Необходимость измерения расхода жидкости в открытых каналах часто встречается как на промышленных предприятиях, так и в жилищно-коммунальном хозяйстве. На объектах современных промышленных предприятий для управления технологическими процессами необходимо вести учет расхода воды, сточной жидкости, различных реагентов для их последующей обработки и т.д. Например, гальваническое производство является одним из крупнейших потребителей воды, а его сточные воды – одними из самых токсичных и вредных. Основным видом отходов в гальваническом производстве являются промывные воды смешанного состава, содержащие несколько видов тяжелых металлов и других примесей. Сточные воды металлургических заводов могут содержать взвешенные вещества, нефтепродукты, щелочи, соли, фенол, цианиды и др. Поэтому вода, используемая на современных промышленных предприятиях, должна подвергаться очистке. Снижению количества сточных вод может способствовать применение новой технологии производства. Необходимо использовать замкнутую систему водоснабжения с электрофлотационной очисткой, то есть промывные воды, подвергшиеся очистке от примесей возвращать в технологический цикл, а извлеченные примеси – на захоронение или переработку. В организационной схеме такой технологической системы водоснабжения необходимо применение преобразователей расхода, осуществляющие учет расхода воды, сточной жидкости.
Измерение расхода в открытых каналах имеет определенные особенности и представляет собой достаточно сложную задачу. Существуют и активно используются различные типы расходомеров для открытых каналов.
Для контроля и учета безнапорных потоков применяется небольшое количество приборов и их принципиально можно разделить по способу измерения потока на два типа:
1. Приборы, измеряющие только уровень потока, а значение расхода определяют по теоретической расходной характеристике канала с учетом информации об измерительном сечении;
2. Приборы, измеряющие расход по принципу «площадь - скорость», то есть осуществляющие измерение уровня и скорости потока [1].
- Табличные расходомеры. Принцип измерения расхода табличным методом основан на зависимости расхода от уровня жидкости перед препятствием или сужением в канале, поэтому в состав такого преобразователя входят сужающие устройства.
В качестве сужающих устройств применяются водосливы с тонкой стенкой (прямоугольные, треугольные, трапецеидальные); функциональные водосливы с тонкой стенкой (пропорциональные, параболические и др.); водосливы с порогом треугольного профиля, измерительные лотки (Вентури, Паршалла и др.), а также щели и отверстия с тонкой стенкой.
Для измерения в открытых прямоугольных лотках и каналах используют лотки Вентури, водосливы с порогом треугольного профиля или лотки Паршалла [2]. Наиболее точным и надежным измерительным устройством для контроля расхода сточной воды в прямоугольных каналах шириной 450— 2400 мм являются водоизмерительные лотки Вентури.
- Приборы, работающие по принципу «площадь-скорость».
Непосредственно величину расхода Q, м3/с измерить невозможно. Для расчета расхода применяется следующая формула:
,(1)
где: А - реальное сечение потока, м2;
v - средняя скорость потока, м/с.
Реальное сечение потока A зависит от профиля поперечного сечения и уровня жидкости. Уровень жидкости может быть измерен при помощи встроенных и (или) внешних датчиков. Реальное сечение потока определяется с учетом профиля поперечного сечения.
Из нескольких способов определения уровня жидкости (рис. 1) выбирается тот, который наилучшим образом соответствует поставленной задаче (рис. 2).
Рис. 1. Способы определения уровня жидкости
Рис. 2. Пример вариантов установки датчиков: а) надводный ультразвуковой; б) подводный ультразвуковой; в) под- и надводный ультразвуковые и гидростатический датчики для оценки работы канала; г) гидростатический датчик для определения глубины погружения.
Приборы, работающие по принципу «площадь-скорость», осуществляют прямое измерение уровня и скорости потока. Геометрические параметры канала введены в память прибора заранее: используя эти данные и получаемую в реальном времени информацию об уровне заполнения, прибор вычисляет площадь поперечного сечения потока в данный момент времени и, умножая его на измеренную среднюю скорость, рассчитывает расход и объем стоков. Приборы более современные и точные, но заиливание и образование осадка в местах установки узла учёта стоков ведёт к увеличению погрешности измерений, а значит, что расходомер и место его установки нуждаются в регулярном обслуживании.
Следует отметить, что универсального расходомера, пригодного для решения существующих практических задач, нет. Измерение расхода движущейся жидкости в открытом лотке или канале, является сложной задачей, особенно если жидкость загрязнена. Радиолокационные и ультразвуковые приборы малопригодны из-за наличия на поверхности жидкости волн и пены, а большинство остальных – совершенно непригодны из-за сильных боковых нагрузок на конструкцию и опасности ее поломки при накоплении мусора (листьев, клочков бумаги и др.). Современный прибор, применяемый для учета расхода в открытых каналах, обязан учитывать все перечисленные выше нюансы, корректно вычислять среднюю скорость в реальных каналах и обеспечивать корректные результаты измерения, независимо от наличия ила и подпоров.
Из всех выше рассмотренных преобразователей расхода для открытых каналов наиболее предпочтительный гидроэлектрический поляризационный преобразователь. Принцип действия ГЭППР основан на взаимодействии течений заряженных диэлектрических жидкостей с электрическими полями.
Разрабатываемый поляризационный преобразователь жидкости в открытых каналах состоит из двух электродов прямоугольной формы, выполненных из оргстекла, фольгированных с одной стороны. Один из электродов соединен с источником питания, напряжение между электродами которого U=1080 В. Со второго электрода снимаются показания тока. Электроды помещаются в жидкость (глубина погружения 30 – 40 мм).
Поскольку выбор формы и взаимного расположения электродов является определяющей задачей при разработке конструкции ГЭППР в открытых (безнапорных) каналах, то в процессе измерений электроды располагаются в различном положении (параллельно друг к другу (рис. 3, а), под углом (рис. 3, б)), при этом расстояние между ними изменяется, расход остается постоянным.
Рис. 3: а) плоскопараллельные электроды; б) электроды, расположенные под углом
Проведенные экспериментальные исследования показали, что разработанный ГЭППР можно применять для измерения расхода различных сильнополярных жидкостей, таких как: питьевая вода, очищенная вода, этиловый спирт, смазочно-охлаждающие жидкости. Он обладает требуемым быстродействием, надежностью. Прибору присуще малые габариты отсутствие движущихся частей. Постоянная времени, характеризующая быстродействие прибора составляет 0,0036 с. За счет токового сигнала на выходе преобразователь может быть использован в качестве элемента обратной связи в системах автоматизированного управления.
Литература:
- Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн.1.-5-е изд. перераб. доп.- Спб.: Политехника. 2002
- МИ 2406 – 97 «Рекомендация. ГСИ. Расход жидкости в безнапорных каналах систем водоснабжения и канализации. Методика выполнения измерений при помощи стандартных водосливов и лотков».
- Нащекина З.С., Садчикова Г.М. Измерительные устройства и системы управления технологическими процессами в химической промышленности. Сборник научных трудов «Информационные технологии, САПР и автоматизация», Саратов, СГТУ, 2010 г.
