Funkční vzorek. Měření průtoku pomocí výšky hladiny při výtoku z více otvorů

Transkript

1 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 Podpis Autor 1: Technický pracovník, NTI Ing.Petr Rálek, Ph.D Autor 2: Výzkumný pracovník, INT Doc.Ing.Milan Hokr, Ph.D Schválil: Spoluřešitel projektu za TUL Doc.Ing.Milan Hokr, Ph.D Vedoucí INT CxI Prof.Dr.Ing.Jiří Maryška, CSc

2 Rok uplatnění výsledku: 2013 Jazyk výsledku: CZE Celkový počet tvůrců výsledku: 2 Počet domácích tvůrců: 2 Seznam tvůrců výsledku: Petr Rálek, , Milan Hokr, Hlavní obor: DA Návaznost na projekt: FR-TI1/362 Oblast uplatnění: Měření toku podzemní vody Uplatněn: ANO Název výsledku česky: Měření průtoku pomocí výšky hladiny při výtoku z více otvorů Abstrakt k výsledku česky: 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. Klíčová slova česky: danaida, měření průtoku Vlastník výsledku: Technická univerzita v Liberci IČ vlastníka výsledku: Stát: Česká Republika Lokalizace: TUL Licence: ne Licenční poplatek: ne Kategorie nákladů: výše nákladů <= 5 mil

3 h1 h h2 H 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 upevnění d2 25 tlaková sonda odtok vody d1 10 Obr. 1 Schéma umístění a funkce měrné nádoby. 5 d0 0 d Obr. 2 Schéma funkce a umístění nádoby s otvorem pro měření průtoku. H výška nádoby h výška vodní hladiny d i průměr i-tého otvoru h i výška i-tého otvoru Obr. 3 Schéma nátrubku. l

4 Výpočet průtoku Danaida využívá známého vztahu (1) mezi rychlostí výtoku z nádoby otvorem a výškou hladiny: (1) πd Q = µ 4 2 2gh, 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 h 0,, h j-1 lze pak tuto závislost Q(h) zobecnit jako (2) Q = j 1 i= 0 µ i πd 4 2 i 1 + sgn 2g 2 ( h hi ) ( ). h h i 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.

5 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 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 průtok [ml/s] ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 výška hladiny [m] Obr. 5: Průtoková křivka pro danaidu na pramenu V7 se 4 otvory (realizace je znázorněna na obr. 6 vlevo).

6 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/