Не знаете, как выбрать подходящий расходомер для канала или реки? Эти четыре совета помогут вам.

Измерение расхода воды в каналах и реках является важнейшим элементом информатизации управления водными ресурсами. Оно широко применяется в таких областях, как учёт орошительных вод, планирование и распределение водных ресурсов, мониторинг гидрологических данных, а также предупреждение и ликвидация наводнений.

Что касается измерения расхода в каналах и реках, мы выделили четыре ключевых аспекта: обзор методов измерения расхода, основные способы его определения, современные датчики для онлайн‑измерения расхода, а также рекомендации по выбору подходящих датчиков в практической эксплуатации.

1. Что такое поток?

В гидрологии расход реки определяется как объём воды, проходящий через заданное сечение реки за единицу времени. Расчёт расхода производится путём умножения средней скорости течения жидкости в русле на площадь поперечного сечения русла; его единицы — м³/с или м³/ч.

Примечание: Как правило, скорость течения в каждом слое одного и того же поперечного сечения и скорость течения в каждом поперечном сечении различаются, поэтому необходимо использовать среднюю скорость течения. (Вследствие вязкости жидкости проявляются два характерных режима течения. Когда частицы жидкости движутся упорядоченно, не смешиваясь, это называется ламинарным течением. Когда частицы жидкости движутся нерегулярно, перемешиваются между собой и следуют хаотичным, изогнутым траекториям, это называется турбулентным течением, также известным как турбулентный поток.)

● Средняя скорость течения

Скорость течения — это перемещение частиц жидкости за единицу времени. Скорость течения в каждой точке русла или реки различна: у берега скорость ниже, тогда как в центральной части русла у поверхности воды она максимальна. Для упрощения расчётов для описания скорости течения на данном сечении обычно используют среднюю скорость по всему сечению.

2. Современные методы измерения расхода воды в русле реки: они в основном делятся на структурный метод и метод измерения расхода с использованием датчиков.

　3. В настоящее время основные типы датчиков для онлайн‑измерения расхода можно условно разделить на четыре категории: 1) ультразвуковое измерение расхода, 2) электромагнитное измерение расхода, 3) измерение расхода с использованием радиолокационных волн и 4) механическое измерение расхода.

　　Ниже приведено введение в различные типы широко распространённых датчиков измерения расхода, доступные на сегодняшний день. Это довольно объёмная статья — вы готовы?

　　◆ Расходомеры с измерением времени пролёта — подразделяются на трубопроводные и открытого русла

Акустические расходомеры по времени пролёта основаны на принципе измерения расхода с использованием метода скорости–площади. При распространении звуковых волн в стоячей воде их скорость остаётся постоянной. Эта скорость может незначительно изменяться под влиянием колебаний температуры воды, её солёности и содержания твёрдых частиц, однако при стационарных условиях потока она сохраняет постоянное значение. При распространении по течению фактическая скорость звука равна сумме скорости звука и скорости потока; при распространении против течения — разности между скоростью звука и скоростью потока. Таким образом, между двумя фиксированными точками вверх и вниз по течению реки возникает разница во времени прохождения звуковых волн по течению и против течения. Измеряя эту разницу во времени, можно определить скорость потока. Такой способ измерения скорости потока называется «методом времени пролёта».

◆ Ультразвуковой расходомер открытого канала с измерением времени пролёта волны

Акустическая система измерения расхода по времени пролёта состоит из набора (или нескольких наборов) акустических преобразователей, основного блока, сигнальных кабелей и источника питания.

Акустические преобразователи получают команды от контроллера измерения расхода для генерации акустических импульсов и передают принятые сигналы акустических импульсов обратно в контроллер измерения расхода. Контроллер расхода измеряет время распространения акустических импульсов в воде, а также данные уровня воды, вычисляет среднюю скорость течения водного слоя на основе разности времени распространения и, учитывая площадь поперечного сечения и среднюю скорость потока, определяет расход по поперечному сечению. Акустические преобразователи могут быть оснащены датчиками уровня воды, которые одновременно передают измеренные данные об уровне воды в основной блок, либо подключаться к другим совместимым приборам измерения уровня воды.

　　◆ Ультразвуковой расходомер с методом измерения разности фаз

　　◆ Ультразвуковой доплеровский расходомер — в основном подразделяется на портативные, стационарные и одноточечные модели

На основе акустического эффекта Доплера, при наличии относительного движения между источником звука и наблюдателем частота, воспринимаемая наблюдателем, отличается от частоты, излучённой источником. Это изменение частоты, обусловленное относительным движением, прямо пропорционально относительной скорости двух объектов. Ультразвуковой передатчик выступает в роли неподвижного источника звука, тогда как твёрдые частицы, движущиеся вместе с жидкостью, играют роль «наблюдателя», находящегося в относительном движении по отношению к источнику звука. Разумеется, они лишь отражают падающие ультразвуковые волны обратно к приёмнику. Разность между частотой излучённых звуковых волн и частотой принятых волн представляет собой доплеровский сдвиг частоты, вызванный движением твёрдых частиц в жидкости. Поскольку эта разность частот прямо пропорциональна скорости потока жидкости, измерение её позволяет определить скорость потока. На основании этого можно рассчитать расход жидкости.

　　◆ Буксируемый

Акустический доплеровский профилометр течений

Акустический — излучает акустические импульсы на фиксированной частоте.

Доплер — принимает отражённые акустические сигналы с доплеровскими сдвигами частоты и вычисляет относительную скорость в направлении луча на основе этого сдвига.

Текущий — применяет четыре скорости волн для расчёта относительной скорости, угла между скоростями волн и данных о ориентации (курс, тангаж, крен).

Профилер — измеряет текущую скорость на различных глубинных уровнях (в ячейках глубины)

АКДП обычно оснащается тремя или более преобразователями, которые одновременно излучают и принимают три или более акустических сигнала, позволяя определять три или более относительных скоростей.

Сигналы обрабатываются независимо по каждому лучу и преобразуются в относительную скорость в направлении луча.

С помощью угла между скоростями волн относительная скорость в направлении луча (в системе координат луча) преобразуется в горизонтальную и вертикальную составляющие скорости (в системе координат Земли).

　　◆ Стационарный тип

Акустический доплеровский расходомер оснащён двумя преобразователями, установленными под определённым углом к центральной оси. Каждый преобразователь выполняет функции как передатчика, так и приёмника. Звуковые волны, излучаемые преобразователями, сосредоточены в узком диапазоне, также называемом звуковым лучом. При условии, что скорость движения взвешенных частиц совпадает со скоростью течения воды, если направление движения взвешенных частиц направлено к преобразователю, частота принимаемого эха выше частоты излучённой волны; если же направление движения взвешенных частиц направлено от преобразователя, частота принимаемого эха ниже частоты излучённой волны. Акустическое доплеровское смещение частоты представляет собой разность между частотой излучённой звуковой волны и частотой принимаемого эха:

　　◆ Одноточечный

　　Датчик оснащён двумя преобразователями — передающим и приёмным. Когда датчик направлен непосредственно против течения, то есть производится измерение в режиме обратного потока:

　　1. При неподвижном потоке воды частота, принимаемая приёмником, равна частоте излучения;

　　2. Чем выше скорость потока, тем быстрее приёмный датчик улавливает частоту, которая оказывается выше исходной частоты излучения;

　　3. Чем ниже скорость потока, тем ниже частота, принимаемая приёмным датчиком, однако она всё равно остаётся выше частоты излучения.

　　При установке и эксплуатации датчик должен быть направлен строго по направлению потока воды.

　　◆ Электромагнитный расходомер — в основном подразделяется на трубопроводные типы (с полным и неполным проходным сечением) и типы для открытых каналов.

Электромагнитный расходомер: измеряет расход на основе закона электромагнитной индукции Фарадея: U = B·L·v (U — наведённая электродвижущая сила, B — магнитная индукция, L — длина проводника, v — скорость движения проводника).

Катушка, намотанная медным проводом, создаёт переменное магнитное поле B. Управляемый ток обеспечивает постоянство напряжённости магнитного поля на протяжении всего измерительного процесса. Длина проводника L (расстояние между двумя измерительными электродами внутри внутреннего диаметра измерительной трубки) является постоянной величиной. Единственной переменной в уравнении является скорость потока жидкости v. Прибор непосредственно измеряет индуцированное напряжение между электродами, которое линейно пропорционально скорости потока U~v. Таким образом, вычисляется скорость. Электромагнитные расходомеры измеряют скорость, а не объёмный расход.

◆ Трубчатый тип

Электромагнитный расходомер для трубопроводов (полный поток)

● Класс точности: рекомендуется выбирать расходомер с погрешностью выходного сигнала на полном диапазоне менее ±1,5%–±2,5%;

● Длина прямых участков трубопровода до и после расходомера: длина прямого участка перед расходомером должна быть не менее 5 диаметров трубы, а длина прямого участка после расходомера — не менее 2 диаметров трубы. В этом участке не допускается установка задвижек;

● Скорость потока и диаметр: Диаметр выбранного прибора может отличаться от диаметра трубопровода. Верхний предел скорости потока не должен превышать 5 м/с, а нижний — быть меньше 0,5 м/с;

● Передатчик должен иметь протокол испытаний на герметичность при повышенном давлении.

◆ Электромагнитный расходомер для трубопроводов (работающий при неполном заполнении трубы)

Электромагнитный расходомер неполного проходного сечения — это автоматический прибор для измерения расхода, использующий метод скоростного площадного определения расхода для непрерывного измерения скорости потока жидкостей в открытых трубопроводах (например, в полупроходных канализационных трубопроводах и в высокопроизводительных трубопроводах без водосливных заграждений). Он способен измерять и отображать мгновенный расход, скорость потока, суммарный расход и другие параметры. Особенно подходит для учёта расхода в городских системах сбора дождевой воды, сточных вод, канализационных стоков и оросительных водопроводах.

Расходомер для неполных трубопроводов состоит из электромагнитного датчика скорости, ультразвукового датчика уровня воды и блока отображения расхода; он непрерывно измеряет скорость потока и уровень воды в трубопроводе. Пользователю достаточно ввести внутренний диаметр круглой трубы или ширину квадратной трубы, после чего расходомер типа GLP‑LSC автоматически вычисляет расход в трубопроводе и отображает такие параметры измерений, как мгновенный расход, скорость потока и суммарный расход.

　　◆ Открытый каналный тип

　　Электромагнитный расходомер для открытых каналов

　　Электромагнитная система измерения расхода в открытых руслах основана на алгоритме «скорость‑уровень» и оснащена передовой сервосистемой слежения за уровнем воды и системой измерения скорости, а также микропроцессором, что обеспечивает высокую точность измерений скорости и расчётов. Это новое интеллектуальное устройство для измерения расхода, которое, в зависимости от ширины русла и требований к точности измерений, использует математическую модель измерения расхода в открытых руслах.

　　На основе фактически измеренных датчиками значений уровня воды и скорости течения, а также заданных геометрических размеров канала, коэффициентов откосов, точности измерений, гидравлического уклона и поправочного коэффициента на вертикальное распределение скорости потока, по заранее установленной математической модели вычисляется средний мгновенный расход воды в сечении канала.

　　◆ Радиолокационный расходомер — в основном подразделяется на стационарный и кабельный типы

Во время работы прибор излучает электромагнитные волны в направлении водной поверхности. При встрече этих волн с движущейся водой происходит их рассеяние, что приводит к образованию эхо‑сигналов. Поскольку частота принимаемого эхо‑сигнала смещается относительно частоты излучённого сигнала, скорость течения на поверхности воды можно определить с помощью уравнения доплеровского смещения частоты. Подвижная цель создаёт на радиолокационном датчике низкочастотный выходной сигнал; его частота зависит от скорости движения, а амплитуда — от расстояния до объекта, его отражающей способности и размеров. Доплеровская частота F прямо пропорциональна скорости движения. Система стационарного радиолокационного расходомера может быть подключена к нескольким радиолокационным зондам, что позволяет эффективно организовать несколько измерительных линий. С учётом параметров поперечного сечения система вычисляет объёмный расход и выполняет точечные измерения.

◆ Стационарный тип, устанавливаемый на опоре

Радарный расходомер

Полностью автоматический радарный расходомер. Он использует передовую плоскостную микроволновую радиолокационную технологию для бесконтактного измерения скорости течения и уровня воды в водных объектах. На основе встроенных программных алгоритмов он вычисляет и выводит в реальном времени поперечный расход и накопленный расход, а также может применяться для измерения расхода в таких условиях, как реки и оросительные каналы.

Основываясь на эффекте доплеровского смещения частоты в физике, при движении воды возникает относительное движение по отношению к расходомеру, вследствие чего радиолокационные сигналы, излучаемые прибором, подвергаются смещению частоты. Это смещение прямо пропорционально скорости течения воды. Измеряя величину смещения частоты, можно определить скорость потока; совместно с данными о уровне воды и поперечном сечении, полученными с помощью импульсного радиолокатора, вычисляется динамическая площадь поперечного сечения потока. Затем, на основе измеренной скорости потока и площади поперечного сечения, рассчитывается мгновенный расход.

◆ Установленный на кабеле

Радарный расходомер, монтируемый на кабеле

Мобильная система онлайн‑мониторинга расхода, основанная на радиолокационных волнах, соответствует принципам безлюдной эксплуатации, простоты и практичности, удобства обслуживания и надёжной точности. Она использует радиолокационные волны для оперативного измерения вертикальной скорости, одновременно фиксирует соответствующие уровни воды, вычисляет расход по методу частичных площадей и обеспечивает автоматический мониторинг расхода. Метод измерения расхода согласуется со «Стандартами измерения речного стока» и «Стандартами гидрологических кабельных измерений», а формат вывода данных соответствует «Стандартам компиляции гидрологических данных», что позволяет бесшовно интегрироваться с программным обеспечением для обработки и компиляции данных.

Радиолокационная кабельная система измерения расхода — это полностью автоматизированная система, объединяющая измерение расхода, беспроводную передачу данных, управление базой данных, публикацию информации на веб‑сайте и обработку оперативных задач гидрологической станции. Пользователи могут в режиме онлайн отслеживать уровни воды, скорости течения, расходы воды и состояние оборудования. Сотрудники центральной гидрологической станции по сети Интернет дистанционно загружают данные со станций из центральной базы данных муниципального управления, анализируют и обрабатывают их на компьютерах, а также формируют различные гидрологические отчёты. Это полностью исключает традиционный ручной рабочий процесс — от измерений до составления отчётов — в гидрологии, модернизируя три ключевые функции гидрологии — «измерение, отчётность и обработка» — с помощью современных технологических средств.

◆ Механические расходомеры (роторные) — в основном делятся на чашечные и пропеллерные

Механическое измерение расхода основано на передаче импульса от потока воды ротору скорости. Когда вода протекает мимо ротора скорости, её линейная кинетическая энергия создаёт крутящий момент на роторе. Этот крутящий момент преодолевает инерцию ротора, трение подшипников и сопротивление жидкости, обусловленное относительным движением между потоком воды и ротором, что приводит к вращению ротора расходомера. В определённом диапазоне скоростей потока воды частота вращения ротора расходомера сохраняет достаточно стабильную приближённо линейную зависимость от скорости потока. С помощью специально сконструированного устройства, измеряющего число оборотов ротора за заданный промежуток времени, и по соответствующей тарировочной формуле или тарировочной зависимости расходомера можно определить или вычислить скорость потока воды. Альтернативно, путём ввода соответствующих коэффициентов в вторичный прибор скорость потока может быть рассчитана автоматически.

　　◆ Винтового типа

　　Расходомер пропеллерного типа

　　● Водосчётчики пропеллерного типа могут использоваться в каналах с высоким содержанием ила и пологими уклонами (менее 1/10 000);

　　● Диапазон измерения расхода: диапазон измерения расхода зависит от модели и составляет не менее 0,05–0,6 м³/с;

　　● Скорость течения в водопропускной трубе должна быть менее 2 м/с;

　　● Кювет должен эксплуатироваться в условиях подводного течения;

　　● Погрешность измерения расхода не должна превышать ±5%.

◆ Вихревой расходомер

Вихревой расходомер

● Вихревой расходомер — это гидрологический прибор, используемый для измерения средней скорости течения в заранее заданных точках по поперечному сечению рек, каналов, водохранилищ, озёр, трубопроводов и т. п., что позволяет определить расход воды в данном сечении.

● При измерении расхода воды в оросительных каналах он обычно применяется для калибровки кривой зависимости уровня воды от расхода.

◆ Применение инноваций роторного типа

Применение роторного расходомера — измерение расхода в транспортном средстве

Автоматизированная станция измерения расхода воды по поперечному сечению реки сконцентрирована вокруг автоматизированного транспортного средства для измерения расхода, оснащённого пропеллерным расходомером, грузилом‑«рыбкой», коммуникационным терминалом, интеллектуальной системой энергоснабжения, системой безопасности и системой видеонаблюдения, что обеспечивает автоматический сбор и передачу данных об уровне воды и расходе в открытых руслах.

Для измерения расхода в канале орошения устанавливают измерительный мост. В целях снижения затрат на его upstream‑стороне прокладывают две параллельные треугольные трассы, один конец которых выходит в измерительный дом. Положение и количество измерительных вертикальных линий определяют исходя из ширины поперечного сечения канала. При начале измерений измерительная машина перемещается к измерительной точке, производит замеры уровня воды и глубины воды (толщины наносов) и обеспечивает оперативную передачу данных и информации о состоянии измерений. Машина для измерения расхода опускает прибор для определения скорости течения на заданную глубину для одноточечного измерения скорости или для построечного измерения скорости. По завершении измерений она перемещается к следующей точке для проведения очередного замера.

После завершения измерений на всех контрольных точках автомобиль‑измеритель расхода определяет частичные средние скорости потока и частичные площади для каждой вертикальной линии, вычисляет частичные расходы и суммирует их, получая полный расход по сечению.

　 На этом завершается базовое введение в основные продукты, доступные на рынке в настоящее время. Просим извинить возможные неточности и смело указывать на них. В случае упущений будем рады вашим замечаниям. Теперь перейдём к обсуждению критериев выбора.

4. Как выбрать подходящий расходомер для практических применений?

Редактор выделил две основные категории вопросов выбора, вызывающих особую обеспокоенность: 1) Как выбрать расходомер для измерения расхода в руслах рек и каналов различной ширины? 2) Как выбрать расходомер для измерения расхода в руслах рек и каналов с разным назначением?

◆ Выбор осуществляется по ширине русла/реки — от наибольшей к наименьшей

　　Существуют три основные сферы применения измерения расхода воды в каналах и реках: 1. Расчётный учёт: например, в оросительных районах и при планировании распределения воды, где требуется высокая точность; 2. Гидрологическое измерение расхода: крупные гидрологические службы сосредоточены на данных о расходе в определённых территориальных зонах, что требует строгой точности измерений; 3. Предупреждение и ликвидация наводнений: например, при борьбе со внезапными паводками и отведении городских сточных вод, где важны относительные изменения показателей расхода.

◆ Выберите в соответствии с назначением

　　Ввиду ограниченности пространства мы не будем подробно рассматривать вопросы технического обслуживания различных типов расходомеров. Если вас интересуют какие‑либо конкретные темы, оставьте сообщение в разделе комментариев — мы подготовим соответствующий материал на основе ваших отзывов!