä ja hulevesiä jatkuvasti ja luotettavasti, nousukorkeuteen perustuva ultraäänimittaus on edelleen kustannustehokkain standardi.

Miksi avokanavan virtausta mitataan pinnankorkeuden avulla

Avokanavia on kaikkialla vesiteollisuudessa: tulokanavat ja poistokanavat jätevedenpuhdistamoilla, kastelukanavat ja -luiskat, hulevesien purkukohdat ja teolliset poistoputket, jotka laskevat kunnallisiin viemäreihin tai vesistöihin. Avokanavan virtauksen määrittävä piirre on vapaa pinta. Toisin kuin suljetussa putkessa, joka on täynnä, jossa virtaus voidaan laskea nopeusmittauksesta ja putken poikkipinta-alasta, avokanavassa nesteen pinta nousee ja laskee virtauksen muuttuessa — ja tämä pinta on suora, toistettava funktio purkautumisesta, edellyttäen että virtaus on hallittu tunnetun poikkileikkauksen avulla.

Tämä on keskeinen oivallus pinnankorkeuteen perustuvan virtausmittauksen takana. Jos asennat tunnetun muotoisen hydraulisen ohjausrakenteen — padon, joka pakottaa veden ylivuotoon harjansa yli, tai mittapadon, joka kuristaa virtauksen kurkun läpi — niin tälle rakenteelle on olemassa yksikäsitteinen suhde yläpuolisen vedenpinnan korkeuden (nousukorkeuden) ja läpimenevän virtauksen välillä. Mittaa nousukorkeus tarkasti, ja virtaus seuraa yksinkertaisesta laskelmasta, ilman liikkuvia osia, ilman mitään virtaukseen työnnettyä, ja ilman mitään mikä voisi tukkeutua tai likaantua. Siksi menetelmä on edelleen työhevonen vesi- ja jätevesipinnankorkeuden mittaukseen tehtävissä laitoksen tulovedestä lopulliseen poistoveteen.

Suhde kuvataan purkausyhtälöllä, jonka yleinen muoto on Q = C·h^n, jossa Q on virtausnopeus, C on kerroin, joka riippuu rakenteen geometriasta ja käytetyistä yksiköistä, h on nousukorkeus mitattuna vertailukorkeuden yläpuolelta, ja n on eksponentti, joka määräytyy rakenteen muodon mukaan. Tästä syystä primäärielementit rakennetaan tarkkoihin mittoihin: koko mittauksen tarkkuus periytyy tunnetusta geometriasta ja nousukorkeuslukemasta.

Primäärielementit ja niiden purkausyhtälöt

Primäärielementin valinta on tärkein tekninen päätös avokanavan virtausmittauksen asennuksessa, koska elementti määrää virtausalueen, nousukorkausalueen, joka ultraäänilähettimen on ratkaistava, ja mittauksen herkkyyden. WELKin avokanavan ultraäänipinnankorkeusvirtausmittari on ohjelmoitu vakiomuotoisilla purkausyhtälöillä kaikille yleisille ylivuotopadoille ja mittakouruille, joten lähetin konfiguroidaan yksinkertaisesti valitsemalla elementtityyppi ja syöttämällä sen mitat.

V-lovi (kolmiopato) ylivuotopadot

V-lovipato on ohut levy, jossa on kolmionmuotoinen aukko, asennettuna kanavan poikki siten, että kaikki virtaus kulkee loven yli. Sen purkausyhtälö on Q = C·h^2.5; eksponentti 2.5 antaa erinomaisen herkkyyden pienillä virtauksilla, koska pieni muutos painekorkeudessa tuottaa suhteellisesti suuremman muutoksen virtauksessa. Tämä tekee V-lovipadoista ihanteellisia matalan virtauksen tehtäviin, kuten koelaitoksiin, annosteluvirtauksiin, kastelun luiskautuksiin ja jätevedenpuhdistamoiden yöaikaisiin tulovirtoihin. Vastapainona on, että erottelukyky heikkenee suurilla painekorkeuksilla, harjan on pysyttävä terävänä ja vapaana roskista, ja painekorkeus on mitattava määrätyltä etäisyydeltä loven yläpuolelta — tyypillisesti kolmesta neljään kertaa maksimipainekorkeus — jotta pysytään poissa harjan läheisyydessä olevasta alassyntyvästä käyrästä.

Suorakaiteen muotoiset ja vaimennetut ylivuotopadot

Suorakaiteen muotoiset ylivuotopadot ovat ohuita levyjä, joissa on vaakasuora, suorakaiteen muotoinen aukko. Vaimennettu suorakaidepato ulottuu koko kanavan leveydelle, jolloin päätypurkistumat eliminoituvat; supistettu pato omaa pystysuorat päätypurkistumat. Purkausyhtälö on Q = C·h^1.5, jossa C sisältää harjan pituuden ja purkauskertoimen. Eksponentti 1.5 sopii keskisuurille ja suuremmille virtauksille, joissa painekorkeusalue on maltillinen. Suorakaidepadot ovat yksinkertaisia valmistaa ja kalibroida, mutta niillä on yleiset patojen rajoitukset: yläpuolinen sedimentin kertyminen, harjan kuluminen ja tarve vapaasti putoavalle niskalle harjan alapuolella.

Parshall-mittakourut

Parshall-mittakouru on esivalmistettu avokanavan kuristus, jossa on suppeneva tulo, kurkku ja hajaantuva poisto, kehitetty alun perin kastelukanavia varten. Sen määrittelevä etu on, että se toimii minimaalisella painekorkeushäviöllä eikä vaadi yläpuolista vettä patoamaan padon taakse, joten se käsittelee vettä, joka sisältää suspendoituneita kiintoaineita ja hiekkaa ilman sedimentoitumista, jota pato kärsisi. Vapaavirtausolosuhteissa purkausyhtälö on Q = C·h^1.55. Eksponentti 1,55 on pienempi kuin ylivuotopadon, mikä antaa Parshall-mittakourulle laajemman käyttökelpoisen pudotuskorkeuden alueen ja lineaarisemman vasteen. Pudotuskorkeus mitataan tietystä kohdasta suppenevassa osassa, noin kaksi kolmasosaa ylöspäin tuloaukosta kurkusta. Koska mittakourut puhdistavat itsensä ja päästävät roskat läpi, ne ovat suositeltu primääri-elementti jätevesi- ja hulevesipalveluissa.

Palmer-Bowlus -mittakourut

Palmer-Bowlus (P-B) -mittakouru asennetaan olemassa olevan putken sisään — tyypillisesti pyöreisiin viemäreihin, joiden halkaisija on 150–900 mm — nostamalla pohjan korkeutta ja kaventamalla kurkkua. Se asennetaan usein kaivoon kaivamatta linjaa auki, mikä tekee siitä taloudellisen kunnan jätevesivirtauksen seurannan jälkiasennuksiin. Sen purkautumissuhde on Q = C·h^n, jossa kerroin ja eksponentti on taulukoitu jokaiselle putkikoolle; eksponentti on tyypillisesti lähellä 1,5 mutta vaihtelee halkaisijan mukaan. P-B-mittakouru pitää putken suhteellisen vapaasti virtaavana, minimoiden ylivuodon ja yläpuolisen padotuksen verrattuna ylivuotopatoihin, mutta se on mitoitettava putken halkaisijan ja toiminta-alueen mukaan, jotta kurkku ei koskaan tulvi.

Manningin yhtälö suorakaiteen muotoisille ja luonnonkanaville

Ylivuotopadot ja mittakourut ovat primäärielementtejä, koska ne asettavat tunnetun geometrian virtaukselle. Mutta jokaiseen kanavaan ei voi asentaa sellaista. Pitkät kastelukanavat, luonnonpurot ja vuoratut puolisuunnikkaan muotoiset kanavat mitataan tyypillisesti suoraan Manningin yhtälöllä:

Q = (1/n) · A · R^(2/3) · S^(1/2)

jossa n on Manningin karheuskerroin, A on virtauksen poikkileikkausala, R on hydraulinen säde (ala jaettuna märkäpiirillä) ja S on energiakaltevuus, jota approksimoidaan kanavan kaltevuudella. Suorakaiteen muotoiselle kanavalle, jonka leveys tunnetaan, pinta-ala ja hydraulinen säde voidaan laskea yhdestä syvyysmittauksesta, joten ultraäänilähetin voi ratkaista Manningin yhtälön jatkuvasti ja antaa virtausnopeuden suoraan.

Varoitukset ovat tärkeitä tarkkuuden kannalta. Manningin yhtälö olettaa tasaisen, yhtenäisen virtauksen — olosuhteet, joita kentällä harvoin täysin täyttyvät. Karheuskerroin on valittava kanavan vuorauksen mukaan (betoni, maa, ruoho, kivieriste), ja se vaihtelee vuodenajan, leväkasvun ja sedimentin mukaan. Poikkileikkauksen on oltava yhtenäinen edustavan pituuden yli, ja kaltevuus on tunnettava. Näiden epävarmuuksien vuoksi Manningiin perustuva virtausmittaus ilmoitetaan yleensä ±5–10 %:n tarkkuudella — hyväksyttävä moniin käyttö- ja viranomaistarkoituksiin, mutta löysempi kuin ylivuotopato- tai mittakouruasennus. Se on edelleen standardi suurille kanaville, joissa primäärielementti olisi kohtuuttoman kallis tai hydraulisesti häiritsevä.

Kuinka ultraäänilähetin mittaa pudotuskorkeuden ja muuntaa sen virtaukseksi

Ultraäänitasolähetin mittaa pudotuskorkeuden lähettämällä korkeataajuisen akustisen pulssin (tyypillisesti 30–90 kHz) anturista, joka on suunnattu veden pintaan, ajoittamalla kaiun matka-ajan ja vähentämällä mitatun etäisyyden tunnetusta asennuskorkeudesta nestepinnan tason saamiseksi. Anturi on asennettu kiinteään korkeuteen primäärielementin vertailupisteen yläpuolelle — ylivuotopadon harjan tai mittakourun pohjan — joten etäisyyslukemasta tulee pudotuskorkeus tämän vertailupisteen yläpuolella. Kun pudotuskorkeus on tiedossa, lähetin soveltaa valittua purkautumisyhtälöä ja antaa hetkellisen virtausnopeuden, kumulatiivisen tilavuuden ja 4–20 mA:n signaalin, joka on verrannollinen virtaukseen laitoksen PLC:lle tai SCADA:lle.

Koska anturi ei koskaan kosketa nestettä, järjestelmään ei kohdistu inline-laitteiden likaantumis-, korroosio- tai painehäviöhaittoja, ja se voidaan asentaa kanavan yläpuolelle pysäyttämättä virtausta. Signaalilähdössä silmukkasäätöinen kaksijohdin ultraäänipintamittari toimittaa 4–20 mA suoraan olemassa oleviin ohjaussilmukoihin, kun taas erillinen ultraäänipintamittari etänäytöllä pitää anturin kanavalla ja näytön paneelihuoneessa — yleinen järjestely virtausasemilla, joissa elektroniikan on oltava sisätiloissa.

Muunnoksen tarkkuus perustuu kolmeen asiaan: primäärielimeen (tunnettu geometria), korkeusmittaukseen (ultraäänen toistettavuus ±0,2–0,5 % mittausalueesta) ja asennukseen. Kun elin on oikein mitoitettu ja anturi oikein sijoitettu, kokonaistarkkuus ±1–2 % mittausalueesta on realistinen.

Ultraäänianturin asennusvaatimukset

Anturin sijainti on yhtä tärkeä kuin se, mitä se mittaa. Korkeusmittauspiste määritellään primäärielimen standardin mukaan — Parshall-kourussa kaksi kolmasosaa ylöspäin suppenevasta sisäänmenosta; ylivuotopadolla määrätty etäisyys ylävirtaan harjasta. Anturin on oltava suoraan tämän pisteen yläpuolella, ja sillä on oltava esteetön äänipolku veteen.

Kolme asennussääntöä hallitsevat kenttäkäytäntöä. Ensinnäkin, pidä anturi riittävän kaukana elimeestä ja tuloaukoista, jotta turbulenssi ja pintaaallot eivät häiritse korkeuslukemaa; tyypillinen vähimmäisetäisyys on useita kertoja maksimikorkeus, ja tyynnytyskaivoa käytetään usein vaimentamaan aaltoilua. Toiseksi, pysy instrumentin sokean alueen (lähi kentän kuollut alue anturin pinnassa) ulkopuolella ja varmista, että lähetin kompensoi lämpötilan, joka muuttaa äänen nopeutta. Kolmanneksi, vältä tähtäämistä vaahtoon, ilmastettuihin alueisiin tai rikkonaiseen, nopeasti liikkuvaan veteen, jotka kaikki sirottavat pulssin. Jos virtaus on karkeaa tai kanava on syvä ja kapea, tyynnytyskaivo tai ohituskaivo, joka on liitetty mittauspisteeseen, antaa luotettavimman lukeman.

Ultraääni vs. muut virtausmittausmenetelmät

Tasoon perustuva ultraäänivirtausmittaus on yksi useista vesiteollisuudelle saatavilla olevista teknologioista, ja valinta on kompromissi tarkkuuden, kustannusten ja kohteen fyysisten rajoitteiden välillä. Alla oleva taulukko tiivistää yleisimmät vaihtoehdot.

Doppler- ja pinta-ala-nopeusmittarit

Doppler-mittarit mittaavat virtausta heijastamalla ääntä sisällä olevista hiukkasista tai kuplista ja laskemalla nopeuden Doppler-siirtymästä, minkä jälkeen tulos kerrotaan kostutetulla poikkileikkauksella. Ne soveltuvat lietteille, sakatteille ja ylivuotolinjoille, joissa patoa tai mittapatoa ei voida käyttää, ja ne voidaan asentaa muuttamatta uomaa. Haittapuolena on, että tarkkuus riippuu oletetusta nopeusprofiilista, ja anturit vaativat nesteessä olevia hiukkasia — puhdas vesi estää niiden toiminnan. Tyypillinen tarkkuus on ±2–5 % mittausalueesta.

Magneettiset virtausmittarit

Sähkömagneettiset mittarit mittaavat jännitettä, joka indusoituu, kun sähköä johtava neste liikkuu magneettikentässä, mikä antaa todellisen keskimääräisen nopeuden, ja ne ovat tarkimpia saatavilla olevia virtausmittareita ±0.5–1 % mittausalueesta. Mutta ne ovat linjaan asennettavia, täyden putken laitteita: putken on oltava täynnä ja mittarin pysyttävä märkänä, mikä sulkee ne pois painovoimaisista avouomista. Ne ovat luonnollinen valinta pumppausputkille ja muille suljetuille täysille putkille, mutta hinta mittauspistettä kohti on huomattavasti korkeampi kuin tasomittari-plus-primaarielementti-asemalla.

Tutka- ja hydrostaattiset vaihtoehdot

Missä ultraääni ei ole käytännöllinen — runsas vaahto, kondensaatio tai erittäin pitkä mittausalue — tutkavirtausmittari avoimelle vedelle tarjoaa saman pinnankorkeus-virtauslogiikan mikroaaltopinnankorkeusmittauksella. Tutka tunkeutuu höyryn ja jossain määrin vaahdon läpi paremmin kuin ultraääni, mutta vastaavaan käyttöön se on kalliimpi. Kun pinta on liian häiriintynyt luotettavaan kosketuksettomaan mittaukseen, uppoasennuksella toimiva hydrostaattinen painelähetin voidaan sijoittaa tyynnytysputkeen ja mitata paine-ero, mutta hinta on kostuva anturi, joka vaatii enemmän huoltoa. Täydellinen vertailu pinnankorkeustekniikoista on saatavilla oppaassamme vesi- ja jätevesipinnankorkeusmittauksen anturin valintaan.

Rajoitukset ja niiden kiertäminen

Pinnankorkeuteen perustuva ultraäänivirtausmittaus on luotettava, mutta sillä on selkeät rajoitukset, jotka suunnittelijoiden tulee ottaa huomioon.

Vaahto. Ultraäänipulssit siroavat ja vaimentuvat vaahdossa, mikä aiheuttaa signaalin katoamista tai virheellisiä lukemia. Kevyt, stabiili vaahto voidaan usein hallita tyynnytysputkella tai vaahtoa leikkaavalla anturin taajuudella; runsas tai liikkuva vaahto voi pakottaa siirtymään tutkaan tai muuhun tekniikkaan.

Kiintoaine ja roskat. Padot pidättävät yläpuolisen virtauksen ja laskeuttavat hiekan; mittakourut puhdistuvat itsestään, mutta suuret rätit voivat silti tukkia ne viemärikäytössä. Säännöllinen tarkastus ja yläpuolisen sedimentin poisto padoille kuuluvat kunnossapitosuunnitelmaan.

Ylivuoto. Jos mittakouru tai pato joutuu alapuolisen veden alle — virtaus nousee yli harjan tai kurkun kautta — vapaan virtauksen purkautumisyhtälö ei enää päde ja ilmoitettu virtaus on virheellinen. Asennuksen on mahdollistettava vapaa pudotus, tai aseman on siirryttävä upotetun virtauksen laskentaan, joka vaatii toisen pinnankorkeusmittauksen.

Vedenpaineen vaikutukset. Alapuoliset pinnat, jotka nousevat mittausalueelle, vuorovesivaikutteiset purkukohdat tai alapuoliset esteet vääristävät kaikki pinta–purkauma-suhdetta. Ensiöelin on mitoitettava ja sijoitettava siten, että se toimii vapaan virtauksen olosuhteissa koko odotetulla alueella.

Matalan pään resoluutio. Potenssilain suhteen vuoksi pinta-asteikon alaosassa pienet pinnankorkeusvirheet aiheuttavat suurimmat virtausvirheet. Ensiöelimen mitoitus siten, että normaali virtaus on pinta-asteikon ylemmässä kahdessa kolmanneksessa, parantaa merkittävästi tarkkuutta.

UKK

Kuinka tarkkaa ultraäänellä tehtävä avoimen kanavan virtausmittaus on? Oikein asennetulla ensiöelimellä ja anturilla koko järjestelmän tarkkuus on tyypillisesti ±1–2 % mittausalueesta padoille ja mittakouruille, ja ±5–10 % Manning-yhtälön mittauksille luonnonkanavissa. Pinnankorkeuslukema itsessään on yleensä ±0,2–0,5 % alueesta; suurin osa epävarmuudesta johtuu rakenteen geometriasta ja asennuksesta.

Mitä eroa on padolla ja mittakourulla? Pato on levy, joka padottaa virtauksen ja pakottaa sen ylittämään harjan, luoden yläpuolisen lammen ja painehäviön. Mittakouru on kanavan kavennus, joka kiihdyttää virtausta kurkun läpi vähäisellä yläpuolisella padotuksella. Padot ovat yksinkertaisempia ja halvempia ja sopivat puhtaisiin, pieniin virtauksiin; mittakourut päästävät sedimentin ja roskat läpi helpommin ja ovat suositeltavia jätevesikäytössä.

Voiko ultraäänivirtausmittaus käsitellä vaahtoa ja rättejä jätevedessä? Vaahdon sirontaa ultraäänipulssi, ja rätit voivat tukkia mittapadon harjan tai mittakourun kurkun. Kevyt vaahto on hallittavissa tyynnytyskaivolla, mutta raskas vaahto tai roskainen virtaus on parempi hoitaa Parshall- tai Palmer-Bowlus -mittakourulla säännöllisine tarkastuksineen — tai vaihtamalla tutka- tai pinta-ala-nopeustekniikkaan.

Tarvitsenko tyynnytyskaivon? Ei aina, mutta se on suositeltavaa aina, kun pinta on aaltoileva, turbulenttinen tai ilmastettu. Tyynnytyskaivo tai ohituskaivo, joka on kytketty korkeusmittauspisteeseen, tarjoaa rauhallisen ja vakaan pinnan anturille, ja se on lähes pakollinen suurilla virtauksilla ja kanavissa, joissa on voimakasta sisääntuloturbulenssia.

Voiko ultraäänitason virtausmittaus korvata magneettisen virtausmittarin? Avoimissa kanavissa ja painovoimaisissa virtauksissa kyllä — magneettinen mittari ei toimi, koska putken on oltava täynnä. Kun täysputkinen magneettinen mittari on sovellettavissa, se on tarkempi (±0,5–1 % mittausalueesta), mutta myös kalliimpi. Päätös riippuu siitä, onko virtaus täydessä putkessa vai avoimessa kanavassa.

Pyydä ilmainen avoimen kanavan virtauspaketin suositus

Avoimen kanavan virtausaseman mitoitus tarkoittaa kolmen asian yhteensovittamista: kanavan geometria (leveys, pohjakorkeus ja käytettävissä oleva yläpuolinen pituus), virtausalue (minimi-, normaali- ja huippuvirtaus sekä sallittu korkeushäviö) ja itse neste (puhdas vesi, hulevesi tai jätevesi kiintoaineineen). Kun nämä kolme ovat kunnossa, loput — primäärielimen tyyppi, lähettimen malli, tyynnytyskaivon suunnittelu ja signaalilähtö — loksahtavat paikoilleen. WELK:n insinöörit työskentelevät vesi- ja jätevesialan ammattilaisten kanssa päivittäin ja voivat suositella oikeaa avoimen kanavan pakettia yli 66 tuotemallin valikoimasta, joka kattaa ultraääni-, tutka- ja hydrostaattisen tason mittauslaitteet jokaiseen käyttötarkoitukseen. Lähetä kanavasi mitat ja odotettu virtausalue WELK:lle saadaksesi ilmaisen avoimen kanavan virtauspaketin suosituksen, mukaan lukien primäärielimen valinta, lähettimen spesifikaatio ja asennusohjeet — tehtaan suoralla tuella suunnittelusta käyttöönottoon.