Průtok (vznik, klasifikace, měření)
Průtok • objemový - Q V t • hmotnostní - Qm m t
m s 3 1
(nestlačitelné kapaliny)
kg s (stlačitelné tekutiny, polutanty, …) 1
Při proudění směsí (např. hydrodoprava) důležitý průtok jednotlivých složek (možné i různé rychlosti proudění).
K141 HYAR
Měření průtoku
2
Vznik průtoku z hlediska hydrauliky (fyziky) změnou pohybového stavu tělesa (hmoty tekutiny) působením sil po překonání počátečního napětí (nenulová výslednice vnějších sil působících na těleso existence energetického gradientu)
z hlediska hydrologického koncentrací vypadlých srážek povrchovým a podpovrchovým odtokem do „kompaktního“ proudu tekutiny (vody)
K141 HYAR
Měření průtoku
3
Příklady situací, kdy je třeba měřit průtok • určení průtoku v tocích - hydrologické bilance • odběry vody (průmysl, energetika, zásobování obyvatelstva) –
zpoplatněné • vypouštění odpadních vod – zpoplatněné • technologické procesy (úpravny a čistírny vody, chemický a potravinářský průmysl ...) • měření průtoku nejen vody, ale i páry, plynů, ropy a jejích
derivátů, chemických sloučenin ...
K141 HYAR
Měření průtoku
4
Parametry ovlivňující volbu metody měření (čím průtok měřit) průtok objemový X hmotnostní měřené médium: stlačitelné X nestlačitelné, obsah pevných částic, teplota a tlak měřeného média, chem. agresivita media prostředí měření: terén X provoz X laboratoř, teplota a vlhkost prostředí typ proudění: tlakovém potrubí X proudění o volné hladině, proudění ustálené X neustálené vliv zařízení na proudění (způsobená tlaková ztráta, vzdutí hladiny, ...) četnost měření: „jednorázové“ X kontinuální rozsah měření (minimální a maximální průtok) požadovaná přesnost měření finanční náročnost (investice i provoz) složitost osazení a zprovoznění přístupnost místa měření (obsluha, údržba, „nenechavci“) K141 HYAR
Měření průtoku
5
Přehled metod pro měření průtoku Přímé měření průtoku (objemového či hmotnostního): jímání vody do nádrží či pytlů (na výtoku z tlakového potrubí, malé potoky a prameny) měření objemu či vážení Objemové průtokoměry (vodoměry, „klapátka“) Ze změřeného tlakového rozdílu způsobeného vloženým prvkem v potrubí (měrná clona, dýza, Venturiho trubice) – aplikace B.R. Ze změřeného vzdutí způsobeného vloženým prvkem v otevřeném korytě (měrné přelivy a měrné žlaby, výtok pod stavidlem, ...)
Integrací změřených rychlostí proudění (elektromagnetické či ultrazvukové průtokoměry) Metody založené na použití stopovačů
Integrací změřených bodových rychlostí proudění (elektromagnetické či ultrazvukové sondy, hydrometrické vrtule, Pitotova trubice, ...) Další metody: Coriolisův průtokoměr, kolenový průtokoměr K141 HYAR
Měření průtoku
6
Přímé měření průtoku
Q
nejpřesnější, avšak jen pro relativně malé průtoky (nutný objem nádoby), zejména
pro kalibraci průtokoměrů
V t
m Qm t
m V
m s 3 1
kg s 1
Qm Q V
Objemové průtokoměry (vodoměry, plynoměry)
nejčastěji měří celkové proteklé množství
7 K141 HYAR
Měření průtoku
Trubní průtokoměry založené na zúžení proudu založeny na přeměně tlakové energie v kinetickou a vzniku energetické ztráty
• clona – nejjednodušší, malá stavební délka, velké ztráty
• dýza
• venturimetr – tvarově složitý, velká stavební délka, malé ztráty
Q v S2
S2 p 2g , v f , Re g S1 8
K141 HYAR
Měření průtoku
Trubní průtokoměry založené na zúžení proudu B. R. pro profily 1 – 2 (pro h1=h2): 2
2
2
p1 1v1 p2 2 v 2 v2 g 2g g 2g 2g Q v1 , S1
průběh tlaku na cloně zdroj: http://voda.tzb-info.cz
Q v2 S2
p1 1Q2 p2 2Q2 Q2 2 2 2 g S1 2g g S2 2g S2 2g
2
Q S2
S1 p1 p2 p 2 g S 2 g v 2 2 2 g g 2 S1 1S2 9
K141 HYAR
Měření průtoku
Měrné přelivy s ostrou hranou Průtok se počítá na základě změřené přepadové výšky h Různé tvary přelivných hran (tvary výřezů v hradící stěně): • obdélník bez boční kontrakce (Bazinův přeliv) • obdélník s boční kontrakcí (Ponceletův přeliv) • trojúhelník (pro vrcholový úhel = 90° zvaný Thomsonův přeliv) • ... 12 mm detail přelivné hrany K141 HYAR
> 45º Měření průtoku
10
Ukázka měrných přelivů použitých v terénu – různé hydraulické podmínky
K141 HYAR
11 Měření průtoku
Měrné žlaby o menší vzdutí než u přelivů, oproti přelivům se velmi málo zanáší, mají větší stavební délku o využívá se vlastnosti říčního proudění v místě zúžení proudu – snížení hladiny (na hloubku kritickou, ev. i menší – lokální vytvoření bystřinného proudění Používané žlaby: Venturiho a Parshallův - menší stavební délka
Q = f(h, b) hrdlo zatopeno nutno měřit i hloubku dolní vody (vyšší nejistoty měření) K141 HYAR
Měření průtoku
12
Indukční (elektromagnetické) průtokoměry na potrubích, princip lze použít i pro otevřená koryta. Z Faradayova zákona (voda = vodič; požadovaná min. vodivost 5 μS – běžně 50 μS). El. vodivé médium protékající magnetickým polem indukuje napětí mezi dvěma elektrodami U v Bb v – rychlost proudění, U – měřené napětí mezi elektrodami b – vzdálenost mezi elektrodami, B – intenzita magnetického pole. Měří střední rychlost na průměru potrubí; vyhodnocovací jednotka udává přímo průtok. Na témže principu i přístroje pro měření bodových rychlostí proudění. Výhoda: není zmenšen průtočný profil K141 HYAR
Měření průtoku
13
Ultrazvukové průtokoměry měří se čas za který zvukový impuls projde napříč prouděním dráhu L ve směru „po proudu“ t1 a „proti proudu“ t2
v1 c u cos , v 2 c u cos L 1 L 1 současně v1 , v2 cos t1 cos t 2 L 1 L 1 c u cos c u cos cos t1 cos t1 L 1 L 1 c u cos cos t 2 cos t 2 L 1 L 1 u cos u cos cos t1 cos t 2 1 1 L u 2 2 cos t1 t 2
c u cos
potrubí - střední rychlost na průměru Q z rov. kontinuity koryta - střední rychlost v rovině paprsku Q z kalib. rov. K141 HYAR
Měření průtoku
14
Metody založené na použití stopovačů do proudu se kontinuálně nebo jednorázově zavádí roztok vhodné snadno zjistitelné chemické látky nebo radionuklidu
• • • • •
stopovač nesmí být adsorbován nebo se rozkládat musí být snadno rozpustný nesmí být toxický nemá být v toku přítomen již před měřením finanční náklady musí být přijatelné
základní požadavek: stopovač dokonale promíchán do celého proudu (turbulentní proudění) – příčná a podélná disperse – empirické vzorce pro délku počátečního úseku (značná!) dávkování z obou břehů nebo do více míst po celé šířce toku K141 HYAR
Měření průtoku
15
několik metod – nejjednodušší směšovací metoda: přidává se (delší dobu) průtok Qs roztoku látky koncentrace Cs
Q ... měřený průtok C0 ... počáteční (pozaďová) koncentrace C ... výsledná koncentrace stopovače po dokonalém promíchání
QC0 QsCs Q Qs C
Q Qs
Cs C C C0
použitelná obecně – není třeba znát rychlost proudění ani tvar koryta vhodná pro horské bystřinné toky, kde nelze použít metodu rychlostního pole K141 HYAR
Měření průtoku
16
Integrací změřených bodových rychlostí (metoda rychlostního pole)
• měření průtoků v otevřených korytech i v potrubí • základní metoda pro určení průtoku v tocích • standardní metoda pro stanovení průtoku při garančních měřeních vodních strojů • pro ověření jiných průtokoměrných zařízení (velké průtoky → nelze použít objemovou metodu, kalibrace in situ) • založena na měření bodových rychlostí a vztahu
Q udS uiSi s
K141 HYAR
i
Měření průtoku
17
Určení bodových rychlostí • plováky – dnes jen v nouzi, za povodní a pod. – měří povrchovou rychlost, jen otevřená koryta • přístroje založené na určení dynamického tlaku proudící vody: Pitotova trubice, Prandtlova trubice, kulová sonda nejistota měření prudce roste pro nízké rychlosti • elektromagnetická měřidla rychlosti – na stejném principu jako indukční průtokoměry, ale mezi eletrodami je menší vzdálenost, možnost měření i v silně znečištěné vodě • ultrazvuková měřidla rychlosti – založena na Dopplerově principu (změna frekvence vyslané a přijaté ultrazvukové vlny), měření v jediném bodě (až 3 složky vektoru rychlosti) nebo měření rychlostního profilu • hydrometrická vrtule – doposud nejběžnější přistroj; pro měření v otevřených korytech, ev. i v potrubí větších průměrů K141 HYAR
Měření průtoku
18
Hydrometrická vrtule • různé velikosti, různé průměry a stoupání propelerů možnost volby podle podmínek měření • upevnění na tyči (malé hloubky, max. ca 2 m), s proudnicovým závažím na laně (větší hloubky), na pohyblivé nebo pevné konstrukci (v potrubí, garanční měření vodních strojů) • u = f(n), n ... specifické otáčky
K141 HYAR
Měření průtoku
19
Určení průtoku z bodových rychlostí Tlaková potrubí určí se plochy Si příslušné jednotlivým změřeným rychlostem ui Q uiSi i
Otevřená koryta • měření v řadě svislic • počet svislic dle šířky koryta • pro každou svislici její vzdálenost od pevného bodu (příp. břehu) – staničení - bi a hloubka vody ve svislici h • v každé svislici bodové rychlosti v jednom nebo několika bodech (obvykle ve standardních hloubkách) střední svislicová rychlost vs ; doba měření – obvykle 40 – 120 s (fluktuace proudění) • měrný průtok q udh průtok profilem Q q db h
K141 HYAR
Měření průtoku
20
Vyhodnocení průtoků po povodních
- zaznamenání úrovně hladiny při povodni nebo její
„rekonstrukce“ ze stop po hladině u objektu nebo na běžném úseku toku
- zpětný dopočet průtoku ze spádu hladin a odhadnutých odporech proti proudění
K141 HYAR
Měření průtoku
21
Nejistota měření • chyby (odchylky měřené hodnoty od hodnoty správné/přesné) – hrubé – chybný odečet, chybná funkce měřidla ..., dají se poměrně snadno zjistit a odstranit – systematické – nedodržení předepsaných rozměrů ... – působí stejným směrem, obtížná identifikace (kalibrace !) – náhodné – vlastní každému měření, působené větším počtem různých (zpravidla neznámých) vlivů. Normální rozdělení pravděpodobnosti statistické metody • celková chyba = systematické + náhodné chyby • přesná velikost chyb často není známa nejistota měření (odhad možné chyby nebo jejího rozsahu) – přesnost měření – dána celkovou chybou/nejistotou – rozlišitelnost měření (rozlišení) – počet platných/desetinných míst, se kterými dané měřidlo může maximálně pracovat – opakovatelnost měření – schopnost měřidla poskytnout stejný údaj při stejné hodnotě měřené veličiny – rozsah měření – nejnižší nejvyšší možná hodnota měřené veličiny při dané nejistotě měření K141 HYAR
Měření průtoku
22
