Cesko.wiki Měření průtoku kapalin
Author
Albert FloresMěření 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. +more ).
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. +more 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).
* 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. +more 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. +more 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. +more 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. +more 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. +more průtoky v přivaděčích vodních elektráren), při správném provedení dosti přesná, avšak náročná na nákladné vybavení.
=== Měření průtoků v otevřených korytech ===
==== Přelivy ==== * měrné přelivy (Bazinův, Ponceletův, trojúhelníkový, Cippolettiho a další) - jen pro otevřená koryta nebo výtok z potrubi, pro menší průtoky, dosažitelná značná přesnost * přeliv se širokou korunou , Crumpův přeliv, přeliv "ploché V" , - 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. +more Omezený rozsah měření, řada velikostí.
* pravoúhlý žlab * lichoběžníkový žlab * žlab "U" * Parshallův žlab - 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. +more Zejména pro laboratorní měření, kalibraci jiných (zvláště trubních) průtokoměrů. In situ prakticky nepoužitelná (nutný značný spád). * výtok pod pohyblivými uzávěry (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. +more Za vhodných podmínek lze dosáhnout i značné přesnosti. Metoda v zásadě není shora omezena velikostí toku. Standardní metoda používaná v hydrologii.
==== 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. +more) nebo velmi rychlá orientační měření.
==== 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. +more Nákladné (dno nutné izolovat nepropustnou nevodivou membránou), energeticky náročné, náchylné na rušení vnějšími vlivy, jen pro menší toky.
==== 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. +more). Protože rychlost zvuku závisí na hustotě kapaliny, mohou její změny během měření nepříznivě ovlivňovat nejistotu měření.
==== Výpočet na základě teorie ==== Běžný výpočet např. konsumční křivky koryta vychází z Chézyho rovnice. +more 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. Jedná se o rozpustné cizorodé, avšak snadno detekovatelné látky (chemikálie, často barviva a fluorescenty, nebo radioaktivní isotopy s krátkým poločasem rozpadu), které se zavádějí do vodního toku nebo do potrubí. +more 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.