Кросс-корреляционные приборы учета (расходомеры) сточных вод Nivus для самотечных каналов, напорных и безнапорных трубопроводов.

Введение. Задача измерения расхода стоков в самотечных каналах

Задача определения расхода на водоотведении появилась не так давно – значительно позднее, чем на водоснабжении. В большинстве случаев создание узлов учета в городской канализации или на водозаборах и водосбросах промышленных предприятий связано с необходимостью определения расхода в безнапорных трубах и каналах при неоднородной жидкости с различными включениями, что значительно сложнее, чем в полностью заполненных напорных трубопроводах при однородной жидкости. Поэтому изначально объем водоотведения определялся расчетным путем – в соответствии и прямой зависимости от объема поданной воды. Однако в ряде случаев это приводило к серьезным несоответствиям, например, если предприятие-водопользователь потребляет большое количество принятой воды (на производство напитков и т.п.), либо, наоборот, имеет собственную скважину, либо часть ливневых стоков с территории предприятия попадает в канализацию и так далее. В результате в последние годы законодательство Российской Федерации все более жестко требует от водопользователей переходить с расчетного метода учета на приборный.

Самым простым вариантом определения расхода в открытом канале является измерение уровня потока, который, теоретически, считается прямо пропорциональным объемному расходу. Однако на практике данная прямая зависимость далеко не всегда справедлива. При наличии подпоров, возникающих, например, вследствие засоров или ряда других возможных причин, ошибка вычисления расхода уровнемером может равняться сотням процентов (например, при наличии засора, определяющего застой и высокий уровень воды в трубе).

 

Расходомеры сточных вод на методе Доплера – предшественники кросс-корреляции

В результате в конце прошлого столетия получили распространение приборы учета сточных вод с погружными ультразвуковым сенсорами, которые определяли фактическую скорость частиц в потоке на основе метода Доплера. Некоторым неудобством таких счетчиков являлась необходимость ввода табличных значений шероховатости поверхности стенок канала в прибор для расчетов (так как распределение скоростей в потоке и, соответственно, средняя скорость и объемный расход существенно зависят от шероховатости стенок), что вносило дополнительную погрешность в расчеты, однако в целом, казалось бы, задача решена. Однако после нескольких лет эксплуатации приборов данного типа на различных объектах был выявлен ряд проблем. Так, например, однотипные Доплеровские приборы учета сточных вод, установленные на входе и выходе очистных сооружений, показывали расход на выходе примерно на 25% больше, чем на входе, хотя теоретически объем отводимой от очистных сооружений воды должен быть примерно на 3% меньше поданной из-за удаления сухого осадка. Эта ситуация повторялась на разных объектах и с разными типами Доплеровских приборов, причем применяемые средства измерения были сертифицированы в России с погрешность около 2% и имели свидетельства о поверке. Для понимания этого несоответствия необходимо подробнее рассмотреть, как работает метод Доплера.

Эффект Доплера Мы можем заметить, что период колебаний звуковой волны от сирены или двигателя машины, проезжающей мимо, изменяется: при приближении к нам волны короче, при удалении – длиннее. Причина очень проста – волны сжимаются при приближении к нам, что приводит к уменьшению периода колебаний. Как только машина начинает удаляться, волны вытягиваются, при этом период колебаний увеличивается. Таким образом период и частота колебаний звуковой волны – это относительные понятия, применимые только при неизменном положении источника звука относительно приемника. В то же время, для водителя транспортного средства звук сирены остается неизменным. Этот эффект, обнаруженный Кристином Доплером в 1842 году, широко применяется в астрономии, медицине и в различных измерительных устройствах, используемых в промышленности. В счетчиках для канализации и стоков эффект Доплера используется для определения скорости частиц. Однако, в этом случае, передатчики и приемники неподвижны, а движется среда и отражающие частицы. Доплеровский расходомер стоков определяет скорость первой попавшейся на пути ультразвукового луча частицы. Но частицы в потоке движутся с разными скоростями – ближе ко дну медленнее, у поверхности быстрее.

Эпюра скоростей движения частиц зависит не только от шероховатости стенок (учитываемой в Доплеровских вычислителях теоретически), но и от ряда других факторов – наличия и типа отложений, уровня и скорости потока, геометрии канала до и после места измерений и т.д.

В грязном стоке на входе очистных сооружений Доплеровский датчик измеряет скорость частиц, движущихся у самого дна, а в чистой воде на выходе очистных сооружений он измеряет скорость частиц в середине или в верхней части потока. Соответственно, средняя скорость, являющаяся основой для вычисления объемного расхода и вычисляемая путем умножения получаемой скорости частиц на постоянный коэффициент, также определяется с существенной ошибкой. Данная погрешность метода предопределяет существенную погрешность при эксплуатации (хотя эта погрешность никак не выявляется при сертификационных испытаниях, которые проводятся без изменений концентрации частиц в потоке). Калибровка при установке прибора на месте не позволяет полностью решить эту проблему, так как, как уже говорилось, эпюра скоростей различна при разных скоростях и уровнях, а калибровка производится только при одном варианте сочетания данных параметров.

 

Метод кросс-корреляции.

Являясь производителем Доплеровских приборов с 1967 года фирма Nivus GmbH хорошо знала данный недостаток метода Доплера и проводила серьезные научные изыскания для определения возможностей более точного определения расхода в безнапорных трубопроводах. В результате в 2000 году был предложен уникальный метод кросс-корреляции, запатентованный Nivus GmbH.

Суть метода состоит в том, что находящийся в потоке сенсор делает ультразвуковые фотографии потока (как в медицине) с частотой от 500 до 2000 единиц в секунду.

Данные фотографии сравниваются между собой и по ним определяется движение частиц в каждом слое. Для решения этой задачи в датчике располагаются два мощных микропроцессора. Отраженный спектр от каждого ультразвукового импульса датчика запоминается в цифровом формате, в виде «слайда». Микропроцессоры сравнивают соседние слайды и вычисляют перемещение частиц за заданный временной промежуток.

В результате кросс-корреляционные расходомеры стоков определяют точную эпюру распределения скоростей движения всех слоев потока в реальном времени и определяют среднюю скорость без ввода теоретических значений шероховатости стенок трубы и без калибровки.

 

Типы используемых уровнемеров в счетчиках для канализации и стоков

В кросс-корреляционных счетчиках для канализации и стоков возможно использование трех различных типов уровнемеров. Это подводный датчик давления (гидростат), подводный ультразвуковой уровнемер и надводный ультразвуковой уровнемер. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

     

Надводный ультразвуковой уровнемер хорошо работает при малом уровне потока, а также при быстром течении, но не всегда может использоваться при полном или почти полном заполнении (зависит от конфигурации места измерения), кроме того, он чувствителен к пару, пене и другим помехам.

Подводный ультразвуковой уровнемер хорошо работает при средних уровнях потока. При этом точность его показаний уменьшается при быстром течении. К ограничениям его применения относятся минимальный и максимальный уровень (должен быть не менее 10 см, меньше полного заполнения и не более пяти метров) и необходимость установки строго в вертикальной плоскости (для труб круглого сечения это означает установку в нижней части трубопровода, «на 6 часов»).

Гидростат хорошо работает во многих случаях, он может работать от 5 мм и с максимальным заполнением, в том числе при переполнении колодцев коллектора,  однако при этом является менее долговечным и требует периодической прочистки ячейки давления. При малом заполнении погрешность гидростата выше, чем при больших.

Для сложных случаев приборы Nivus допускают использование всех трех датчиков уровня. При этом ведущим является гидростат, он определяет зону ответственности каждого из трех сенсоров. При расчете объемного расхода используются показания того уровнемера, в зоне ответственности которого находится текущий уровень. При малом заполнении используются показания надводного ультразвукового уровнемера, при среднем – подводного ультразвукового, при близких к полному заполнению и переполнениях – показания гидростата.

При настройках прибора на месте измерений оператор может видеть показания всех трех уровнемеров в сервисном режиме.

Установка кросс-корреляционных датчиков в безнапорных трубах круглого сечения

Наиболее простым методом монтажа датчиков в безнапорных трубопроводах круглого сечения является их установка на распорном кольце. Этот метод подходит для труб диаметром от 200 мм до 800 мм. Сенсор перед установкой крепится к монтажному кольцу при помощи быстросъемного соединения. Провода также фиксируются на монтажном кольце заранее. Затем кольцо вводят в трубопровод и разжимают путем вращения штока распорного механизма – до прочной фиксации.

Кросс-корреляционные датчики специально разработаны для работы в грязной среде, ультразвук проходит через значительные иловые отложения. При сильном загрязнении (при наличии тряпок и других посторонних предметов) датчик требует очистки. Однако при этом сенсор не выдает некорректной информации – он или работает, или показывает ошибку.

Также существует много специальных конструктивных решений по установке сенсоров в различных сложных ситуациях:

 

 

 

 

 

 

 

 

Установка датчиков измерения расхода в широких самотечных каналах

При необходимости создания узлов учета на широких каналах на основе кросс-корреляционных расходомеров сточных вод по ширине канала могут быть расположены несколько датчиков скорости (до трех в старой версии OCM Pro CF и до девяти в новой версии NivuFlow 750), которые выводятся на один вычислитель и позволяют получать эпюру распределения скоростей не только по высоте, но и по ширине потока.

 

Для упрощения монтажа сенсоров на глубине, а также для упрощения их извлечения при обслуживании, нередко используют специальные металлические конструкции с установленными на них сенсорами. Эти конструкции целиком устанавливаются в канал и фиксируются в нем, без применения водолазных работ.

    

Измерение расхода в каналах с переменным осадком 

Кросс-корреляционные счетчики для канализации позволяют точно определять расход даже при динамически изменяемом уровне донных отложений (например, в ливневой канализации, в которой донные отложения растут в сухую погоду и уменьшаются при большом количестве осадков).

• Прибор учета сточных вод

При этом комбинированный датчик с ультразвуковым уровнемером ставится на плот «вверх ногами» и измеряет уровень от поверхности до донных отложений.

Такие плоты применяют также и для решения других задач, например для упрощения монтажа сенсора и его извлечения при обслуживании.

 

Узлы учета для напорных труб канализации, водозаборов и водосбросов

Хотя изначально кросс-корреляционные приборы были разработаны для открытых самотечных труб и каналов, сегодня они широко применяются и в напорных трубопроводах канализации, или в трубах с природной (речной) водой. Это возможно за счет использования трубных датчиков, устанавливаемых через шаровой кран.

  

Такой сенсор является прекрасной альтернативой электромагнитным расходомерам, которые имеют очень большие размеры, вес и стоимость для труб больших диаметров, тогда как трубный кросс-корреляционный датчик имеет небольшие размеры, легко монтируется и демонтируется (через шаровой кран, например), при этом обеспечивает высокую точность измерений.

Решения для узлов учета на самотечных трубах при малом заполнении

Датчики скорости могут работать только при определенном минимальном уровне заполнения. Так, для клиновидных датчиков POA минимальным уровнем является 6 см, для минидатчиков – 3 см.

Если уровень потока в рабочем режиме часто опускается ниже указанного минимума, то требуются специальные конструктивные решения. Одним вариантом является установка специальных плотин для повышения уровня течения жидкости.

 

Вторым вариантом является перевод безнапорного потока в напорный с использованием загнутого вверх участка трубопровода. 

  

Правильная конструкция заделки измерительного участка трубы в основной трубопровод позволяет избежать засоров даже при очень грязном стоке. 

Выводы

Кросс-корреляционные расходомеры сточных вод Nivus на сегодня являются наиболее точными и надежными приборами учета воды и стоков для самотечных каналов, напорных и безнапорных трубопроводов, которые позволяют получать хорошие результаты даже в сложных условиях. Большой опыт создания узлов учета стоков на основе расходомеров Nivus позволяет найти технические решения для самых различных задач.