Методы измерения расходов воды

Постоянное измерение расхода воды требуется во многих случаях. В частности, он необходим для расчета за водоснабжение. Кроме того, при резком возрастании водопотребления без видимой причины измерение расхода на различных участках трубопровода дают возможность определить места скрытых утечек или незаконных подключений.

Методы для напорных коммуникаций

На таких объектах требуется измерить только скорость жидкости. Расход рассчитывается умножением площади сечения на скорость. Для измерений могут использоваться водомеры различного типа.

Тахометрические (механические) приборы замеряют скорость подвижного элемента. Он приводится в движение потоком жидкости. Оборудование имеет невысокую стоимость, но сфера использования такого оборудования существенно ограничена.

Тахометрические счетчики работают автономно, просты в обслуживании, при необходимости легко ремонтируются. Межпроверочный интервал составляет 6 лет, погрешность до 5%. Такие приборы могут использоваться только в чистой воде.

Приборы, которые определяют расход жидкости по перепадам давления, отличаются высокой надежностью и стабильностью измерений. К их преимуществам относятся также невысокие требования к длине прямолинейных участков трубопровода. Их погрешность составляет не более 3%. При установке таких приборов наблюдается потеря давления в трубопроводе. Оборудование требует частой поверки.

Ультразвуковые методики измерения расхода относятся к наиболее современным. Приборы измеряют скорость прохождения ультразвука между установленными на трубе датчиками. Датчики могут быть, как врезными, так и накладными.

Преимущества ультразвуковых приборов:

• Счетчики могут устанавливаться на трубопроводы диаметром 15-5000 мм.
• При использовании накладных датчиков оборудование позволяет измерять расход агрессивных жидкостей.
• Высокая точность измерений.

Электромагнитные приборы наиболее универсальны. Они создают магнитное поле и измеряют в потоке жидкости ЭДС. К их преимуществам относится универсальность (оборудование может использоваться для измерения расхода любых жидкостей, которые проводят ток) и высокая точность измерений (погрешность не более 2%).

При выборе метода измерений основываются на особенностях объекта.

Методики, используемые на безнапорных сетях

Чаще всего используется акустический метод измерений. При этом определяется уровень воды с помощью ультразвуковой методики, а затем полученное значение пересчитывается по градуировочным таблицам в расход. Так как метод бесконтактный, с его помощью можно определять расход любых жидкостей, в том числе, и агрессивных. Есть возможность измерения малых объемов.

Расходомеры, работающие на ультразвуковых методиках, отличаются простым монтажом. Для их установки не нужны дополнительные колодцы. Они подходят для использования в трубопроводах любого диаметра. При выборе такого оборудования необходимо учитывать, что датчики требуют периодической очистки.

Также возможно определение расхода воды в безнапорных сетях электромагнитным методом.

Расходом воды называется обьем ее, протекающий через поперечное сечение потока в единицы времени. Для крупных вотоков - рек, каналов, водосбросов гидротехнических сооружений и т.п. – расход выражается в кубических метрах в секунду; расходы малых водотоков – родников, ручьев, лабораторных лотков и пр. – в литрах в секунду.

Существующие методы определения расхода воды можно разделить на две основные группы: непосредственное измерение расхода воды и косвенное измерение расхода воды.

При косвенном определении расходов воды измеряется не сам расход (объем воды), а отдельные элементы потока, а величина расхода получается путем вычислений.

Расход воды через элементарную площадку (Рис. 1) можно выразить формулой dQ = U cos  , где U - скорость в пределах элементарной площадки;  - угол между направлением скорости и нормалью; - величина элементарной площадки.

Расход воды через всю площадь поперечного сечения потока будетQ = u cos  d  = cos  u dx dy , при  = 0 Q =u dx dy =udw

u -скоростной вектор; u cosα -проекция аналитическим способом: I , II , III -

скоростного вектора на нормаль номера скоростных вертикалей

к площадке

1. Вычисление расхода воды аналитическим способом . (метод “скорость-площадь). В гидрометрии наиболее распространен способ определения расходов воды, основанный на измерении местных скоростей течения гидрометрической вертушкой и площади живого сечения потока, сокращенно называемый способом «скорость-площадь» или «аналитическим способом».

Аналитический способ основан на рассечении модели расхода вертикальными плоскостями, перпендикулярными живому сечению, и определении расхода воды Q как суммы частных расходов между соседними плоскостями, проходящими через скоростные вертикали (см.рис. 2).

Расход воды вычисляется по приближенной формуле, имеющий вид

где V 1 , V 2 ,...., V n - средние скорости на вертикалях;  0 - площадь живого сечения между берегом и первой скоростной вертикалью;  1 ,  2 , ..., n-1 - площади живых сечений между скоростными вертикалями; n - площадь живого сечения между последней скоростной вертикалью и берегом; К - эмпирический коэффициент, величина которого для различных случаев принимается следующей:

В формуле (4) каждое слагаемое представляет собой частичный расход воды: первое слагаемое - частичный расход между берегом и первой скоростной вертикалью, второе слагаемое - частичный расход между первой и второй вертикалями и т.д. Величина каждого частичного расхода вычисляется путем умножения средней скорости на вертикали на соответствующий участок площади живого сечения

Скорость течения измеряют на скоростных вертикалях. Число скоростных вертикалей и точек измерения скорости зависит от состояния водотока, глубины потока и требуемой точности вычисления расхода.

Скорости в отдельных точках живого сечения измеряются одной гидрометрической вертушкой, последовательно перемещаемой от вертикали к вертикали (рис. 3). Средняя скорость на вертикали в зависимости от количества точек измерения находят по формулам:

Рис. 3. расположение- вертушки на вертикали при детальном способе изме рения.

а - в свободном русле б – в ледяном покрове .

а) при определении расхода в открытом, незаросшем водной растительностью русле:

при измерении скорости в пяти точках:

а при монотонном убывании скорости от поверхности ко дну

при измерении скорости в трех точках

при измерении скорости в двух точках

при измерении скорости в трех точках:

при измерении в одной точке:

Другой важной характеристикой для вычисления расхода является площадь живого сечения. Площадь живого сечения определяется в результате промеров глубин русла реки по поперечному сечению (Рис. 4). На рис 4 приведены схемы к вычислению площади живого сечения. Данные промеров глубин используются также для вычисления и других морфометрических характеристик (ширина, глубина, гидравлический радиус и др.) русла реки.

Рис. 4. Схема к вычислению площади живого сечения.

В соответствии с рис. 4, частичные площади живого сечения определяются с учетом глубин на скоростных и промерных вертикалях. Например, частичная площадь живого сечения между берегом и первой скоростной вертикалью

Определение расхода воды объемным методом.

Объемный метод применяется обычно при расходах воды, не превышающих 5-10 л/с. Этот метод удобен для измерения расходов ключей, родников и т. п. Непосредественное измерение расходов воды дает высокую точность, что очень важно при малых расходах.

Этим способом расход определяется из отношения объема воды V, накопившейся в мерном сосуде, к числу секунд t, в течение которых он был собран.

Приборы для измерения глубин потока. Гидрометрическая штанга (наметка)- круглый деревянный шест длиной до 7 м и диаметром 5....6 см с 10-сантиметровыми делениями. Ее можно применять при сравнительно небольших глубинах (до 5...6 м) и скоростях течения воды.

Акустический профилограф (эхолот) основан на распространении ультразвуковых волн в воде. Результаты измерения глубин автоматически записываются в виде сплошной линии на движущейся ленте из электротермической бумаги. Эхолот « Кубань « позволяет измерять глубины в диапазоне 0.2...20 м при скорости движения судна 35 км\ч.

В состав работ по измерению глубин входит и определение в плане положения вертикалей для измерения глубин. Их называют глубинными, или промерными.

Акустическими профилографами глубины измеряют по ходу судна.

Методы и приборы для измерения скоростей течения воды. Существует большое количество методов для измерения скоростей течения воды и приборов, действие которых основано на различных физических принципах. Здесь остановимся на некоторых из них.

1) Метод, основанный на регистрации числа оборотов лопастного винта (ротора). Скорость течения измеряется гидрометрическими вертушками.

2) Метод, основанный на регистрации скорости плывущего тела. Скорость течения измеряется поплавками. При этом скорость течения принимается равной скорости движения поплавка.

3) Метод, основанный на регистрации величины скоростного напора. Для измерения скорости используются гидрометрические трубки (трубка Пито).

4) Метод, основанный на регистрации величины силового воздействия потока.

5) Метод, основанный на принципе теплообмена.

6) Метод, основанный на измерении объема воды, вошедшей в прибор за время наблюдения.

СНиП 2.04.01-85*

Строительные нормы и правила

Внутренний водопровод и канализация зданий.

Системы внутреннего холодного и горячего водоснабжения

11. Устройства для измерения количества и расхода воды

11.1.* Для вновь строящихся, реконструируемых и капитально ремонтируемых зданий с системами холодного и горячего водоснабжения, а также только холодного водоснабжения следует предусматривать приборы измерения водопотребления - счетчики холодной и горячей воды, параметры которых должны соответствовать действующим стандартам.

Счетчики воды следует устанавливать на вводах трубопровода холодного и горячего водоснабжения в каждое здание и сооружение, в каждую квартиру жилых зданий и на ответвлениях трубопроводов в магазины, столовые, рестораны и другие помещения, встроенные или пристроенные к жилым, производственным и общественным зданиям.

Установка счетчиков воды на системах раздельного противопожарного водопровода не требуется.

На ответвлениях к отдельным помещениям общественных и производственных зданий, а также на подводках к отдельным санитарно-техническим приборам и к технологическому оборудованию счетчики воды устанавливаются по требованию заказчика.

Счетчики горячей воды (на температуру воды до 90°С) следует устанавливать на подающем и циркуляционном трубопроводах горячего водоснабжения (при двухтрубных сетях) с установкой обратного клапана на циркуляционном трубопроводе.

11.2. Диаметр условного прохода счетчика воды следует выбирать исходя из среднечасового расхода воды за период потребления (сутки, смену), который не должен превышать эксплуатационный, принимаемый по табл. 4*, и проверять согласно указаниям п. 11.3*.

11.3.* Счетчик с принятым диаметром условного прохода надлежит проверять:

а) на пропуск расчетного максимального секундного расхода воды, при этом потери напора в счетчиках воды не должны превышать: 5,0 м - для крыльчатых и 2,5 м - для турбинных счетчиков;

б) на пропуск максимального (расчетного) секундного расхода воды с учетом подачи расчетного расхода воды на внутреннее пожаротушение, при этом потери напора в счетчике не должны превышать 10 м.

11.4. Потери давления в счетчиках , м, при расчетном секундном расходе воды , л/с, следует определять по формуле

где - гидравлическое сопротивление счетчика, принимаемое согласно табл. 4*.

При необходимости измерения расхода воды и невозможности использовать для этой цели счетчики воды следует применять расходомеры других типов. Выбор диаметра условного прохода и установку расходомеров надлежит производить согласно требованиям соответствующих технических условий.

Таблица 4*

11.5.* Счетчики холодной и горячей воды следует устанавливать в удобном для снятия показаний и обслуживания эксплуатационным персоналом месте, в помещении с искусственным или естественным освещением и температурой воздуха не ниже 5°С.

11.6. С каждой стороны счетчиков следует предусматривать прямые участки трубопроводов, длина которых определяется в соответствии с государственными стандартами на счетчики для воды (крыльчатые и турбинные) вентили или задвижки. Между счетчиком и вторым (по движению воды) вентилем или задвижкой следует устанавливать спускной кран.

11.7*. Обводную линию у счетчиков холодной воды следует предусматривать, если:

имеется один ввод водопровода в здание;

счетчик воды не рассчитан на пропуск противопожарного расхода воды.

На обводной линии следует устанавливать задвижку, опломбированную в закрытом положении. Задвижка для пропуска противопожарного расхода воды должна быть с электроприводом.

Обводную линию следует рассчитывать на максимальный (с учетом противопожарного) расход воды.

Задвижка с электроприводом должна открываться автоматически от кнопок, установленных у пожарных кранов, или от устройств противопожарной автоматики. Открытие задвижки должно быть сблокировано с пуском пожарных насосов при недостаточном давлении в водопроводной сети.

Обводную линию у счетчика горячей воды предусматривать не следует.

11.8. Для районов жилой застройки на время пожаротушения подачу воды в систему горячего водоснабжения допускается не предусматривать. При этом необходимо обеспечивать автоматическое отключение подачи воды в эту систему.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО СТАНДАРТАМ

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
РАСХОДОМЕТРИИ (ВНИИР)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

РАСХОД ВОДЫ НА РЕКАХ И КАНАЛАХ.
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
МЕТОДОМ «СКОРОСТЬ - ПЛОЩАДЬ»

МИ 1759-87

Москва
ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ
1987

РАЗРАБОТАНЫ Государственным гидрологическим институтом Государственного комитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды

ИСПОЛНИТЕЛИ:

Карасев И.Ф., докт. техн. наук, профессор (руководитель темы), Савельева А.В., канд. техн. наук, Ременюк В.А., канд. техн. наук

ПОДГОТОВЛЕНЫ К УТВЕРЖДЕНИЮ Всесоюзным научно-исследовательским институтом метрологической службы

Ст. эксперт отдела Трейвас Л.Г.

УТВЕРЖДЕНЫ Всесоюзным научно-исследовательским институтом расходометрии на НТС института 11 июня 1986 г., протокол № 8

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ГСИ. Расход воды на реках и каналах. Методика выполнения
измерений методом «скорость - площадь»

МИ 1759-87

Введены в действие

Настоящие методические указания устанавливают основные положения методики измерений расхода воды на реках и каналах методом «скорость - площадь» с использованием гидрометрических вертушек для измерения скоростей течения.

Применение методических указаний обеспечивает суммарную относительную погрешность измерений расхода воды S Q , не более:

6 % - при детальном способе;

10 % - при основном способе;

12 % - при ускоренно-сокращенном способе.

МУ не распространяются на измерения расхода воды с помощью поплавков и интеграции скоростей течения по ширине потока.

Определения и пояснения терминов, встречающихся в тексте, даны в приложении .

1. ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ МЕТОДОМ «СКОРОСТЬ - ПЛОЩАДЬ» И КЛАССИФИКАЦИЯ ЕГО ВАРИАНТОВ

1.1. Сущность метода и принципы измерения

1.1.1. Метод «скорость - площадь» является разновидностью косвенных измерений расхода воды. При этом в результате наблюдений в фиксированном гидрометрическом створе определяются следующие элементы расхода:

глубины на промерных вертикалях и их удаление от постоянного начала по линии гидрометрического створа, для определения площади водного сечения (с точностью до трех значащих цифр, но не точнее 1 см);

продольные (нормальные к гидрометрическому створу) составляющие средних скоростей течения на вертикалях, на основе которых рассчитываются средние скорости в отсеках между ними (с точностью до трех значащих цифр, но не точнее 1 см/с).

1.1.2. Расход воды вычисляют по его элементам одним из следующих способов (с точностью до трех значащих цифр):

аналитическим, как сумму частных расходов воды, проходящих через отсеки водного сечения потока, ограниченные скоростными вертикалями;

графическим, как площадь эпюры распределения элементарных расходов воды по ширине потока.

1.1.3. При вычислении расхода воды должны определяться также основные гидравлические характеристики потока, используемые при оценке точности измерений и учете речного стока:

уровень воды над нулем поста Н ;

площадь водного сечения F ;

средняя и наибольшая скорости течения: v и v н (v = Q / F ); v н является наибольшей из скоростей, измеренных вертушкой;

ширина водного сечения В ;

глубины потока: средняя h ср и наибольшая h н (h ср = F / B ); h н является наибольшей из измеренных на промерных вертикалях.

1.2. Классификация способов измерения

1.2.1. В зависимости от методики определения средних скоростей на вертикали различают интеграционный и точечные способы.

1.2.2. Интеграционный способ основан на измерении средней скорости течения на вертикали вертушкой, равномерно перемещаемой по глубине.

1.2.3. Точечные способы, основанные на определении средней скорости течения на вертикали по результатам измерений в точках, подразделяются на:

основной способ - при измерении скорости течения на вертикали в двух (свободное русло) или трех точках (наличие водной растительности, ледостав);

детальный способ - при измерении скорости течения на вертикали в пяти (свободное) или шести точках (ледостав, водная растительность).

При малых глубинах (см. табл. ) допускается применение одноточечного способа.

1.2.4. Для основного способа измерений расхода воды в однорукавном русле назначается 8 - 10 скоростных вертикалей.

В случае применения детального способа количество скоростных вертикалей увеличивается в 1,5 - 2 раза. Детальный способ применяется при научно-методических работах по оценке точности и оптимизации процессов измерения расхода воды - для уточнения числа промерных и скоростных вертикалей, а также обоснования возможности перехода к основному способу в данном гидростворе.

Сокращенный способ измерений расхода допускает использование менее восьми скоростных вертикалей при двух-, трехточечном измерении скоростей на вертикалях (аналогично основному способу).

2. УЧАСТОК ГИДРОМЕТРИЧЕСКОГО СТВОРА

2.1. Гидрометрический створ (в дальнейшем - гидроствор) входит в состав гидрологического поста наряду с его устройствами для измерения уровней, температуры воды и других элементов водного режима реки (канала). К участку гидроствора относится часть реки, непосредственно примыкающая к гидроствору на удалении двух - трех ширин русла сверху и снизу по течению.

2.2. Условия измерений расхода воды считаются нормальными, если на участке гидроствора соблюдается прямолинейность русла:

отсутствуют резкие переломы, профиль водного сечения и эпюры распределения скоростей по ширине потока устойчивый;

обеспечен правильный одномодальный, выпуклый профиль распределения скоростей течения по глубине потока;

отсутствует выраженная пульсация скорости течения по значению и направлению, а также значительная систематическая косоструйность потока;

отсутствуют помехи при измерении скоростей течения, глубин, уровня воды и координирования скоростных и промерных вертикалей.

расположение гидроствора на плесовых участках реки;

отсутствие поймы с протоками и рукавами;

отсутствие естественных или искусственных преград;

отсутствие водной растительности в самом гидростворе, а также выше и ниже его на расстоянии до 30 м;

коэффициент вариации скорости (число Кармана Ka ) в среднем по сечению должен быть не более 15 %;

косоструйность течения на гидростворе (отклонение в плане направлений течения в отдельных точках от его среднего значения для сечения в целом) должно быть не более 20°;

мертвые пространства должны иметь четкие границы и составлять не более 10 % от площади водного сечения;

при ледоставе должен отсутствовать многоярусный ледяной покров и незамерзающие полыньи;

зашугованность русла не должна превышать 25 % площади водного сечения;

средняя скорость течения в живом сечении должна быть не менее 0,08 и не более 5 м/с;

при измерении расхода воды вблизи моста участок гидроствора должен быть расположен выше, но в случаях частых скоплений льда и заломов леса - ниже моста (на удалении не менее 3 - 5 ширин русла в обоих случаях).

2.4. Во всех случаях, где это возможно, для приведения участка в соответствие с требованиями п. должны производиться работы по упорядочению и канализованию русла.

2.5. Гидроствор должен быть расположен на однорукавном участке реки. При необходимости допускается назначать гидроствор» на участке разветвления русла на рукава и протоки.

3. ГИДРОСТВОРЫ И ИХ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1. Местоположение и направление гидроствора

Это требование считается удовлетворительно выполненным при соблюдении следующих условий:

для беспойменных участков рек - среднее значение отклонения направления течения от нормали к гидроствору (косина струй в плане) на скоростных вертикалях не должна превышать ± 10°;

для пойменных участков рек - средняя косина струй на скоростных вертикалях не должна превышать ± 20°. При расхождении средних направлений течения в основном русле и на пойме более 20° допускается разбивать гидроствор в виде ломаной линии, участки которой соответствуют условию перпендикулярности направлению течений.

3.1.2. В случаях, когда направление гидроствора удовлетворяет указанным требованиям только при определенном наполнении русла, для данных разных фаз водного режима должны оборудоваться гидростворы, удовлетворяющие условиям п. .

3.2. Оборудование гидроствора

3.2.1. Гидроствор должен быть закреплен на местности стальным канатом или гидрометрическим мостиком, или створными знаками. Створные знаки должны быть хорошо видимыми со стороны реки и обеспечивать предельное уклонение судна от линии створа g = 1° (угол g образован линией гидроствора и линией визирования, проходящей через створные знаки и гидрометрическое судно, причем вершина угла g совпадает с положением ближнего к реке створного знака).

3.2.2. В створе устанавливается береговой знак (столб, репер и т.п.), закрепляющий постоянное начало для отсчета расстояний до урезов берегов, промерных и скоростных вертикалей, границ мертвого пространства и водоворотных зон.

3.2.4. При координировании промерных вертикалей геодезическими методами участок дополнительно оборудуется стоянкой угломерного инструмента.

4. ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ

4.1. При каждом измерении расхода воды на гидрологическом посту должен быть измерен соответствующий ему уровень воды.

Правила выполнения измерений уровня воды должны соответствовать требованиям ГОСТ 25855-83 .

Время каждого измерения уровня фиксируется.

4.3. При наличии в гидростворе дополнительного уровенного поста (п. ) наблюдения за уровнем должны проводиться на обоих постах: основном и дополнительном.

5. КООРДИНИРОВАНИЕ ПРОМЕРНЫХ И СКОРОСТНЫХ ВЕРТИКАЛЕЙ В ГИДРОСТВОРЕ

5.1. Способы координирования вертикалей

5.1.1. Местоположение промерных и скоростных вертикалей в гидростворе определяется расстоянием от постоянного начала.

5.1.2. На гидростворах, оборудованных лодочной, паромной или люлечной переправой с постоянно подвешенным разметочным канатом либо гидрометрическим мостиком, необходимо закреплять положение вертикалей согласно п. .

5.1.3. При наличии прочного ледяного покрова местоположение вертикалей следует определять теодолитным ходом по льду или мерной лентой.

5.1.4. На судоходных реках или при ширине сечения более 300 м местоположение вертикалей должно определяться засечками теодолитом или кипрегелем с берега.

В отдельных случаях (например, в условиях заболоченных или широких пойм и др.) допускается применение косых или веерных створов для закрепления рабочих вертикалей.

5.2. Точность координирования промерных вертикалей в гидростворе

5.2.1. Относительная средняя квадратическая погрешность координирования вертикалей в гидростворе () должна удовлетворять требованию

(5.1)

где s к - абсолютная среднеквадратическая погрешность координирования, м;

B - ширина реки, м.

5.2.2. При назначении мест мензульных (теодолитных) стоянок необходимо, чтобы угол, образуемый направлением гидроствора и лучом визирования, a был не менее 30°.

5.2.3. Длина линий на плане l (см) при мензульной съемке должна удовлетворять условию

(5.2)

где L - длина линии на местности, м.

5.2.4. Абсолютная погрешность координирования s к , обусловленная уклонением судна от гидроствора (D Х , м), определяется по зависимости

(5.3)

где D X ср - среднее уклонение судна от гидроствора, м (табл. );

a cp - среднее значение угла, образованного лучом визирования и направлением гидроствора.

Значение уклонения судна на каждой вертикали определяется расстоянием между створными знаками l c и удалением судна от ближайшего знака L c . Допускаемое расстояние между створными знаками определяется по зависимости D X ср от l с и L c в табл. .

Таблица 1