Měření průtoků ultrazvukem

Měření průtoků ultrazvukem

Quantum Hydrometrie GmbH Zossener Straße 55 10961 Berlin Telefon: 030 / 69 81 10 . 0 Fax: 030 / 69 81 10 - 99 E-mail: [email protected] Internet: http://www.quantum-hydrometrie.de

Březen 2006 Podle německého originálu: Bau und Betrieb von Ultraschall-Durchflussmessanlagen, © LfU 2001

-2-


1

Quantum Hydrometrie GmbH Předložená publikace rozšiřuje řadu pracovních návodů pro „Vodočetnou a datovou službu Baden-Württemberg“. Přitom zde nejsou uvedeny jenom základy plánování a vyžadované úkoly a činnosti v průběhu provozu ultrazvukového měřicího systému, nýbrž je hlouběji pojednáno o fyzikální podstatě a principech diferenční ultrazvukové měřicí metody.

Úvodní poznámka

Ultrazvukové měřicí přístroje nacházejí stále větší uplatnění při měření průtoků a proteklých množství povrchových vod. Toto měření přitom doplňuje nebo nahrazuje obvyklé limnigrafy, kde jsou průtoky vyhodnocovány na základě měření vodního stavu z měrné křivky koryta.

Uvedené teoretické znalosti jsou nezbytné jak pro plánování a údržbu, tak pro kontrolu správnosti měřených dat. Mimo to by měly sloužit k pochopení provozních požadavků, které jsou kladeny na obsluhu zařízení.

Četné aplikace této měřicí metody v hydrologické měrné síti v německé spolkové zemi Baden-Württemberg si vyžádaly sepsání tohoto pracovního návodu pro stavbu a provoz ultrazvukových zařízení pro měření průtoků.

3


2

Quantum Hydrometrie GmbH měřené proudění není žádným způsobem ovlivněno.

Uplatnění

Průtok je důležitou hydrologickou a vodohospodářskou měrnou veličinou například pro: -

účelné hospodaření s vodními zásobami,

-

protipovodňovou ochranu,

-

dimenzování a provoz vodohospodářských objektů (jezy, vodní elektrárny, zdymadla, čerpací stanice, přehrady apod.),

-

kalibraci a verifikaci hydraulických/ hydrologických numerických modelů,

-

sestavení hydrologických statistik, ročenek, posudků apod.,

-

udělení vodoprávních povolení a další.

Obr. 1:

Instalace ultrazvukového zařízení pro měření průtoků na toku

Předkládaný návod se nadále omezuje na výklad o měření průtoků ultrazvukovým zařízením při volné hladině, tedy v přirozených tekoucích vodách, kanálech nebo říčních ústích.

Existují různé metody pro stanovení rychlosti toku v měrném profilu, potažmo průtoku. Pakliže byly v minulosti při měření rychlosti využívány mechanické přístroje, rozšířil se dnes na základě rozvoje moderní elektroniky trend jiných postupů, jako např. měření pomocí ultrazvuku. Jako tradiční a osvědčené metody měření rychlosti proudění jsou používány hydrometrické vrtule, kde frekvence otáčení propeleru je úměrná měřené rychlosti. Měření průtoků prostřednictvím hydrometrických vrtulí jsou však obzvlášť na velkých tocích velmi časově náročná a nákladná. Průběžné měření je proto možné u povrchově tekoucích vod jenom na základě stabilních průtokových křivek, které vyjadřují vztah mezi vodním stavem (hloubkou) a průtokem (tzv. měrná/konzumpční křivka). V kanalizovaných nebo jinak ovlivněných tocích, kde nelze definovat vztah mezi hloubkou a průtokem, je řádné průběžné měření průtoku tradičním způsobem nemožné. Zejména zde se nabízí uplatnění ultrazvukové měřicí metody. Oproti metodě měření s hydrometrickými vrtulemi umožňuje ultrazvuková metoda průběžné a plně automatické dlouhodobé měření bez technické obsluhy. Další výhoda ultrazvukové metody spočívá v tom, že

4


Quantum Hydrometrie GmbH

3

Teoretické základy

3.1

Přehled principů měření

3.3

Při ultrazvukovém dopplerovském principu je využívána odrazná schopnost drobných ve vodě obsažených částic. Přitom se předpokládá, že se rychlost pohybu těchto částic shoduje s rychlostí okolního proudění. Ultrazvukový senzor přijímá odražené ultrazvukové vlnění, které vykazuje odchylku ve frekvenci, tzv. dopplerovský frekvenční posun, který je úměrný rychlosti pohybu odrazné částice (Obr. 3).

Ultrazvukové měření průtoků je nepřímou metodou, tzn. že průtok je vypočítán na základě rovnice kontinuity z měření průřezové rychlosti a průtočné plochy přiřazené měřenému vodnímu stavu. Pro měření rychlosti ultrazvukem se v praxi uplatňují tři principielně odlišné metody: •

Metoda „sing-around“

•

Metoda ultrazvukového dopplerovského měření (dopplerovská)

•

Metoda ultrazvukového diferenčního měření (diferenční)

3.2

senzor

směr proudění

„Sing-around“ princip

Krátký ultrazvukový impuls generovaný vysílačem proběhne definovanou měrnou dráhu. Další impuls se uvolní vzápětí po příjmu pomocí zpětného elektronického propojení mezi vysílačem a přijímačem (Obr. 2). vysílač

Ultrazvukový dopplerovský princip

Obr. 3:

vvody

odrazná částečka

Princip dopplerovského měření

Kromě dopplerovského frekvenčního posunu je měřen čas, který signál potřebuje pro návrat k vysílači. Z této hodnoty se může stanovit vzdálenost odrazné částice, a tím konečně i rozdělení rychlosti podél měrné linie.

přijímač

Dopplerovský princip je v praxi uplatňován např. v následujících oblastech:

elektronické propojení

Obr. 2:

-

ADCP měření průtoku na řekách a kanálech,

-

ADCP oceánografické měření proudění,

-

Ultrazvukové dopplerovské sondy pro měření průtoků ve stokách a malých korytech.

Schéma akustického „sing-around“ okruhu

Ultrazvukové impulsy je možné zachytávat po určitou, libovolně dlouhou dobu, čímž se získá oběhová frekvence, která je úměrná rychlosti šíření ultrazvuku, potažmo rychlosti proudění v měrné dráze.

3.4

Princip časové diference

Princip měření se zakládá na přímém měření doby průchodu akustického signálu mezi dvěma ultrazvukovými senzory (elektroakustickými měniči).

Tento „sing-aroud“ princip je přednostně uplatňován v senzorech pro bodové měření rychlosti.

Zvuková vlna, která se ve vodě šíří proti směru proudění, potřebuje k překonání

5



měrné vzdálenosti delší dobu, než zvuková vlna šířící se ve směru proudění.

3.5

Vzniklý časový rozdíl je přímo úměrný rychlosti proudění v měrné dráze, respektive při znalosti geometrie koryta a směru proudění přímo úměrný průtoku.

Měření doby průchodu signálu

Ke stanovení doby průchodu signálu obdrží senzor (elektroakustický měnič) napěťový impuls ve tvaru obdélníkového nebo sinusového signálu, který přemění na vysokofrekvenční akustický impuls a vyšle k protějšímu senzoru. Měřena je doba průchodu tohoto signálu mezi dvěma senzory (Obr. 4).

U průtočných profilů s volnou hladinou je průtočná plocha závislá na hloubce, proto musí být pro stanovení geometrie profilu vždy měřen také vodní stav. S ohledem na geometrii průtočného profilu se přijímají vhodné zjednodušující předpoklady, jejichž platnost musí být potvrzena kalibračním měřením (viz kap. 3.9).

přístrojová skříň

Měření doby průchodu signálu mezi senzory je realizováno různými způsoby, např. metoda frekvenčních pásem a metoda impulsní. Při metodě frekvenčních pásem je do vody vysílán definovaný sled frekvencí, metoda impulsní uplatňuje krátkodobý ultrazvukový impuls o jedné frekvenci.

propojovací kabel

Diferenční princip s impulsním měřením doby průchodu akustického signálu našel v oblasti kontinuálního měření průtoků v řekách a kanálech tradiční uplatnění po celém světě. Proto se následující kapitoly omezí pouze na tento princip měření.

Obr. 4:

senzor

Schéma principu měření doby průchodu signálu

Doby t1-2 a t2-1 se dnes obecně stanovují přímým měřením. Odečítá se časový okamžik prvního průchodu přijatého signálu přes nulovou hodnotu, a to podle výrobce analogicky nebo digitálně. Doba průchodu signálu proudění se spočítá:

t1-2

ve

směru

a doba průchodu signálu t2-1 proti směru proudění:

kde jsou:

6

L1-2

délka měrné dráhy (přímá spojnice mezi senzory),

c

rychlost šíření ultrazvuku ve vodě,

v1-2

střední hodnota rychlosti proudění v měrné dráze.

Měření průtoků ultrazvukem Výsledná časová diference předpokladu c>>v rovna:

Quantum Hydrometrie GmbH je

pak

za

Senzory pracují střídavě jako vysílač a přijímač. Směr šíření ultrazvukového signálu je značen 1-2 (ve směru proudění), resp. 2-1 (proti směru proudění).

Příklad:

3.6.2

Rychlost ultrazvuku ve vodě činí v závislosti na salinitě a teplotě cca. 1400 až 1500 m/s.

V přirozených vodách je hlavní proudění jen zřídkakdy rovnoběžné s břehy. Oblouky a tvar příčného profilu ovlivňují směr převládajícího proudění, různě při různých hladinách. V takových případech se uplatní uspořádání dvou měrných drah do kříže. S pomocí druhé měrné dráhy lze dopočítat směr hlavního proudění.

Při rychlosti ultrazvuku např. c = 1450 m/s, délce měrné dráhy L = 10 m a rychlosti proudění v1-2 = 1 mm/s (0,001 m/s) je měřená časová diference průchodu signálu v jednom a druhém směru jenom ∆t ≅ 9,5 x 10-9 s.

Křížový systém

Měření času proto musí probíhat v nanosekundách, aby se s požadovanou přesností rozlišily i malé rychlosti proudění.

3.6

Možné konfigurace systému

Uspořádání senzorů závisí značně na hydraulických podmínkách, geometrii toku, infrastruktuře na příslušném stanovišti, jako i na požadované přesnosti měření.

přístr. skříň propojovací signálový kabel

Obr. 6:

3.6.1

Jednocestný systém Při této konfiguraci se nejdříve měří současně doby průchodu signálu v měrných drahách 12 a 3-4, potom v opačném směru v měrných drahách 2-1 a 4-3.

Nejjednodušší uspořádání ultrazvukového měřicího zařízení tvoří dva šikmo proti sobě upevněné senzory. Předpokládá se, že hlavní proudění probíhá paralelně s břehy (srov. kap. 4). Tento předpoklad splňují nejlépe kanály a jim podobné, stavebně upravené, profily na tocích.

3.6.3

Systém s responderem

Ne vždy je možné propojit senzory na protilehlých březích spojovacím kabelem. Alternativním řešením je pak instalace obou senzorů na témže břehu, na protějším břehu se instaluje samostatně pracující přístroj – responder.

přístrojová skříň

Při použití responderu je ultrazvukový signál vyslán nejdříve proti směru proudění v měrné dráze 4-3. Signál přijatý senzorem 3 je v responderu zesílen a předán k senzoru 2, aby byl dále s minimální časovou prodlevou vyslán ve směru měrné dráhy 2-1. Měření doby průchodu signálu ve směru proudění

propojovací signálový kabel

Obr. 5:

Křížový systém

Jednocestný systém 7



probíhá v opačném pořadí podél měrných drah 1-2 a 3-4.

3.6.5

V měrných profilech s extrémním kolísáním hladin nebo ve složených profilech je vhodné uplatnit víceúrovňové uspořádání, viz obr. 9.

responder

přístr. skříň

Obr. 7:


Obr. 9:


Bude-li celý měrný profil pokryt dostatečným počtem nad sebou uspořádaných měrných drah, bude dostatečně známý i rychlostní profil (rychlostní pole). Proto není pro správné vyhodnocení průtoku potřeba hydrometrická kalibrace. S využitím víceúrovňového křížového systému se dosáhne nejvyšší přesnosti měření. Při tomto uspořádání se totiž minimalizují dílčí nejistoty z předpokládaného směru proudění a tvaru rychlostního profilu.

Systém s reflektorem

Zatímco u systému s responderem je signál responderem aktivně zesilován, tak u systému s reflektorem je signál pomocí malé odrazné plochy pouze odrážen. Kvůli dvojnásobné délce měrné dráhy a odpovídajícímu útlumu signálu je uplatnění tohoto systému omezeno pouze na malé toky.

Obr. 8:

3.7

Výpočet výsledné rychlosti v měrné dráze

3.7.1

Jednocestný systém

V nejjednodušším případě měření průtoku ultrazvukem, kdy jsou oba senzory 1 a 2 umístěny šikmo pod úhlem φ1-2 na protějších březích, jak naznačuje obr. 10, se složka rychlosti proudění v1-2 ve směru měrné dráhy vypočte z měřených veličin t1-2, viz vztah (1), a t2-1, viz vztah (2), podle:

reflektor

přístr. skříň

Víceúrovňový systém

Každá úroveň může být v jednocestné nebo křížové konfiguraci (jednocestný a křížový systém).

Třebaže je systém s responderem vybaven čtyřmi senzory, odpovídá prakticky jednocestnému systému, protože se měřením nezískává žádná další informace o směru proudění.

3.6.4



Vztah (4) získáme vyjádřením rychlosti šíření ultrazvuku c z obou vztahů (1) a (2) a jejich následným sloučením. Tato operace je správná za předpokladu stálosti veličiny c, tj.


8

Měření průtoků ultrazvukem za současného směrech.

vyslání

Quantum Hydrometrie GmbH signálu

v obou

kde α je úhel mezi normálou měrného profilu a skutečným směrem proudění. Úhel α stanovíme analyticky z rovnosti obou výsledných rychlostí vg, tedy:

Potom ze vztahů (7) a (8) vyplývá:

Obr. 10: Schéma k výpočtu rychlosti pro jednocestný systém Pokud známe úhel mezi měrnou dráhou a směrem proudění φ1-2, jak se u jednocestného systému předpokládá, obdržíme z geometrického vztahu:

nebo s použitím rychlosti v měrné dráze v1-2 podle (4):

Vyjádřením hledaného úhlu α získáme vztah:

výraz pro rychlost proudění vg kolmou k měrnému profilu. Kromě měřených časů jsou zde obsaženy jen geometrické veličiny:

3.7.2

Křížový systém

Při výpočtu průtoku s uplatněním pouze jedné měrné dráhy se předpokládá, že je znám směr proudění, respektive úhel φ1-2. Při uspořádání s dvěma měrnými dráhami podle obr. 11 může být dopočten skutečný směr proudění z dodatkového měření v druhé dráze. Měřená rychlost proudění vg se vypočte v souladu s (6) podle:

Obr. 11: Schéma k výpočtu rychlosti pro křížový systém

respektive: 9


3.7.3

Quantum Hydrometrie GmbH Analogicky se obdrží stejný výsledek při záměně indexů pro druhou měrnou dráhu:


Při použití responderu se měřená doba průchodu signálu skládá ze tří dílčích časů:

kde: t1-2R je doba průchodu signálu mezi senzory 1 a 2R, t3R-4 je doba průchodu signálu mezi senzory 3R a 4, t0

je doba průchodu signálu mezi senzory 2R a 3R přes responder, přitom je zohledněna doba průchodu spojujícími kabely (zdržení signálu).

V opačném směru platí analogický vztah:

Obr. 12: Schéma k výpočtu rychlosti pro systém s responderem

Pro další odvození výpočtového vztahu pro rychlost proudění vg vyjdeme z předpokladu, že doby průchodu signálu mezi oběma dvojicemi senzorů jsou stejné, tzn. proti směru proudění:

Aby byl splněn uvedený předpoklad stejných dob průchodu signálu, viz (15) a (16), musí platit:

respektive po směru proudění: Geometricky vzato vyjadřuje rovnice (20) požadavek na stejný průmět délek měrných drah L1-2 a L3-4 do směru proudění, resp. do obou břehů.

Pak podle (13), resp. (14) vychází pro dobu průchodu signálu měrnou dráhou mezi dvěma senzory:

Předpoklad stejných dob průchodu signálu se dá také interpretovat přímo pomocí vztahů pro měřené časy:

Uplatněním (17) ve vztahu (6), stejně jako v případě jednocestné konfigurace, obdržíme předpis pro výpočet rychlosti proudění vg kolmé na měrný profil:

a v souladu s (16) platí rovnost:

Protože c >> v1-2, resp. c >> v3-4, platí (22) jenom když:

10



Pak společně s požadavkem podle (20) na stejné břehové vzdálenosti musí platit podmínka stejných úhlů mezi měrnými dráhami a směrem proudění:

Jelikož jsou tyto požadavky na základě místních podmínek při výstavbě měřicího systému zřídkakdy přesně realizovatelné, je rychlost proudění vg nejpřesněji počítána ze středních hodnot příslušných geometrických veličin, to znamená z:

L´

je přímá vzdálenost mezi oběma senzory na témže břehu,

t1-R-2

je doba průchodu signálu ve směru 1-2 a

t2-R-3

je doba průchodu signálu ve směru 2-1.

3.8

Výpočet průtoku

3.8.1

Jednoúrovňový systém

V případě uplatnění systému v jednoúrovňovém uspořádání (jednocestný systém, křížový systém, systém s responderem), jak bylo popsáno v předešlých kapitolách, se musí do výpočtu průtoku na základě rovnice kontinuity:

a: kde:

Potom platí:

vm

je střední průřezová (průměrná profilová) rychlost proudění a

A

je průtočná plocha,

zavést rychlostní koeficient k1:

kde: L

je střední délka měrné dráhy mezi dvěma senzory a

φ

je střední úhel mezi měrnou dráhou a směrem proudění.

3.7.4

který zohledňuje rozdíl mezi střední rychlostí vg v úrovni měrné dráhy (měrné úrovni) a střední průřezovou rychlostí vm v měrném profilu. Průtok se pak stanoví z měřených dob průchodu ultrazvukového signálu podle:


Pro systém s reflektorem se pro výpočet rychlosti použije analogicky s (27) vztah:

Pro ideální podmínky proudění se rychlostní koeficient k1 odvodí analyticky z teoretického rozdělení rychlosti v měrném profilu. Zpravidla se však rychlostní pole v každém měrném profilu více či méně odlišuje od teoretických předpokladů. Proto musí být přepočet na celkový průtok pomocí srovnávacích měření kalibrován.

kde: L1-R-2

je délka akustické měrné dráhy mezi senzory 1 a 2,

11



Při proudění v otevřených korytech je průtočná plocha A funkcí vodního stavu, resp. hloubky h:

Pro jednoduché příčné profily (obdélník, lichoběžník, složený lichoběžník atd.) se funkční závislost mezi hloubkou a průtočnou plochou vyjádří explicitně, např. pro obdélník: Postupným výpočtem pro i = 1 až 4 podle (34) získáme výsledek A = 2. Pochopitelně by v tomto jednoduchém případě bylo snazší vyjádřit plochu lichoběžníku klasicky:

Naopak příčné profily přirozených koryt se zpravidla popíší n souřadnicemi /xi, yi/ (n-úhelník). Průtočná plocha příslušející hloubce se pak stanoví numerickou integrací.

A = h × (a+b) / 2 = 1 × (3+1) / 2 = 2.

Pro výpočet plochy je vhodné využít předpis podle Gausse:

Namísto geometrie příčného profilu může být funkční závislost mezi průtočnou plochou a hloubkou zadána v podobě jedné nebo více (po úsecích platných) regresních batygrafických křivek, např. polynom nebo splajn.

kde: xn+1 = x1 a yn+1 = y1

3.8.2


Při uplatnění víceúrovňového systému jsou příslušné rychlosti stanovovány ve více měrných drahách umístěných v několika měrných úrovních nad sebou. S rostoucím počtem těchto úrovní (měrných drah) se snižuje nejistota vztažená k rozdělení rychlosti v měrném profilu.

První a poslední bod uzavřeného polygonu se stanoví jako průsečík vodní hladiny a příčného profilu. Příklad: Je dán jednoduchý lichoběžníkový příčný profil následujícími souřadnicemi:

Podle mezinárodní normy ISO 6416 z r. 1992 se průtok při více měrných úrovních (horizontálách) stanoví podle metody „horizontálových“ nebo metody „mezihorizontálových“ pásů. Obě jsou analogií k metodám svislicových a mezi-svislicových pásů, které jsou běžně uplatňovány při hydrometrování.

Tab. 1: Příklad lichoběžníkového profilu

Při metodě horizontálových pásů, viz obr. 14, se rychlost proudění určená pro jednu měrnou dráhu (horizontálu) ztotožňuje se střední rychlostí příslušející okolní průtočné ploše dané horizontálním pásem o výšce rovnající se polovině součtu vzdáleností k sousedním měrným dráhám (35). Při metodě mezi-horizontálových pásů vymezuje průtočnou plochu dvojice sousedních měrných drah (horizontál) a příslušná střední rychlost proudění se

Obr. 13: Schéma k výpočtu plochy lichoběžníku podle Gausse

12

Měření průtoků ultrazvukem vypočte z obou rychlostí v těchto měrných dráhách.

Quantum Hydrometrie GmbH nalezen vztah mezi rychlostí proudění vg a střední rychlostí proudění vm, viz vztah (30).

stanovených

Obr. 14: Schéma k výpočtu průtoku při víceúrovňové konfiguraci systému (metoda „horizontálových“ pásů)

Obr. 15: Příklad typického rychlostního pole ve složeném lichoběžníkovém profilu (kyneta-berma)

Pro výpočet průtoku podle metody horizontálových pásů (ISO 6416, 1992) platí na příkladu 4-úrovňového systému:

Tento vztah může být přibližně stanoven na základě teoreticko-empirických znalostí, matematického modelu nebo měření in-situ. K upřesnění specifických podmínek v konkrétním měrném profilu je rychlostní koeficient k1 definovaný vztahem (31) doplněn o kalibrační koeficient k2. Jejich součin nazveme kalibračním faktorem K:

kde značí: h

hloubku vody,

hi

vzdálenost i-té měrné dráhy ode dna a

kde:

bi

šířku příčného profilu v polovině vzdálenosti sousedících měrných drah.

k1

je teoretický rychlostní koeficient (odvozený výpočtem) a

k2

je kalibrační koeficient specifický pro konkrétní měrný profil (stanovený měřením).

Součet dílčích průtoků stanovených podle (35) dává celkový průtok:

Výsledný průtok se pak určí podle:

3.9

Kalibrace

Vedle rychlosti v a průtočné plochy A má tedy pro výpočet průtoku Q rozhodující význam také co nejpřesnější znalost kalibračního faktoru K, resp. koeficientů k1 a k2.

S odkazem na německou průmyslovou normu DIN 1319 se nadále pod pojmem „kalibrovat“ rozumí stanovení odchylky změřené hodnoty od hodnoty požadované (referenční). Tedy hydrometrickou kalibrací ultrazvukového systému musí být z důvodu obecně neznámého rychlostního pole (obr. 15) 13


3.9.1

Quantum Hydrometrie GmbH tekoucí vody z oblastí u břehů a rychlého tranzitního proudu. V důsledku následného snížení rychlosti prudění u hladiny a zvýšení ztrát třením pozbývá zákon logaritmického rozdělení rychlostí na své obecné platnosti.

Rychlostní koeficient k1

3.9.1.1 Empiricky Pro široká (přirozená) koryta platí přibližná podobnost rychlostních profilů podle hloubky. ISO 6416 uvádí hodnoty rychlostního koeficientu k1 v závislosti na poměrné hloubce umístění ultrazvukové měrné dráhy k celkové hloubce v měrném profilu - z/h, viz. tab. 2. Tab. 2:

3.9.1.3 Numerické modelování proudění U kompaktních příčných profilů (např. obdélník nebo lichoběžník s šířkou b < 10 h) nelze vliv bočních okrajů (břehů) na rychlostní profil zanedbat.

Přibližné hodnoty rychlostního koeficientu k1 podle ISO 6416

V takovém případě je dnes možné za předpokladu ustáleného rovnoměrného proudění stanovit rozdělení rychlostí v příčném profilu s pomocí výpočetních numerických modelů (např. SIMKModelování, KOELLING 1994). Hodnota rychlostního koeficientu k1 se potom určí pro libovolnou polohu měrné dráhy, viz obr. 16. Hodnoty uvedené v této tabulce byly stanoveny z patnácti měření in-situ v sedmi rozdílných měrných profilech o hloubkovém rozsahu 1,94 až 2,20 m.

a) Síť konečných prvků

3.9.1.2 Logaritmické rozdělení rychlosti Pro dostatečně přesný výpočet střední rychlosti proudění se může v případě přirozených koryt využít i zákon logaritmického rozdělení rychlostí.

b) Sekundární proudění

Toto logaritmické rozdělení rychlostí se realizuje kolmo ke dnu (na svislici) u velmi širokých toků (b > 10 h). Potom platí, že rychlost proudění naměřená ve vzdálenosti 40% hloubky nade dnem koryta odpovídá střední rychlosti celého průtočného profilu. Rychlostní koeficient k1 (30) v tomto případě nabývá hodnoty 1.

c) Rychlostní koeficient k1

Ve vztahu k ultrazvukovému zařízení to znamená, že pokud se měrná dráha (měrná úroveň) instaluje 0,4 h nade dno, bude měřena přímo střední průřezová rychlost vm.

(vsek / vmax → 5 %)

(k1 = vm / vg × 100%)

měrná dráha

Obr. 16: Stanovení hodnot rychlostního koeficientu k1 pro jednu měrnou dráhu s pomocí metody SIMK (KOELLING, 1994)

Se zmenšujícím se poměrem šířky toku k jeho hloubce a s rostoucí drsností dna se zesiluje účinek takzvaného sekundárního proudění na rozdělení rychlostí v příčném profilu. Tato sekundární proudění kromě jiného způsobují „promíchávání“ pomale 14


Quantum Hydrometrie GmbH ních koeficientů k1 jsou při stanovení průtoku korigovány prostřednictvím přídatného kalibračního koeficientu k2 (37).

Kromě toho mohou být do modelu díky diskretizaci příčného profilu detailně zavedeny hodnoty hydraulické drsnosti podél celého omočeného obvodu. Každé vnější hraně sítě konečných prvků může být totiž přidělena nezávisle na ostatních libovolná hodnota hydraulické drsnosti, která je ve výpočetním modelu zohledněna zpravidla na základě univerzálního logaritmického stěnového zákona.

Proto se, jak podle PEGELVORSCHRIFT, ANLAGE D (1992), tak i podle ISO-6416 (1992) považuje z důvodů nemožnosti zcela exaktní teoretické předpovědi (výpočtu) podmínek proudění v měrném profilu hydrometrická kalibrace ultrazvukového měřicího zařízení za nezbytnou.

Opakováním modelových výpočtů simulujících různé proudové podmínky (průtok, hloubka) se obdrží úplná kalibrace příslušná konkrétnímu měrnému profilu v podobě funkční závislosti rychlostního koeficientu na hloubce: k1(h).

Přitom mohou vycházet pro různé kombinace hloubky a průtoku rozdílné hodnoty kalibračního faktoru, takže pro kalibrační koeficient k2 musí být přijata obecná závislost: k2 = f(hloubka h ; směr proudění φ), respektive s uvážením A = f(h) a Q = f(φ):

3.9.2

Kalibrační koeficient k2

k2 = f(průtočná plocha A ; průtok Q). Uvedená funkční závislost pro kalibrační koeficient k2 se stanoví měřením a její vložení do výpočtu se realizuje formou kalibrační matice.

V přírodních tocích s ovlivněným rychlostním profilem v důsledku vzdutí nebo různých dnových drsností, popřípadě v důsledku proměnné geometrie koryta v příčném profilu nebo po délce toku je nutné vždy počítat s jistou odchylkou od předpokládaného (teoretického) rychlostního profilu.

V praxi se kalibrační měření provádí zpravidla s využitím vodoměrné vrtule, tj. hydrometrováním, kdy jsou měřeny bodové rychlosti proudění v mnoha bodech měrného profilu. Výsledný průtok se stanoví jejich integrací přes průtočnou plochu – tzv. metoda rychlostního pole. V integraci bodových rychlostí se obvykle postupuje nejdříve po svislici (svislicová rychlost) a následně se integrují svislicové rychlosti po šířce průřezu, viz obr. 18.

Další vliv na tvar rychlostního profilu mají například zakřivení toku, působení větru na vodní plochu nebo dnové, resp. povrchové proudění před dnovými výpustmi, resp. jezy.

hladké dno

drsné nerovné dno

překážky (kameny, rostliny)

Obr. 17: Rozdílné utvoření rychlostního profilu v závislosti na dnové drsnosti Obr. 18: Stanovení průtoku metodou rychlostního pole (PEGELVORSCHRIFT, ANLAGE D, 1992)

Obrázek 17 ukazuje příklady rozdílného utvoření rychlostního profilu v závislosti na dnové drsnosti. Tyto jednotlivým měrným profilům specifické odchylky od početně odvozených rychlost-

15



U velkých řek, kde je mnohabodové měření nemožné nebo možné jen se značnými náklady, je vhodné uplatnit měřicí metodu ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler), která stanovuje rychlost proudění na základě Dopplerova efektu. Měřicí systém je uložen na speciálním plavidle, lze ho použít na vodních tocích o hloubkách 0,4 – 12 m při rychlostech proudění až do 10 m/s.

vlastního rozkmitání od procházejícího akustického vlnění. K dalšímu nárůstu útlumu akustické energie ultrazvukového signálu pak dochází se vzrůstajícím průměrem rozptylných částeček (od průměru asi 0,1 až 1 mm), viz diagram na obr. 20.

3.10

Tak například signál o vysílací frekvenci 30 kHz je tlumen asi 10krát méně než signál o vysílací frekvenci 200 kHz.

Z uvedeného diagramu dále vyplývá, že při určité koncentraci plavenin (na obr. 20 je tato koncentrace 1 mg/l) a velikosti přítomných částic je útlum energie závislý zejména na frekvenci zvukové vlny.

Nejistoty při měření fyzikálních veličin

3.10.1 Plaveniny

Protože může být výkon vysílaného signálu z důvodu konstrukčních vlastností senzoru (piezokrystalu) jen omezeně zvětšován, určí se maximální délka měrné dráhy za jinak stejných okrajových podmínek hlavně z frekvence uplatněného akustického signálu.

Při šíření ultrazvukového signálu se část mechanické energie ultrazvukového vlnění ztrácí a průběžně se snižuje vlnová amplituda. Ultrazvuková vlna je tak tlumena, což znamená, že intenzita přijímaného signálu je oproti výchozí hodnotě snížena. Přitom klesá jenom amplituda signálu, ostatní parametry, jako např. frekvence, zůstávají nezměněny.

Naopak v případě povodně (při stejné délce měrné dráhy) s podle okolností vysokou koncentrací plavenin může být spolehlivost měřené hodnoty uplatněním nižší vysílací frekvence výrazně zvětšena.

Útlum akustické vlny je realizován dvěma hlavními mechanismy – třením a rozptylem. Tření: Přeměna akustické (mechanické) energie na teplo vzniklé třením v důsledku viskozity vody. Rozptyl: Při dopadu na pevnou částici (plavenina) plovoucí ve vodě se část akustické energie rozptýlí do okolí (obr. 19).

rozptyl

signál

utlumený signál

Obr. 20: Útlum energie akustického signálu důsledkem rozptylné částečky v závislosti na její velikosti a frekvenci vlnění (Laenen, Smith, 1982)

Obr. 19: Rozptyl ultrazvukového signálu na drobné plovoucí částečce Velmi malé částečky způsobují relativně velkou ztrátu akustické energie v důsledku 16


Quantum Hydrometrie GmbH V níže položených vrstvách bývají teplotní spády výrazně nižší.

3.10.2 Vzduchové bubliny Vzduchové bubliny, které se tvoří například pod jezy při přepadu vtahováním vzduchu do vody nebo také v důsledku produkce kyslíku vodními rostlinami či uvolňováním kalového plynu, tlumí procházející akustický signál. Z fyzikálního hlediska se jedná o týž efekt, jako při útlumu signálu pevnými částicemi, tedy o tření (přeměnu akustické energie na teplo) a rozptyl. Ale narozdíl od vody a plavenin jsou vzduchové bubliny lehce stlačitelné, což ovlivňuje také rychlost šíření zvuku ve vodě.

V pomale tekoucích vodách byly již vícekrát pozorovány skočné vrstvy se změnou teploty několika stupňů Celsia. Výskytu skočné vrstvy se může zamezit zajištěním dostatečné turbulence proudění.

Pro měřicí zařízení instalovaná na úsecích, které bývají v důsledku silného slunečního záření prosyceny biologickým kyslíkem, je typické, že měření v průběhu dne vypadává. Po západu slunce, kdy se sníží obsah kyslíku (bublinek) ve vodě mechanickým uvolněním nebo jeho spotřebou při dalších biologických procesech, se akustické podmínky vylepší natolik, že měření opět nasadí.

Obr. 21: Stálá hodnota hustoty vody (teploty i salinity) ve svislém směru

Stejně tak přeruší průchod ultrazvuku zvířená, vzduchem prosycená, voda za lodním šroubem. Takové krátké narušení však datový výpadek zpravidla nezpůsobí, nýbrž zapříčiní v každém případě snížení počtu měřených hodnot časových diferencí v průběhu (zvolené) integrační doby.

Obr. 22: Významný hustotní spád ve svislém směru v důsledku slunečního záření

3.10.3 Teplota a obsah soli Rychlost ultrazvuku ve vodě je ovlivňována také v důsledku gradientu teploty a/nebo salinity. Při velkém rozdílu mezi teplotou vzduchu a teplotou vody nastává výměna tepelné energie na styčné ploše - na hladině, což vede k ustavení teplotního gradientu ve vodě. Konečným důsledkem je odklonění dráhy šíření zvukového signálu z jeho normálně přímého směru. V krajním případě může být způsobená odchylka dokonce taková, že vyslaný signál mine přijímač, čímž dojde k výpadku akustického spojení mezi senzory, potažmo k výpadku měření.

Obr. 23: Extrémní hustotní spád ve svislém směru v důsledku gradientu salinity Teplotní změny nabývají na významu: -

Gradient salinity má na směr šíření signálu obdobný účinek.

-

Tyto fyzikální okrajové podmínky musí být zohledněny při výběru měrného profilu.

-

Teplotní spád ≥ 1°C/m se vyskytuje převážně v pomale tekoucích vodách v blízkosti vodní hladiny a dosahuje do hloubky ca. 0,5 m.

17

v místech zaústění výrazně teplejší vody např. z elektrárenských chladicích okruhů, na soutocích přirozeného toku s chladnější vodou z elektrárenských přivaděčů a odpadních štol, v místech připojení starého řečiště na hlavní (kanalizovaný) průtočný profil, v místech míšení chladné vody z hloubkových přehradních odběrů s přirozeným průtokem nebo v ústích (řeka-řeka, řeka-jezero, řekamoře), kde se setkávají vody s různou teplotou a slaností.


Quantum Hydrometrie GmbH dostatečně intenzivní, což pravděpodobnost výskytu takové poruchy ještě snižuje.

Obr. 24: Stálá hodnota hustoty vody (teploty i salinity) napříč tokem Obr. 26: Odhad vychýlení paprsku při lineárním teplotním gradientu a různých délkách měrných drah Výpočet výchylky ultrazvukového paprsku lze provést podle VIGOREUX (1979). Předpis pro výpočet rychlosti šíření ultrazvuku ve vodě je dán podle DEL GROSSO (1974). Pro rychlost c šíření (ultra)zvuku ve vodě platí: Obr. 25: Hustotní spád napříč tokem v důsledku zaústění teplejší vody Na obr. 26 je zobrazena závislost vychýlení ultrazvukového paprsku na teplotním gradientu. Bude-li teplotní gradient lineární např. 0,1°C/m a vzdálenost mezi senzory 200 m, mine energetické maximum vyslaného signálu přijímací senzor o ca. 7 m. Protože se však vyslaná akustická (tlaková) vlna šíří podle typu senzoru pod určitým vyzařovacím úhlem, může být vyslaný signál, např. při vyzařovacím úhlu 5°, ještě spolehlivě přijat. V případě délky měrné dráhy (vzdálenost mezi senzory) 500 m činí výchylka při témže teplotním gradientu už 30 m. Vyzařovací úhel 5°již v tomto případě nevystačí, aby byl vyslaný signál na protějším břehu detekován.

kde: c

je rychlost zvuku ve vodě (m/s),

T

je teplota vody (°C),

S

značí obsah soli (‰) a

P

hloubku (m).

Uplatnění uvedeného vztahu je omezeno na 0°C < T < 40°C a 0‰ < S < 40‰. Při dodržení těchto mezí přesahuje spolehlivost empirického vztahu 0,5 ‰.

Tyto poruchy (nežádoucí odchýlení směru signálu) jsou závislé na hustotních poměrech vody v toku, tj. na gradientu teploty a salinity. Proto k nim dochází jen při intenzivním slunečním svitu a extrémně nízkých rychlostech proudění, resp. v říčních úsecích pod vlivem mořského dmutí nebo při zaústění silných slaných a/nebo teplých přítoků. Při instalacích ve vnitrozemských vodách se tyto nepříznivé efekty běžně nevyskytují. Navíc vertikální promíchávání vody v tocích bývá

Pro zakřivení akustického signálu ve vodě platí:

kde: c

18

je rychlost zvuku ve vodě (m/s),

Měření průtoků ultrazvukem R

je poloměr oblouku (m) a

n

značí směr normály k dráze signálu.

Quantum Hydrometrie GmbH uplatněné metodě). 3. Provoz měřicího zařízení – rušené nebo poškozené součásti (výpadek elektroniky), výběr příliš velké (> 10 min) nebo příliš malé (< 1 min) iterační doby.

Jako první přiblížení k poloměru oblouku signálu šířícího se horizontálně ve vodě o teplotě 10°C vychází:

V letním osvícení zvyšuje, V zimě, naopak.

4. Vyhodnocení měřených dat – chybné stanovení rušivých vlivů, nedostatečné přizpůsobení referenčních křivek k proměnným okrajovým podmínkám.

období se při silném slunečním teplota vody v horních vrstvách tj. vzniká záporný gradient teploty. při teplotách pod 4°C, je tomu

Dosažitelnou přesnost stanoveného průtoku s jednocestným systémem udává RACK (1982) hodnotou celkové chyby fcelk. = 5 %, kde jsou zohledněny náhodné chyby při stanovení vstupních veličin (měření délek, úhlů a času) i chyba při přepočtu měřené rychlosti vg na průtok Q.

Při rozdílném obsahu soli je vyšší salinita vždy ve spodních vrstvách, tj. gradient slanosti je vždy kladný.

Celkovou náhodnou chybu při stanovení průtoku odhadneme na základě zákona šíření chyb z (42), kde fv je dílčí náhodná chyba při měření rychlosti proudění v měrné dráze, fA je dílčí náhodná chyba při měření průtočné plochy a fK je dílčí náhodná chyba ve stanovení kalibračního faktoru K:

V létě způsobuje záporný teplotní gradient podle (41) odklon dráhy signálu směrem dolů ke dnu, zatímco kladný gradient slanosti odklání zvukový signál k hladině.

3.11

Posouzení chyb

3.11.1 Náhodné chyby Příklad:

Při určování chyby měření se rozlišuje mezi náhodnou a systematickou chybou, přesněji mezi nejistotou typu A a nejistotou typu B*). Podle LÄNDERARBEITSGEMEINSCHAFT WASSER (1992) jsou zdroje nejistot (chyb) měřeného průtoku ultrazvukem přisouzeny čtyřem následujícím oblastem:

Rychlost proudění v měrné dráze vg je možné s dnešní měřicí technikou stanovit z měření časové diference průchodu signálu a délky měrné dráhy s chybou fv ≤ 2 %, také chyba v měření polohy vodní hladiny je ≤ 2 %. Pokud je známá geometrie profilu, předpokládá se chyba ve stanovení průtočné plochy rovná chybě měření hladiny, tedy fA ≤ 2 %, což v žádném případě neplatí u přirozených koryt s pohyblivým dnem.

1. Výběr měrného profilu - proměnný směr proudění, vzduchové bubliny, plaveniny/splaveniny, teplotní vrstvy, přesycení kyslíkem, příliš nízké rychlosti.

Pakliže je nyní, například z důvodu proměnných podmínek proudění nebo nedostatečných kalibračních měření, určen kalibrační faktor K s chybou fK = 10 %, je celková chyba fQ měřeného průtoku podle (42) dána:

2. Zřízení a kalibrace měřicího zařízení – nastavení přístrojů, nepřesná nebo chybná referenční měření (v závislosti na *)

V současné době u nás platí (nebo je zaváděna) nová mezinárodní koncepce „nejistot měřených veličin“ podle GUIDE TO EXPRESSION OF UNCERTAINTY OF MEASUREMENT, 1993, která nahrazuje dřívější koncepci „chyb měření“. Přesto jsou v tomto dokumentu i nadále diskutovány chyby měření v souladu se staršími normami.

19



Za předpokladu snížení chyby kalibračního faktoru fK na hodnotu 4 %, dojde adekvátně ke snížení chyby celkového průtoku na:

Prakticky to znamená, že lze prostřednictvím odpovídající kalibrace dosáhnout při použití dané měřicí techniky požadované přesnosti měření ve stanovení průtoku (fQ ≤ 5 %). Tento příklad ukazuje, že vedle přesnosti měřicí techniky závisí výsledek měření zejména na kvalitě kalibrace a tím nepřímo na správném výběru měrného profilu (ERB, 2000).

Obr. 27: Relativní chyba při výpočtu průtoku v závislosti na úhlové odchylce α (platí pro jednocestnou konfiguraci)

3.11.2 Systematické chyby

4

Systematické chyby (poruchy v rámci měrného profilu, vyhodnocovací chyby, poruchy přístrojů atd.) naopak nelze odhadnout. Jejich vliv může vést k jistému stálému posunutí měřené hodnoty až k úplnému výpadku měření.

Ohleduplnost k životnímu prostředí

V principu se ultrazvuková zařízení zřizují tak, aby byla ekologická funkce toku co možná nejméně omezena. Stavební zásahy, nutné pro pokládku propojujícího signálového kabelu a upevnění senzorů, se soustřeďují pouze na lokální dnové a břehové oblasti. Při instalaci ultrazvukového zařízení v obzvlášť citlivých urbanistických a krajinných územích je kladen důraz také na estetické zasazení všech stavebních prvků (např. zakomponování limnigrafické budky – přístrojové skříně) do okolí.

Posouzení existence systematické odchylky v měřené hodnotě může být provedeno zkouškou na příznačnou souvislost mezi veličinou způsobující poruchu a samotnou měřenou hodnotou. Uchyluje-li se při jednocestné konfiguraci skutečný střední směr rychlosti od předpokládaného (paralelní s břehy), nebude vypočtená hodnota rychlosti podle (5), resp. (6) odpovídat skutečnosti.

Uplatňovaný ultrazvukový signál (akustická vlna) nemá žádné negativní účinky na žádné rybí druhy. K tomuto závěru dospěla studie Univerzity Rostock (Obor biologických věd), která byla provedena na ultrazvukovém systému v křížové konfiguraci na řece Warnow na zakázku Státního úřadu pro životní prostředí a krajinu v Německu. V rámci této studie měl být objasněn vliv ultrazvukových metod k měření proudění na chování a migraci ryb. Kromě jiného byla realizována dlouhodobá pozorování migračních návyků u různých druhů ryb, jako i video-pozorování rybích druhů žijících v různých hloubkách, a to zvlášť při vypnutém a zapnutém měření. Bližší podrobnosti jsou k dohledání v literatuře.

Poměr následně dopočteného průtoku ke skutečnému průtoku je pak závislý od úhlu φ svíraného měrnou dráhou a osou toku a úhlové odchylky α mezi předpokládaným a skutečným směrem proudění (viz obr. 10 a 11). Graf na obrázku 27 zobrazuje závislost způsobené chyby na směru měrné dráhy daným úhlem φ a zmíněné úhlové odchylce α. Je-li odchýlení směru proudění v měrném profilu stálé, bude tato systematická chyba odstraněna nepřímo prostřednictvím kalibračního koeficientu k2. Totiž při kalibraci se vždy taková odchylka projeví zvýšením nebo snížením hodnoty měřené rychlosti, resp. průtoku.

20


5

5.1


Hodnocení měrného profilu / výběr místa pro stavbu

5.2

Morfologická kritéria posuzují fyzický stav koryta v místě měrného profilu, viz tab. 4.

Hydraulické podmínky

Tab. 4:

Přezkoušení vhodnosti měrného profilu pro měření průtoku ultrazvukem začíná místním posouzením hydraulické situace. Tabulka 3 shrnuje nejdůležitější kritéria. Tab. 3:

Hydraulické podmínky

Kritérium Nátok

Podmínka Optimum: přímý průběh toku v úseku o délce 5 až 10 násobku šířky nad místem měření a 1 až 2 násobku šířky toku pod místem měření

Místní prohlídka měrného profilu


Vodní stav

Zaručení minimálního ponoření senzorů (v závislosti na výrobci) → konzultace s výrobcem

Zohlednění hydrologických statistik

Nepřipustit měrný profil s převládajícími zónami zpětného proudění


Vliv větru

Říční dno

Stabilní, bez nánosů a výmolů

Porovnání (historických) zaměření příčného profilu Geologický průzkum

Břehy

Definovaný tvar, stabilní vývoj, bermy s mírným sklonem podílející se na převodu průtoků


Měrná dráha

V měrné dráze nesmí být žádné kameny nebo jiné překážky, ani praporce vodních rostlin


Měrný profil ve vzdálenosti 3 až 4 násobku hloubky vody ve zdrži


Poloha nad jezovým stupněm

Bez problémů

Možnost přezkoušení

Podmínka

Nahlédnutí do situačních plánů

Ovlivněné a vzduté úseky

Morfologické podmínky

Kritérium

Možnost přezkoušení

Alternativa: meandrující úseky → křížový systém!

Rozdělení rychlostí

Morfologické podmínky

Zaměření profilu podél plánované měrné dráhy

V případě nestabilního dna musí být jeho změny snadno postižitelné, protože velikost průtočné plochy se přímo promítá do výsledku měření průtoku. Stejně tak by se mělo vystříhat měrných profilů se širokými bermami. Bude-li taková berma jen málo zatopena, změní se skokem průtočná plocha a střední průřezová rychlost. Spolehlivé měření průtočných rychlostí, potažmo průtoků na mělce nebo částečně zatopených bermách není s využitím uváděné metody možné.

Podle okolností zkušební měření v plánovaném profilu

Zanedbatelný

21


5.3

Quantum Hydrometrie GmbH rozvodnou síť oproti lokálnímu napájení hospodárnější.

Fyzikální podmínky

Pro překlenutí krátkodobých výpadků napájení se doporučuje integrovat do měřicího systému zdroj UPS (Uninterruptible Power Supply).

Dodržení jistých fyzikálních podmínek je nezbytné pro zaručení správné funkce měření ultrazvukem, viz tab. 5. Tab. 5:

Jelikož jsou průběžně pro kontrolu měřených průtoků prováděna srovnávací měření, neměl by být měrný profil vhodný výlučně jen pro ultrazvuk, nýbrž by měl poskytnou možnost měřit v témže místě nebo v jeho těsné blízkosti jinou měřicí metodou (např. hydrometrováním vodoměrnými vrtulemi nebo ADCP).

Fyzikální podmínky

Kritérium

Podmínka

Teplotní gradient

Měrný profil nevolit pod zaústěním chladicích vod a pod napojením vedlejších (starých) ramen

Možnost přezkoušení Záznam teplotního profilu v místě měření

V tabulce 6 podmínky.

Při teplotních rozdílech > 3 až 5°C ve vodním útvaru (v místě měření) → konzultace s výrobcem Viz také kap. 3.10.3 Gradient salinity

Problémy zpravidla jen v pobřežních oblastech → konzultace s výrobcem

Vzduchové bubliny

Umístění měrného profilu aspoň 5 až 10 násobek šířky toku pod jezem / výpustí

Tab. 6: Měření salinity v místě měrného profilu Místní prohlídka Situační plán

Při možnosti vtahování mikroskopických bublinek v důsledku protiproudně umístěných čerpadel → konzultace s výrobcem Plaveniny

5.4

Od 10 g/l → konzultace s výrobcem, obsah plavenin rozhoduje o uplatněné frekvenci

jsou

shrnuty

nejdůležitější

Logistické podmínky Možnost přezkoušení

Kritérium

Podmínka

Přístup k měrnému profilu

Dobrý přístup, podle okolností i pro těžkou techniku


Napájení el. energií

Optimum: připojení k rozvodné síti (220 V)


Alternativa: Solární energie (12 / 24 V) Přenos dat Měření obsahu plavenin/ splavenin

Optimum: připojení k pevné síti


Alternativa: modem Vedení spoj. kabelu

Na břehu: v chráničce (uložené ve výkopu)


Překřížení toku: využití stávajících mostů nebo zaplavení kabelu do říčního dna, případně také protažení kabelu pode dnem

Praktické a logistické podmínky

Obecně platí: Měrný profil musí být dobře přístupný z každého břehu, protože v průběhu instalace jednotlivých komponent jsou často nezbytné rozsáhlé inženýrské práce. Např. upevnění senzorů na březích vyžaduje podle typu provedení vodostavební úpravy často nasazení těžké techniky.

Není možné křížit tok: Systém s responderem → přezkoušet možnost instalace responderu na protějším břehu Vhodnost pro srovnávací měření jinou metodou

Přes skromný příkon měřicí elektroniky se pro její spolehlivý a dlouhodobý provoz doporučuje přivedení elektrické přípojky. Měřicí systém může být napájen také např. solární energií. Avšak se zřetelem na nízké náklady spojené s údržbou a obnovou bývá i při vyšších investičních nárocích připojení na

Hydrometrické měření vodoměrnými vrtulemi nebo sondami: Je v blízkosti most? Volný profil? Měření s ADCP: Kde se spustí nosný člun na vodu?

22



5.5

Quantum Hydrometrie GmbH Přirozeně při uplatnění víceúrovňového systému odpadají počáteční náklady na kalibraci. Avšak nové numerické metody při kalibraci a skutečnost, že mohou být do systému zadány tabelární hodnoty kalibračního faktoru K závisející na vodním stavu a na průtoku v celém měrném rozsahu, nabízejí nyní alternativu k dražšímu víceúrovňovému systému. Výhodou uplatnění víceúrovňového systému zůstává možnost stanovení průtoku i při výpadku jedné z měrných úrovní. Víceúrovňové systémy nacházejí své přednostní uplatnění v členěných příčných profilech a v měrných profilech s velkým kolísáním vodní hladiny.

Konfigurace systému

Uspořádání s dvěma senzory (jednocestný systém) představuje nejjednodušší možnost měření průtoku ultrazvukem. To je možné v případě, kdy je směr proudění paralelní s břehy a kdy není rychlostní profil ovlivňován kolísáním hladiny nebo rozdílnými nátokovými podmínkami.

Obr. 28: Jednocestný systém, paralelní proudění Ovšem jako nevýhoda tohoto jednoduchého uspořádání zde musí být zmíněna absence redundance měření, tzn. že při mechanickém poškození unášeným materiálem při povodni nebo např. nárazem lodi není k dispozici jiná měrná dráha, která by umožnila aspoň přibližné stanovení průtoku.

Obr. 29: Křížový systém Maximální dosah ultrazvukového signálu v toku závisí na jeho frekvenci a vysílacím výkonu. Navýšení vysílacího výkonu je omezeno na základě konstrukčních vlastností použitého piezokrystalu. Navíc při měření ve vodě s vysokým obsahem plavenin/splavenin je signál o vyšší akustické frekvenci více pohlcován než signál s nižší frekvencí (viz kap. 3.10.1). Právě v případě povodní lze s využitím nižší vysílací frekvence podstatně zvýšit spolehlivost měření.

Základním předpokladem pro měření ultrazvukem je, že je spolehlivě znám směr hlavního proudění, tj. úhel mezi tímto směrem a každou z akustických měrných drah (viz kap. 3.11.2). Oproti tomu kolísavé (oscilující) proudění v meandrujícím řečišti nebo proudění měnící směr v závislosti na vodním stavu nebo přítocích z výše položených zaústění vyžaduje uplatnění křížového systému. Jeho dvě křížící se měrné dráhy umožňují při výpočtu průtoku zohlednit měnící se směr proudění. V případě přirozeného řečiště je křížový systém nejspolehlivějším řešením pro stanovení průtoků s vysokou přesností.

Senzory pracující s nízkou akustickou frekvencí jsou přednostně uplatňovány na dlouhých měrných drahách (maximální šířka toku 1500 m) nebo ve vodách s vysokým obsahem pevných látek – plavenin či splavenin. Vzhledem k rozměrům jsou tyto senzory proto větší. Senzory pracující s vysokou akustickou frekvencí jsou naopak přednostně uplatňovány na krátkých měrných drahách (minimální šířka toku 0,5 m) a v poměrně čirých vodách.

Zatímco před několika lety bylo pokládáno za důležité měřit co možná v nejvíce úrovních, dnes se víceúrovňové systémy posuzují zdrženlivě.

23



6

Projekt a stavba

6.1

Plánování stavby

Realizace stavebního plánu probíhá ve vícero krocích (k tomu viz také: Arbeitsanleitung für den Bau von Pegeln und Datendienst BadenWürtemberg – Planung und Bau von Pegeln).

plány pro elektrická zařízení a ochranu před bleskem,

-

výkaz prací,

-

odhad nákladů.

Plynárenský a vodárenský podnik

•

Telekomunikace

•

Rybářský svaz apod.

-

příprava kabelového výkopu,

-

položení kabelové chráničky a zatažení signálového kabelu,

-

elektrická přípojka,

-

telefonní přípojka,

-

montáž senzoru vodní hladiny (limnigrafická lať),

-

uložení upevňovacího zařízení pro montáž senzorů,

-

instalace limnigrafické budky – přístrojové skříně.

K tomu jsou potřebné podklady: -

místní situační 1:5 000),

plán

(měřítko

Realizace stavby

Stavba může být provedena jednak „na klíč“ dodavatelem, jednak také se zapojením zadavatele. Pro spoluúčast na stavebních pracích jsou vhodné:

Jsou-li vyjasněné a doložené majetkové poměry a realizace záměru v dohledné době, je následně vypracován stavební projekt, který zahrnuje: -

•

6.2

Součástí tohoto návrhu jsou i definované práce a úkoly ze strany zadavatele a dodavatele.

stavební výkresy a montážní pokyny,

Energetický podnik

K žádostem musí být zpravidla připojen popis záměru včetně projekční dokumentace (situace, stávající stav se zákresem stavby, ostatní stavební výkresy apod.).

Na začátku je nutný předběžný průzkum, tj. především výběr vhodného měrného profilu pro umístění ultrazvukového měřicího zařízení (k tomu viz kap. 5). Následuje úvodní návrh, který je podkladem pro vypsání a zadání plánované stavby.

-

•

aspoň Výrobce přebírá zpravidla následující úkoly:

-

zaměření příčného profilu v místě uvažovaného měření (alespoň tři),

-

hlavní hydrologické hodnoty,

-

zákres inženýrských sítí telefon, plyn, voda apod.),

-

katastrální mapa.

•

Montáž a připojení senzorů

•

Montáž a připojení měřicího systému včetně externích vstupů a výstupů (např. vodní stav, výstup hodnot na externí datalogger)

•

Zprovoznění měřicího systému

(elektřina,

6.3

Pro získání potřebných povolení je nutné oslovit všechny dotčené úřady a instituce, kam patří zejména: •

Územně příslušný vodoprávní úřad

•

Plavební úřady

•

Obecní správa

•

Správa a údržba silnic

Převzetí stavby a poskytnutí záruky

Převzetí stavby probíhá podle běžných vodoprávních předpisů. V této souvislosti je testováno:

24

•

Všechna vstupní a výstupní rozhraní

•

Výstup měřených hodnot na místě a dálkový přenos dat



•

Přesnost měření vodního stavu ve vztahu k definované referenční hodnotě

7.3

•

Přesnost měření průtoku ve vztahu k vhodné srovnávací metodě měření

•

Jednoduché modulové sestavení

•

Řádné provedení stavby

•

•

Řádné připojení komponent

Snadná přístupnost a vyměnitelnost stavebních modulů v případě opravy (např. výměna základní desky atd.)

•

Úplnost dokumentace (provozní příručky, stavební dokumentace atd.)

•

Možnost vizuální kontroly funkčnosti systému (kontrolní LED diody, LCD apod.)

• Na všechny provedené stavební práce se vztahuje záruka 24 měsíců.

Disponibilita odpovídajících rozhraní pro datový přenos na/z externích přístrojů

•

Jednoduchá komunikace s měřicím systémem z místa a přes vzdálené datové připojení

7

•

Záruka na získaní údajů a jejich zabezpečení v průběhu dané doby při výpadku elektrického napájení (např. UPS jednotka)

•

Automatické spuštění UPS při výpadku proudu

•

Možnost napojení simulátoru měřených veličin za účelem přezkoušení systému

a

označení

všech

Provoz a údržba

Technický provoz a údržba ultrazvukových měřicích systémů mohou být vázány s poskytovanou zárukou určitými obecně platnými kritérii.

7.1

Senzor

Elektronika

•

Možnost aplikace měřicího systému na rozdílné podmínky měření využitím senzorů s různou frekvencí vysílaného signálu

•

Jednoduchá a bezpečná montáž a demontáž senzorů

•

Přehledná a označená kabeláž

•

Přehledné uspořádání všech komponent

•

Jednoduché seřízení a aretace

•

•

Zřetelné označení pozice senzorů na břehu

Snadná vyměnitelnost přídatných prvků (modem, vyhřívání, ventilátor, pojistky atd.)

7.2

7.4

7.5

Signálový kabel

Přístrojová skříň

Software

•

Jednoduché grafické uživatelské rozhraní pro zadání parametrů a podmínek měření

Zřetelný popis připojení podle definovaného schématu

•

Přístup chráněný heslem k jednotlivým programovým úrovním

Dokumentace kladečským výkresem

•

Možnost posouzení hodnověrnosti měřených dat v podobě přehledného limnigramu (W) hydrogramu (Q).

•

Chráněné nadzemní a podzemní vedení

• •

25

Měření průtoků ultrazvukem •

Grafické zobrazení on-line kontroly kvality ultrazvukového signálu

•

On-line vizualizace surových dat (rychlost, průtok, hladina, rychlost ultrazvuku, teplota atd.)

•

Průběžný protokol o aktivitách systému

•

Datový výstup ve formátu ASCII

•

Dokumentace softwaru a použitých algoritmů

7.6


8

Při plánování ultrazvukových zařízení musí být zohledněna ochrana zdraví při práci a bezpečnost v dopravě. Obzvlášť je nutné dodržovat příslušné normy a předpisy při práci na elektrických zařízeních s vysokým napětím a při práci na řekách. Práce pod vodní hladinou mohou být provedeny jen odbornými firmami (potápěči). Jinak platí (v Německu) úprava o pracovní ochraně na vodoměrných stanicích (Pegelvorschrift, Anlage A: Richtlinie für den Bau von Pegeln)

Údržba měrného profilu

Náklady na péči o měrný profil závisí v první řadě na vlastnostech břehů a říčního dna, stejně jako na průtokových podmínkách. Důležité jsou: •

Údržba měrné dráhy od vzrostlých vodních rostlin a jiných překážek

•

Zaměření změněné geometrie příčného profilu (například po povodních)

•

Přezkoušení stability dna v měrném profilu pomalu tekoucích vod, kde je nebezpečí zanášení koryta

Pracovní předpisy

Souhrnná realizace daných úkolů je obtížná. Míra péče a četnost provedených prací musí být určeny individuálně. Výrobci doporučují provozovateli sestavit pro každý měrný profil specifický plán údržby.

26


9


Literatura

27

Měření průtoků ultrazvukem

Recommend Documents