Měření průtoku pomocí výšky hladiny při výtoku z více otvorů

Technická univerzita v Liberci
Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace
Evidenční list funkčního vzorku
stupeň utajení: bez utajení
Funkční vzorek
Měření průtoku pomocí výšky hladiny
při výtoku z více otvorů
Číslo projektu: FR-TI1/362
Číslo výsledku:
Funkce, útvar
Jméno
Datum
Autor 1:
Technický pracovník, NTI
Ing.Petr Rálek, Ph.D.
31.5.2013
Autor 2:
Výzkumný pracovník, INT
Doc.Ing.Milan Hokr, Ph.D.
31.5.2013
Schválil:
Spoluřešitel projektu za TUL Doc.Ing.Milan Hokr, Ph.D.
31.5.2013
Vedoucí INT CxI
Prof.Dr.Ing.Jiří Maryška, CSc. 31.5.2013
Podpis
Rok uplatnění výsledku:
Jazyk výsledku:
Celkový počet tvůrců výsledku:
Počet domácích tvůrců:
Seznam tvůrců výsledku:
Hlavní obor:
Návaznost na projekt:
Oblast uplatnění:
Uplatněn:
Název výsledku česky:
Abstrakt k výsledku česky:
Klíčová slova česky:
Vlastník výsledku:
IČ vlastníka výsledku:
Stát:
Lokalizace:
Licence:
Licenční poplatek:
Kategorie nákladů:
2013
CZE
2
2
Petr Rálek, 7711280500, Milan Hokr, 7605210492
DA
FR-TI1/362
Měření toku podzemní vody
ANO
Měření průtoku pomocí výšky hladiny při výtoku z více otvorů
Zařízení (nádoba) je určeno pro měření většího či proměnlivého
průtoku – např. vydatnosti vývěru podzemní vody. Přínosem je
zvýšení pracovního rozsahu měření proti standardnímu řešení
použitím více otvorů nad sebou. Otvory jsou opatřeny nátrubky.
Hladinu je možné snímat elektronickým čidlem i odečítat manuálně
na stupnici na průsvitné stěně nádoby.
danaida, měření průtoku
Technická univerzita v Liberci
46747885
Česká Republika
TUL
ne
ne
výše nákladů <= 5 mil
Popis
Měrná nádoba – danaida – je válcového tvaru s jedním či více výtokovými otvory nad sebou ve
stěně válce (obr. 1). Nádoba je upravený odměrný válec z průsvitného polypropylenu. Průsvitnost
použité nádoby v kombinaci se škálou znázorněnou na povrchu nádoby umožňuje manuální odečet
výšky hladiny. Výtokové otvory jsou upraveny pomocí postupně zužujících se nátrubků (obr. 2).
Výška hladiny je měřena tlakovou sondou umístěnou na dně nádoby (buď s vlastní pamětí či
s možností přenosu měřených hodnot). Voda je do nádoby přiváděna nejčastěji hadičkou, ústící na
dně nádoby.
přívod vody
záznam, přenos dat
40
35
upevnění
30
d2
tlaková sonda
H
25
odtok vody
h2
20
h
15
10
d1
Obr. 1 Schéma umístění a funkce
měrné nádoby.
h1
5
d0
d
0
Obr. 2 Schéma funkce a umístění nádoby s otvorem
pro měření průtoku.
H… výška nádoby
h… výška vodní hladiny
di… průměr i-tého otvoru
hi … výška i-tého otvoru
l
Obr. 3 Schéma nátrubku.
Výpočet průtoku
Danaida využívá známého vztahu (1) mezi rychlostí výtoku z nádoby otvorem a výškou hladiny:
(1)
Q=µ
πd 2
4
2 gh ,
kde µ je tzv. výtokový koeficient, d je průměr otvoru a h je výška hladiny v nádobě. Pro nádobu s j
otvory umístěnými ve výškách h0, …, hj-1 lze pak tuto závislost Q(h) zobecnit jako
(2)
πd i2
Q = ∑ µi
4
i =0
j −1
2g
1 + sgn (h − hi )
(h − hi ).
2
Otvory opatřené postupně se zužujícím nátrubkem (za předpokladu l > 3d) mají největší výtokový
koeficient a poskytují nejlepší průtočnost. Výtokový koeficient pro použitý tvar nátrubků (obr. 3) byl
určen experimentálně jako 0,9 s odchylkou 0,01 (shodný pro všechny použité průměry otvorů od
2,7mm do 5,7mm).
Velikost otvoru je nutné poměrně přesně přizpůsobit předpokládaným průtokům, aby se hladina
pohybovala v rozsahu optimální citlivosti měření (na obr. 4 je tento rozsah označený zeleně a
odpovídá intervalu výšky hladiny, ve které již není závislost průtoku na výšce strmá). Pro přítoky se
stabilním či málo variabilním průtokem obvykle postačuje nádoba s jedním otvorem. Pro přítoky
s velkou variabilitou lze zvýšit měřící rozsah použitím více otvorů nad sebou ve stěně nádoby. Režim
s více otvory nad sebou má omezení při výšce hladiny v blízkosti vyšších otvorů (resp. při přechodu
hladiny přes tyto otvory), kde dochází ke skokovým změnám přepočteného průtoku a nižší citlivosti
měření (na obr. 4 označeno žlutě). Výskyt těchto situací lze eliminovat zvolením vhodných průměrů
a pozic jednotlivých otvorů v závislosti na pozorovaných průtocích či tyto parametry později podle
naměřených výsledků přizpůsobit.
Nádoba s více otvory nad sebou (inovace) umožňuje zvýšit měřící rozsah se současným zachováním
vyšší přesnosti měření pro nízké průtoky. Červeně zvýrazněné křivky na obr. 4 znázorňují příklad,
kdy jsou dva stejně velké otvory umístěny buď oba vedle sebe u dna nádoby či 10cm nad sebou. Ve
druhém případě se celkový měřící rozsah nádoby zmenší jen nepatrně, ovšem citlivost změny výšky
hladiny na změně průtoku je na prvních 10cm výšky dvojnásobná.
Obr. 4 Závislost velikosti průtoku na výšce hladiny dle rovnic (1) a (2) pro nádobu s jedním či
dvěma otvory o různých průměrech (kdy druhý otvor je umístěn 10 cm nad prvním).
Použití
Nádoba s více otvory nad sebou je úspěšně provozována ve vodárenském tunelu Josefův Důl – Bedřichov
v Jizerských horách pro měření průsaku podzemní vody – konkrétně u vývěru V7 se silně kolísající vydatností
mezi 0-250 ml.s-1 (obr. 6 vlevo). Křivka průtoků v závislosti na výšce hladiny pro tuto nádobu je znázorněna na
obr. 5. Měrné nádoby s jedním otvorem se osvědčily i u pramenů s malým či středním průtokem (obr. 6
uprostřed a vpravo). Není vhodné měrných nádob využívat u vod, kde může dojít k zanášení otvorů kalem či
usazeninami např. vlivem chemické reakce při kontaktu vody s atmosférou , neboť se pak snižuje průtočnost
otvorů.
250
průtok [ml/s]
200
150
100
50
0
0
0,1
0,2
0,3
výška hladiny [m]
0,4
0,5
Obr. 5: Průtoková křivka pro danaidu na
pramenu V7 se 4 otvory (realizace je
znázorněna na obr. 6 vlevo).
Obr. 6 Praktické realizace průtokových nádob.
Vlevo: nádoba se 4 otvory. Uprostřed a vpravo: nádoby s jedním otvorem.
Výsledek byl vytvořen s využitím účelové podpory v rámci projektu MPO „Výzkum vlastností materiálu pro
bezpečné ukládání radioaktivních odpadů a vývoj postupu jejich hodnocení“ ev. č. FR-TI1/362.
Výsledek byl dále podpořen a pro jeho realizaci bylo využito přístrojového vybavení projektu OP VaVpI
Centrum pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace CZ.1.05/2.1.00/01.0005.