Měření průtoku kapalin

Měření průtoků kapalin je ve srovnání s měřením průtoků vzdušin (plynů a par) značně jednodušší, protože v naprosté většině případů můžeme kapalinu považovat za nestlačitelnou, zatímco u plynů a par jejich stlačitelnost musíme uvažovat vždy.

Průtoky kapalin můžeme buď měřit měřidly, založenými na nejrůznějších fyzikálních principech, nebo je odvodit výpočtem z jiných měřených veličin (např. tlaku, koncentrace stopovače nebo měřených bodových rychlostí) (viz např. [1][2][3][4][5][6]).

Měřidla i postupy měření se zpravidla výrazně liší při měření průtoku v potrubí nebo v otevřeném korytě, i když fyzikální princip je týž. Za samostatnou kapitolu pak můžeme považovat měření průtoků při kalibraci zejména trubních průtokoměrů a také na výtoku z potrubí.

Ne všechny ISO normy byly v okamžiku tvorby hesla převzaty do systému ČSN – proto i odkazy přímo na normy ISO

Základní metody

  • metoda objemová – je měřen čas, za který do kalibrované nádoby nateče určitý objem kapaliny, nebo naopak objem kapaliny, který do kalibrované nádoby nateče za určitý čas;
  • metoda váhová (gravimetrická) – dtto, místo objemu se určuje tíha či hmotnost kapaliny. Při přesném měření je nutné pro získání správného objemového průtoku určit hustotu kapaliny.

Tyto metody se používají zejména pro kalibraci průtokoměrných zařízení (lze dosáhnout vysokou přesnost), využitelnost pro měření in situ je omezená.

Měření průtoků v potrubí

Škrtící orgány

Měří se tlakový rozdíl před a za měřidlem, z něj výpočtem průtok; nutná značná délka přímého potrubí zejména před měřidlem. I pro vzdušiny (nutno uvažovat stlačitelnost).[7]

  • clona – disk povětšině s centrálním kruhovým otvorem (otvor může být i tvaru kruhové úseče – tzv. segmentová clona); poměrně značná ztráta, zvláště při větším zúžení;
  • dýza – hydraulicky vhodnější, tvarově složitější
  • venturimetr – hydraulicky velmi vhodný, malá ztráta, avšak složitý tvar a velká stavební délka;
  • kolenový průtokoměr – řadí se sem, ač v něm ke změně profilu nedochází; měří se tlakový rozdíl na vnitřní a vnější straně oblouku.

Elektromagnetické průtokoměry

Elektromagnetické průtokoměry (též zvané indukční průtokoměry) jsou založeny na Faradayově zákonu – na vodiči (proudící kapalině) pohybujícím se v magnetickém poli, se indukuje napětí, snímané dvojicí elektrod (na průměru). V podstatě měří střední rychlost v jednom podélném řezu. Prakticky nulová ztráta, vysoká přesnost, měří i průtok suspenzí.

Ultrazvukové průtokoměry

Měření je založeno na principu superpozice – na potrubí jsou šikmo proti sobě instalována dvě čidla, která v pravidelných intervalech vydávají ultrazvukové impulsy a měří se doba jejich průchodu kapalinou. Rychlost zvuku se skládá s rychlostí proudění, z rozdílu doby průchodu impulsu jedním a druhým směrem se určí střední rychlost v jednom podélném řezu.

Coriolisovy průtokoměry

Fyzikální princip je dosti složitý; měří hmotnostní průtok kapalin i vzdušin. Přesné, velký rozsah měření, malá ztráta, ale nákladné, rozměrné a dostupné jen v omezeném rozsahu velikosti.

Vírové průtokoměry

Vírové průtokoměry jsou založeny na vzniku Kármánovy vírové dráhy při obtékání tělesa. Měří se frekvence odtrhávání vírů (de facto frekvence vibrace obtékaného tělesa) která kromě jiného závisí na rychlosti proudění. Široký rozsah velikostí, existují i přenosné, které je možno do potrubí vsunout zvenčí.

Rotametry

Rotametry udávají okamžitý průtok. V kónicky směrem vzhůru se rozšiřující trubici je umístěn kovový "plovák", který je obtékán a hydrodynamickými silami nadnášen úměrně průtoku. Vhodné i pro plyny. Zejména měření malých průtoků. Musí být umístěny svisle a bývají vysoké, někdy může umístění působit problémy.

Vodoměry

Vodoměry bytové, domovní i průmyslové měří integrální proteklé množství vody. Obvykle mají propeler tvaru vrtule, jehož otáčení se mechanicky nebo magneticky přenáší na počítadlo. Pro měření průtoku je nutné ještě měřit čas.

Metoda rychlost-plocha

Při metodě rychlost – plocha se hydrometrickými vrtulemi nebo Pitotovou trubicí určí časově střední bodové rychlosti ve vhodných bodech v daném profilu potrubí, a z nich se stanoví průtok. Metoda je vhodná i pro velká potrubí (standardně se tak měří např. průtoky v přivaděčích vodních elektráren), při správném provedení dosti přesná, avšak náročná na nákladné vybavení.[8][9]

Měření průtoků v otevřených korytech

Přelivy

  • měrné přelivy (Bazinův, Ponceletův, trojúhelníkový[10], Cippolettiho[11] a další) – jen pro otevřená koryta nebo výtok z potrubi, pro menší průtoky, dosažitelná značná přesnost
  • přeliv se širokou korunou [12], Crumpův přeliv, přeliv "ploché V" [13], – vhodné i pro měření větších průtoků na menších vodních tocích

Měrné žlaby

Měrné žlaby jsou navrženy tak, že se v určitém místě zužují natolik, aby v zúžení vzniklo kritické proudění. Tím je zajištěn jednoznačný vztah mezi polohou hladiny a průtokem. Omezený rozsah měření, řada velikostí.[14]

  • pravoúhlý žlab
  • lichoběžníkový žlab
  • žlab "U"
  • Parshallův žlab [15]- nejčastěji používaný, řada velikostí s různými rozsahy průtoků. Žlaby různé velikosti nejsou geometricky podobné.

Výtok otvorem

  • danaida – nádoba s jedním nebo více otvory ve dně (mohou být opatřeny nátrubky); průtok odpovídá výšce hladiny v nádobě. Lze dosáhnout vysoké přesnosti. Zejména pro laboratorní měření, kalibraci jiných (zvláště trubních) průtokoměrů. In situ prakticky nepoužitelná (nutný značný spád).
  • výtok pod pohyblivými uzávěry [16](stavidly, segmenty aj.) – vzhledem k nejistotám jen orientační

Metoda rychlostního pole (rychlost–plocha)

V měrném profilu se v řadě svislic změří vhodným měřidlem (hydrometrická vrtule, indukční nebo akustické měřidlo rychlosti) v řadě bodů časově střední bodové rychlosti. Ze známého tvaru profilu a těchto rychlostí při jejich známé poloze v profilu se určí průtok numericky nebo graficky. Za vhodných podmínek lze dosáhnout i značné přesnosti. Metoda v zásadě není shora omezena velikostí toku. Standardní metoda používaná v hydrologii.[17]

Určení průtoku z povrchových rychlostí

Ve zvoleném úseku se pomocí zpravidla hladinových plováků stanoví napříč toku několik povrchových rychlostí, z nich a známého tvaru příčného profilu se odhadne průtok. Pomocná metoda pro zvláštní případy (větší povodně a pod.) nebo velmi rychlá orientační měření.[17]

Elektromagnetické měření

Stejný princip jako u trubních indukčních průtokoměrů. Cívka musí být tak velká, aby obsáhla celé koryto až po nejvyšší vodní stav, jehož měření se předpokládá. Nákladné (dno nutné izolovat nepropustnou nevodivou membránou), energeticky náročné, náchylné na rušení vnějšími vlivy, jen pro menší toky.[18]

Ultrazvukové měření

Založeno na principu superpozice (viz výše). Vhodné pro větší a velké toky, zejména tam kde nelze jednoznačně přiřadit určitý vodní stav určitému průtoku (vzduté tratě, estuáry a pod.). Protože rychlost zvuku závisí na hustotě kapaliny, mohou její změny během měření nepříznivě ovlivňovat nejistotu měření.[19]

Výpočet na základě teorie

Běžný výpočet např. konsumční křivky koryta vychází z Chézyho rovnice. Pro stanovení maximálního povodňového průtoku na základě povodňových stop (značek) se vychází z teorie ustáleného nerovnoměrného proudění.

Stopovače

Stopovače se využívají v případech, kdy nelze použít žádnou z výše uvedených metod měření.[20] Jedná se o rozpustné cizorodé, avšak snadno detekovatelné látky (chemikálie[21], často barviva a fluorescenty[22], nebo radioaktivní isotopy s krátkým poločasem rozpadu[23]), které se zavádějí do vodního toku nebo do potrubí. Pro vyhodnocení průtoku existují tři metody:

  • směšovací metoda – stopovač je dávkován v roztoku známé koncentrace po delší dobu; po jeho dokonalém promísení s protékající kapalinou se měří výsledná koncentace a z rozdílu výsledné a vstupní koncentace (případně s uvážením velikosti průtoku roztoku stopovače) se určí průtok kapaliny;
  • rychlostní metoda – stopovač se dávkuje jednorázově, po jeho smísení s proudící kapalinou se na úseku toku známé délky vyhodnotí rychlost pohybu jeho mraku (průběžně se měří koncentrace ve dvou profilech, určí se těžiště obrazců uzavřených čarou koncentace a jejich časový posun);
  • integrační metoda – stopovač se dávkuje jednorázově, měří se průběh koncentrace v čase, pomocí integrace této křivky se získá průtok.

Reference

  1. ↑ Troskolanski, A.T. (1960): Hydrometry. Theory and Practice of Hydraulic Measurement. Pergamon Press
  2. ↑ Müller, A. (ed.) (1988): Discharge and Velocity Measurement. IAHR Proceedings 2. Proceedings of the Short Course on Discharge and Velocity Measurement, Zurich 26-28 Aug. 1987. A.A.Balkema
  3. ↑ Kříž, V. a kol.: Hydrometrie. SPN Praha 1988
  4. ↑ Herschy, R.W. (1995): Streamflow Measurement. 2nd. ed. E&FN SPON
  5. ↑ Dub, O. (1963): Hydrológia, hydrografia, hydrometria. 2. vyd. SVTL/SNTL Bratislava/Praha
  6. ↑ ČSN ISO 8363 Měření průtoku kapalin v otevřených korytech – Obecné návody pro výběr metod
  7. ↑ ČSN ISO 5167 Měření průtoku tekutin pomocí snímačů diferenčního tlaku. Část 1: Clony, dýzy a Venturiho trubice vložené do zcela vyplněného potrubí kruhového průřezu.
  8. ↑ ČSN ISO 3354 Měření průtoku čisté vody v uzavřených potrubích. Metoda měření rychlostního pole pomocí vodoměrných vrtulí při pravidelném proudění plným profilem
  9. ↑ ČSN ISO 3966 Měření průtoku tekutin v uzavřených profilech. Metoda měření rychlostního pole pomocí Prandtlových trubic.
  10. ↑ ISO 4360 Hydrometry - Open channel flow measurement using triangular profile weirs.
  11. ↑ ČSN ISO 4362 Měření průtoku kapalin v otevřených korytech – Měrné přelivy lichoběžníkového průřezu
  12. ↑ ISO 4374 Liquid flow measurement in open channels – round-nose horizontal broad-crested weirs.
  13. ↑ ČSN ISO 4377 Měření průtoku kapalin v otevřených korytech – Měrné přelivy tvaru plochého V
  14. ↑ ČSN ISO 4359 Měření průtoku kapalin v otevřených korytech – Žlaby pravoúhlého a lichoběžníkového průřezu a průřezu tvaru U
  15. ↑ ČSN ISO 9826 Měření průtoku kapalin v otevřených korytech – Parshallovy žlaby a žlaby typu SANIIRI
  16. ↑ ISO 13550 Hydrometric determinations – Flow measurement in open channels using structures: Use of vertical underflow gates and radial gates.
  17. ↑ a b ČSN EN ISO 748 Hydrometrie – Měření průtoku kapalin v otevřených korytech použitím vodoměrných vrtulí nebo plováků
  18. ↑ ISO 9213 Measurement of total discharge in open channels - Electromagnetic method using a full-channel-width coil
  19. ↑ ISO 6416 Hydrometry – Measurement of discharge by the ultrasonic (acoustic) method
  20. ↑ ISO 9555-1 Measurement of liquid flow in open channels – Tracer dilution methods for the measurement of steady flow. Part 1 - General
  21. ↑ ISO 9555-3 Measurement of liquid flow in open channels – Tracer dilution methods for the measurement of steady flow – Part 3: chemical tracers
  22. ↑ ISO 9555-4 Measurement of liquid flow in open channels – Tracer dilution methods for the measurement of steady flow – Part 4: fluorescent tracers.
  23. ↑ ISO 9555-2 Measurement of liquid flow in open channels – Tracer dilution methods for the measurement of steady flow – Part 2: radioactive tracers.