Измерение расхода сточных вод без сужающих устройств

Установить сужающее устройство в действующем открытом канале часто бывает невозможно ,так как это приводит к нарушению гидравлического режима системы и таким последствиям,как переполнение канала,появление участков с неравномерным движением жидкости и т.п. В то же время необходимость измерять расход в действующих системах канализации возникает часто в связи с требованиями по охране водоемов от загрязнения.

Это предопределяет применение методов измерения расхода ,не требующих сужения потока и изменения его гидравлического режима.

Наиболее доступным и простым является так называемый гидравлический метод (метод «уровень-расход»),мерой расхода в котором является уровень жидкости в канале.Гидравлический метод можно использовать несколькими способами.

Первый способ (наиболее известный в гидрометрии) сводится к градуировке измерительного створа для получения экспериментальной зависимости Q=f(h).Такая зависимость представляется в виде графика (таблицы) или аппроксимируется аналитическим выражением.Точность способа зависит от применяемых методов и средств градуировки,а надежность – от состояния стенок и дна канала и его гидравлического режима.Если стенки и дно канала не размываются потоком и в то же время измерительный участок канала не подвержен обрастанию водной растительностью ,то градуировочная зависимость может оставаться постоянной в течение длительного срока.Использование этого способа предопределяет необходимость проведения трудоемкой градуировки при нескольких (не менее пяти) значениях расхода ,что не всегда допустимо в условиях действующих систем.

Достоинством способа является точность и возможность использования его на участках канала ,расположенных относительно близко от местных возмущений потока(поворотов,ответвлений и т.п.).Требования к этим участкам- стабильность режима при измерениях расхода.Недопустимо,

например,резкое искажение поля скоростей при изменении расхода.Практически достаточно иметь прямой участок канала длиной шесть-восемь максимальных глубин.

Второй способ сводится к использованию известных гидравлических зависимостей равномерного установившегося течения жидкости в прямолинейном призматическом (цилиндрическом) канале

Q=wC(Ri)1/2, (1)

где w- площадь живого сечения канала,R-гидравлический радиус,

i- гидравлический уклон,C-коэффициент Шези.

В общем случае С= f(n,Re,R). При условии ,что для данного канала коэффициент шероховатости n=const, число Рейнольдса соответствует автомодельной области течения R= f(h/hп).Зависимость Q=f(h) может быть представлена в виде

Q/Qп= f(h/hп), (2)

где Qп- верхний предел измерения расхода или расход при полностью затопленном сечении канала , hп уровень ,соответствующий Qп.

Зависимость (2) вычисляется из уравнения (1) для любой формы поперечного сечения .Теоретически эта зависимость остается постоянной

для любых значений коэффициента шероховатости n (или эквивалентной шероховатости ∆э).Для незамкнутых сечений (прямоугольного,

трапецеидального и т.д.) экспериментальные и теоретические зависимости Q/Qп= f(h/hп) совпадают ,а для замкнутых ,например,круговых ,в силу специфичности течения при больших наполнениях экспериментальные данные несколько отличаются от теоретических.

Графически зависимости Q/Qп= f(h/hп) для каналов различного поперечного сечения представлены на рис.2 и рис.3.В справочных руководствах приводятся таблицы для определения Q/Qп по h/hп.Чтобы перейти от относительных зависимостей ,представленных на рис.2 и рис.3. к реальным условиям данного измерительного сечения ,необходимо иметь экспериментальные значения Q и h.

Для построения зависимости Q=f( h) по экспериментальным данным применительно к заданному сечению канала используют соотношение

Q=AwRx (3),

Полученное из уравнения (1 ) путем объединения в множителе А постоянных для данного сечения величин .Показатель степени x зависит от принятой формулы для определения коэффициента Шези С. Например,для формулы Маннинга х=2/3,для формулы Павловского x=y+1/2, где

y- это показатель степени, зависящий от значения коэффициента шероховатости и гидравлического радиуса:

Множитель А следует определять экспериментально ,измерив расход Q и наполнение канала h:

A=Q/(wRx).

Расход Q при этом рекомендуется измерить 2-3 раза.Для определения значения Qп в данном сечении полученную величину А следует подставить в уравнение (3) при значениях w и R, соответствующих полному наполнению канала .При известной величине Qп значения Q для различных наполнений h определяют по графикам на рис.2 и рис.3. или по таблицам.

Чтобы иметь достоверные данные о расходе ,измерительное сечение надо располагать на прямом участке канала. Расстояние до ближайшего вверх по течению поворота ,ответвления или другого сопротивления должно быть не менее 50d(или 50В).После измерительного сечения длина прямого участка канала зависит от подпора (спада),вызываемого изменением направления канала, но должна быть не меньше 10d(10B).

Уклон участков канала,прилегающих к измерительному сечению,должен быть одинаков .Располагать измерительное сечение в месте изменения уклона дна канала ,например, в колодце коллектора ,можно в случаях ,когда подпор(спад) уровня , вызываемый изменением уклона ,не превышает 0,01h вот всем диапазоне изменения h.Измерительное сечение должно быть расположено на цилиндрическом (или призматическом ) участке канала.Отклонение от цилиндрической (призматической ) формы допускается в тех случаях ,когда это отклонение не вызывает подпора (спада)

Уровня ,превышающего 0,005h. В измерительном сечении и вблизи него не должно быть местных выступов,закладных деталей и подобных препятствий,вызывающих искажение уровня за счет завихрений и других возмущений потока.

Погрешность измерения расхода вторым способом складывается из погрешности измерения уровня,погрешности определения площади поперечного сечения потока ,погрешности метода и погрешности контрольногоизмерения расхода(градуировки в точке).

Среднюю относительную квадратичную погрешность измерений расхода можно определить по формуле

ʛq=(ʛh2 + ʛw2 + ʛQт2 + ʛQг2 )1/2,

где ʛh ʛw, ʛQт, ʛQг – соответственно средние относительные квадратичные погрешности определения уровня,площади поперечного сечения потока, расхода по формуле Q=f(h), расхода ,при котором проводилась градуировка.

Как показывает опыт градуировки на гидромелиоративных системах ,общая погрешность ʛQ может составить 3..5% в зависимости от применяемых средств измерений.

Практически второй способ реализован в МВИ «Расход и объем сточной жидкости.Методика измерений в безнапорных водопроводах по уровню заполнения с предварительной калибровкой измерительного створа МИ2220-13».

При этом получаемая градуировочная характеристика вводится в память ультразвукового расходомера–уровнемера, в качестве которого используются приборы «ЭХО-Р-03» или «ВЗЛЕТ-РСЛ» (или их аналоги).

Контроль точности обеспечивается своевременной поверкой используемого расходомера–уровнемера и калибровкой измерительного створа.

В состав операций контроля точности результатов измерений должна входить калибровка измерительного створа, оформляемая, как правило, в виде отдельного документа (протокола калибровки). Форма протокола калибровки устанавливается организацией, выполняющей калибровку. Калибровку следует проводить при изменениях гидравлического режима в измерительном створе, вызываемых подключением дополнительных трубопроводов выше или ниже по течению, при выявлении нарушения однозначности зависимости Q = f(H) при каких-либо режимах водопропуска. Проверку соответствия фактической расходной характеристики Q = f(H), ранее введенной и записанной в паспорте расходомера,следует проводить не реже одного раза в два года.

Третий способ определения расхода гидравлическим методом заключается

в измерении h,I и определении С в формуле (1) или А в формуле (3) по табличным данным .При таком способе исключается необходимость градуировки ,все подготовительные работы сводятся к общепринятым измерениям (нивелировке,обмерам и т.п.) ,но существенно возрастает погрешность измерения за счет возможных ошибок в определении С(А).Эта ошибка может усугубиться за счет отложения наносов,обрастания стенок и дна канала водорослями и т.д.Поэтому третий способ пригоден лишь для ориентировочных определений расхода с погрешностью ʛQ=5..10%.

МИ2220-13 допускает применение формулы Шези для предварительная калибровка измерительного створа в строящихся и реконструи-

руемых водоводах расчетным методом

Просмотрев зависимости Q=f( h),одинаковые для всех трех способов ,можно убедиться ,что в диапазоне наполнений (0,25..0,8)h/hп эту зависимость можно аппроксимировать линейным законом ,что облегчает применение автоматической регистрирующей аппаратуры .Погрешность за счет линеаризации в указанном диапазоне ,как правило ,не превышает 1..1,5%.