Ismerje meg, hogyan alakítják át az ultrahangos érzékelők a vízszintet áramlássá V-bevágású/Parshall-bukók, mérővályúk és a Manning-egyenlet segítségével – kérje a WELK nyílt csatornás áramlásmérő csomagját.
A nyílt csatornás áramlásmérés a térfogatáram meghatározása csatornában, átereszben vagy részben töltött csőben, ahol a folyadék gravitáció hatására, szabad felszínnel, a légkör felé nyitottan áramlik. Mivel a csatorna geometriája rögzített és ismert, az áramlás egyetlen szintmérésből következtethető: egy ultrahangos szinttávadó méri a víz magasságát egy referenciapont felett – a vízoszlopmagasságot –, és a távadó vagy egy áramlásszámítógép ezt a vízoszlopmagasságot áramlási sebességgé alakítja a telepített primer elem, például V-bukó vagy Parshall-mérőcsatorna kibocsátási egyenlete alapján, vagy téglalap keresztmetszetű és természetes csatornák esetén a Manning-egyenlet segítségével. Ezt a szint-alapú áramlásmérési megközelítést széles körben alkalmazzák víz- és szennyvízkezelő műveknél, mert érintésmentes, alacsony karbantartási igényű, és jellemzően ±1–2%-os pontosságot biztosít a mérési tartományon belül, ha a primer elem megfelelően van telepítve és az érzékelő helyesen van felszerelve. Azoknak a létesítményeknek, amelyeknek folyamatosan és megbízhatóan kell mérniük az elfolyó vizet, az öntözési vízszállítást és a csapadékvizet, a vízoszlopmagasság-alapú ultrahangos mérés továbbra is a legköltséghatékonyabb megoldás.
A nyílt csatornák mindenhol megtalálhatók a víziparban: a szennyvíztisztító telepek befolyó és elfolyó csatornái, öntözőcsatornák és átadási műtárgyak, csapadékvíz-kibocsátások, valamint ipari kibocsátó vezetékek, amelyek a települési szennyvízcsatornába vagy befogadó vízfolyásba torkollnak. A nyílt csatornás áramlás meghatározó jellemzője a szabad felszín. Ellentétben a teljesen feltöltött zárt csővel, ahol az áramlás sebességmérésből és a cső keresztmetszeti területéből számítható, a nyílt csatornában a folyadékszint az áramlás változásával emelkedik és süllyed – és ez a szint közvetlen, megismételhető függvénye a kibocsátott mennyiségnek, feltéve, hogy az áramlást egy ismert keresztmetszet szabályozza.
Ez a kulcsgondolat a szint-alapú áramlásmérés mögött. Ha egy ismert alakú hidraulikus szabályozó szerkezetet telepít – egy bukót, amely a vizet a koronája felett átbuktatja, vagy egy mérőcsatornát, amely a szűkületén keresztül szorítja át az áramlást –, akkor erre a szerkezetre egyedi kapcsolat áll fenn a felső vízszint (vízoszlopmagasság) és az áthaladó áramlás között. Mérje meg pontosan a vízoszlopmagasságot, és az áramlás egyszerű számítással következik, mozgó alkatrészek nélkül, anélkül, hogy bármit az áramlásba helyeznének, és anélkül, hogy bármi eltömődhetne vagy szennyeződhetne. Ezért marad ez a módszer a víz- és szennyvíz szintmérés feladatok munkagépe a telepi befolyótól a végső elfolyóig.
A kapcsolatot egy általános formájú kibocsátási egyenlet írja le: Q = C·h^n, ahol Q az áramlási sebesség, C egy együttható, amely a szerkezet geometriájától és a használt mértékegységektől függ, h a referencia-magasság felett mért vízoszlopmagasság, és n a szerkezet alakja által meghatározott kitevő. Ezért is készülnek a primer elemek pontos méretekkel: a teljes mérés pontossága az ismert geometriából és a vízoszlopmagasság-leolvasásból ered.
A primer elem kiválasztása a legfontosabb mérnöki döntés egy nyílt csatornás áramlásmérő telepítésénél, mert az elem határozza meg az áramlási tartományt, a vízoszlopmagasság-tartományt, amelyet az ultrahangos távadónak fel kell oldania, és a mérés érzékenységét. A WELK nyílt csatornás ultrahangos szint- és áramlásmérője programozva van a szabványos lefolyási egyenletekkel az összes gyakori bukó és mérővályú esetében, így a távadó konfigurálása egyszerűen az elem típusának kiválasztásával és méreteinek megadásával történik.
A V-bevágású bukó egy vékony lemez háromszögletű nyílással, amelyet a csatornán keresztül úgy szerelnek fel, hogy minden áramlás a bevágáson haladjon át. Lefolyási egyenlete: Q = C·h^2,5; a 2,5-ös kitevő kiváló érzékenységet biztosít kis áramlásnál, mert a vízszint kis változása arányosan nagyobb áramlásváltozást eredményez. Ez teszi a V-bevágású bukókat ideálissá kis áramlású feladatokhoz, mint például kísérleti üzemek, adagolási áramlások, öntözési kiágazások és szennyvíztisztító telepek éjszakai bemenetei. A kompromisszum az, hogy a felbontás nagy vízszinteknél csökken, az élnek élesnek és törmelékmentesnek kell maradnia, és a vízszintet a bukótól meghatározott távolságra, jellemzően a maximális vízszint három-négyszeresére kell mérni, hogy elkerüljük a leszívási görbét az él közelében.
A téglalap alakú bukók vékony lemezek vízszintes, téglalap alakú nyílással. Az elnyomott téglalap alakú bukó a csatorna teljes szélességét átfogja, így a végösszehúzódások megszűnnek; a összehúzott bukónak függőleges végösszehúzódásai vannak. A lefolyási egyenlet: Q = C·h^1,5, ahol C tartalmazza az él hosszát és a lefolyási tényezőt. Az 1,5-ös kitevő közepes és nagyobb áramlásokhoz illik, ahol a vízszinttartomány mérsékelt. A téglalap alakú bukók egyszerűen gyárthatók és kalibrálhatók, de osztoznak a bukók általános korlátaiban: felvízi üledékfelhalmozódás, élkopás, és a bukó alatti szabadon eső vízsugár szükségessége.
A Parshall-mérővályú egy előre formázott nyílt csatorna szűkület, konvergáló bemenettel, torokkal és divergáló kimenettel, amelyet eredetileg öntözőcsatornákhoz fejlesztettek ki. Meghatározó előnye, hogy minimális vízszintveszteséggel működik, és nem igényli, hogy a felvízi víz egy gát mögött felduzzadjon, így a lebegő szilárd anyagot és homokot szállító vizet kezeli anélkül, hogy a bukóknál jelentkező üledékesedés fellépne. Szabad átfolyású körülmények között a lefolyási egyenlet: Q = C·h^1,55. Az 1,55-ös kitevő alacsonyabb, mint a bukógáté, így a Parshall-mérővályúnak szélesebb használható vízszint-tartománya és lineárisabb válasza van. A vízszintet a konvergáló szakasz egy meghatározott pontján mérik, nagyjából a beömlőnyílás kétharmadánál a szűkülettől. Mivel a mérővályúk öntisztulóak és átengedik a hordalékot, ezek az előnyben részesített elsődleges elemek szennyvíz- és csapadékvíz-elvezetésnél.
A Palmer-Bowlus (P-B) mérővályú meglévő csövekbe illeszkedik – jellemzően 150–900 mm átmérőjű kör keresztmetszetű szennyvízcsatornákba – azzal, hogy megemeli a csőfenéket és szűkíti a szűkületet. Gyakran aknába szerelik a vezeték kiásása nélkül, ami gazdaságossá teszi a szennyvízáramlás-mérés utólagos felszerelését önkormányzatok számára. Az átfolyási összefüggése Q = C·h^n, ahol az együttható és a kitevő minden csőméretre táblázatban van megadva; a kitevő jellemzően 1,5 körüli, de átmérőtől függően változik. A P-B mérővályú a csövet viszonylag szabad átfolyásúvá teszi, minimalizálva a túlterhelést és a visszaduzzasztást a bukógátakhoz képest, de méretezni kell a csőátmérőhöz és az üzemi tartományhoz, hogy a szűkület soha ne legyen elárasztva.
A bukógátak és mérővályúk azért elsődleges elemek, mert ismert geometriát kényszerítenek az áramlásra. De nem minden csatornába lehet ilyet beépíteni. Hosszú öntözőcsatornákat, természetes patakokat és burkolt trapéz keresztmetszetű csatornákat jellemzően közvetlenül a Manning-egyenlettel mérnek:
Q = (1/n) · A · R^(2/3) · S^(1/2)
ahol n a Manning-érdességi együttható, A az átfolyási keresztmetszet területe, R a hidraulikus sugár (terület osztva a nedvesített kerülettel), és S az energia gradiens, amelyet a csatorna esése közelít. Ismert szélességű négyszög keresztmetszetű csatorna esetén a terület és a hidraulikus sugár egyetlen vízmélység-mérésből számítható, így egy ultrahangos adó folyamatosan megoldhatja a Manning-egyenletet és közvetlenül kiadhatja az átfolyási sebességet.
A fenntartások számítanak a pontosság szempontjából. A Manning-egyenlet állandó, egyenletes áramlást feltételez – ezek a feltételek a terepen ritkán teljesülnek pontosan. Az érdességi együtthatót a csatorna burkolatához (beton, föld, fű, kőszórás) kell megválasztani, és ez változik az évszakkal, az algásodással és az üledékkel. A keresztmetszetnek egy reprezentatív hosszon egyenletesnek kell lennie, és az esést ismerni kell. Ezen bizonytalanságok miatt a Manning-egyenleten alapuló áramlásmérés pontossága általában ±5–10% a mért értékre – ez sok üzemeltetési és hatósági célra elfogadható, de lazább, mint egy bukógátas vagy mérővályús telepítés. Ez marad a szabvány nagy csatornák esetén, ahol egy elsődleges elem beépítése túl költséges vagy hidraulikailag zavaró lenne.
Az ultrahangos szintadó úgy méri a vízszintet, hogy nagyfrekvenciás akusztikus impulzust (jellemzően 30–90 kHz) bocsát ki a vízfelszínre irányított jeladóból, megméri a visszhang oda-vissza idejét, és a mért távolságot kivonja az ismert beépítési magasságból, így kapva meg a folyadékszintet. A jeladó rögzített magasságban van az elsődleges elem referenciapontja felett – a bukógát koronája vagy a mérővályú feneke –, így a távolságmérés a referencia feletti vízszintté válik. Miután a vízszint ismert, az adó alkalmazza a kiválasztott átfolyási egyenletet, és kiadja a pillanatnyi áramlási sebességet, az összesített térfogatot és a 4–20 mA-es, az áramlással arányos jelet az üzemi PLC vagy SCADA számára.
Mivel az érzékelő nem érintkezik a folyadékkal, a rendszer nem szenved a beépített eszközök szennyeződéséből, korróziójából vagy nyomásveszteségéből, és a csatorna fölé szerelhető a folyamat leállítása nélkül. A jelkimenet érdekében egy huroktáplált kétvezetékes ultrahangos szinttávadó 4–20 mA jelet ad közvetlenül a meglévő vezérlőhurkokba, míg egy különálló kijelzős ultrahangos szintmérő az érzékelőt a csatornánál tartja, a kijelzőt pedig a vezérlőteremben – ez gyakori elrendezés olyan átfolyásmérő állomásoknál, ahol az elektronikának beltérben kell lennie.
Az átalakítás pontossága három dolgon múlik: az elsődleges elemen (ismert geometria), a vízszintmérésen (ultrahangos ismételhetőség ±0,2–0,5% a mérési tartományra) és a telepítésen. Ha az elem megfelelően méretezett és az érzékelő megfelelően pozícionált, a teljes rendszerpontosság ±1–2% a mérési értékre reálisan elérhető.
Az érzékelő elhelyezése ugyanolyan fontos, mint amit mér. A vízszintmérési pontot az elsődleges elem szabványa határozza meg – Parshall csatorna esetén a konvergáló beömlő kétharmadánál, bukó esetén meghatározott távolságra a bukóéltől felfelé. Az érzékelőnek közvetlenül e pont felett kell lennie, tiszta, akadálymentes hangúttal a vízhez.
Három telepítési szabály uralja a gyakorlatot. Először is, tartsa az érzékelőt elég távol az elemtől és a beömlőktől, hogy a turbulencia és a felszíni hullámok ne zavarják a vízszintmérést; a minimális megközelítési távolság jellemzően a maximális vízszint többszöröse, és gyakran használnak nyugtató aknát a hullámzás csillapítására. Másodszor, maradjon az érzékelő vakítási távolságán (az érzékelő felületénél lévő közeli holtzóna) kívül, és győződjön meg arról, hogy a távadó kompenzálja a hőmérsékletet, amely megváltoztatja a hangsebességet. Harmadszor, kerülje a hab, levegőztetett zónák vagy törött, gyorsan mozgó víz felé irányítást, mert ezek szórják az impulzust. Ahol a folyás durva vagy a csatorna mély és keskeny, a mérési ponthoz csatlakoztatott nyugtató vagy bypass akna adja a legmegbízhatóbb mérést.
A szintalapú ultrahangos átfolyásmérés az egyik technológia, amelyet a vízipar használ, és a választás a pontosság, a költség és a helyszín fizikai korlátai közötti kompromisszum. Az alábbi táblázat összefoglalja a leggyakoribb opciókat.
| Elsődleges elem / módszer | Kifolyási képlet / elv | Legjobb csatornatípus | Tipikus pontosság | Vízszinttartomány |
|---|---|---|---|---|
| V-bukógát + ultrahangos | Q = C·h^2.5 | Kis vízhozamok; tiszta víz; kísérleti üzemek | ±1–2% a mért értékre | 30–600 mm |
| Téglalap keresztmetszetű bukógát + ultrahangos | Q = C·h^1.5 | Közepes vízhozamok; tiszta víz | ±2–3% a mért értékre | 30–750 mm |
| Parshall-mérőcsatorna + ultrahangos | Q = C·h^1.55 | Szilárd anyagot tartalmazó víz; szennyvíz | ±2–5% a mért értékre | 60–800 mm |
| Palmer-Bowlus-mérőcsatorna + ultrahangos | Q = C·h^n (n ≈ 1 | 5) | Részben töltött kör keresztmetszetű csatornák | ±2–5% a mért értékre, 30–500 mm |
| Manning-egyenlet + ultrahangos | Q = (1/n)·A·R^(2/3)·S^(1/2) | Téglalap és természetes csatornák | ±5–10% a mért értékre | Mélység korlátozott a csatorna által |
| Doppler / terület-sebesség | Sebesség × nedvesített keresztmetszet | Iszapok; túlterhelt csövek | ±2–5% a mért értékre | Teljes cső és nyílt csatorna |
| Elektromágneses (mágneses) mérő | Indukált feszültség teljes csőben | Tiszta vagy szennyezett folyadék teljes csövekben | ±0 | 5–1% a mért értékre, Csak teljes cső |
A Doppler-mérők a hangvisszaverődést használják a lebegő részecskékről vagy buborékokról, és a Doppler-eltolódásból számítják ki a sebességet, majd megszorozzák a nedvesített keresztmetszettel. Kezelik az iszapokat, zagyokat és túlterhelt vezetékeket, ahol bukógát vagy mérőcsatorna nem használható, és a csatorna módosítása nélkül telepíthetők. A kompromisszum az, hogy a pontosság feltételezett sebességprofiltól függ, és az érzékelőknek részecskékre van szükségük a folyadékban – a tiszta víz hatástalanítja őket. A tipikus pontosság ±2–5% a mért értékre.
Az elektromágneses mérők a vezető folyadék mágneses mezőben történő mozgása által indukált feszültséget mérik, ami valódi átlagsebességet ad, és a legpontosabb áramlásmérő műszerek közé tartoznak, ±0,5–1% a mért értékre. De ezek beépített, teljes csöves eszközök: a csőnek teljesen meg kell telnie, és a mérőnek nedvesen kell maradnia, ami kizárja őket a gravitációs nyílt csatornákból. Természetes választás a szivattyú nyomóvezetékeihez és más zárt teljes csövekhez, lényegesen magasabb költséggel mérési pontonként, mint egy szintmérő plusz elsődleges elem állomás.
Ahol az ultrahangos nem praktikus — erős hab, kondenzáció vagy nagyon nagy mérési tartomány —, ott a radaros áramlásmérő nyílt vízhez ugyanazt a szint-áramlás logikát kínálja mikrohullámú szintméréssel. A radar jobban áthatol a gőzön és bizonyos habokon, mint az ultrahangos, magasabb költség mellett azonos terhelés esetén. Ahol a felszín túl zavart a megbízható, nem érintkező méréshez, ott egy szubmerzibilis hidrosztatikus szinttávadó elhelyezhető egy nyugtató csőben, és nyomás alapján méri a magasságot, ám ez nedves érzékelőt igényel, ami több karbantartást igényel. A szintmérési technológiák teljes összehasonlítása megtalálható útmutatónkban a víz- és szennyvízszint-mérési érzékelő kiválasztásáról.
A szint alapú ultrahangos áramlásmérés robusztus, de jól meghatározott korlátai vannak, amelyeket a tervezőknek figyelembe kell venniük.
Hab. Az ultrahangos impulzusokat a hab szétszórja és elnyeli, ami elveszett visszhangokat vagy hamis leolvasásokat okoz. A könnyű, stabil hab gyakran kezelhető nyugtató csővel vagy habvágó jelátalakító frekvenciával; a nehéz vagy mozgó hab esetén szükség lehet radarra vagy más technológiára váltani.
Szilárd anyagok és törmelék. A bukógát felduzzasztja a felvízi áramlást és megülepíti a hordalékot; a mérővályúk öntisztulóak, de szennyvíz-alkalmazásban nagy rongyok még eltömíthetik őket. A rendszeres ellenőrzés, valamint a bukógátak felvízi hordalék-eltávolítása a karbantartási terv részét képezi.
Túlfolyás. Ha egy mérővályú vagy bukógát alvízi oldala elárasztódik — az áramlás visszaduzzad a korona vagy a szűkület fölött —, a szabad átfolyású vízhozam-egyenlet már nem érvényes, és a jelzett áramlás hibás. A telepítésnek lehetővé kell tennie a szabad lefolyást, vagy az állomásnak át kell váltania elárasztott áramlási számításra, amelyhez második szintmérés szükséges.
Visszaduzzasztási hatások. Az alvízi szintek, amelyek a mérési zónába emelkednek, az árapály által befolyásolt kifolyók vagy az alvízi akadályok mind torzítják a vízszint–vízhozam összefüggést. Az elsődleges elemet úgy kell méretezni és elhelyezni, hogy a teljes várható tartományban szabad átfolyású körülmények között működjön.
Kis esésű felbontás. A hatványfüggvény-kapcsolat miatt a vízszint-tartomány alsó részén okoznak a kis szintmérési hibák a legnagyobb vízhozam-hibákat. Az elem méretezése úgy, hogy a normál áramlás a vízszint-tartomány felső kétharmadába essen, jelentősen javítja a pontosságot.
Mennyire pontos az ultrahangos nyílt csatornás áramlásmérés? Megfelelően telepített elsődleges elem és jelátalakító esetén a teljes rendszer pontossága jellemzően ±1–2% a mérési tartományra vonatkoztatva bukógátaknál és mérővályúknál, és ±5–10% a Manning-egyenlet alapú méréseknél természetes csatornákban. A vízszintmérés maga általában ±0,2–0,5% a mérési tartományra; a bizonytalanság nagy része a szerkezet geometriájából és a telepítésből származik.
Mi a különbség a bukógát és a mérővályú között? A bukógát egy lemez, amely felduzzasztja az áramlást és egy korona fölött kényszeríti át, felvízi medencét és esésveszteséget hozva létre. A mérővályú egy csatorna-szűkület, amely felgyorsítja az áramlást egy szűkületen keresztül, kis felvízi felduzzasztással. A bukógátak egyszerűbbek és olcsóbbak, és tiszta, kis áramlásokhoz alkalmasak; a mérővályúk könnyebben átengedik az üledéket és a szilárd anyagokat, ezért szennyvíz-alkalmazásokban előnyben részesítik őket.
Kezeli-e az ultrahangos áramlásmérés a habot és a rongyokat a szennyvízben? A hab szétszórja az ultrahangos impulzust, és a rongyok eltömíthetik a bukóélt vagy a mérőcsatorna szűkületét. A könnyű hab kezelhető nyugtató aknával, de a sűrű hab vagy a törmelékes áramlás esetén jobb megoldás a Parshall vagy Palmer-Bowlus mérőcsatorna rendszeres ellenőrzéssel – vagy a radar vagy a sebesség-terület technológiára való áttérés.
Szükségem van nyugtató aknára? Nem mindig, de ajánlott, ahol a felszín hullámos, turbulens vagy levegőztetett. A mérési pontra csatlakoztatott nyugtató akna vagy bypass akna nyugodt, stabil felületet biztosít az átalakító számára, és szinte kötelező nagy áramlásoknál és erős bemeneti turbulenciával rendelkező csatornáknál.
Helyettesítheti-e az ultrahangos szintáramlásmérés a mágneses áramlásmérőt? Nyílt csatornák és gravitációs áramlások esetén igen – a mágneses mérő nem működhet, mert a csőnek teljesen meg kell telnie. Ahol a teljes csöves mágneses mérő alkalmazható, ott pontosabb (±0,5–1% a mérési értékre), de drágább is. A döntés attól függ, hogy az áramlás teljes csőben vagy nyílt csatornában történik.
A nyílt csatornás áramlási állomás méretezése három dolog összehangolását jelenti: a csatorna geometriáját (szélesség, fenékszint és rendelkezésre álló felső szakasz hossza), az áramlási tartományt (minimális, normál és csúcsáramlás, valamint a megengedett esésveszteség), és magát a folyadékot (tiszta víz, csapadékvíz vagy szennyvíz szilárd anyagokkal). Ha ezt a hármat jól meghatározza, a többi – az elsődleges elem típusa, az adó modellje, a nyugtató akna kialakítása és a jelkimenet – a helyére kerül. A WELK mérnökei naponta dolgoznak víz- és szennyvízkezelési szakemberekkel, és több mint 66 termékmodellel rendelkező kínálatból tudják ajánlani a megfelelő nyílt csatornás csomagot, amely ultrahangos, radaros és hidrosztatikus szintműszereket foglal magában minden feladatra. Küldje el csatornájának méreteit és a várható áramlási tartományt a WELK-nek egy ingyenes nyílt csatornás áramlási csomag ajánlásért, beleértve az elsődleges elem kiválasztását, az adó specifikációját és a szerelési útmutatást – gyári közvetlen támogatással a tervezéstől az üzembe helyezésig.
Ultrasonic head-level measurement package for flumes, weirs, wastewater channels and industrial discharge flow monitoring.
Non-contact radar package for open-water level and surface-velocity monitoring where fouling or submerged sensors are a concern.
Separated ultrasonic transducer and wall-mounted display/controller for deep pits, pump stations and tanks where tank-top reading is inconvenient.
Send drawings, dimensions, material, environment or operating conditions, and we will help confirm the right specification.
Uploaded reference files are included with the inquiry. For larger CAD packages, reply to the confirmation email or send them here:
Our team typically replies within 24 óra.
