6.3. Измерение расхода воды

В мелиорации применяются приборы и устройства для измерения расхода воды в закрытых трубопроводах и открытых каналах.

Для измерения расходов воды в закрытых трубопроводах применяются расходомеры постоянного и переменного перепада, а также индукционные.

Принцип действия расходомеров постоянного перепада основан на восприятии динамического давления потока, действующего на чувствительный элемент.

Ротаметр с электрическим преобразователем показан на рисунке 6.3. Он состоит из двух основных частей — ротаметрической и электрической, собранных в одном корпусе 1. Основным элементом ротаметрической части является конический поплавок 2, перемещающийся внутри кольцевой диафрагмы 3 в вертикальном направлении. Электрическая часть состоит из индуктивных катушек 4 с плунжером 5, жестко связанным с поплавком, и представляет собой дифференциально-трансформаторный преобразователь. Электрическая часть ротаметра снаружи защищена кожухом 6. Ротаметры устанавливаются в вертикальном «участке трубопровода.

Рис. 6.3. Ротаметр с дифференциально-транс форматорным преобразователем:

1 — корпус; 2 — конический поплавок; 3 — кольцевая диафрагма; 4 — катушка индуктивности; 5 — плунжер; 6 — кожух.

Поток воды поступает в трубку снизу вверх и, увлекая за собой поплавок, перемещает его вверх. При этом увеличивается зазор между поплавком и стенкой Кольцевой диафрагмы, в результате чего уменьшается скорость воды в зазоре и возрастает давление над поплавком. В равновесном состоянии при любом положении поплавка разность давлений, действующих на него с обеих сторон, остается постоянной и определяется силой, необходимой для его уравновешивания.

Перемещение поплавка передается плунжеру и преобразуется дифференциально-трансформаторным элементом в напряжении переменного тока, которое изменяется по величине к фазе функционально расходу.

Достоинствами ротаметров являются равномерность шкалы, большой диапазон измерения 10:1, малая и постоянная потеря давления, постоянство погрешности во всем диапазоне.

Ротаметры с электрическим выходом типа РЭ выпускаются промышленностью на диаметры условного прохода от 6 до 100 мм и расходы 25—1600 л/ч.

Измерение расхода методом переменного перепада предусматривает установку в трубопроводе сужающего устройства. Вследствие неразрывности потока в месте установки сужающего устройства скорость его возрастает, что вызвано частичным переходом потенциальной энергии давления в кинетическую энергию движения. В результате статическое давление потока непосредственно после сужающего устройства становится меньше статического давления до него. Изменение давления потока при прохождении им сужающего устройства служит мерой измерения скорости потока, а значит, и величины его расхода.

В качестве сужающего устройства при измерении расходов воды методом переменного перепада давления используются диафрагмы, сопла и сопла Вентури.

Диафрагма (рис. 6.4, а) представляет собой плоский диск с круглым концентрическим отверстием, имеющим прямоугольную кромку со стороны входа, и коническую фаску со стороны выхода потока. Для отбора давлений предусмотрены кольцевые камеры или отверстия, просверленные у торцов. Модуль диафрагмы и другие конструктивные размеры (толщина, диаметры отверстий для отбора давлений и т. д.) рассчитываются с учетом величин измеряемого расхода и параметров потока.

Рис.6.5. Схема индукционного расходомера:

1 — труба, 2 — электроды; 3 — электромагнит, 4 — измерительный блок.

В мелиорации наряду с кольцевыми применяются сегментные диафрагмы, которые в меньшей степени подвержены засорению при перекачке загрязненных вод.

В тех случаях, когда необходимо уменьшить потери давления, применяются сопла (рис. 6.4, б) и сопла Вентури (рис 6.4, в). Основным их преимуществом является малая потеря давления (в 3 — 4 раза меньше по сравнению с диафрагмами), что позволяет применять их на низконапорных трубопроводах. Кроме того, сопла свободно пропускают наносы и мало чувствительны к ним при измерениях. К недостаткам относится их громоздкость.

Широко используют для измерения расхода воды и других электропроводных жидкостей индукционные расходомеры. Принцип их действия основан на измерении ЭДС, индуктирующейся в потоке жидкости под действием внешнего магнитного поля.

На рисунке 6.6 показана схема индукционного расходомера. Он состоит из трубы 1 из немагнитного материала (нержавеющей стали Х18Н10Т), внутренняя поверхность которой футерована изоляцией; двух электродов 2, расположенных диаметрально противоположно на изоляционном слое; электромагнита 3, обмотка которого питается постоянным током, и измерительного блока 4.

Согласно закону электромагнитной индукции при движении проводника длиной lперпендикулярно вектору магнитной индукции В со скоростьюvна его концах возникает ЭДС, величина которой:

Е = Blv.

Для движущейся по трубопроводу электропроводной жидкости при постоянной магнитной индукции В а полном заполнении трубы, диаметр которой определяет значение l, создаваемая ЭДС будет пропорциональна скорости жидкостиv, а значит и расходу.

Промышленностью выпускаются несколько модификаций индукционных расходомеров. Индукционные расходомеры типа ИР-51 изготовляются на диаметры условного прохода 10—300 мм и расходы от 0,32 до 2500 м3/ч. Расходомеры типа ЧРИ применяются на трубопроводах с условными диаметрами 400, 600 и 800 мм и расходами до 5000 м³/ч.

Измерительные блоки расходомеров имеют процентную шкалу и унифицированный выход по постоянному току. К нему может подключаться счетная приставка типа С-1 для определения суммарного количества измеряемой среды за любой промежуток времени.

Индукционные расходомеры 5РИ выпускаются с унифицированным пневматическим выходом. Пневмопреобразователь встраивается непосредственно во вторичный прибор. Эти приборы могут устанавливаться на насосных станциях, где имеются компрессорные установки.

Рис.6.6. Индукционный расходомер ИР-5Р:

1 — преобразователь; 2 — водяной поток; 3 — штанга; 4 — рабочий трубопровод; 5 — фланец; 6 — клеммная коробка; 7 — рукоятка.

Достоинства индукционных расходомеров: они не создают дополнительных сопротивлений протеканию жидкости, позволяют измерять расход загрязненных жидкостей в широких пределах изменения расходов, обладают высокой точностью во всем измеряемом диапазоне (основная погрешность не превышает 1—1,5%).

К недостаткам относится сравнительно большая масса преобразователя. Так, преобразователь на диаметр условного прохода 300 мм имеет массу около 300 кг.

Этого лишены индукционные расходомеры ИР-56 (рис. 6.6). Их конструктивной особенностью является расположение преобразователя 1 всредине рабочего трубопровода 4. Крепится преобразователь к трубопроводу с помощью фланца 5. Преобразователь закреплен на стальной металлической штанге 3 и регулируется внутри трубопровода рукояткой 7. Два электрода (на рисунке не показаны) располагаются на боковых поверхностях преобразователя. Исследуемый водяной поток, входящий в зону измерения, представляет собой сферу 5, охватывающую преобразователь. Подключают его ко вторичному измерительному прибору с помощью клеммной коробки 6. Такая конструкция позволяет уменьшить габариты и массу преобразователя и, что особенно важно, измерять расход в трубопроводах большого диаметра (до 3,6 м).

При измерениях в открытых каналах расход зависит от скорости потока и его сечения. В общем случае методы и приборы измерения расходов в открытых руслах предусматривают контроль указанных параметров и реализацию операции умножения «скорость на сечение». Но выполнение этого достаточно сложно в полевых условиях. Поэтому при измерениях чаще всего исключают один из контролируемых параметров, а расход определяют по значениям второго. Влияние неконтролируемого параметра учитывают методом тарирования или расчетным путем по известным аналитическим зависимостям. Различают измерения расходов на нерегулируемых участках русел и на регулируемых перегораживающих сооружениях, водосливах.

На нерегулируемых участках каналов в качестве контролируемого параметра принимают уровень воды, а на регулируемых — скорость водяного потока. На нерегулируемых участках измерения выполняются с использованием специальных водомерных сооружений и без них.

При отсутствии специальных водомерных сооружений используется метод тарирования. Он основан на использовании (установленной предварительными измерениями) зависимости расхода от уровня воды Q=f(H). Метод применяется для открытых русел вне зоны подпорного действия перегораживающих сооружений и для нерегулируемых гидротехнических сооружений — быстротоков, перепадов, глухих перегораживающих сооружений и т. д.

Для повышения точности строятся специальные сооружения — водосливы, водомерные лотки и пороги, позволяющие снизить погрешность измерений до 2—3%. Тип водомерного сооружения выбирается в зависимости от расхода: при расходах до 0,5 м³/с применяются водосливы с тонкой стенкой трапецеидальной или треугольной формы и острым заложением откосов; при расходах до 7 м³/с— водомерные лотки; до 30 м³/см — водомерные пороги.

Водомерные сооружения не требуют экспериментальной тарировки, а зависимость Q=f(H) определяется по аналитическим зависимостям, учитывающим геометрические размеры сооружения.

На регулируемых гидротехнических сооружениях для измерения расхода используются водомерные приставки и трубчатые водомеры с сужающими устройствами (ТВС). Принцип измерения основан на контроле скорости водяного потока при постоянном сечении и аналогичен измерениям в закрытых трубопроводах.

Водомерные приставки представляют собой трубы круглого или прямоугольного сечения длиной L_np, в полтора — три раза превышающей диаметр или высоту трубы. Приставка устанавливается перед регулирующим щитом. Величина расхода определяется по измеряемому перепаду давленийz_пр, между верхним бьефом и водомерным сечением, удаленным от выхода на расстояние l =0,3—1,5 диаметра или высоты приставки:

где μ_пр— коэффициент расхода приставки;

ω_пр— площадь ее сечения;

z_пр— перепад давлений;

g— ускорение свободного падения.

Коэффициент расхода μ_прзависит от конструкции и геометрических размеров приставки.

Водомерные приставки используют для измерений расходов до 20 м³/с в диапазоне перепадов 1 - 6. Ошибка измерений не превышает ±5%. Их достоинством является работа в широком диапазоне изменения перепадов от 2 до 60 см, нечувствительность к изменению режима нижнего бьефа.

Для измерений расходов до 2 м'/с применяют трубчатые водомеры с сужающими устройствами (ТВС). Сужающие устройства выполняются в виде конусной насадки, кольца или сегментной диафрагмы.

Диапазон измерений уровня ТВС составляет 1—4, погрешность измерений не превышает ±5%. Для измерения уровня используются самописцы и уровнемеры с преобразующими устройствами для дистанционной передачи.

К недостаткам ТВС относится создание дополнительных сопротивлений водяному потоку.

На сооружениях, оборудованных автоматическими затворами-регуляторами, учет воды ведется на основании контроля положения затвора и выполнения операции умножения «сечение на время» с введением поправок на скорость потока. В этом случае не требуется специальных водомерных сооружений.

Большой интерес представляет внедрение в мелиорацию ультразвукового метода измерений, основанного на зависимости величины смещения ультразвуковых колебаний от скорости водяного потока. Достоинством этого метода является его бесконтактность, что не создает препятствий протеканию жидкости.