Измерение расхода в открытых каналах с помощью ультразвука: преобразование уровня в расход через водосливы, лотки и уравнение Маннинга

Измерение расхода в открытых каналах — это определение объемного расхода в канале, водопропускной трубе или частично заполненной трубе, где жидкость движется под действием силы тяжести со свободной поверхностью, открытой в атмосферу. Поскольку геометрия канала фиксирована и известна, расход можно определить по одному измерению уровня: ультразвуковой уровнемер измеряет высоту воды над контрольной точкой — напор, — и преобразователь или вычислитель расхода преобразует этот напор в расход, используя уравнение расхода установленного первичного элемента, такого как водослив с треугольным вырезом или лоток Паршалла, или, для прямоугольных и естественных каналов, уравнение Маннинга. Этот подход от уровня к расходу применяется на предприятиях водоснабжения и водоотведения, поскольку он бесконтактный, не требует обслуживания и обычно точен до ±1–2% от расхода при правильной установке первичного элемента и правильном монтаже датчика. Для предприятий, которым необходимо непрерывно и достоверно измерять сточные воды, оросительные подачи и ливневые стоки, ультразвуковое измерение на основе напора остается наиболее экономически эффективным стандартом.

Почему расход в открытых каналах измеряется по уровню

Открытые каналы повсеместно встречаются в водной отрасли: подводящие и отводящие каналы на очистных сооружениях, оросительные каналы и водовыпуски, ливневые выпуски и промышленные сбросные линии, впадающие в городские коллекторы или принимающие водоемы. Определяющая особенность потока в открытом канале — свободная поверхность. В отличие от закрытой трубы, работающей полным сечением, где расход можно вычислить по измерению скорости и площади поперечного сечения трубы, в открытом канале уровень жидкости повышается и понижается при изменении расхода — и этот уровень является прямой, воспроизводимой функцией расхода, при условии, что поток контролируется известным поперечным сечением.

В этом ключевая идея измерения расхода по уровню. Если установить гидравлическое регулирующее сооружение известной формы — водослив, заставляющий воду переливаться через гребень, или лоток, сужающий поток в горловине, — то для такого сооружения существует однозначная зависимость между уровнем воды выше по течению (напором) и проходящим расходом. Измерьте напор точно, и расход следует из простого расчета, без движущихся частей, без введения чего-либо в поток, и ничто не засоряется и не загрязняется. Вот почему этот метод остается основным для задач измерения уровня воды и сточных вод от входа на очистные сооружения до конечного сброса.

Эта зависимость описывается уравнением расхода общего вида Q = C·h^n, где Q — расход, C — коэффициент, зависящий от геометрии сооружения и используемых единиц, h — напор, измеренный относительно контрольной отметки, а n — показатель степени, определяемый формой сооружения. Именно поэтому первичные элементы изготавливаются с точными размерами: точность всего измерения наследуется от известной геометрии и показания напора.

Первичные элементы и их уравнения расхода

Выбор первичного элемента — самое важное инженерное решение при установке измерения расхода в открытом канале, поскольку элемент определяет диапазон расхода, диапазон напора, который должен разрешать ультразвуковой преобразователь, и чувствительность измерения. Ультразвуковой уровнемер-расходомер WELK для открытых каналов открытый канальный ультразвуковой уровнемер-расходомер запрограммирован со стандартными уравнениями расхода для всех распространенных водосливов и лотков, поэтому настройка преобразователя сводится к выбору типа элемента и вводу его размеров.

Водосливы с V-образным вырезом (треугольные)

Водослив с V-образным вырезом представляет собой тонкую пластину с треугольным отверстием, установленную поперек канала так, чтобы весь поток проходил через вырез. Его уравнение расхода: Q = C·h^2.5; показатель степени 2,5 обеспечивает отличную чувствительность при малых расходах, поскольку небольшое изменение напора вызывает пропорционально большее изменение расхода. Это делает V-образные водосливы идеальными для низких расходов, таких как пилотные установки, дозирующие потоки, оросительные отводы и ночные притоки на очистных сооружениях. Обратной стороной является то, что разрешение снижается при больших напорах, гребень должен оставаться острым и свободным от мусора, а напор должен измеряться на определенном расстоянии выше по течению от выреза — обычно в три-четыре раза больше максимального напора — чтобы избежать влияния кривой спада вблизи гребня.

Прямоугольные и сжатые водосливы

Прямоугольные водосливы — это тонкие пластины с горизонтальным прямоугольным отверстием. Сжатый прямоугольный водослив перекрывает всю ширину канала, что устраняет боковое сжатие; водослив с боковым сжатием имеет вертикальные боковые сжатия. Уравнение расхода: Q = C·h^1.5, где C учитывает длину гребня и коэффициент расхода. Показатель степени 1,5 подходит для средних и больших расходов при умеренном диапазоне напора. Прямоугольные водосливы просты в изготовлении и калибровке, но им присущи общие ограничения водосливов: накопление осадка выше по течению, износ гребня и необходимость свободного падения струи ниже по течению от гребня.

Лотки Паршалла

Лоток Паршалла — это сборное сужение открытого канала с сходящимся входом, горловиной и расходящимся выходом, первоначально разработанное для оросительных каналов. Его ключевое преимущество в том, что он работает с минимальными потерями напора и не требует подпора воды выше по течению, поэтому он справляется с водой, содержащей взвешенные вещества и песок, без осаждения, которое было бы у водослива. В условиях свободного течения уравнение расхода: Q = C·h^1.55. Показатель степени 1,55 ниже, чем у водослива, что дает лотку Паршалла более широкий полезный диапазон напора и более линейную характеристику. Напор измеряется в определенной точке сужающейся секции, примерно на две трети высоты входа от горловины. Поскольку лотки самоочищаются и пропускают мусор, они являются предпочтительным первичным элементом на очистных сооружениях и в ливневой канализации.

Лотки Палмера-Боулуса

Лоток Палмера-Боулуса (P-B) устанавливается внутри существующих труб — обычно круглых канализационных коллекторов диаметром 150–900 мм — за счет подъема дна и сужения горловины. Его часто монтируют в смотровом колодце без раскопки линии, что делает его экономичным для муниципалитетов, модернизирующих мониторинг сточных вод. Его расходная характеристика описывается уравнением Q = C·h^n, где коэффициент и показатель степени табулированы для каждого диаметра трубы; показатель степени обычно близок к 1,5, но изменяется в зависимости от диаметра. Лоток P-B поддерживает относительно свободное течение в трубе, сводя к минимуму подпор и обратное подтопление по сравнению с водосливами, но он должен быть подобран по диаметру трубы и рабочему диапазону, чтобы горловина никогда не была затоплена.

Уравнение Маннинга для прямоугольных и естественных каналов

Водосливы и лотки являются первичными элементами, потому что они придают потоку известную геометрию. Но не каждый канал можно оборудовать ими. Длинные оросительные каналы, естественные водотоки и каналы трапециевидного сечения с облицовкой обычно измеряются непосредственно по уравнению Маннинга:

Q = (1/n) · A · R^(2/3) · S^(1/2)

где n — коэффициент шероховатости Маннинга, A — площадь поперечного сечения потока, R — гидравлический радиус (площадь, деленная на смоченный периметр), а S — гидравлический уклон, аппроксимируемый уклоном канала. Для прямоугольного канала известной ширины площадь и гидравлический радиус могут быть вычислены по одному измерению глубины, поэтому ультразвуковой преобразователь может непрерывно решать уравнение Маннинга и выдавать расход непосредственно.

Оговорки важны для точности. Уравнение Маннинга предполагает установившееся равномерное течение — условия, редко точно выполняемые на практике. Коэффициент шероховатости должен быть выбран для облицовки канала (бетон, грунт, трава, каменная наброска), и он изменяется в зависимости от сезона, роста водорослей и отложений. Поперечное сечение должно быть однородным на представительной длине, а уклон должен быть известен. Из-за этих неопределенностей измерение расхода по Маннингу обычно оценивается с точностью ±5–10% от расхода — приемлемо для многих эксплуатационных и регулирующих целей, но менее точно, чем установка водослива или лотка. Это остается стандартом для больших каналов, где первичный элемент был бы prohibitively дорогим или гидравлически разрушительным.

Как ультразвуковой преобразователь измеряет напор и преобразует его в расход

Ультразвуковой уровнемер измеряет напор, излучая высокочастотный акустический импульс (обычно 30–90 кГц) с датчика, направленного на поверхность воды, измеряя время прохождения эха туда и обратно и вычитая измеренное расстояние из известной высоты установки для получения уровня жидкости. Датчик устанавливается на фиксированной высоте над контрольной точкой первичного элемента — гребнем водослива или дном лотка — так что показание расстояния становится напором над этой контрольной точкой. Как только напор известен, преобразователь применяет выбранное уравнение расхода и выдает мгновенный расход, суммарный объем и сигнал 4–20 мА, пропорциональный расходу, для ПЛК или SCADA станции.

Поскольку преобразователь никогда не касается жидкости, система не несёт штрафов за загрязнение, коррозию или потери давления, присущих встраиваемым устройствам, и может быть установлена над каналом без остановки потока. Для выходного сигнала питаемый от петли двухпроводный ультразвуковой уровнемер подаёт сигнал 4–20 мА непосредственно в существующие контуры управления, в то время как раздельный ультразвуковой уровнемер с выносным дисплеем размещает преобразователь у канала, а дисплей в щитовой — обычная компоновка для измерительных станций, где электроника должна находиться в помещении.

Точность преобразования зависит от трёх факторов: первичного элемента (известная геометрия), измерения напора (повторяемость ультразвука ±0,2–0,5% диапазона) и монтажа. При правильно подобранном элементе и правильно установленном преобразователе реальна общая точность системы ±1–2% от расхода.

Требования к монтажу ультразвукового преобразователя

Расположение преобразователя так же важно, как и то, что он измеряет. Точка измерения напора определяется стандартом первичного элемента — для лотка Паршалла это две трети вверх по сходящемуся входу; для водослива — заданное расстояние выше по течению от гребня. Преобразователь должен находиться непосредственно над этой точкой с чистым, беспрепятственным путём звука к воде.

Три правила монтажа доминируют в полевой практике. Во-первых, держите преобразователь достаточно далеко от элемента и от входов, чтобы турбулентность и поверхностные волны не возмущали показания напора; типично минимальное расстояние приближения, в несколько раз превышающее максимальный напор, и часто используется успокоительный колодец для гашения ряби. Во-вторых, оставайтесь вне мёртвой зоны прибора (ближняя зона у поверхности преобразователя) и убедитесь, что передатчик компенсирует температуру, которая изменяет скорость звука. В-третьих, избегайте направления на пену, аэрированные зоны или разбитую, быстро движущуюся воду, все они рассеивают импульс. Там, где поток неровный или канал глубокий и узкий, успокоительный или байпасный колодец, соединённый с точкой измерения, даёт наиболее надёжные показания.

Ультразвуковой метод по сравнению с другими методами измерения расхода

Ультразвуковое измерение расхода по уровню — одна из нескольких технологий, доступных для водной отрасли, и выбор является компромиссом между точностью, стоимостью и физическими ограничениями объекта. Таблица ниже суммирует наиболее распространённые варианты.

Доплеровские и площадь-скорость расходомеры

Доплеровские расходомеры измеряют расход, отражая звук от взвешенных частиц или пузырьков и вычисляя скорость по доплеровскому сдвигу, затем умножая на площадь смачиваемого поперечного сечения. Они работают с осадками, шламами и напорными линиями, где водослив или лоток использовать невозможно, и могут быть установлены без изменения канала. Обратная сторона — точность зависит от предполагаемого профиля скорости, и датчики требуют наличия частиц в жидкости — чистая вода им мешает. Типичная точность составляет ±2–5% от расхода.

Магнитные расходомеры

Электромагнитные расходомеры измеряют напряжение, индуцируемое при движении проводящей жидкости через магнитное поле, что дает истинную среднюю скорость, и являются одними из самых точных расходомеров с точностью ±0.5–1% от расхода. Но они встраиваемые, работают только в полностью заполненных трубах: труба должна быть заполнена, и датчик должен оставаться смоченным, что исключает их использование для гравитационных открытых каналов. Они являются естественным выбором для напорных линий насосов и других закрытых полностью заполненных труб, но стоят значительно дороже за точку измерения, чем станция с уровнем и первичным элементом.

Радарные и гидростатические альтернативы

Где ультразвук непрактичен — сильная пена, конденсат или очень большая дальность — радарный уровнемер для открытых водотоков предлагает ту же логику «уровень-расход» с микроволновым измерением уровня. Радар лучше ультразвука проникает через пар и частично через пену, но стоит дороже при аналогичных условиях. Если поверхность слишком возмущена для надежного бесконтактного измерения, погружной гидростатический датчик уровня можно установить в успокоительный колодец и измерять напор по давлению, но смоченный датчик требует большего обслуживания. Полное сравнение технологий измерения уровня приведено в нашем руководстве по выбору датчиков уровня для воды и сточных вод.

Ограничения и способы их обхода

Расходомеры на основе измерения уровня ультразвуком надежны, но имеют четко определенные ограничения, которые инженеры должны учитывать при проектировании.

Пена. Ультразвуковые импульсы рассеиваются и поглощаются пеной, что приводит к потере эхо-сигнала или ложным показаниям. Легкую стабильную пену часто можно компенсировать с помощью успокоительного колодца или частоты преобразователя, разрушающей пену; при сильной или подвижной пене может потребоваться переход на радар или другую технологию.

Твердые частицы и мусор. Водосливы запруживают поток выше по течению и осаждают песок; лотки самоочищаются, но все же могут забиваться крупными тряпками в канализационных сетях. Регулярный осмотр и удаление наносов выше по течению для водосливов должны быть включены в план технического обслуживания.

Подпор. Если лоток или водослив оказывается затопленным ниже по течению — поток подпирается через гребень или через горловину — уравнение расхода при свободном истечении больше не выполняется, и индицируемый расход неверен. Установка должна обеспечивать свободное падение, или станция должна переключаться на расчет затопленного потока, требующий второго измерения уровня.

Влияние подпора. Уровни ниже по течению, поднимающиеся в зону измерения, выпуски, подверженные влиянию приливов, или препятствия ниже по течению — все это искажает зависимость напор–расход. Первичный элемент должен быть рассчитан и размещен так, чтобы он работал в условиях свободного истечения во всем ожидаемом диапазоне.

Разрешение при малых напорах. Из-за степенной зависимости именно в нижней части диапазона напора малые ошибки уровня приводят к наибольшим ошибкам расхода. Выбор размера элемента таким образом, чтобы нормальный расход находился в верхних двух третях диапазона напора, существенно повышает точность.

Часто задаваемые вопросы

Насколько точным является ультразвуковое измерение расхода в открытых каналах? При правильно установленном первичном элементе и преобразователе общая точность системы обычно составляет ±1–2% от измеряемой величины для водосливов и лотков и ±5–10% для измерений по уравнению Маннинга на естественных руслах. Само измерение напора обычно имеет точность ±0,2–0,5% от диапазона; большая часть неопределенности связана с геометрией сооружения и установкой.

В чем разница между водосливом и лотком? Водослив — это пластина, которая перегораживает поток и заставляет его переливаться через гребень, создавая подпор выше по течению и потерю напора. Лоток — это сужение русла, которое ускоряет поток через горловину с небольшим подпором выше по течению. Водосливы проще и дешевле и подходят для чистых, малых расходов; лотки легче пропускают наносы и мусор и предпочтительны для сточных вод.

Может ли ультразвуковое измерение расхода справиться с пеной и тряпками в сточных водах? Пена рассеивает ультразвуковой импульс, а тряпки могут засорить гребень водослива или горловину лотка. Легкая пена устранима с помощью успокоительного колодца, но при сильной пене или потоке с большим количеством мусора лучше использовать лоток Паршалла или Палмера-Боулюса с регулярным осмотром — или перейти на радарную или доплеровскую технологию измерения скорости.

Нужен ли мне успокоительный колодец? Не всегда, но он рекомендуется везде, где поверхность волнистая, турбулентная или аэрированная. Успокоительный или обводной колодец, соединенный с точкой измерения напора, обеспечивает спокойную, стабильную поверхность для датчика, и он почти обязателен при больших расходах и на каналах с сильной турбулентностью на входе.

Может ли ультразвуковое измерение уровня расхода заменить электромагнитный расходомер? Для открытых каналов и самотечных потоков — да, электромагнитный расходомер не может работать, потому что труба должна быть заполнена полностью. Там, где применим полнозаполненный электромагнитный расходомер, он более точен (±0,5–1% от показаний), но и более дорог. Решение сводится к тому, находится ли поток в полной трубе или в открытом канале.

Получите бесплатную рекомендацию по комплекту для измерения расхода в открытых каналах

Расчет станции измерения расхода в открытом канале означает согласование трех вещей: геометрии канала (ширина, отметка дна и доступная длина выше по течению), диапазона расходов (минимальный, нормальный и пиковый расход, плюс допустимые потери напора) и самой жидкости (чистая вода, ливневая вода или сточные воды с твердыми частицами). Если эти три параметра определены правильно, остальное — тип первичного элемента, модель передатчика, конструкция успокоительного колодца и выходной сигнал — встает на свои места. Инженеры WELK ежедневно работают со специалистами по водоснабжению и водоотведению и могут порекомендовать подходящий комплект для открытых каналов из более чем 66 моделей продукции, охватывающих ультразвуковые, радарные и гидростатические уровнемеры для любых условий. Отправьте размеры вашего канала и ожидаемый диапазон расходов в WELK для получения бесплатной рекомендации по комплекту для открытых каналов, включая выбор первичного элемента, спецификацию передатчика и рекомендации по монтажу — с прямой поддержкой завода от проектирования до ввода в эксплуатацию.