Merenje protoka u vodovodnim sistemima

Merenje protoka u vodovodnim sistemima

Poslovno udruženje vodovoda i kanalizacije Jugoslavije

Merenje protoka u vodovodnim sistemima Miroslav Cvjetković Beograd, 2000.

Miroslav Cvjetković, dipl. inž. MERENJE PROTOKA U VODOVODNIM SISTEMIMA Izdavač: Poslovno udruženje vodovoda i kanalizacije Jugoslavije Novosadska 16, Inđija Za izdavača: Milorad Rosić, dipl. inž. Recenzenti: Dr Dušan Obradović, dipl. inž.

Branislav Kujundžić, dipl. inž. Dr Ljubomir Savić, dipl. inž. Glavni urednik: Vladimir Taušanović, dipl. inž. Štampa: Srpska manastirska štamparija Eparhije

sremske, Bihaćka 1, Batajnica

CIP – Каталогизација у публикацији Народна библиотека Србије, Београд 628.12/.14:532.57 ЦВЈЕТКОВИЋ, Мирослав Merenje protoka u vodovodnim sistemima / Miroslav Cvjetković. – Beograd [i.e.] Inđija : Poslovno udruženje vodovoda i kanalizacije Jugoslavije, 2000 (Batajnica : Srpska manastirska štamparija Eparhije sremske). – VIII, 129 str. : ilustr.; 29 cm Bibliografija: str. 113-114. – Registar. 681.121.8 a) Водовод – Проток – Мерење ID=88320268


SADRŽAJ Predgovor v Oznake vii 1. Uvod 1 2. Osnove 9 3. Merenje protoka 19 4. Merenje brzine 65 5. Postavljanje merača 75 6. Primene 79 7. Izbor 89 8. Razvoj 93 9. Kalibracija 97 10. Rezultati merenja 105 Reference 113 Skraćenice 115 Registar pojmova 117 Dodaci 119


i

SADRŽAJ Predgovor v Oznake vii 1. Uvod 1 1.1. Radne karakteristike i osobine instrumenata 1 1.1.1. Preciznost 2 1.1.2. Ponovljivost 2 1.1.3. Tačnost 2 1.1.4. Linearnost 4 1.1.5. Opseg / Koeficijent umanjenja 4 1.1.6. Koeficijent otkaza / Vreme rada bez otkaza 4 1.1.7. Raspoloživost 5 1.2. Merenje protoka 5 2. Osnove 9 2.1. Laminarno i turbulentno tečenje 10 2.2. Raspored brzina 10 2.3. Energija fluida 11 2.3.1. Potencijalna energija 11 2.3.2. Kinetička energija 12 2.3.3. Energija pritiska 12 2.3.4. Toplotna energija 12 2.3.5. Ukupna energija 12 2.4. Viskoznost 12 2.5. Bernulijeva teorema 13 3. Merenje protoka 19 3.1. Razlika pritisaka 19 3.1.1. Prigušnica 20 Osobine 21 Prednosti i mane 21 Uslovi za rad 21 Oblast primene 21 3.1.2. Venturi 22 Slavine za pritisak 22 Prednosti i mane 23 Uslovi za rad 23 Oblast primene 23


ii

3.1.3. Opšte napomene 23 Pad pritiska 23 Uslovi za instalaciju 24 3.2. Vodomeri 25 3.2.1. Zapreminski vodomeri 26 3.2.2. Turbinski vodomeri 28 Vodomeri sa Peltonovom turbinom 28 Jednomlazni i višemlazni vodomeri 29 Voltmanovi vodomeri 31 Kombinovani vodomeri 34 3.2.3. Opšta pravila za postavljanje vodomera 36 3.3. Elektronski merači 38

3.3.1. Elektromagnetni merači 39 Primarni uređaj 39 Sekundarni uređaj 39 Rad sistema 40 Osobine 42 Radni uslovi i ograničenja 43 Oblast primene 47 Prednosti 47 Mane 48

3.3.2. Ultrazvučni merači 48 Dopler merač protoka 48 Osobine 49 Prednosti 50 Mane 50 Radni uslovi 50 Oblast primene 51 Emisioni merači protoka 52 Razlika frekvencija 53 Razlika vremena putovanja 54

Konstrukcija i radne karakteristike 55 Opšti uslovi za rad 59 Prednosti 59 Ograničenja 59

3.3.3. Oscilacije fluida 60 Vrtložni merači 60 Kovitni merači 60

3.3.4. Korelacioni merači protoka 61 3.4. Maseni merači protoka 62 3.4.1. Koriolisovi (žiroskopski) merač protoka 62 3.4.2. Termički maseni merači protoka 63 4. Merenje brzine 65 4.1. Pito cev 65 4.1.1. Princip rada 65 4.1.2. Uređaj za osrednjavanje 66


iii

4.2. Ekektromagnetna sonda 67 4.2.1. Metoda unutrašnjeg polja 67

4.2.2. Metoda spoljašnjeg polja 68 4.2.3. Osobine 68 Radni uslovi i ograničenja 68 Prednosti 68

Nedostaci 69 Polje primene 69

4.3. Sonda sa turbinom 69 4.3.1. Princip rada 69

4.3.2. Osobine 69 Radni uslovi i ograničenja 70 Prednosti 70

Nedostaci 71 4.4. Način korišćenja 71 4.4.1. Uslovi za instaliranje 71 4.4.2. Smanjenje preseka 72 4.4.3. Merenje u tački sa srednjom brzinom 73 4.4.4. Određivanje rasporeda brzina 74 5. Postavljanje merača 75 5.1. Izbor veličine 75 5.2. Lokacija 75 5.3. Uređenje mernog mesta 76 6. Primene 79 6.1. Potrošnja vode 79 6.2. Kontrola gubitaka 83 6.2.1. Kontrolni vodomeri 83 6.2.2. Korelator 84 6.3. Bilansiranje količina 86 6.4. Alarmi 88 7. Izbor 89 8. Razvoj 93 8.1. Način rada 94 8.2. Ekran 95 8.3. Primena 95 9. Kalibracija 97 9.1. Kalibracija u laboratoriji 97 9.1.1. Gravimetrijska metoda 98 9.1.2. Volumetrijska metoda 99 9.1.3. Metoda referentnog merača 100


iv

9.2. Kalibracija na licu mesta 100 9.2.1. Referentni merač 101 9.2.3. Volumetrijski rezervoar 102 9.2.4. Prenosivi uređaj sa stezanjem na cev 102 9.2.4. Merne sonde 103 10. Rezultati merenja 105 10.1. Prikaz 105 10.2. Prenos 107 10.2.1. Analogni izlaz 107 10.2.2. Impulsni izlaz 108 10.2.3. Digitalni izlaz 108

10.3. Zapisivanje 108 10.4. Analiza 110

Reference 113 Skraćenice 115 Registar pojmova 117 Dodaci 119 Dodatak 1 Podela merača protoka 121 Dodatak 2 Korisne adrese 123 Dodadal 3 Standardi 124 Dodatak 4 Pregled osobina merača 126 Dodatak 5 Najvažnije jedinice 128 Dodatak 6 Konverzija jedinica 129


v

Predgovor Merenje protoka vode je u osnovi jednostavna stvar. Uz štopericu i kantu lako se određuje koliko vode uđe u kantu za neko vreme. Nažalost ovaj najstariji i najprecizniji, direktni način merenja protoka vode moguć je samo u retkim slučajevima. U vodovodnim sistemima se za to koriste najrazličitije sprave. Cilj ove knjige je da pomogne čitaocu da se lakše snađe u razumevanju teorije i prakse merenja protoka vode. Ne toliko zbog ljubavi prema radnicima vodovoda već više zbog želje da se ova praksa, i pored iskrenih i efikasnih otpora, ipak širi. Zvuči paradoksalno, ali u vodovodnim sistemima, u kojima je proizvodnja vode glavna delatnost, merenje količina glavnog proizvoda kao da nije među najvišim prioritetima. Vodomeri na priključcima kod potrošača, zbog činjenice da služe za naplatu utrošene vode, su najzastupljeniji uređaji. Voda još nema pravu tržišnu vrednost. Tako se, zbog njene niske cene i relativno skupih sistema za merenje protoka, još uvek govori o potrebi merenja protoka. Ova knjiga je deo napora da to postane deo sistema za proizvodnju vode koji se podrazumeva. To će se desiti tek kada deo vodovodnog sistema koji nema merač protoka vode počne da se smatra tehnički neispravnim. Ove knjige nebi bilo bez velikog i upornog pritiska koji je na autora vršio gospodin Dr Dušan Obradović, kao ni bez njegove svekolike i iskrene pomoći. Autor se takođe zahvaljuje gospodi Branislavu Kujundžiću i Dr Ljubomiru Saviću, koji su svojim korisnim savetima i primedbama pomogli da ova knjiga bude bolja.


vii

Oznake Oznaka Jedinice Veličina A m2 Površina CV - Koeficijent brzine CQ - Koeficijent protoka c m/s Brzina zvuka u vodi D m Prečnik cevi kružnog preseka d m Prečnik otvora prigušnice E m Energetska kota F N Sila f s-1 Frekvencija Fc N Koriolisova sila G N Sila težine g m/s2 Gravitaciono ubzranje h m Visina vodenog stuba I J Toplotna energija fluida K, k m Rastojanje između mikrofona korelatora L m Dužina m kg masa vode p Pa Pritisak Q m3/s Protok (zapreminski) qmin, max, n, t m3/h Protok vodomera R m Poluprečnik cevi Re - Rejnoldsov broj St - Strouhalov broj t, T s Vreme v, vc m/s Brzina vode V m3 Zapremina W kg/s Protok mase Z m Kota x m Koordinata Π m Pijezometarska kota γ N/m3 Specifična težina ρ kg/m3 Gustina ν m2/s Koeficijent kinematske viskoznost μ N s/m2 Koeficijent dinamičke viskoznost ω min-1 Ugaona učestanost


1

1 Uvod Vodovodni sistemi su veliki korisnici gotovo svih vrsta merača protoka. Polako se razvija svest da se dobro odabranom i korišćenom mernom opremom ostvaruju mnoge koristi u vidu povećanja kvaliteta proizvoda, poboljšanja iskorišćenosti radne snage, sniženja cene i sl. Razumevanje načina rada i mogućnosti i ograničenja pri korišćenju su osnov za efikasno projektovanje, optimiziranje i eksploataciju različitih uređaja i postrojenja koji sačinjavaju savremeni vodovodni sistem. Čisto mehanički merni uređaji, nezamenljivi do ranih sedamdesetih godina, ustupili su mesto hibridnim mehaničko-elektronskim ili samo elektronskim instrumentima. Ne samo novajlije u problematici vodovodnih sistema, već i iskusni inženjeri, moraju da savladaju zbunjujuću terminologiju da bi mogli detaljnije da razmatraju tehničke karakteristike vezane za tehnologiju merenja. Ne postoji dovoljna saglasnost u terminologiji koju koriste proizvođači opreme da bi opisali rad svog proizvoda. Sa širenjem tržišta taj problem se uvećava. Slično, postoji širok spektar različitih ukusa i zahtevanih performansi, čak i u okviru iste organizacije ili preduzeća. Najupadljivije su razlike među korisnicima i razlike u prihvaćenoj praksi deklarisanja tačnosti i drugih zahtevanih karakteristika istrumenata. Ove uvodne strane su pokušaj da se razjasni terminologija, što će u velikoj meri olakšati razumevanje načina rada i tehničkih detalja prikazanih u nastavku.

1.1. Radne karakteristike i osobine instrumenata Za opis osnovnih radnih karakteristika instrumenata i mernih uređaja koristi se veoma mnogo termina. Javlja se stvarna potreba, kako kod vodovoda tako i kod dobavljača opreme, za specifikacijama karakteristika koje bi bile funkcionalne i praktične. Uz to bi trebalo da uzimaju u obzir i okruženje u kome će oprema biti korišćena. Poželjno je da se broj karakteristika koje se zahtevaju svede na najmanju moguću meru, i da se, kad god je moguće, izbegava navođenje tehnike merenja koju treba primeniti, osim ako neka od njih ne zaslužuje da bude prihvaćena kao standardna. Zahtevane karakteristike instrumenata u smislu tačnosti i vremena odziva, opsega merenja, ponovljivosti i robustnosti menjaće se u zavisnosti od načina primene i okruženja u kome će biti instalirani. Kod većine uređaja radi se o

Uvod

2

izboru između tačnosti, opsega i robustnosti koji se mogu dobiti za određenu sumu novaca. Korist koja se može ostvariti jasnim i realnim definisanjem zahtevanih karakteristika, u zavisnosti od načina primene, će biti: − poboljšanje karakteristika, − olakšano održavanje, − niži troškovi ili povoljnija cena i − poboljšanje raspoloživosti. Potencijalne prednosti za proizvođača su očigledne. Ovakve specifikacije bi jasnije ukazale u kom pravcu treba koncentrisati rad na poboljšanju proizvoda. Takođe bi povećale prilagodljivost sredstava kojima se postižu unapređenja, uz istovremeno ograničenje broja varijanti instrumenata koje korisnici zahtevaju da bi zadovoljili slične potrebe. U nastavku se daju objašnjenja termina kojima se opisuju tehničke karakteristike merača. Oni su važni i za ovu knjigu i za budućeg korisnika instrumenata. 1.1.1. Preciznost Po međunarodnoj konvenciji ovaj termin (engl.: discrimination) se koristi da bi se opisalo koliko precizno instrument može da meri. Na primer, preciznost digitalnog hronometra sa očitavanjem milisekundi je sto puta veća od štoperice sa označenim desetinkama sekunde. Preciznost ne treba mešati sa tačnošću. Od preciznosti zavisi koliko decimalnih mesta će moći da se očita ali ona ne govori ništa o tome koliko je tih decimalnih mesta pouzdano. Sa stanovišta korisnika preciznost se može definisati kao sposobnost instrumenta da pri merenju identifikuje najmanje promene koje operativno imaju smisla. 1.1.2. Ponovljivost Ponovljivost instrumenta je sposobnost da da isti rezultat kada se više puta zaredom koristi za merenje konstantne vrednosti merene veličine. Kada instrument ima slabu ponovljivost smatra se da ima slabu tačnost. Ali ako ima dobru ponovljivost to ne mora da znači da ima i dobru tačnost, jer postoji mogućnost da sve vreme ponavlja pogrešnu vrednost. Ponovljeno đubre je i dalje đubre. 1.1.3. Tačnost Osobina teška za definisanje. Podrazumeva poklapanje rezultata merenja i stvarne vrednosti merene veličine. Često se izražava u vidu greške koja se


3

dobija oduzimanjem stvarne vrednosti merene veličine od vrednosti prikazane na instrumentu. Ako se ponovljivost zamisli kao mogućnost instrumenta da se "drži" iste priče, onda je tačnost mera njegove mogućnosti da govori istinu. U principu, dobra ponovljivost zavisi od kvaliteta konstrukcije i izrade, dok visoka tačnost zahteva još i tačnu kalibraciju prema standardu, kao i dobro i redovno održavanje. Na cenu merača dosta utiče dobra ponovljivost, a visoka tačnost još i više. Nije racionalno potrošiti mnogo novaca za instrument visoke tačnosti ako se posao može obaviti i sa jevtinijim. Proizvođači prikazuju tačnost istrumenta na različite načine da bi svoj proizvod predstavili u najboljem svetlu. To izaziva mnoge probleme pri pokušajima da se oprema odabere na osnovu deklarisanih karakteristika a posebno je problematično ako se tačnost prikazuje opisno; često se zabuna izaziva izražavanjem tačnosti na jedan od ova dva načina: − procenat odstupanja od punog opsega − procenat odstupanja od očitavanja (prikazane vrednosti) Lako može da zavara navod da je tačnost ± 1% od punog opsega ako je apsolutna tačnost samo 10% od očitavanja pri merenju vrednosti koja iznosi 10% od punog posega. Kada se zahteva tačnost rada u širokom opsegu, definisanje tačnosti preko procenta od pune skale nije adekvatno. Istrument kod koga je tačnost izražena u obliku procenta greške čitanja ili prikazivanja ima konstantnu tačnost u celom radnom opsegu (vidi sliku 1.1).

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tačn

ost (

%)

Protok (%)

±1% punog opsega

±1% stvarne vrednosti

Slika 1.1. Različiti načini prikazivanja tačnostii

Uvod

4

Na primer: Puni opseg qmax = 60 m3/h Očitana vrednost qi = 50 m3/h Stvarna vrednost qa= 48 m3/h Apsolutna greška e = 2 m3/h Greška u odnosu na stvarnu vrednost = 2/48 = 4,1% Greška u odnosu na puni opseg = 2/60 = 3,3% 1.1.4. Linearnost Odstupanje izmerenih vrednosti, dobijenih pri kalibraciji, od prave linije. Mnogi proizvođači trvrde da je manja od 1%. 1.1.5. Opseg / Koeficijent umanjenja Opseg merenja istrumenta se definiše kao oblast u kojoj on zadovoljava zahtevanu tačnost. Ako je, na primer, merač protoka odabran prvenstveno zbog svoje sposobnosti da meri vršne protoke, preko opsega se određuje njegova mogućnost da meri minimalne protoke. Veza minimalnog (qmin) i maksimalnog protoka (qmax) za određenu tačnost se obično izražava kao odnos, na primer: ako je qmax = 20 m3/h i qmin = 2 m3/h, koeficijent umanjenja će biti 10:1. Bez tako navedenog opsega, izražavanje tačnosti ne bi imalo smisla. 1.1.6. Koeficijent otkaza / Vreme rada bez otkaza Koeficijent otkaza uređaja je broj otkaza u jedinici vremena. Kod instrumenta se pojavljuju tri vrste otkaza. Oni se mogu ilustrovati dijagramom u obliku kade (slika 1.2). U određenom periodu rada instrumenta, srednje vreme između kvarova se može opisati kao srednja vrednost vremena između dva uzastopna otkaza koja se dobija kao odnos ukupnog posmatranog vremena i broja otkaza u takvim uslovima. Svaki uređaj ima ograničen radni vek. To se vidi po povećanju broja kvarova posle nekoliko godina dobrog rada. Vek veoma skupih elektromagnetnih merača protoka je desetak godina, posle čega ih treba zameniti. To je izdatak svakako manji od šteta koje nastaju zbog neispravnog instrumenta ili pogrešnog podatka.


5

slučajan otkaz

Koe

ficije

nt o

tkaz

a

istrošenostdečije bolesti

Vreme

Slika 1.2. Dijagram u obliku kade (Dečije bolesti, početna faza; Slučajni

otkazi, faza normalnog rada; Istrošenost, kraj korisnog rad) 1.1.7. Raspoloživost Ovo je mera efikasnosti instrumenta u obavljanji korisnog rada. Ako je neki instrument spreman za upotrebu u bilo kom trenutku, to je ili zbog toga što do tada nije otkazao, ili je posle prethodnog otkaza uspešno vraćen u zadovoljavajuće operativno stanje (ili jednostavnije rečeno, popravljen). Ako održavanje nije moguće, uspešan rad zavisi isključivo od pouzdanosti instrumenta. Visoka raspoloživost, međutim, može se postići i u uslovima slabe pouzdanosti i to uz brzo i efikasno održavanje.

1.2. Merenje protoka Merenje protoka je tehnika koja se primenjuje u vodovodnim sistemima u svim procesima transporta vode sa jednog mesta na drugo (na primer transport vode glavnim dovodima, ili distribucija vode do potrošača). Koristi se pri naplati utrošene količine vode kao i za održavanje i kontrolisanje određenog protoka. U toku procesa prerade vode, efikasnost postrojenja zavisi od mogućnosti da se protok precizno meri i kontroliše.

Uvod

6

Ma kako se primenjivao, sistem za merenje protoka mora da bude usaglašen sa procesom ili fluidom koji se meri, a u isto vreme da obezbedi željenu ponovljivost i tačnost. Često se misli da idealan merač protoka ne treba da remeti tečenje u cevi, ne sme da bude skup, treba da ima apsolutnu tačnost i neograničenu ponovljivost, kao i da radi beskonačno dugo bez održavanja. Nažalost takva sprava još ne postoji, mada neki proizvođači tvrde suprotno. U poslednje vreme, međutim, načinjena su mnoga poboljšanja u izradi sistema i novih proizvoda, koji koriste nove tehnike, i neprestano se pojavljuju na tržištu. "Idealan merač protoka" možda i nije u stvari tako daleko od realizacije pa sada, više nego ikada, budući korisnici moraju u potpunosti da upoznaju sisteme koji su na raspolaganju. Proizvođač merača je dužan da proizvod testira u skladu sa propisima i standardima. Na slici 1.3. se vidi kako ti rezultati mogu da izgledaju.

Slika 1.3. Rezultati testiranja merača


7

Pravilno odabran, postavljen i održavan merač protoka je osnova sistema nadzora, bez koga nema efikasnog upravljanja vodovodnim sistemom. Ipak se merenje u vodovodima ne prihvata rado i sa poverenjem. Za to su mogući sledeći uzroci: − loša i neredovna kalibracija merača, − loše postavljeni merači, − izbor merne opreme bez analize uslova u kojima će raditi, − loš izbor instrumenta, − nedovoljan broj instrumenata. Merač i rezultati merenja moraju biti deo vodovodnog informacionog sistema. Istrumenti koji imaju samo lokalno pokazivanje obično bivaju zapušteni. Lokalna posada u početku koristi instrument ali brzo navikne na rutinu i istrument zameni iskustvom. Prvi kvar uređaja je ujedno i njegov kraj, pogotovo ako su za njegovu popravku neophodna velika sredstva. Na slici 1.4. prikazani su (gotovo) svi načini za merenje protoka vode u cevima pod pritiskom. Većina od njih se može primenjivati u vodovodnim sistemima. Dobar deo metoda i instrumenata opisan je u ovoj knjizi.

Uvod

8

Slika 1.4. Načini merenja protoka

Merenje protoka u cevima pod pritiskom

Direktno merenje protoka Merenje lokalne brzine

Direktno merenje protoka

Diferencijalni pritisak

Maseni merači

Elektronski merači

Vodomeri

Prigušnica Venturi Dalova cev Prom. presek cevi

Rotametar Otpor prepreke

Zapreminski Obrtni klip Recipročni klip Njišući klip Klizne lopatice Obrtne lopatice Ovalni zupčanici

Turbinski Sa Pelton. kolom Jednomlazni Višemlazni Ugaoni propelerni Bajpas Voltman

WP WS

Elektromagnetni Ultrazvučni

Dopler Emisioni

Razlika frekvencija Razl. vr. putovanja

Oscilacija fluida Vrtlozi Kovit Fluidični

Korelacioni

Protok mase Ugaoni moment Koriolis/žiroskops.

Termički maseni

Merenje lokalne brzine

Laser Dopler Ultrazvučna Dopler sonda

Vrtložna sonda

Topla žica

Elektromag-netna sonda

Pito cev Turbinska sonda

Unutrašnje polje Spoljašnje polje


9

2. Osnove Pre detaljnijeg upoznavanja sa načinom rada postojećih i novih sistema za merenje protoka koji se mogu koristiti u vodovodima, neophodno je obnoviti znanja vezana za osnovnu teoriju merenja protoka i izvođenje neophodnih jednačina. Protok se može izraziti ili kao količina protekle zapremine ili preko trenutne vrednosti brzine. Na slici 2.1. su prikazana ta dva načina prikazivanja.

[ ]s

mmsmPovršinaBrzinaotokPr

32 =⋅=×=

[ ]s

mVreme/aminZapreotokPr3

==

Slika 2.1. Dijagram protok - vreme Ako se, kao na slici, protok snima u određenom periodu vremena, zapremina je jednaka površini ispod krive (osenčena oblast). To se može obavljati i automatski pomoću mnogih instrumenata, a proces se naziva integracija, i vrši se elektronski ili mehanički. Rezultati se prikazuju preko elektronskog (LCD, LED), elektromehaničkog ili mehaničkog dela uređaja koji je povezan sa elementom za merenje.

Osnove

10

2.1. Laminarno i turbulentno tečenje Laminarno tečenje je pojava koja se najbolje objašnjava na primeru. Rejnolds (Osborne Reynolds, 1842-1912, engleski fizičar) detaljno je proučavao ovaj problem. Na slici 2.2. vidi se princip njegovog eksperimenta.

Slika 2.2. Rejnoldsov eksperiment Tanak mlaz obojene tečnosti uvodi se u tok vode koja struji kroz glatku cev od stakla. Trajektorije (putanje) svih fluidnih delića su paralelne sa zidovima cevi, pa se tako i nit obojene tečnosti kreće u vidu prave linije, skoro kao da struji kroz cev u cevi. Ovo se naziva laminarni tok. Ovakvo stanje zavisi od brzine i viskoznosti fluida od prečnika cevi, i ako se poveća brzina strujanja dostiže se tačka (kritična brzina), kada obojena tečnost počinje da se razliva i meša sa vodom. Od tog trenutka nisu više sve putanje delića paralelne sa zidovima cevi, već se delići kreću i u poprečnom pravcu. Ovakav oblik tečenja naziva se turbulentan tok. Može se zaključiti da je, za brzine manje od kritične brzine, tečenje razmatranog fluida u razmatranoj cevi laminarno, a za brzine veće od kritične turbulentno, što je i najčešći slučaj u praksi. Rejnolds je uveo odgovarajući koeficijent u bezdimenzionalnom obliku:

μρvDRe = ,

gde je Re Rejnoldsov broj, D prečnik cevi, v je brzina, ρ gustina fluida i μ je dinamička viskoznost. Za geometrijski slične sisteme sa istim Rejnoldsovim brojem kaže se da imaju dinamičku sličnost. Tip tečenja u cevi određuje se na osnovu Rejnoldsovog broja, a ne brzine. Očekuje se da tečenje fluida kroz cev bude laminarno ako je Rejnoldsov broj manji od 2000, a turbulentno ako je veći od 4000. Između tih vrednosti je prelazna oblast.


11

2.2. Raspored brzina Brzina strujanja fluida se menja po poprečnom preseku cevi a njena raspodela duž prečnika se naziva raspored brzina. Rasporedi brzina pri laminarnom i turbulentnom tečenju su prikazani na slici 2.3. Pri lanimarnom strujanju raspored brzina je paraboličan. Maksimalna brzina u preseku javlja se u osi cevi i dva puta je veća od srednje brzine. Kod turbulentnog strujanja, na deonici prave cevi dovoljno dugoj da se raspored brzina potpuno razvije, brzina u osi cevi je oko 1,2 puta veća od srednje brzine, i to je najpogodnija situacija za tačno merenje protoka. U stvari, u najvećem broju slučajeva tečenje je turbulentno.

Slika 2.3. Raspored brzina

2.3. Energija fluida Pre uvođenja Rejnoldsovog broja u opštu jednačinu strujanja, korisno je razmotriti u kojim se oblicima energija pojavljuje u fluidu koji se kreće. Osnovni tipovi energije koji se vezuju za fluid su: − potencijalna energija, − kinetička energija, − energija pritiska, − toplotna energija.

Osnove

12

2.3.1. Potencijalna energija Potencijalna energija je energija koju fluid poseduje kao posledicu položaja (visine) iznad određenog referentnog nivoa. 2.3.2. Kinetička energija Kinetičku energiju fluid poseduje zahvaljujući svom kretanju. Odgovara radu koji je potrebno uložiti da bi se masa fluida pokrenula ili zaustavila. Tako na primer, 1 m3 tečnosti sa gustiom od ρ1 kgm-3 i sa brzinom od v1 ms-1, ima kinetičku energiju od ½ ρ1 v1

2 džula. 2.3.3. Energija pritiska Ovu energiju fluid poseduje na osnovu pritiska koji vlada u njemu. Na primer fluid koji ima zapreminu V1 m3 i pritisak od p1 Nm-2, imaće energiju pritiska od p1V1 džula. 2.3.4. Toplotna energija Tri napred navedena oblika energije se svrstavaju u mehaničku energiju. Fluid takođe poseduje i energiju na osnovu svoje temperature, takozvanu toplotnu energiju. Ako pri strujanju postoje otpori trenja mehanički oblici energije se pretvaraju u toplotnu. 2.3.5. Ukupna energija Ukupna energija fluida E izražava se sledećom jednačinom:

Ukupna energija = potencijalna energija + kinetička energija + + energija pritiska + toplotna energija

E = PE + KE + EP + TE

2.4. Viskoznost Otpor trenja koji se javlja pri laminarnom tečenju fluida naziva se viskoznost. Ukratko, fluidni delići koji su u kontaktu sa zidovima cevi su u stanju mirovanja dok se oni u centru cevi kreću najvećom brzinom. Tako slojevi fluida, koji su bliže zidovima cevi i kreću se sporije, usporavaju one slojeve koji su bliže osi cevi a kreću se najvećom brzinom. Takođe važi i suprotno, slojevi koji se kreću brže ubrzavaju slojeve koji se kreću sporije. Viskoznost fluida se izražava preko koeficijenta dinamičke viskoznosti čije su jedinice Nsm-2. Tako fluid ima koeficijent dinamičke viskoznosti od 1 Nsm-2


13

ako je potrebna sila od 1 N da bi se ploča površine od 1 m2 kretala brzinom od 1 ms-1 paralelno sa nepokretnom pločom na rastojanju od 1 m, a prostor među njima je u potpunosti ispunjen fluidom. Ovo je prikazano na slici 2.4. Tako za paralelne strujnice važi:

)v(Brzina)A(Površina)x(Rastojanje)F(SilaiviskoznostdinamicketKoeficijen

××

=μ

ili, ako se koristi gradijent brzine:

dxdvA

xFμ ⋅=

Slika 2.4. Određivanje dinamičke viskoznosti Odnos koeficijenta dinamičke viskoznosti fluida i gustine na određenoj temperaturi se naziva koeficijent kinematske viskoznost:

C Tna

C Tna C Tna

0

00

ρ

μν =

Viskoznost tečnosti se smanjuje sa porastom temperature, pri stalnom pritisku, dok se kod gasova viskoznost povećava sa porastom temperature, pri konstantnom pritisku. Viskoznost je i uzrok vrtložnosti u fluidu, a time i uzrok gubitaka koji nastaju kod kolena, zatvarača i svih ostalih otpora u cevi. Energija koja se javlja u vrtlozima tečnosti kroz vrtložno trenje nepovratno prelazi u toplotu.

Osnove

14

2.5. Bernulijeva teorema Većina formula koje opisuju tečenje u cevi pod pritiskom zasniva se na Bernulijevoj teoremi (Daniel Bernoulli, 1700-1782, švajcarski fizičar). On je tvrdio da povećanje (odnosno smanjenje) kinetičke energije mora da se nadoknadi smanjenjem (odnosno povećanjem) potencijalne energije ili energije pritiska. Razmatra se cev pod pritiskom (videti sliku 2.5, uz tabelu 2.1. sa objašnjenjima). Na njoj su poprečni preseci 1 i 2. Između njih se pri strujanju nalazi određena masa vode. Za vreme dt kroz presek 1 prođe masa ρQdt, da bi ista tolika masa izašla kroz presek 2 (načelo kontinuiteta). Za tu masu važi:

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

energijevrstudrugunekuukečmehaniizpredjekojaenergijuza

umanjensilarad

energijekečkineti

priraštaj (2.1)

Priraštaj kinetičke energije posmatrane mase će biti:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

2v

2vdtQρ

21

22 . (2.2)

Na posmatranu masu deluje težina G, površinske sile P1 i P2 (po presecima struje) i K (po omotaču).

Tabela 2.1. Objašnjenja veličina

Slika 2.5. Tečenje u cevi pod pritiskom

Veličina Presek 1

Presek 2 Jedinice

Površina A1 A2 m2

Brzina v1 v2 m/s

Pritisak p1 p2 N/m2

Gustina ρ1 ρ2 Kg/m3 Ubrzanje zemlj. teže g g m/s2

Pijezomet. kota П1 П2 m

Kota ose cevi Z1 Z2 m

Energetska kota E1 E2 m


15

Rezultat rada sile težine jednak je radu premeštanja mase ρQ dt (sa težinom γ Q dt, gde je γ = ρg specifična težina), sa kote Z1 na Z2. Može se napisati:

( )21 ZZdtQdtvremeza

masuposmatranunatežinesilerad

−=⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡γ . (2.3)

Rad površinskih sila P1 i P2 u presecima struje 1 i 2 u vremenu dt će biti:

p1 A1v1 dt - p2 A2 v2 dt = (p1 - p2) Q dt. (2.4) Ovde je iskorišćena jednačina nepromenljivosti mase (kontinuiteta):

Q = v1 A1 = v2 A2 . Na posmatranu masu vode deluje još i sila K, ali njome spoljašnja čvrsta granica (cev) ne može da obavlja rad jer je nepokretna. Jedan deo rada površinskih sila prelazi u toplotu i time je izgubljen za mehaničku energiju, pa se oduzima iz bilansa i izražava se sa EIZG G, gde je G težina proteklog fluida, a EIZG je iznos energije po jedinici težine. Izrazi 2.2 do 2.4 odnose se na energiju, odnosno rad izvršen za vreme dt. Težina koja protekne kroz vreme dt iznosi γ Q dt, pa je ukupna izgubljena energija:

EIZG γ Q dt. (2.5) Sada može da se napiše jednačina održanja energije prema stavu 2.1. Deleći sa γ Q dt dobija se po jedinici mase:

( ) IZG21

21

21

22 EppZZ

g2v

g2v

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+−=−

γγ , (2.6)

gde je sa leve strane jednakosti priraštaj kinetičke energije a sa desne strane rad sila, umanjen za energiju koja je iz mehaničke prešla u druge vrste energije (toplota).

Umesto γpZ + može da se napiše П - pijezometarska kota, koja se odnosi na

ceo presek. Tako se dobija:

IZG21

21

22 EΠΠ

g2v

g2v

−−=− . (2.7)

Osnove

16

Ako se zamisli fluid kod koga nema otuđenja mehaničke energije ("idealan fluid") onda jednačina 2.7 postaje

g2v

g2vΔΠ

21

22 −= , (2.8)

ili ΔΠg2vv 2

122 ⋅=− .

Zapremina fluida koji struji kroz cev u jedinici vremena je Q, gde je:

1

2212211 A

vAv ili vAvA Q ⋅=⋅=⋅=

Zamenjujući ovo u prethodnoj jednačini dobija se:

ΔΠg2AAvv 2

1

222

222 ⋅=⋅− ,

ili

ΔΠg2AA1v 2

1

222

2 ⋅=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅ .

Deljenjem sa ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛21

22

AA-1 gornja jednačina postaje:

21

22

22

AA1

ΔΠg2v−

⋅= ,

odnosno:

21

22

2

AA1

ΔΠg2v

−

⋅= , (2.9)

Odnos površina nizvodnog i uzvodnog preseka je 1

2

AA , i često se obeležava sa

m. Tako se dobija:

221

22 m1

AA1 −=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

a

21

22

AA1

1

−

može da se napiše kao 2m1

1

−,


17

Ovaj se član naziva koeficijent brzine i obeležava se sa CV. Tako se jednačina 2.9 može napisati kao:

ΔΠg2Cv V2 = i

.smu,ΔΠg2CAvAQ 13V222

−⋅=⋅= Protok mase W će biti:

.skgu,ΔΠg2CAQW 1V2

−⋅⋅=⋅= ρρ Kako je gρΔΠpΔ ⋅= :

13V2 smu,pΔ2CAQ −⋅=

ρ, (2.10)

1

V2 skgu,pΔ2CAW −⋅= ρ . Primena jednačina Jednačine 2.1 do 2.7 važe za svaki tip tečenja a jednačine 2.8 do 2.10 samo za idealan fluid. Da bi se tečenje ispravno definisalo tečenje potrebno je razmotriti i niz drugih parametara. Pri izvođenju jednačine 2.9 viskoznost je zanemarena. U realnom (viskoznom) fluidu razlika pritiska između dva preseka Δp, veći je nego u idealnom (bez viskoznosti). Da bi se uračunao ovaj, a i neki drugi efekti, u jednačinu tečenja se uvodi koeficijent protoka CQ, (u njemu je obuhvaćan i koeficijent Cv). Definiše se kao:

maseprotokTeoretskimaseprotoknivarStCprotokatKoeficijen Q = .

Ako je gustina ista u oba preseka to se može napisati i preko zapremine:

eminzapreprotokTeoretskieminzapreprotoknivarStCQ = .

Osnove

18

Koeficijent CQ može da se odredi eksperimentalno pomoću preciznih testova. On zavisi od prečnika i hrapavosti cevi i Rejnoldsovog broja. Jednačina 2.10 dobija sledeći oblik:

ΔΠg2CAρpΔ2CAQ Q2Q2 ⋅=⋅= (2.11)

Ona važi za sisteme u kojima je pri tečenju Rejnoldsov broj veći od određene vrednosti (na primer 20 000). Za niže Rejnoldsove brojeve ili za veoma male ili hrapave cevi osnovni koeficijent se množi korekcionim faktorom B. Njegova vrednost zavisi od odnosa površina, Rejnoldsovog broja, prečnika i hrapavosti cevi; nema dimenziju. Razmatra se praktičan slučaj, cev sa prigušnicom, sa sledećim dimenzijama: Unutrašnji prečnik uzvodnog dela cevi D mm Prečnik prigušnice d mm Pad pijezometarskog pritiska na prigušnici ΔΠ mm Gustina fluida na uzvodnom kraju cevi ρ kg m-3 Uvođenjem koeficijenta protoka CQ, korekcionog faktora B i numeričke konstante koja uzima u obzir merne jedinice, jednačina za protok zapremine Q [m3 h-1] postaje:

[ ]h/mΔΠdCB000396,0Q 32Q ⋅⋅⋅= ,

a za protok mase W [kgh-1] će biti:

[ ]h/kgΔΠdCZ000396,0W 2Q ⋅⋅⋅⋅= ρ .


19

3. Merenje protoka

3.1. Razlika pritisaka Najrasprostranjenija tehnika merenja protoka u cevima koristi pad pritiska koji je posledica lokalne promene poprečnog preseka ili neke prepreke u cevi. Kao što je pokazano u izvođenu Bernulijeve jednačine u prethodnom delu, prepreka će izazvati povećenje brzine strujanja u suženom preseku, zbog čega na tom mestu dolazi do pada pritiska. Dokazano je da je ova razlika pritisaka (dp) u kvadratnoj zavisnosti od protoka (jednačina 2.10 i slika 3.1).

Slika 3.1. Veza protoka i razlike pritiska Merač protoka koji koristi ovu pojavu u principu se sastoji iz dva dela: elementa koji predstavlja lokalnu promenu i izaziva razliku pritiska i elementa koji meri tu razliku pritiska. Taj drugi element je u stvari diferencijalni manometar. Najveći broj merača ove vrste u vodovodnim sistemima predstavljaju oštroivične prigušnice. Teorijska osnova, prikazana u delu o Bernulijevoj teoremi, važi za sve tipove merača sa lokalnim promenama u toku, i tu spadaju: − prigušnica (dijafragma, blenda), − Venturi cev i mlaznica, − Dolova cev, − rotametar, − merač na bazi otpora pokretne prepreke i drugi.

Merenje protoka

20

3.1.1. Prigušnica Prigušnica (dijafragma, zaslon, blenda), u svom najprostijem obliku, predstavlja čeličnu ploču sa kružnim otvorom poznatog prečnika u centru. Naziva se prigušnica sa koncentričnim prelivom, vidi sliku 3.2(a). Postavlja se na cevovod između prirubnica. Ima i otvore na gonjem i donjem delu da bi se sprečilo gomilanje gasa ili taloga, slika 3.2(a).

Slika 3.2. (a) Tipovi prigušnica; (b) Prigušnica sa koncentričnim prelivom Na prigušnici se meri jedna visinska razlika - to je pijezometarska razlika po obodu cevi neposledno ispred i iza prigušnice - i time je određen proticaj, jer postoji utvrđena jednoznačna veza između te razlike i protoka. On se dobija iz jednačine 2.11. Ova vrsta prigušnice nije pogodna za teške uslove u kojima se javlja prljava voda i daje loše rezultate ako u cevi ima vazduha ili pare. Ove teškoće se prevazilaze različitim položajem i oblikom otvora na prigušnici, kao što su ekscentrična i segmentna prigušnica na slici 3.2(a). Segmentna prigušnica obezbeđuje dobro merenje u slučaju da voda nije čista. Njen oblik je takav da pokriva gornji deo preseka cevi, a prolaz čvrstih


21

delova je omogućen kroz donji deo profila i tako se izbegava njihovo nagomilavanje. Ekscentrična prigušnica se koristi na instalacijama gde se u vodi nalaze nerastvoreni gasovi. Pogodne su i za cevovode iz kojih treba obezbediti ispuštanje vode. Ploču prigušnice treba povremeno menjati, čim se napadna ivica iskrza ili zaobli (pohaba). Osobine Karakteristične osobine su definisane u standardu ISO 5167-1. Ako se pri instaliranju poštuju korisna iskustva moguća su odstupanja od oko ± 1% od punog opsega. Mogućnosti primene su ograničene kvadratnom vezom brzine i razlike pritisaka, pa je opseg merenja (razlika maksimalnog i minimalnog merljvog protoka) dosta uzan i kreće se u odnosu 1:3 (najviše 1:5). Prednosti i mane Prednosti prigušnice su: − jednostavna primena, − nema pokretnih delova, − dugoročna pouzdanost, − niska cena, − jednostavna proizvodnja. Mane su: − kvadratna veza pritiska i brzine, − nedovoljan merni opseg (samo 1:3), − kritični zahtevi pri instaliranju, − veliki nepovratni gubici pritiska. Uslovi za rad Na uzvodnoj i nizvodnoj strani prigušnice zahtevaju se prave deonice cevi. Njihova dužina zavisi od hidrauličkih uslova na instalaciji i obično iznso oko 30 prečnika cevi. Oblast primene Primenjuje se za čistu vodu, tipično pri ograničenim opsezima protoka (na primer kod bunarskih pumpi, filterskih instalacija i sl.) i gde gubici pritiska imaju mali uticaj, kao i za tokove u kojima se javlja slobodan gas ili vazduh.

Merenje protoka

22

3.1.2. Venturi Istorijski, verovatno prvi pravi tip cevnog merača protoka, pronašao je Heršel (Clemens Herschel, 1842-1930.) i nazvao ga po Venturiju (Giovanni Batista Venturi, 1746-1822. italijanski fizičar) zbog njegovog doprinosa istraživanju u toj oblasti. Osnovna konstrukcija klasične Venturijeve cevi prikazana je na slici 3.3. Sastoji se od cilindričnog uvodnog dela, ulaza u obliku suženja, cilindričnog grla, i izlaznog dela u obliku konusnog proširenja. Kompletan tehnički opis može se naći u standardu ISO 5167-1. Ovde se navode samo najvažniji detalji: − Prečnik grla d ne treba da bude manji od 0,224 D i ne veći od 0,742 D,

gde je D prečnik ulaza; − Dužina grla treba da bude 0,1 d; − Cilindrični uvodnik treba da ima prečnik D i dužinu ne manju od 1,0 d; − Konusno suženje treba da ima ugao od 10,5°. Dužina mu je, u tom

slučaju, 2,70 (D-d), uz odstupanje od ±0,24 (D-d); − Divergentna deonica izlaza u obliku proširenja treba da ima ugao ne manji

od 5° i ne veći od 15°. Dužina treba da bude takva da izlazni prečnik ne bude manji od 1,5 d.

Slika 3.3. Venturijeva cev Voda prolazi kroz ulaz koji se sužava, brzina se povećava i stvara se razlika pritisaka između ulaza i grla. Ona se registruje na isti način kao kod prigušnice. Veza protoka i razlike pritisaka definisana je jednačinom 2.11. Slavine za pritisak Na uzvodnom delu mesto za merenje pritiska treba da bude na cilindričnoj ulaznoj deonici, na rastojanju od 0,5 D od suženja. Nizvodno mesto za merenje pritiska nalazi se u grlu na rastojanju 0,5 d nizvodno od suženja. Dimenzije slavina treba da budu takve da se izbegne začepljavanje.


23

Slavine nisu sa samo jednim otvorom. Obično ih ima nekoliko, ravnomerno raspoređenih po obodu cevi i međusobno povezanih u kružni prsten, koji se često naziva pijezometarski prsten. Njegova je prednost što daje pravu srednju vrednost pritiska u preseku cevi. Prednosti i mane Prednosti Venturija su: − jednostavna primena, − mali gubici pritiska (najmanji od svih uređaja na principu razlike

pritisaka), − neosetljivost na nečistoću u vodi, − dugoročna pouzdanost, − nema pokretnih delova. Mane su: − visoka cena, − kvadratna veza pritiska i brzine, − nizak merni opseg (4:1), − kritični zahtevi pri instaliranju. Uslovi za rad U poređenju sa drugim meračima ovog tipa smanjene su neophodne dužine pravih deonica cevi i na uzvodnoj i na nizvodnoj strani. Kao opšte pravilo za Venturijeve cevi, zahteva se samo jedna polovina dužine prave deonice u odnosu na instalaciju sa prigušnicom. Uobičajen je zahtev da dužina uzvodne prave deonica bude 10 do 20 prečnika cevi. Oblast primene Venturi se koristi u situacijama gde je u vodi visok sadržaj čvrstih čestica (sirova voda i ponekad kanalizacija). Venturi je u principu uređaj sa malim padom pritiska, i efikasan je za uštedu energije. Međutim, sada je to skup uređaj i retko se koristi na savremenim instalacijama. (Ovo je svakako uređaj prošlog a ne sledećeg veka.) 3.1.3. Opšte napomene Pad pritiska Svi, do sada opisani, uređaji na principu razlike pritisaka u različitoj meri su uzrok nepovratnog gubitka pritiska. Korisno je u radu ove gubitke smanjiti koliko je god moguće, i to je često odlučujući faktor među kriterijumima za

Merenje protoka

24

izbor uređaja. Krive gubitaka pritiska za prigušnice, Venturijeve cevi i mlaznice u zavisnosti od diferencijalnog pritiska prikazane su na slici 3.4.

Slika 3.4. Ukupni pad pritiska u zavisnosti od razlike

pritisaka na mernom elementu Uslovi za instalaciju Već je ukazano da su uslovi za postavljanje, koji se zahtevaju za uređaje sa razlikom pritiska, veoma strogi. Preporučljivo je da se merači postave što je nizvodnije moguće od elemenata koji remete strujni tok, kao što su kolena, zatvarači, reduciri i sl. Uslovi su detaljno opisani u standardu ISO 5167-1.


25

3.2. Vodomeri Najbrojniji merni uređaji u vodovodima su rotirajući mehanički vodomeri, (oni kod kojih se osnovno dejstvo zasniva na obrtanju nekog mehaničkog elementa). Neke vrste mehaničkih vodomera postale su svetski standard za merenje utrošene vode kod potrošača, i iscrpno su opisani u međunarodnim standardima (ISO 3354). Ovakvi vodomeri su, prema karakteristikama i opsegu merenja, razvrstani u klase (obeležene slovima), kako je prikazano u sledećoj tabeli.

Vrednost qt, koja deli opseg vodomera na dva dela, očigledno je uvedena da bi pri manjim protocima bila dozvoljena veća greška. To je zbog nemogućnosti da se napravi vodomer koji ima istu tačnost u celom opsegu rada.

qn je nominalni protok vodomera. Granica greške u nižem opsegu od qmin do qt je +5%, a u višem opsegu od qt do qmax je +2%; qmax=2×qn Na slici 3.5. prikazane su karakteristike vodomera klase B, prečnika 100 mm.

Slika 3.5. Karakteristike tipičnog vodomera

KLASE Nominalni proticaj vodomera qn

<15 m3/h >15 m3/h Klasa A

Vrednost qmin 0,04 qn 0,08 qn Vrednost qt 0,10 qn 0,30 qn

Klasa B Vrednost qmin 0,02 qn 0,03 qn Vrednost qt 0,08 qn 0,20 qn

Klasa C Vrednost qmin 0,01 qn 0,006 qn Vrednost qt 0,015 qn 0,015 qn

Klasa D Vrednost qmin 0,0075 qn Vrednost qt 0,0115 qn

Merenje protoka

26

Vodomeri se dele u dve velike grupe: − Zapreminski, kod kojih se voda propušta kroz vodomer u diskretnim

delovima zapremine. Protok se određuje praćenjem brzine kojom te zapremine prolaze kroz vodomer. Koriste se kao integratori protekle vode.

− Turbinski, kod kojih se do protoka dolazi preko frekvencije obrtanja mehaničkog propelera.

3.2.1. Zapreminski vodomeri Zapreminski vodomeri su dobri za instalacije gde se zahteva visoka tačnost i dobra ponovljivost. Na njihovu tačnost ne utiču pulzacije protoka. Mogu da mere protoke tečnosti sa višim viskozitetom tačnije od drugih tipova vodomera. Princip merenja zasniva se na tome da tečnost, idući kroz vodomer, pokreće merni element, koji deli mernu komoru na niz odeljaka koji se naizmenično pune i prazne. Tako, u svakom punom ciklusu mernog elementa, određena količina vode prolazi od ulaza do izlaza vodomera. Zaptivanje između merne komore i mernog elementa obezbeđuje film tečnosti koja prolazi kroz merač. Broj obrtaja mernog elementa dobija se na brojčaniku, koji je preko odgovarajućeg sistema zupčanika ili preko magneta, povezan sa mernim elementom. Veličina greške zavisi od više faktora, među kojima su: − Veličina zazora između rotora i merne komore, kroz koji voda može da

prođe neizmerena. − Veličina momenta potrebnog za pokretanje brojčanika. Što je moment

veći, veći je i pad pritiska u mernom elementu, zbog čega se povećava procurivanje pored rotora.

− Viskoznost vode. Povećanje viskoznosti izaziva povećanje pada pritiska, ali se to kompezuje smanjenjem procurivanja u zazoru rotora.

− Veličina trenja u ležištima. Tačnost merenja protoka postignuta zapreminskim vodomerom značajno varira u zavisnosti od tipa vodomera, vrste i stanja tečnosti koja se meri, kao i od vrednosti protoka. Najćešći oblici zapreminskih vodomera su: − sa obrtnim klipom, − sa recipročnim klipom, − sa njišućim diskom, − sa kliznim lopaticama, − sa obrtnim lopaticama, − sa ovalnim zupčanicima i sl.


27

Vodomer sa obrtnim klipom (prstenasti klipni vodomer) se najviše, od svih zapreminskih, koristi u vodovodima. Služi za merenje potrošnje na kućnim priključcima. Sastoji se od cilindrične radne komore u kojoj je smešten prstenasti klip. Centralno telo klipa se obrće pomoću dva unutrašnja cilindra. Klip i cilindar se alternativno pune i prazne vodom koja prolazi kroz vodomer. Na bočnom zidu klipa postoji prorez u koga ulazi pregrada na unutrašnjoj strani radne komore.Ovo sprečava proklizavanje klipa duž pregrade. Obrtno kretanje klipa se prenosi na mehanički registrator pomoću stalnog magneta. Osnovna šema i princip rada ovakvog vodomera prikazani su na slici 3.6.

Slika 3.6. Zapreminski vodomer sa obrtnim (prstenastim) klipom

Merenje protoka

28

Vodomeri ovog tipa imaju dvojaku prednost: širok opseg merenja (i do 200:1) i dobre rezultate pri merenju malih protoka. Izrađuju se sa prečnicima od 15 do 100 mm. I pored svih prednosti u Beogradskom vodovodu ovi vodomeri se više ne ugrađuju. Osnovni nedostatak im je što pri merenju vode koja sadrži pesak dolazi do brzog habanja kliznih površina koje prestaju da zaptivaju, i grešake u merenju rastu. 3.2.2. Turbinski vodomeri Vodomeri ovog tipa razvili su se iz starih projekata nemačkog inženjera Voltmana (Woltmann), koji je 1790. razvio propelerski tip merača za merenje protoka vode. Vodomer sa Peltonovom turbinom Vodomer sa Peltonovom turbinom služi za tačno i ekonomično merenje veoma malih protoka. Merač se zasniva na sledećem principu: dolazeća voda se pomoću mlaznice koncentriše u uski mlaz velike brzine, koji tangencijalno udara u obod rotora (vidi sliku 3.7). Obrtanje rotora i protok vode su u linearnom odnosu a osetljivi namotaj detektuje prolazak feritnih vrhova rotora. Sekundarni elektronski uređaj obrađuje dobijene signale i računa brzinu obrtanja, a time i protok vode. Sistem dostiže merni opseg od 50:1 sa linearnošću od oko ± 1% od punog opsega. Maksimalni protoci se kreću od 1,3 do 5000 l/min.

Slika 3.7. Vodomer sa Peltonovom turbinom - osnovni tip Kao direktna posledica razvoja ovog jednostavnog vodomera nastala je i takozvana bajpas verzija. U tom rešenju se koristi isto kućište ali na obe strane ima otvore za uvođenje vode u mernu komoru (vidi sliku 3.8). Odnos protoka u glavnom toku i obilaznom vodu je linearan. Ovako je dobijen vodomer niske cene i visokog kvaliteta, sa dobrim mernim opsegom i maksimalnim protokom od 22000 l/min (1320 m3/h).


29

Slika 3.8. Vodomer sa Peltonovom turbinom u bočnoj komori Jednomlazni i višemlazni vodomeri Za razliku od višemlaznog vodomera kod koga se vodeni tok vodi ka propeleru u vidu mnogo malih mlazova, voda se u jednomlaznom vodomeru dovodi na propeler tangencijalno, u jednom mlazu. Na slici 3.9. vidi se osnovna razlika u toku vode kroz ove dve vrste vodomera. Konstrukcija jednomlaznog vodomera je jednostavnija i osnovna prednost mu je niža cena. Zbog nesimetričnog toka vode ležište kola se više haba i tako mu je radni vek kraći nego kod višemlaznog. Na povećanje greške merenja utiče i taloženje materijala, do koga može doći u ulaznom delu kućišta. Turbina u višemlaznom vodomeru je simetrično izložena mlazevima vode sa svih strana pa je radijalno opterećenje ležišta manje nego kod jednomlaznog. Pored toga, zbog aksijalnog ulaska vode iz uvodnog kanala odozdo naviše, ležište nije opterećeno sopstvenom težinom propelera.

Slika 3.9. Razlika između jednomlaznog i višemlaznog vodomera

Merenje protoka

30

Na slici 3.10. prikazana je uobičajena konstrukcija jednomlaznog vodomera. Vodomer se sastoji od propelera koji se obrće pogonjen mlazom vode koja prolazi kroz telo vodomera. Brzina obrtanja propelera je proporcionalna brzini vode. Propeler pokreće sistem brojčanika, sličan mehanizmu kod vodomera sa obrtnim klipom, i tako prikazuje količinu protekle vode. Jednomlazni vodomer ima samo jedan ulazni i jedan izlazni otvor. Iako je neefikasan pri malim protocima, ovaj tip vodomera je veoma rasprostranjen, naročito za merenje potrošnje vode u domaćinstvima.

Slika 3.10. Jednomlazni (propelerni) vodomer Tipičan višemlazni vodomer prikazan je na slici 3.11. I kod njega voda okreće propeler brzinom koja je proporcionalna brzini toka. Kroz kućište protiču brojni tangencijalni mlazevi vode koji deluju na turbinu i pogone je da se okreće. Broj obrtaja se registruje preko magneta a time i količina protekle vode. Voda u višemlazni vodomer ulazi kroz više tangencijalnih otvora na obodu krilne čaše, pogađa propeler i kroz drugi niz otvora izlazi napolje.


31

Slika 3.11. Višemlazni vodomer Voltmanovi vodomeri Voltmanovi vodomeri imaju turbinu oko koje voda struji aksijalno i služi za merenje velikih proticaja. Gubici protoka su zanemarljivi. Prema položaju ose turbine dele sa na dva tipa: sa osom normalnom na osu cevi (WS) i sa osom paralelnom osi cevi (WP).

Merenje protoka

32

Tip WS U ovom tipu vodomera merni element je spiralna (helikoidna) turbina, postavljena centralno u mernoj komori tako da voda struji aksijalno. Oblik vodomera Voltman, tip WS prikazan je na slici 3.12, a presek na slici 3.13. Turbina se sastoji od cilindra sa precizno oblikovanim lopaticama. Usled delovanja potiska tečnosti na cilindar trenje na njegovim osloncima je malo. Usmerivači vodu ravnomerno upućuju na lopatice.

Slika 3.12. Vodomer tipa Voltman, tip WS, izgled Obrtno kretanje sa donjih zupčanika prenosi se na brojač pomoću magnetno keramičke veze. Pomoću specijano dodatih delova merni signal je moguće dobiti i u električnom obliku. Telo vodomera je od livenog gvožđa. Vodomer izaziva veoma male gubitke pritiska i pogodan je za merenje u distributivnim vodovima. On je "de facto" standard za ove primene i nezamenljiv uređaj za kontrolu gubitaka u vodovodnim sistemima. Proizvodi se sa prečnicima od 40 do 300 mm, za protoke od 24 do 1540 m3/h, sa tačnošću od ± 2% i mernim opsegom od 10:1. Za optimalan rad vodomera treba obezbediti deonicu prave cevi u dužini od 10 prečnika uzvodno i 5 prečnika nizvodno od vodomera.


33

Slika 3.13. Vodomer tipa Voltman, tip WS, presek Tip WP Ovaj tip vodomera sastoji se od rotora, koji praktično nema otpor trenja i obrće se oko ose koja se poklapa sa osom cevi, i to proporcionalno protoku vode kroz vodomer. Obrtanje turbine se registruje pomoću stalnog magneta i elektro kalema koji se nalazi na spoljnjoj strani kućišta, kao na slici 3.15. Jedini pokretni deo u vodomeru je turbina a jedina komponenta podložna habanju je sklop ležišta. Međutim, izborom dobrog materijala (ležišta od volframa) vodomer bi mogao da radi i do pet godina bez otkazivanja. Voltman WP vodomeri se proizvode sa prečnicima do 500 mm, sa linearnošću ispod ± 0,25% i ponovljivošću boljom od ± 0,02%. Mogu da mere protok u oba smera. Da bi se osigurali optimalni uslovi za rad vodomera treba obezbediti deonicu prave cevi u dužini od 10 prečnika uzvodno i 5 prečnika nizvodno od vodomera.

Slika 3.14. Vodomer tipa Voltman, tip WP, presek

Merenje protoka

34

Slika 3.15. Voltman, tip WP Kombinovani vodomer Kombinovani vodomer je način da se proširi opseg merenja jednog uređaja. U principu su moguće različite tehnike ali je u vodovodima najčešće u upotrebi kombinacija Voltmanovog i višemlaznog (kućnog) vodomera. Uređaj za prebacivanje sa oprugom ili tegom služi da se pri smanjenju protoka isključuje Voltmanov vodomer i mali protok ide samo kroz "sporedni"


35

vodomer. Ukupna količina se dobija sabiranjem proticaja kroz oba istrumenta. Tipičan primer je vodomer tipa Kent 3000 V (vidi sliku 3.16). Sastoji se od vodomera Helix 3000 sa spiralnom turbinom, ugrađenog nepovratnog ventila koji služi i za usmeravanje malih protoka, i obilazne cevi, na kojoj su vodomer za male protoke i nepovratni ventil.

Slika 3.16. Kombinovani vodomer Kent 3000 V Pri malim protocima usmeravajući ventil ostaje zatvoren i voda ne prolazi kroz veliki vodomer. Ceo tok se usmerava kroz mali vodomer. Čim protok dostigne unapred određenu granicu usmeravajući ventil se otvara usled razlike pritisaka i voda protiče kroz oba vodomera (vidi sliku 3.18).

Slika 3.17. Izgled kombinovanog vodomera

Merenje protoka

36

Slika 3.18. Kombinovani vodomer - usmeravajući ventil 3.2.3. Opšta pravila za postavljanje vodomera Tačnost i ponovljivost ove vrste merača isključivo zavisi od uslova koji vladaju u cevovodu uzvodno i nizvodno od instrumenata. Često je prečnik vodomera isti kao i prečnik cevovoda na kome se ugrađuje. Međutim, zbog slabijih karakteristika nekih vodomera pri nižim protocima, na nekim instalacijama se javlja potreba za redukcijom (instalisanje vodomera prečnika manjeg od prečnika cevi). U takvim slučajevima instalacija treba da se izvede kao na slici 3.19.


37

Slika 3.19. Tipična instalacija vodomera Obilazni cevovod ("bajpas") Nekada je potrebno vodomer privremeno demontirati radi održavanja. To se dešava zbog kvara vodomera izazvanog prisustvom stranog materijala, usled habanja, i sl. Ako nije prihvatljivo da cevovod za to vreme bude van funkcije, onda treba ugraditi obilazni cevovod. On treba da bude istog prečnika kao i cevovod i da bude povezan na rastojanju od 10 prečnika uzvodno i 5 prečnika nizvodno. Rešetka Ako se u vodi koja prolazi kroz vodomer očekuje nepoželjan materijal treba ugraditi rešetku, koja će ga zadržavati. Rešetku treba redovno čistiti i održavati, da bi se izbeglo zapušavanje. Peskolov U sistemima u kojim voda sadrži količine peska opasne za mehanizam vodomera treba ugrađivati peskolov. Njegova namena je da pesak zaustavi pre ulaska u vodomer i tako, sprečavanjem habanja i zaglavljivanja, produžava vek vodomera. Primena Turbinski vodomeri se najčešće koriste za merenje potrošnje na priključcima, (za domaćinstava i industriju) i kao kontrolni vodomeri u distributivnoj mreži. U praksi je najrasprostranjeniji Voltmanov tip vodomera.

Merenje protoka

38

3.3. Elektronski merači U ovu kategoriju merača protoka spadaju uređaji čiji se osnovni principi rada zasnivaju na elektronici, ili se primarno merenje odvija pomoću nekog elektronskog elementa. Tu spada nekoliko vrsta merača: − elektromagnetni, − ultrazvučni, − instrumenti na bazi osclacije fluida i − korelacioni. Većina istrumenata opisanih u ovom poglavlju doživela je značajan razvoj u poslednjih desetak godina, a opisane tehnike su polje stalnih inovacija u oblasti merenja protoka. Obično se sastoje od primarnog i sekundarnog dela uređaja. Mada su ponekad fizički razdvojeni, predstavljaju jedinstven sistem i moraju se tako i razmatrati. 3.3.1. Elektromagnetni merači Princip rada elektromagnetnih merača protoka zasniva se na Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije (zato se često nazivaju i induktivni). Po tom zakonu se u provodniku, ako se kreće u magnetnom polju, indukuje elektromotorna sila sa amplitudom koja zavisi od jačine magnetnog polja, brzine kretanja i dužine provodnika, tako da je: vlBE ⋅⋅≈ gde je E elektromotorna sila, B magnetni fluks, l dužina provodnika i v brzina kretanja provodnika u magnetnom polju. Pravac elektromotorne slie u zavisnosti od kretanja provodnika i magnetnog polja definisan je poznatim pravilom desne ruke. Ako voda u cevi ima ulogu provodnika, elektromotorna sila se generiše prema Faradejevom zakonu. Ova tehnika je opisana u standardu ISO 6817. Ako je magnetno polje upravno na izolovanu cev kroz koju teče voda (koja je provodnik), može se meriti maksimalna razlika potencijala između dve elektrode postavljene na zid cevi tako da je prečnik koji ih spaja upravan na magnetno polje. Razlika potencijala je proporcionalna jačini magnetnog polja, srednjoj brzini i rastojanju između elektroda. Tako se mogu odrediti srednja brzina i protok vode u cevi. Ovaj princip je ilustrovan na slici 3.20.


39

Michael Faraday (1791-1867) engleski fizičar i hemičar

Slika 3.20. Osnpvni princip rada elektromagnetnog merača protoka Na slici 3.21 prikazana je osnovna konstrukcija jednog elektromagnetnog merača protoka. On se sastoji od primarnog uređaja, u koji spadaju cev kroz koju prolazi voda, merne elektrode i magnetni namotaji, i sekundarnog uređaja, koji obezbeđuje pobudu magnetnog namotaja, pojačava izlazni signal iz primarnog uređaja, konvertuje ga u oblik pogodan za prikazivanje, prenos i integraljenje. Primarni uređaj Primarni uređaj je, u stvari deo cevovoda, izolovan pogodnim materijalom da bi se izbegao kratak spoj elektroda, koje su u cev ugrađene u samom izolacionom sloju. Kalemovi elektro magneta, omotani su po spoljašnjem obodu cevi i često su od vlage i potapanja zaštićeni premazom od "epoksi" smole. Sekundarni uređaj Sekundarni uređaj se obično naziva pretvarač, a služi da: − obezbedi napajanje kalema elektro magneta na cevi primarnog uređaja, − pojača i obradi izlazne signale koji se generišu u elektrodama, − eliminiše neželjene i pogrešne signale.

Merenje protoka

40

Slika 3.21. Osnovna konstrukcija elektromagnetnog merača protoka Rad sistema Za ostvarivanje odgovarajućeg magnetnog polja oko cevi, neophodno je da se na kalem elektro magneta dovede neka pobudna struja. To nije moguće postići običnom jednosmernom strujom jer se tako na elektrodama javlja polarizacija i elektrohemijske reakcije, pa se koriste neki oblici naizmenične pobude. Najčešće se koriste sinusni i ne-sinusni talasni oblici pobude (pravougli talas, pulsirajuća jednosmerna struja i trapezni talas).


41

Sinusna naizmenična pobuda Najstariji elektromagnetni merači protoka koristili su, kao izvor pobude za kaleme elektromagneta, standardnu naizmeničnu stuju od 50 Hz. U stvari mnogi sistemi koji se i danas koriste rade na tom principu. Izlazna struja je takođe naizmenična i kapacitivno se povezuje sa sekundarnom elektronikom, da bi se izbegli uticaji jednosmernih napona. Ovakvi sistemi imaju neke mane. Naizmenična pobuda pri transformaciji stvara nepoželjne napone. Oni su posledica lutajućih struja u signalnim kablovima, gde se javlja promenljivo magnetno polje. Imaju veliku potrošnju energije i nulti pomak (engl.: ofset), kao posledicu štetnih parazitskih napona i zaprljanosti elektroda. Zato je neophodno ručno podešavanje merne nule. Ovi problemi se danas lako prevazilaze korišćenjem impulsne sinusne ili ne-sinusne pobude. Impulsna sisnusna pobuda se zasniva na korišćenju impulsne naizmenične struje. Ova tehnika ima sve prednosti napred opisanih tehnika dok izbegava sve njihove mane. Pobuda magnetnog kalema vrši se iz glavnog dovoda kao i kod uobičajenih tehnika naizmeničnih pobuda, ali se struja pobude uključuje i isključuje u okviru unapred programiranih intervala. Tako se postižu efekti kompenzacije, kao i oni opisani kod impulsnih jednosmernih sistema. Tvrdi se da je izlazna struja na elektrodama značajno viša od one dobijene na konvencionalnim impulsnim jednosmernim sistemima. Ne-sinusna pobuda Promena gustine fluksa se može tako podesiti da u jednom delu ciklusa pobude bude jednaka nuli (dB/dt=0), tako da u tom periodu neće biti neželjenih efekta transformisanja. Signal koji definiše protok se osmatra u tom periodu i tada je bez uticaja parazitskih napona. Pravougli talas, pulsirajuća jednosmerna struja i trapezni talas koristili su se, u početku, sa frekvencijama od oko 50 Hz, ali su se mnogi proizvođači sada opredelili za sisteme sa niskim frekvencijama (2-7 Hz). Time se koriste pogodnosti male potrošnje energije (na primer samo 20% od energije potrebne za slične sisteme na 50 Hz), automatske kompenzacije nepoželjnih napona, automatskog podešavanja nule i male osetljivosti na taloženje materijala na elektrodama. Primer jedne od ovih tehnika prikazan je na slici 3.22, gde se koristi pobuda pravouglim talasom. Jednosmerni napon na kalemu se uključuje i isključuje frekvencijom od oko 2,6 Hz, sa promenom polariteta u svakom ciklusu. Slika 3.22(a) prikazuje idealan oblik talasa struje za impulsnu jednosmernu pobudu, ali zbog induktivnosti kalema ovakav oblik nije moguće ostvariti. Rešenje je, kao na slici 3.22(b), da se magnetni kalemovi napajaju iz izvora konstantnog napona, obezbeđujući pobudu sličnu pravougaonoj. Signal dobijen na mernim elektrodama je prikazan na slici 3.22(c). Signal se, kao što se vidi, očitava u pet tačaka u svakom mernom ciklusu. Posebnom mikroprocesorskom obradom iz kombinovanog signala se ocenjuje i izdvaja signal stvarnog protoka.

Merenje protoka

42

Slika 3.22. Impulsna jednosmerna pobuda Osobine Opšte osobine elektromagnetnih merača protoka definisane su standardom ISO 6817. Tipične obvojnice tačnosti prikazane su na slici 3.23. Međutim, stvarne karakteristike pojedinih uređaja široko variraju u zavisnosti od proizvođača. Tipična tačnost od ± 1% opsega je lako dostižna za brzine veće od 1 m/s, ali su pri manjim brzinama generalizacije opasne i tu treba dobro proučiti podatke proizvođača. Konačne osobine zavise od kvaliteta finalne kalibracije, i zato nju treba obavljati u ovlašćenoj ustanovi poštujući sve referentne standarde.


43

Slika 3.23. Tipične obvojnice tačnosti elektromagnetnih merača Radni uslovi i ograničenja Montaža Elektromagnetni merači protoka osrednjavaju brzinu vode u poprečnom preseku cevi pa zato nisu naročito osetljivi na uzvodne i nizvodne uslove. Preporuke za montažu, koje daje proizvođač, treba striktno poštovati kada se zahteva maksimalna preciznost. Za normalnu upotrebu, pa i neke nepovoljnije hidrauličke uslove, dovoljno je obezbediti pravu deonicu cevi u dužini od 10 prečnika uzvodno i 5 prečnika nizvodno od merača.

Merenje protoka

44

Uzemljenje Ne sme se zanemariti značaj pravilnog uzemljenja. Ono je neophodno kako radi sigurnosti rukovaoca tako i radi postizanja zadovoljavajućih rezultata merenja. Uputstva proizvođača o uzemljenju i montaži treba pažljivo slediti. Cevovod mora uvek da bude uzemljen. Cevovod, voda u njemu i merač protoka moraju biti povezani jednim kontinualnim električnim kontaktom sa istim uzemljenim potencijalom. Ovaj kontinualni kontakt je naročito važan ako je provodljivost vode slaba. Kako se taj kontakt ostvaruje zavisi od konstrukcije merača i vrste susednih cevi (metalna obložena, metalna neobložena, ili nemetalna). Uvek su obavezne spojnice između tela merača i cevi. Ako je merač instaliran na cevovod koji nije od metala obavezno treba ugraditi kontakt za uzemljenje vode. To se postiže preko metalnog prstena za uzemljenje koji se umeće između prirubnica, osim ako interno uzemljenje nije obezbeđeno preko samog merača. Ovi kontakti za uzemljenje su neobično važni i treba ih ugraditi kako je preporučeno. Instalacija Elektromagnetni merač protoka može da se instalira u bilo kom položaju (vertikalno, horizontalno ili koso), ali cev mora uvek biti puna vode da bi se ostvarilo tačno merenje. Ako se ugrađuje u vertikalnom položaju voda mora ići odozdo na gore, da bi se ostvario uslov ispunjenosti cevi. Pri horizontalnom položaju cevi osa u kojoj su elektrode ne treba da bude vertikalna. (Niz mehurića vazduha kreće se duž gornjeg dela cevovoda i može da spreči kontakt elektrode sa vodom.) Katodna zaštita Ako je merna glava instalirana u sistemu u kom postoji katodna zaštita treba obezbediti posebne mere predostrožnosti da bi se obezbedilo: − da struja ne dospe kroz vodu u telo merne glave, − da se u telu merne glave ne javi struja jača od 10 A. Ove mere opreza umanjiće jačinu štetnih rezultujućih magnetnih polja. Električne smetnje Signal koji se generiše u većini merača protoka je reda veličine 1 mV i impedanca izvora često prelazi 1 MΩ. Zato treba voditi računa o sprečavanju električnih smetnji. Na lokacijama sa visokim okolnim elektro šumom treba razmotriti ugradnju sistema kod kojih je merna cev integrisana sa pretvaračem (primarni i sekundarni uređaj). U ostalim slučajevima za povezivanje merne cevi i pretvarača treba koristiti kablove male kapacitivnosti, prema uputstvima proizvođača. Rastojanje merne glave i konvertora može iznositi i do 100 m. Međutim ovakvi kablovi ne smeju da se vode uz naponske kablove zbog mogućnosti međusobnog preslušavanja.


45

Uticaj rasporeda brzina Kao što je već opisano, elektromagnetni merač protoka ne zavisi u velikoj meri od rasporeda brzina u preseku cevi i od promena tog rasporeda. Ipak, u ekstremnim slučajevima, kada se raspored brzina veoma razlikuje od onog koji je ostvaren pri originalnoj kalibraciji, potrebno je izvršiti neophodne popravke. Najuticajniji faktor kod većine merača je raspored cevnih armatura neposredno uzvodno od uređaja. Da bi se ovi uticaji sveli na najmanju moguću meru, preporučljivo je da se obezbedi prava deonica cevi dužine 10 prečnika uzvodno od merača i 5 prečnika nizvodno. Ako ovo nije moguće ostvariti, tada merač protoka treba kalibrisati na odgovarajućoj instalaciji sa konfiguracijom brzina kakva se očekuje na mernom mestu. Čišćenje elektroda To je oblast značajnih rasprava koje prate brzi razvoj ove tehnike merenja. Kvarovi na elektrodama su na ranim elektromagnetnim meračima protoka, napajanim naizmeničnom strujom, predstavljali značajan problem. Mnogi proizvođači, naročito "Fisher and Porter", razvili su različita rešenja. Postoje tri glavne metoda koje su oprobane i korišćene, sa manjim ili većim uspehom. To su: − čišćenje ultrazvukom, − promenljive elektrode, − beskontaktne elektrode. Daleko najuspešnija metoda je svakako čišćenje ultrazvukom. Njen princip je prikazan na slici 3.24. Elektrode su mehanički spojene sa ultrazvučnim predajnikom. To je uređaj koji, po javljanju jakog elektromagnetnog polja, stvara brze vibracije sa frekvencijom višom od 20 kHz. Vibracije se prenose na elektrode. Ovo će "istresti" sve naslage ili nečistoću sa elektroda. Čišćenje može da se obavlja kontinualno (sa naizmeničnim ciklusima "istresanja" i "merenja") ili s vremena na vreme, na primer jednom mesečno, nedeljno ili po potrebi.

Merenje protoka

46

Slika 3.24. Čišćenje elektroda ultrazvukom Promenljive elektrode su jedna od mogućnosti da se obavi njihovo fizičko čišćenje. One se mogu skidati pod pritiskom i čistiti bez zaustavljanja rada cevovoda (vidi sliku 3.25).

Slika 3.25. Promenljive elektrode Konačno, ako ni jedna od navedenih tehnika nije pogodna, mogu se koristiti beskontaktne kapacitivne elektrode. One su (vidi sliku 3.26) ugrađene u oblogu merne cevi uređaja, i imaju veliku površinu. Svaka od elektroda, zajedno sa vodom koja je u cevi, pretstavlja kondenzator i sa oblogom formira dielektrik. Napon rezultujućeg signala se prati preko ovih kondenzatora.


47

Koristeći prednosti savremene elektronike, danas je moguće povećati ulaznu impedansu pretvarača do takvog nivoa da čak ni značajna oštećenja na elektrodama nemaju značajnijeg uticaja na karakteristike merača. Opisane tehnike se zato koriste sve ređe.

Slika 3.26. Beskontaktne elektrode Oblast primene Elektromagnetni merači protoka su postali "de facto" standard za većinu primena kod srednjih cevovoda u vodovodnim sistemima (kako za čistu tako i za otpadnu vodu) sa uobičajenim opsegom prečnika od 50 do 900 mm, mada se prave i van ovog opsega. Prednosti − ne remeti tok i meri u oba pravca strujanja, − tačnost elektromagnetnih merača je tipično ±1% od punog opsega, mada

neki proizvođači nude, uz dodatne troškove i tačnost od ±0,5% od trenutnog protoka,

− merni opseg je 10:1 (ili bolji uz umanjenu tačnost), − ovaj tip merača osrednjuje brzinu po preseku u kome se nalaze elektrode

pa nisu potrebne duge prave deonice (uzvodno i nizvodno) ni usmerivači, − zanemarljiv pad pritiska, − veliki raspon prečnika (od 2,5 mm do 2500 mm, pa čak i više), − pogodni za čistu i otpadnu vodu.

Merenje protoka

48

Mane − neophodno snabdevanje električnom energijom, − visoka cena kod velikih prečnika.

Slika 3.27. Savremeni elektromagnetni merač protoka "Danfoss" 3.3.2. Ultrazvučni merači Ultrazvučni merači protoka su direktna konkurencija elektromagnetnim meračima, naročito za rad sa čistom vodom. Oni mere protok kroz cev preko praćenja međuzavisnosti između protoka vode i talasa ultrazvuka, koji se emituje u ili kroz nju. Postoji mnogo metoda a dve, koje se najčešće primenjuju, su: − Doplerova i − emisiona. Dopler merač protoka Ovaj tip merača protoka koristi dobro poznati Doplerov efekat. Proučavao ga je Dopler (Christian J. Doppler, 1803-1853. austrijski fizičar) i utvrdio da se frekvencija zvuka menja ako se izvor zvuka, ili prepreka od koje se odbija,


49

kreće relativno u odnosu na slušaoca. Veličina promene frekvencije je pokazatelj brzine kretanja izvora zvuka, odnosno prepreke. Doplerova metoda merenja protoka široko je korišćena niz godina za vodu u kojoj ima čvrstih čestica, mehurića gasa ili drugih oblika diskontinuiteta koji su mogli da odbijaju ultrazvučne talase. Doplerov merač protoka praktično se sastoji od kućišta u koje su ugrađena dva pijezoelektrična kristala, od kojih je jedan predajnik a drugi prijemnik. Sve to zajedno se smešta na zid cevi, kako je prikazano na slici 3.28(a). Predajnik emituje ultrazvučni talas sa frekvencijom f1 i pod uglom θ1 prema osi cevi. Ako se u vodi nalaze čestice, gasovi ili neki drugi diskontinuiteti, jedan deo emitovane energije se odbija prema prijemniku. Ako voda putuje brzinom v, frekvencija odbijenog zvuka, koji se dobija na prijemniku će biti f2, i iznosiće:

cfθcosv2ff 1

12 ⋅⋅⋅±= . (3.1)

gde je c brzina zvuka u vodi. Ovo se može napisati na sledeći način:

( )θcosf2

cfθcosf2

ffcv1

d

1

12

⋅⋅⋅

=⋅⋅−

= , (3.2)

gde je fd Doplerovo odstupanje frekvencije. Međutim, za udvojeni predajnik kao onaj na slici 3.28(b) će biti:

( )21121d θcosθcoscvffff −⋅⋅=−= , (3.3)

gde je: θ1 = ugao između pravca toka i emitovanog zvuka, θ2 = ugao između pravca toka i odbijenog zvuka. Osobine Tačnost i ponovljivost Doplerovog merača protoka nije moguće garantovati jer njegov rad zavisi od rasporeda brzina po preseku cevi, veličine i koncentracije suspendovanih čestica. Što je voda čistija ili što ima manje reflektujućih čestica, zvučna energija putuje dalje od mernog mesta, pa se povećava mogućnost odbijanja od zidova cevi i drugih prepreka, i tako se formira Doplerova frekvencija koja nema jednostavnu vezu sa brzinom, koja je prikazana. Učinak merača kod čiste vode je loš. Međutim, pod idealnim uslovima i sa mogućnošću da se izvrši kalibracija na licu mesta, moguće je postići tačnost od ±10%, sa još boljom ponovljivošću. Na cevovodima sa velikim prečnikom brzina se meri bliže zidu cevi pa treba da bude poznata veza između o zmerene brzine i srednje brzine u preseku.

Merenje protoka

50

Slika 3.28. Dopler merač protoka sa jednim (a) i dva predajnika (b) Prednosti − mali građevinski radovi (samo treba obezbediti pristup cevi), − može da se koristi i za otvorene tokove, − zanemarljivi gubici, − dobar merni opseg 25:1. Mane − loša tačnost i ponovljivost, − nepoznata zona u kojoj se meri brzina, − potreban reflektor zvuka u samom toku (čvrste čestice, mehurići). Radni uslovi Za rad Doplerovog merača protoka potreban je akustični reflektor (u vidu suspendovanih čestica u vodi) i uz pravilno pričvršćenje uređaja cev mora da bude akustički provodljiva. Doplerov merač je stekao lošu reputaciju. Neki od problema nastaju zbog nepravilnog postavljanja predajnika ili zbog loše izabranog mesta za njegovo montiranje. Treba birati lako pristupačno mesto bez uticaja vibracija.


51

Cev mora da bude ispunjena vodom. Preporučuje se vertikalna cev sa tokom naviše ili horizontalna ispunjena cev. U slučaju da se koristi na horizontalnom cevovodu davač treba montirati na boku, da bi se izbegli uticaji na signal slobodnog vazduha (pri vrhu) ili naslaga materijala (na dnu). Sistem sa dvostrukim predajnikom se obično koristi u situacijama kada je signal slab ili kada se zahteva preciznije osrednjavanje brzine po profilu. Obično se na manjim cevima (prečnika ispod 500 mm) glave predajnika postavljaju na suprotnim stranama cevi. Ako je signal i dalje slab ili je prečnik veći, predajnici se montiraju na istoj strani cevi, na rastojanju 50 do 150 mm. Između površine davača i cevi neophodno je naneti akustičnu pastu, kao masu za spajanje ta dva elementa čime se isključuje prisustvo vazduha i postiže najbolja provodljivost zvuka ka vodi. Oblast primene Uobičajeno se koristi kao merač protoka koji je jeftin i lako se ugrađuje, pre svega za otpadne vode i merenje protoka mulja, mada se poslednjih godina ova tehnika uspešno primenjuje i na otvorene tokove. Ova vrsta merača je pogodna za regulaciju protoka kao i za situacije kada se ne zahteva izuzetnna tačnost. Ovi uređaji obično nisu pouzdani za praćenje protoka čiste vode. Međutim, usled značajnog tehnološkog napretka karakteristike ove vrste merača se popravljaju. Tako je, na primer, kompanija "Peek Measurement" razvila čitav niz ultrazvučnih Dopler merača protoka kod kojih se signali dobijeni preko senzora obrađuju Furijeovom analizom. Pomoću tehnika digitalne filtracije signala odbacuju se neželjene (rasute) frekvencije, pa ostaju samo "prave", zavisne od proticaja. Na slici 3.29 prikazani su tipični "sirovi" i normalizovani spektri frekvencija dobijeni iz instrumenta.

Slika 3.29. Tipičan "sirov" i "normalizovan" spektar

Merenje protoka

52

Emisioni merači protoka Emisioni uređaji, za razliku od Doplerovih, zasnivaju se na emitovanju ultrazvučnog talasa kroz tok i zato u radu ne zavise od diskontinuiteta ili čestica u vodi. Najviše se koristi metoda merenja vremena putovanja zvučnog talasa. Princip rada tog merača se zasniva na emitovanju ultrazvučnog talasa između dve tačke, prvo u smeru toka vode pa zatim u suprotnom. U oba slučaja brzina toka vode će uticati na vreme putovanja zvučnog talasa između te dve tačke. Ta razlika je direktno proporcionalna brzini vode. U praksi se zvučni talasi ne upućuju u pravcu toka već pod nekim uglom, kako je prikazano na slici 3.30. Vremena putovanja talasa niz vodu T12, i uz vodu T21, mogu se izraziti na sledeći način:

( )θθ cosvcsinDT12 ⋅−⋅

= , (3.4)

i

( )θθ cosvcsinDT21 ⋅+⋅

= , (3.5)

gde je v srednja brzina tečenja vode pod uglom θ u odnosu na pravac prostitanja ultrazvučnog zraka, D je prečnik cevi i c je brzina zvuka u vodi.

Slika 3.30. Ultrazvučni merač protoka sa vremenskom razlikom Pošto je c >> v cos θ razlika u vremenu ∆T će biti:

22112 cvθcosd2TTTΔ ⋅⋅⋅

=−= , (3.6)


53

Razlika u vremenu putovanja je proporcionalna srednjoj brzini v a obrnuto proporcionalna kvadratu brzine zvuka c, pa je za prečnike merača koji se koriste u vodovodnim sistemima obično vrlo mala. Na primer, za cev prečnika 100 mm u kojoj je brzina vode 1 m/s, sa dva predajnika pod uglom od 45° i pod pretpostavkom da je brzina zvuka u vodi 1500 m/s, vreme putovanja će biti 94,3 μs a razlika vremena putovanja za dva smera će biti (T12-T21) 88 ns. Proizvođači najčešće koriste dve metode merenja i to na bazi: − razlike frekvencija, − razlike vreme putovanja. Razlika ferekvencija U ranim pokušajima primene emisionih tehnika često se koristila metoda merenja razlike frekvencija ultrazvučnih talasa usmerenih istovremeno uz tok i niz tok, čije je suština prikazana na slici 3.31. Ovde se impuls emituje posle prijema prethodnog. To se odvija sa frekvencijom koja je direktno zavisna od vremena putovanja talasa u oba smera.

Slika 3.31. Ultrazvučni merač protoka sa razlikom frekvencije Frekvencija u pravcu toka (f12) se razlikuje od one u suprotnom pravcu (f21) i njihova razlika je direktno zavisna od srednje brzine vode u cevi.

Merenje protoka

54

Koristeći jednačine 3.4 do 3.6, date u prethodnom tekstu dobija se:

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⋅+

⋅= θcosd

vcθsinf12 ,

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⋅−

⋅= θcosd

vcθsinf21 ,

pa je razlika frekvencija jednaka:

dvθcosθθsin2ff 2112⋅⋅

⋅⋅=− .

Ovaj rezultat ne zavisi od brzine zvuka u vodi. Međutim, jedan od najvećih teškoća sa ovom metodom je u tome što zbog nailaska zvučnog talasa na bilo kakvu prepreku dolazi do gubljenja signala, što umanjuje tačnost merenja. Pored toga, da bi se postigla dobra tačnost sistema period merenja mora da bude dovoljno dug. Razlika vremena putovanja Ovaj sistem se zasniva na sekvencijalnom ili simultanom merenju vremena putovanja. Na slici 3.32 prikazana je šema rada instrumenta sa sekvencijalnim merenjem vremena. Multiplekser prebacuje predajnike naizmenično na emitovanje i primanje. Merenje vremena se obavlja nekom od digitalnih, analognih ili hibridnih elektronskih metoda. Brzina zvuka, koja je veoma bitna u ovoj metodi, dobija se preko srednjeg vremena putovanja impulsa uzvodno i nizvodno, što se elektronski obrađuje i automatski koristi. Ova se metoda koristi kod najvećeg broja prenosivih uređaja koji se privremeno pričvršćuju na cevovod.


55

Slika 3.32. Ultrazvučni merač protoka sa razlikom vremena putovanja Konstrukcija i radne karakteristike U principu, merač protoka se sastoji od merne cevi na čijoj spoljnjoj strani je montiran par ultrazvučnih davača, i posebnog elektronskog dela sa predajnikom i pretvaračem, kao što je prikazano na slici 3.33(a). Davač može biti potopljen ili nepotopljen, i sastoji se od piezomelrktričnog kristala, dimenzionisanog da emituje željenu frekvenciju (obično 1 do 5 MHz). Dva primera uobičajenih sklopova sonde vide se na slici 3.33(b).

Merenje protoka

56

Slika 3.33. (a) Uobičajena konstrukcija merača; (b) Sonda Međutim, činjenica je da merač meri srednju brzinu vode po osi cevovoda, a raspored brzina po preseku cevi može biti poremećen usled loše odabranog mernog mesta ili blizine kolena, zatvarača i slično. Da bi se prevazišli ovi problemi razvijen je niz različitih konstrukcija, među kojima su: − jednostruki i višestruki snop, − aksijalni snop, − prenosivi merač.


57

Jednostruki i višestruki snop - Ovaj oblik konstrukcije se najčešće primenjuje. Varijanta sa jednostrukim snopom je već prikazan na slici 3.33. Međutim, značajna poboljšanja u osrednjavanju brzine po profili postižu se korišćenjem instrumenata sa dvostrukim, višestrukim ili ukrštenim snopovima pomoću više parova sondi. Ovo je šematski prikazano na slici 3.34. Na slici 3.34(a) i (b) su poboljšanja proistekla direktno iz varijante sa jednostrukim snopom, dok je na slici 3.34(c) posebna vrsta koja se koristi na cevovodima velikog prečnika radi kompenzacije nepravilnosti u toku koje nastaju zbog blizine krivina.

Slika 3.34. (a) Dvostruki; (b) Višestruki snop; (c) Ukršteni snopovi Aksijalni snop - Ova konstrukcija se koristi na cevima malog prečnika (slika 3.35). Ona omogućava da se sonde postave duž aksijalne ose merača. Tako se vreme putovanja produžava pa se time povećava i tačnost.

Merenje protoka

58

Slika 3.35. Aksijalni snop Prenosivi merač - Merači koji se privremeno postavljaju na cevovod odavno se koriste, ali su tek u poslednje vreme, uz primenu savremene mikro- procesorske elektronike, prihvaćeni kao pouzdana i tačna konstrukcija merača protoka. Prenosivi merači se koriste ili pri istraživanjima ili kao stalne instalacije. Mogu biti potopljeni (mokri), sa sondama koje se u cev umeću kroz odgovarajuće zatvarače, ili nepotopljeni (suvi), kod kojih sonde emituju ultrazvuk kroz zidove cevi. Ova tehnika je najsavremenija i ovde najzanimljivija. Ultrazvučna veza sonde i cevi ostvaruje se akustičnim gelom (pastom) ili epoksi smolom, kako je opisano i kod Doplerovog merača. Kako ultrazvuk prolazi kroz zidove cevi, kao na slici 3.36, moguće je postići emisiju i kroz cevovode sa prečnikom do 2000 mm. Međutim, potencijalni izvor grešaka su merenje debljine zida i prečnika cevi na licu mesta, kao i nepoznati uslovi u unutrašnjosti cevi. Zato se veća tačnost može očekivati od merača sa potopljenim (mokrim) senzorima.

Slika 3.36. Nameštanje prenosivog ultrazvučnog merača


59

a) b) Slika 3.37. (a) Izgled merača; (b) Merenje debljine zida - "Peek" Opšti uslovi za rad Ultrazvučne sonde za merenje protoka kalibrisane su za tečenje u cevima koje su ispunjene vodom i gde je profil brzina u potpunosti razvijen. Greške se javljaju ako na mernom mestu dođe do poremećaja profila brzina. Za većinu tipova merača na uzvodnoj strani treba obezbediti deonicu prave cevi dužine najmanje 10 prečnika iza kolena, odnosno 20 prečnika iza zatvarača ili suženja cevovoda. Osnovno je da senzori imaju solidnu akustičnu vezu sa vodom ili zidom cevi. Spoljnji senzori treba da budu pričvršćeni na pažljivo pripremljenu površinu cevovoda uz primenu odgovarajućeg akustičnog gela ili adheziva. Prednosti − merenje u oba smera, − nema gubitaka pritiska, − cena ne zavisi od prečnika, − mogućnost prenošenja, − dobar merni opseg 10:1. Ograničenja − tačnost strogo zavisi od profila brzina, − slabije karakteristike pri malim proticajima.

Merenje protoka

60

3.3.3. Oscilacije fluida Princip rada ove vrste merača zasniva se na činjenici da se iza prepreke poznate geometrije u toku vode pojavljuju oscilacije pritiska koje su predvidljive i periodične. Stepen oscilacija je u direktnoj vezi sa veiličinom protoka. Postoje dva glavna tipa merača na bazi oscilacije fluida koji koriste vrtloge ili kovit. Vrtložni merač Ako se u tok postavi oštroivično telo od njegovih ivica će se odvajati vrtlozi. Na slici 3.38 ilustrovan je taj princip.

Slika 3.38. Princip rada vrtložnog merača Vrtlozi se naizmenično odvajaju od obe ivice tela i količina vrtloga je direktno proporcionalna srednjoj brzini vode u cevi. Ako je telo postavljeno u centar cevi onda je frekvencija odvajanja vrtloga linearno zavisna od protoka. Postoji više metoda za detekciju vrtloga: ultrazvučna, termička, pomoću oscilujućeg diska, kapacitivna, i druge. Svode se na merenje alternativnih promena pritiska na telu. Tako dobijen nisko frekventni signal sa primarnih senzora je srazmeran protoku. Pretvara se u analogni ili digitalni izlaz za prikazivanje i dalji prenos. Kalibracija (određivanje broja impulsa po m3) vrši se podešavanjem dimenzija i geometrije oštroivičnog tela. Ovi instrumenti dostižu tačnost bolju od ±1% celog opsega i merni opseg preko 15:1. Kovitni merač Kovit (vir) se u cevi izaziva pomoću lopatica koje strujnom toku daju rotacionu komponentu. U početku se osa rotacije vode poklapa sa osom merača, ali kada kovit uđe u proširenje dolazi do promene pravca ose rotacije (precesija), vidi sliku 3.39.


61

Slika 3.39. Kovitni merač protoka Oblast sa najvećom brzinom vode rotira oko ose merača, što prouzrokuje oscilacije čije su frekvencije proporcionalne proticaju u cevi. Promene brzine se pretvaraju u električne impulse. Postoje merači za protoke od 0,05 l/s, prečnika 25 mm, do najviše 200 l/s, prečnika 300 mm. Imaju tačnost od ±1% izmerene vrednosti i ponovljivost od ±0,25 izmerene vrednosti. 3.3.4. Korelacioni merač protoka U skoro svakom fluidnom toku javljaju se prirodne fluktuacije veličina kao što su gustina, turbulencija i temperatura, koje putuju niz struju brzinom toka i mogu se izmeriti pogodnim davačima. Ako se takva dva davača postave zasebno na cev na rastojanju L kao na slici 3.40. uzvodni davač će registrovati fluktuacije t sekundi pre nizvodnog. Rastojanje davača podeljeno sa vremenom putovanja fluktuacije između dva davača daje srednju brzinu tečenja vode. U praksi slučajne fluktuacije nisu stabilne pa se izlazni signali iz davača koriste za analizu korelacionih funkcija. Njihovi maksimumi su pomereni za vreme Tp i korelaciona brzina je tako:

PTLv =

a protok:

P

2

K TL

4ΠDCQ ⋅=

Merenje protoka

62

gde je D prečnik cevi a koeficijentom CK je obuhvaćen uticaj karakteristika toka, hrapavosti cevi, neravnomernosti brzina i sl.

Slika 3.40. Princip rada merača na bazi analize korelacija

3.4. Maseni merači protoka Merenje protoka mase može imati izvesne prednosti nad merenjem protoka zapremine, jer na primer pritisak, temperatura i specifična težina ne moraju da se uzimaju u obzir. Jedini nedostatak je što prisustvo vazduha u vodi onemogućava primenu ove metode. Pri merenju protoka kod dvofaznog tečenja mora se biti veoma oprezan. Postoje dva tipa masenih merača protoka: − Koriolisov (žiroskopski), − termički. 3.4.1. Koriolisov (žiroskopski) merač protoka Ovaj tip merača postaje vrlo popularan i koristi merenje torzionog momenta koji se javlja usled kontrolisanog saopštavanja Koriolisove sile fluidnoj struji. Ova sila je prisutna kad se pravolinijsko i kružno kretanje javljaju zajedno. Na slici 3.41. prikazan je princip rada takvog merača. Koriolisova sila je jednaka:


63

( )

brzinaalnradijavbrzinaugaonaω

vodemasamΔ,silaaKoriolisovF:jegde

vωmΔ2F

c

C

r

r

r

rrr×=

Merač se sastoji od dve cevi kroz koje teče voda. One osciluju i ponašaju se kao zvučna viljuška. Koriolisova sila koja se saopštava cevima u njima prouzrokuje fazna pomeranja. − Kada nema protoka obe cevi osciluju

fazno (1). − Kada voda protiče cevima oscilacije se

usporavaju na ulazu (2) i ubrzavaju na izlazu (3).

Ako se povećava protok povećava se i razlika (A-B). Oscilacije cevi se kontrolišu elektrodinamičkim senzorima na ulazu i izlazu. Slika 3.41. Princip rada Koriolisovog merača Merenje na opisanom principu ne zavisi od temperature, pritiska, viskoznosti i provodljivosti, niti od rasporeda brzina po preseku cevi. Moguća je tačnost i preko ±0,5% punog opsega. 3.4.2. Termički maseni merač protoka Ova verzija merača protoka mase se sastoji od cevi kroz koju teče voda, uzvodnog i nizvodnog temperaturnog senzora i izvora toplote kao na slici 3.42. Senzori su deo Vitstonovog mosta (Sir Charles Wheatstone, 1802-1875. engleski fizičar i pronačazač). Instalirani su na jednakom rastojanju od izvora toplote pa kad voda stoji primaju istu količinu toplote i most je u ravnoteži. Međutim, sa povećanjem protoka nizvodni senzor prima sve više toplote od uzvodnog, što remeti ravnotežu. Temperaturna razlika je proporcionalna protoku mase.

Merenje protoka

64

Slika 3.42. Princip rada termičkog masenog merača


65

4. Merenje brzine

Često je u hidrauličkim analizama potrebno izmeriti lokalnu vrednost brzine vode u jednoj tački preseka cevi, da bi se tako, uz poznat raspored brzina i hrapavost cevi, odredila srednja brzina ili protok vode. To se može obaviti pomoću niza metoda, od kojih su u vodovodima najčešće primenjivane pito cev, elektromagnetna sonda i turbinska sonda.

4.1. Pito cev 4.1.1.Princip rada Pito cev meri razliku hidrostatičkog i hidrodinamičkog (ukupnog) pritiska u izabranoj tački. Princip rada je sledeći: ako je cevčica postavljena tako da je njen otvor okrenut prema toku (slika 4.1), voda koja ulazi u nju se zaustavlja a njena kinetička energija se pretvara u potencijalnu. Pritisak, koji se javlja u cevčici, će biti veći od pritiska u toku za izvesnu razliku koja se naziva "zaustavni pritisak". Ako se pri tom meri i hidrostatički pritisak, razlika između njega i onog merenog pomoću Pito cevi će biti mera zaustavnog pritiska, pa tako i brzine vode u cevi. Iz jednačine 2.8 zaustavni pritisak je:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

g2v

g2vΔΠ

22

21

Henri Pitot (1695-1771)

francuski inženjer i fizičar

Slika 4.1. Pito cev

Merenje brzine

66

gde je v2=0. Odatle je

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

g2vΔΠ

21

to jest pritisak se povećava za g2

v21 , pa je brzina v1 jednaka:

ΔΠg2v1 = Ako se Pito cev koristi kao stalni uređaj za merenje protoka u cevovodu veza između brzine u tački u kojoj se meri i srednje brzine u cevi mora biti poznata. To se postiže merenjem brzina u nekoliko tačaka preseka cevi, čime se dobija raspored brzina po preseku kao i srednja brzina u cevi. Zbog kvadratne zavisnosti zaustavnog pritiska (dobijenog pomoću pito cevi) i brzine vode, merenje malih vrednosti je otežano, što predstavlja nedostatak ove tehnike. Rad sa Pito cevi je u potpunosti standardizovan i svi detalji o konstrukciji i radu sa njom opisani su u standardu ISO 3966. 4.1.2. Uređaji za osrednjavanje Mnogi proizvođači nude različite Pito cevi sa više otvora, kojima se postiže izvestan nivo osrednjavanja brzine. Tipičan uređaj ove vrste ima četiri otvora na uzvodnoj strani. Svi su jednake površine i povezani sa komorom za osrednjavanje, pa se tako meri srednji ukupni pritisak. Otvori su postavljeni po logaritamsko-linearnom rasporedu. Hidrostatički pritisak se dobija preko jednog otvora, okrenutog na nizvodnu stranu. Zbog toga ovakav uređaj može da meri samo u jednom smeru.

Slika 4.2. Pito cev sa više otvora "Anubar"


67

Na slici 4.2. prikazana je pito cev sa više otvora, komercijalnog naziva "Anubar". Otvori su postavljeni tako da mere reprezentativni hidrodinamički pritisak u njima. Hidrodinamički pritisak iz uzvodnih otvora se osrednjava u unutrašnjoj "interpolacionoj" cevi, povezanoj sa delom uređaja visokog pritiska. Deo niskog pritiska u uređaju je povezan sa nizvodnim elementom, koji meri hidrostatički pritisak. Tako dobijeni diferencijalni pritisak predstavlja srednju brzinu u cevi, pri čemu se može obezbediti tačnost i do ±1% trenutne vrednosti protoka.

4.2. Elektromagnetna sonda Elektromagnetna sonda je u osnovi novija verzija elektromagnetnog merača, koji je ranije opisan. Princip rada im je u osnovi isti. Elektromagnetna sonda za merenje lokalne vrednosti brzine se sastoji od senzora, kružnog ili eliptičnog preseka, u kome je smešten magnetni kalem i dve elektrode na suprotnim stranama. Postoje dve metode merenja: sa unutrašnjim i sa spoljašnjim poljem. 4.2.1. Metoda unutrašnjeg polja U neposrednoj blizini vrha senzora cilindričnog oblika, nalazi se otvor prečnika oko 20 mm (vidi sliku 4.3). U otvoru su smeštene dve elektrode a oko njega je magnetni kalem, koji stvara polje oko otvora. Kao što magnetni merač meri protok u celoj cevi, tako se ovde meri brzina vode koja prolazi kroz otvor na sondi, indukujući elektromagnetnu silu u elektrodama, proporcionalnu lokalnoj brzini vode kroz otvor senzora.

Slika 4.3. Elektromagnetna sonda (unutrašnje polje)

Merenje brzine

68

4.2.2. Metoda spoljašnjeg polja U ovoj varijanti merača elektrode su postavljenje na spoljnim stranama sonde (vidi sliku 4.4). Magnetni kalem je u telu sonde i obezbeđuje magnetno polje u neposrednoj okolini spoljašnjih površina. Osa sonde je postavljena unutar cevi tako da magnetno polje, kad kroz njega prolazi vodeni tok, prouzrokuje elektromagnetnu silu u elektrodama.

Slika 4.4. Elektromagnetna sonda (spoljašnje polje) 4.2.3. Osobine Ove sonde mogu da mere brzine u opsezima od 0-1 m/s do 0-10 m/s, sa tačnošću od ±5% od izmerene brzine (u tački), sve do vrednosti od 0,05 m/s i pod pritiskom od 20 bara. Radni uslovi i ograničenja Idealni uslovi za instalaciju: cevovod sa što većom dužinom prave deonice uzvodno i nešto manjom nizvodno. Sonda ima svoju elektrodu za uzemljenje pa nisu potrebni dodatni delovi za tu svrhu. Zahteva se najmanja provodljivost od 1 mikro mho/cm (1 mikro simens/cm). Sa povećanjem provodljivosti performanse se bitno ne poboljšavaju. Prednosti − nema pokretnih delova, − meri u oba smera, − merenje malih vrednosti brzina (0,05 m/s).


69

Nedostaci − relativno visoka cena, − za duži rad potrebno napajanje električnom energijom. Polje primene Promovisana od proizvođača kao zamena za rasprostranjenu sondu sa turbinom, ova vrsta sonde se može uspešno koristiti i za čistu i za prljavu vodu. Kao i većina sondi, može da se montira pod pritiskom kroz sopstveni naglavak sa zatvaračem koji se pričvršćuje na zid cevi, vidi sliku 4.5.

Slika 4.5. Elektromagnetna sonda (spoljašnje polje) sa naglavkom za

montiranje pod pritiskom i vezom na loger "ABB Kent-Taylor"

4.3. Sonda sa turbinom 4.3.1. Princip rada Ovaj tip merača se koristi za merenje lokalne brzine vode u cevi, i u vodovodima se najviše primenjuje od svih merača ove vrste. Sastoji se od male višekrilne turbine, obično smeštene u zaštitno kućište, kako je prikazano na slici 4.6. Sada već "de facto" industrijski standard u vodovodnim sistemima, sa nizom konstruktivnih varijanti. Merač na slici 4.6 će svakako biti najpoznatiji čitaocu. Proizvodi je "Quadrina", i sastoji se od rotora sa 8 lopatica, od nerđajućeg čelika, i prečnika od 29 mm. Smeštena je na minijaturnom ležaju na nosač u centru otvora od 30,5 mm, koji se nalazi u čeličnom bloku prečnika 36 mm. Svaki obrtaj lopatice turbine registruje elektronski senzor koji, uz pojačalo i pretvarač, daje izlazne električne impulse opsega 0 do 1 kHz, proporcionalno brzini vode.

Merenje brzine

70

4.3.2. Osobine Postiže se tačnost bolja od 1% od punog opsega merenja, između 0,15 i 6,00 m/s, uz maksimalni radni pritisak od 16 bara. Radni uslovi i ograničenja Vek ležajeva veoma zavisi od uslova rada i tipa ležaja. Može se očekivati da dostignu 10 000 do 25 000 radnih sati. Najveća dozvoljena brzina obrtanja turbine ne treba da bude veća od 150% nominalno najveće brzine. Dugotrajan rad uz prevelike brzine drastično skraćuje vek ležajeva.

Slika 4.6. Turbinska sonda "Quadrina" Prednosti − jednostavnost i mala cena, − veliko iskustvo iz duge upotrebe, − relativno dobra tačnost, − mogućnost napajanja iz akumulatora.


71

Nedostaci − brzina se meri samo u jednoj tački, − habanje pokretnih delova.

4.4. Način korišćenja Sonde se koriste kao prenosivi standardi pri kalibrisanju stabilnih merača ili kao zamena za merače protoka u privremenim ili fiksnim instalacijama. Uspešna upotreba uređaja koji meri brzinu vode u jednoj tački započinje sa merenjem u jednoj ili više tačaka, čiji je položaj u poprečnom preseku cevi matmatički određen. Srednja brzina, pa onda i protok, sračunava se integraljenjem. Neophodna merenja brzine mogu da se obave na sledeće načine: − nizom posebnih uređaja (uglavnom na cevovodima velikog prečnika) ili − jednim uređajem postavljenim u tačku sa približno srednjom brzinom ili − merenjem brzine duž jednog prečnika, u jednom poprečnom preseku. Upotreba sondi za merenje protoka u vodovodnim sistemima nije standardizovana. Tehnike merenja variraju, od one sa jednom mernom tačkom u osi cevi ili u tački sa srednjom brzinom, do praćenja šest ili osam tačaka u izabranom profilu, da bi se odredila zapremina protekle vode. Merenje u jednoj tački može da se primeni kod velikih cevovoda. Ako se merna tačka postavi na rastojanje od 0,75 R od ose cevi (gde je R poluprečnik cevovoda) dobiće se zadovoljavajuća aproksimacija srednje brzine vode u cevi. Ako nije moguće meriti u tački sa srednjom aksijalnom brzinom, meri se lokalna brzina u centru cevi. Međutim, tada je neophodno obaviti kaibraciju, i to putem prethodnog utvrđivanja odnosa V/VC (srednje aksijalne brzine i brzine u osi cevi). Gde god je moguće, posebno ako uređaj nije pod uticajima koji bi menjali raspored brzina po poprečnom preseku, i ako je pravac uzvodno od mernog profila dovoljno dug, merenje treba obavljati u tački gde se pretpostavlja da je lokalna brzina jednaka srednjoj aksijalnoj brzini. Tada se uređaj postavlja na udaljenju od 0,242 R od unutrašnjosti zida cevovoda, uz dozvoljeno odstupanje od 0,01 R. Ovo rastojanje se računa u odnosu na prečnik cevi na mestu na kom se uređaj instalira, a ne na srednji prečnik cevovoda. 4.4.1. Uslovi za instaliranje Poželjno je da sve instalacije za merenje brzine u tački budu na cevovodu u kome preovlađuje potpuno razvijeno, simetrično tečenje. Da bi se to postiglo potrebno je obezbediti pravu deonicu cevovoda dužine najmanje 50 prečnika uzvodno od mernog mesta i 5 prečnika nizvodno.

Merenje brzine

72

Ovako duga prava deonica se često teško nalazi i merač mora da se postavi relativno blizu nekog uzroka poremećaja toka. U takvim slučajevima osnovno je da se odrede rasporedi brzina u poprečnom preseku, i to u dve ravni pod uglom od 90°, da bi se ustanovio uticaj prepreke na raspored brzina. Tako se i sa samo 10 prečnika pravca uzvodno od merača i 5 prečnika nizvodno može dobiti protok sa tačnošću u okviru 3% stvarne vrednosti. Mesto postavljanja sonde za merenje lokalne brzine mora uvek biti uzvodno od drugih vrsta merača. Naročito velike poremećaje rasporeda brzina u preseku nizvodno od sebe izazivaju merači sa lokalnim promenama u toku kao što su prigušnica i Venturi. Sondu treba montirati kroz odgovarajuće naglavke sa zatvaračem. Tako se postiže da se merač postavlja i uklanja pod pritiskom, bez prekidanja rada cevovoda. Na slici 4.7. ilustrovan je postupak postavljanja naglavka na cevovod.

Slika 4.7. Postavljanje naglavka na cevovod Sve opisane metode bi trebalo da, pod idealnim uslovima, daju slične rezultate. Tehnika merenja u osi cevi se, međutim, oslanja na pretpostavku da je raspored brzina u potpunosti razvijen i simetričan. Ovakvi uslovi se mogu postići samo uz pažljivo instaliranje i to sa pravom deonicom ne manjom od 50 prečnika uzvodno od mernog mesta. 4.4.2. Smanjenje preseka Uvođenjem glave merača u cev smanjuje se površina efektivnog poprečnog preseka i ujedno remeti i uvećava izmerena brzina vode. Stepen zagušenja će zavisiti od dubine uranjanja i kod cevovoda sa malim prečnikom (ispod 250 mm), treba uvesti neki faktor korekcije, čija se vrednost određuje eksperimentalno. Preduslov za merenje brzine u osi cevi je da raspored brzina bude razvijen i simetričan. Na slici 4.8. prikazani su tipični rasporedi brzina u poprečnom preseku cevi dobijeni merenjem duž prečnika od 450 mm (Quadrina Ltd). Treba voditi računa i o zavisnosti "koeficijenta profila" od Rejnoldsovog broja. Zato je taj koeficijent konstantan duž prečnika cevi a promenljiv u zavisnosti od brzine vode u cevi. Ukupan uticaj ovih efekata na varijacije koeficijenta profila je preko 10%.


73

4.4.3. Merenja u tački sa srednjom brzinom Ova metoda merenja se najviše preporučuje jer se mesto i vrednost lokalne brzine ne menjaju sa promenama protoka. Položaj te tačke je na rastojanju od 0,119 D od zida cevi. Ova, direktna, metoda obično se koristi za cevi prečnika većeg od 250 mm. Za prečnike ispod 250 mm položaj merne tačke se menja da bi se kompezovao uticaj relativno velike površina uronjenog instrumenta na površinu poprečnog preseka cevi. Obavljeni su mnogi eksperimenti sa opisanim uslovima i svi daju rezultate u opsegu od 5% stvarnog protoka. Metoda merenja u jednoj tački zasniva se na pretpostavci simetričnosti rasporeda brzina. Ako se sumnja da je ona ispunjena potrebno je obaviti dodatno merenja sa suprotne strane cevi i usvojiti srednju vrednost tako dobijene dve vrednosti.

Slika 4.8. Različiti rasporedi brzina dobijeni turbinskom sondom

Merenje brzine

74

4.4.4. Određivanje rasporeda brzina Pri nedovoljno poznatim ili teškim hidrauličkim uslovima, i uz protok relativno nepromenljiv tokom perioda od 15 minuta, preporučuju se metode numeričke integracije, jer su one brze i relativno lake za rad. Ova tehnika se izvodi tako što se sonda postavlja u različite tačke u poprečnom preseku cevi i u njima se mere vrednosti lokalnih brzina. One se kasnije integrale da bi se dobila srednja brzina. Uobičajeno je da se koriste prethodno određene tačke za merenje brzina u cevovodu i one se definišu preko tri uobičajene metode: − logaritmsko-linearne, − logaritamske, − kubne. Opis navedenih tehnika se nalazi u standardu ISO 5167. Međutim, opšte je prihvaćeno da se u kružnim cevima raspored brzina određuje pomoću log-linearne metode u kojoj se jednostavnim osrednjavanjem izmerenih brzina u odabranim tačkama dobijaju korektno integraljene srednje vrednosti. Na slici 4.9. prikazano je polje brzina u jednoj cevi u neporemećenim u i poremećenim uslovima. U prvom slučaju je raspored brzina po poprečnom preseku cevi pravilan. U drugom slučaju se vidi uticaj uzvodene prepreke na raspored brzina po preseku.

Slika 4.9. Raspored brzina u cevi: neporemećen i poremećen tok


75

5. Postavljanje merača Proizvođači uz merače protoka isporučuju i uslove pod kojima se postiže deklarisana tačnost. To su idealni uslovi koji se obično ne mogu ostvariti. Korisnici retko imaju takve lokacije, ali ne treba očajavati. Idealno propisani uslovi jedino služe proizvođačima da se u njihovom nedostatku pravdaju zbog rezultata slabijih od deklarisanih. Ako se dobro proceni šta se meri, zbog čega i koliko se za to može odvojiti novca, neće biti lošeg merača ili loše lokacije. Važno je da se, u slučaju svesnog "zaobilaženja" nekog uslova (iz bilo kog razloga), prouči njegov uticaj na dobijene rezultate merenja. 5.1. Izbor veličine Za tačno merenje protoka, kod svih tipova, osnovno je da veličina odabranog merača odgovara protocima koji se očekuju. Jedan od glavnih uzroka netačnog merenja protoka je korišćenje prevelikih merača (ovo se naročito odnosi na kućne vodomere za merenje potrošnje vode). Karakteristike koje deklariše proizvođač treba da odgovaraju očekivanim ili predviđenim protocima. Očekivani raspon najverovatnijih protoka treba da se poklopi sa delom raspona merača u kome su mu karakteristike najbolje. Znači treba izbegavati da merač duže vreme radi u graničnim rasponima. 5.2. Lokacija Pravilno odabran i instaliran merač protoka će raditi kako je i navedeno u specifikaciji proizvođača. Rad merača u mnogome zavisi od uslova tečenja (poželjan je turbulentan tok), kao i od rasporeda brzina. Raspored brzina po poprečnom preseku cevi treba da bude glatka kriva, kao na slici 4.8. Da bi se to ostvarilo moraju se eliminisati ili umanjiti uticaji krivina koji izazivaju kružno ili vrtložno kretanje. To se postiže na različite načine. Mogu se koristiti usmerivači toka, ali oni nisu uvek izvodljivi ili dovoljni. Pre ulaska u merač voda treba da prođe kroz pravu deonicu cevi da bi se ostvarili optimalni uslovi za merenje. U tabeli 5.1 date su grube preporuke.

Postavljanje merača

76

Tabela 5.1. Dužina prave deonice Merač Uzvodno Nizvodno Venturi 10 D - 30 D 10 D - 15 D Prigušnica 10 D - 20 D 10 D - 15 D Elektromagnetni 5 D 2 D Ultrazvučni Jednokanalni 15 D - 50 D 5 D Dvokanalni 5 D - 15 D 5 D Turbina 10 D 5 D - 20 D Ubodni Pito 8 D - 26 D 4 D Turbina 10 D - 20 D 5 D

D prečnik cevi Ako zahtevi ne mogu da budu ispunjeni u potpunosti treba sagledati verovatne efekte na tačnost i proceniti da li su operativno prihvatljivi. U tabeli 5.2. dati su minimalni zahtevi za prigušnicu i Venturi merač u različitim uslovima rada. U njoj se uočava stepen uticaja pojedinih elemenata cevovoda na poremećaje toka. Tabela 5.2. Preporučene dužine prave deonice cevi za prigušnicu i Venturi (izraženo u prečnicima cevi D) Deonica uzvodno od uređaja Prečn

/ otvor D/d

Jedno koleno

90°

Dva 90° kolena

u jednoj ravni

Dva 90° kolena u različitim ravnima

Suženje

Proširenje

Nizvodna deonica za sve fitinge

0,3 8 9 25 5 8 3 0,4 9 12 28 5 10 3 0,5 9 14 30 6 10 3 0,6 13 20 36 9 14 3 0,7 16 24 42 12 18 4 0,8 20 28 50 14 22 5

Očigledno je da najveće poremećaje izazivaju dva kolena postavljena jedno iza drugog, u dve ravni. Takva mesta na cevovodu svakako ne traba da se nađu blizu merača.


77

5.3. Uređenje mernog mesta Dok se nabavci merača poklanja velika pažnja, priprema mernog mesta ponekad se obavi na brzinu i pogrešno. Uređaj može da iskaže sve kvalitete samo ako je instaliran u skladu sa uputstvima proizvođača. Najbolje je pripremiti merno okno, ako u nekom objektu nema pogodnog mesta (što je veoma čest slučaj). Na slici 5.1. data je skica mernog okna.

D

(5 - 20) Do (2 - 5) Do

Protok

ZatvorenOtvorenOtvoren

Cevovod

Obilaznacev

Slika 5.1. Okno za instaliranje merača protoka Merač se postavlja na obilaznu cev koja je manjeg prečnika od glavnog cevovoda. Tako se povećava lokalna brzina vode, i smanjuje prečnik merača. Okno mora da bude suvo. Kako je to u praksi gotovo neizvodljivo, uređaj treba da radi i kada je puno vode, tj. da ima stepen zaštite IP 68. Podjednako je važno da zatvarač na glavnom cevovodu bude kvalitetan. Često se javlja sledeća dilema: da li iskoristiti pogodno mesto u postojećem objektu ili napraviti namensko okno za merno mesto. U prvom slučaju se štedi zbog drastično manjih građevinskig i drugih radova ali, kao po pravilu su uslovi daleko od idealnih. U drugom slučaju se mogu postići zahtevani uslovi za merno mesto, ali investicije za njegovo uređenje mogu prevazići cenu samog merača. Dilema je lažna. Svakako treba u cenu merenja uračunati i uređenje mernog mesta i projektovati ga i izvesti na odgovarajući način. Jedino tako se maksimalno mogu iskoristiti karakteristike merača. Korišćenje pogodnosti već postojeće lokacije, uz razmatranje svih negativnih uticaja koje se na njoj javljaju, opravdano je za povremena, kontrolna, informativna i slična merenja, koja nemaju stalan karakter.


79

6. Primene Merač protoka u vodovodnom sistemu može imati najrazličitije uloge. Koristi se za jednostavno merenje potrošnje vode na kućnom priključku, ali i kao deo kompleksnog kontrolnog sistema, gde obezbeđuje ulazne podatke za kontrolu brzine obrtanja pumpi ili za doziranje hemikalija, itd. Merači protoka su osnova sistema daljinskog nadzora u vodovodima, koji se može organizovati u četiri nivoa: potrošnja vode, kontrola gubitaka, bilansiranje količina vode i alarmi. Brojne su mogućnosti primene ali će se ovde naglasiti samo ove ključne oblasti, uz predloge koje tehnike merenja odgovaraju za pojedine vidove primena.

6.1. Potrošnja vode Merenje potrošnje vode se, skoro po definiciji, vezuje za vodomere. Oni se koriste za praćenja dva osnovna vida potrošnje: − merenje potrošnje vode kod potrošača, − stalnu kontrolu potrošnje vode u zonama potrošnje, u okviru sistema

kontrolnih vodomera Sistem merenja individualne potrošnje vode je najmasovniji vid merenja: obuhvata vodomere kod svih potrošača, dakle veoma veliki broj (u Beogradskom vodovodu ih ima preko 100 000). Cena mora da im bude pristupačna pa su tome srazmerni i kvalitet i pouzdanost merenja. Merenje potrošnje vode, naročito kod domaćinstava, je najjednostavniji način ostvarivanja principa da se plaća samo za potrošenu vodu (za razliku od paušalnih procena i sl). Problemi politike cena vode su podjednako ozbiljni kao i tehnički problemi samog merenja. Ovde će biti reči samo o ovim drugim. U delu 3.2. opisane su tehničke karakteristike vodomera, pa dalji komentari ovde nisu neophodni. Problemi instalacije, održavanje i eksploatacija ovih uređaja specifični su za svaki vodovodni sistem. Naročito je teško pitanje očitavanja vodomera koje je osnov za naplatu potrošene vode. U najvećem broju slučajeva to obavljaju radnici vodovodnih sistema (čitači) koji obilaze vodomere i očitane vrednosti sa integratora unose u knjige. To je ujedno i najmanje efikasan način.

Primene

80

U vodovodnim sistemima se ispituju i uvode i drugi sistemi i tehnologije koji treba da unaprede očitavanje. U to se uključuje telemetrija koja koristi javne telefonske ili kratkotalasne radio veze. Postoje i jednostavniji lokalni bezkontaktni uređaji za očitavanje (optičko ili induktivno) koji direktno prenose vrednosti sa vodomera u lokalni ručni loger ili mikrokompjuter. Da bi se to ostvarilo vodomeri se tako opremaju da imaju mogućnost elektronskog izlaza u obliki jednostavnih impulsa po jedinici zapremine ili, u poslednje vreme češće, preko enkodera ugrađenog u sam vodomer. Na brojčaniku vodomera se vidi količina vode koja je protekla kroz uređaj. Posebne službe u vodovodima prate promene stanja na vodomerima i to je osnov za obračun i naplatu potrošene vode. Čitači vodomera obilaze vodomere u određenim vremenskim intervalima (nekoliko puta godišnje) i upisuju promene stanja u radni dnevnik. Ovakav način očitavanja je spor i zahteva mnogo ljudskog rada. Tome doprinosi i naknadna obrada: prenos podataka u računar, obračun i pravljenja računa. Za ove, i slične, svrhe razvijeni su posebni kalkulatori. Procedura je uprošćeno prikazana na slici 6.1.

Vodovod Teren Vodovod

LAN LAN

Server Server

PC PC

PSION

Priprema Citanje potrosnje Preuzimanje podataka

Potrosac

Radnik

Slika 6.1. Ručno snimanje potrošnje Čitaču se dodeljuje jedna grupa potrošača, koja može da se obiđe za jedan radni dan. U kalkulator se na početku dana iz računara prebace podaci o potrošačima, i to onim redom kojim će ih čitač obilaziti. Pri očitavanju vodomera radnik samo unosi broj u kalkulator i na kraju dana ga predaje na dalju obradu a dobija novi za sledeći dan. Ovako se izbegava pisanje brojeva u knjigu i njihov prenos u računar. Tako se proces ubrzava i smanjuje mogućnost grešaka. Ovaj način rada nije pogodan ako je u pitanju kontrola potrošnje ili gubitaka po zonama. Čitanja su suviše retka (jedan ili dva podatka u mesec dana) za ozbiljnu analizu. Taj problem se rešava ugradnjom logera, uređaja za


81

automatsko prikupljanje i čuvanje podataka i automatskim očitavanjem vodomera. Praćenje potrošnje automatskim očitavanjem instrumenata se u različitim zemljama različito rešava. Postoji sistem u kome se koriste javne telefonske linije. Posebnim uređajem se broje impulsi dobijeni obrtanjem vodomera, odatle se dobija protok, koji se preko telefona šalje u vodovod (vidi sliku 6.2). Postoje dve močućnosti: da se podatak šalje automatski, po utvrđenom planu ili da se protok dobije pozivanjem telefonskog broja koji je dodeljen meraču.

M

ServerInterfejs

Vodomer

Prijemnik

Telefonskiprikljucak

Telefonskacentrala

Telefonskelinije

Potrosac Vodovod Racuni Alarmi

DB

Opravke Arhiva

Slika 6.2. Očitavanje vodomera preko telefonske linije Postoji i sistem čija je osnova kablovska televizija, (vidi sliku 6.3).

M

ServerInterfejs

Vodomer

Prijemnik

Prikljucnakutija

TelevizorSatelitska antena

Racuni Alarmi

DB

Opravke Arhiva Slika 6.3. Očitavanje vodomera preko kablovske televizije

Primene

82

Interfejs je isti kao i kod rešenja sa telefonom a podatak se šalje preko priključne kutije za televizor. Poslednja dva rešenja koriste radio vezu. U prvom (slka 6.4) se podaci sa više mernih mesta sabiraju i šalju do najbližeg repetitora (radio odašiljač). Poseban automobil kruži gradom i prihvata emitovane signale.

Prijemnik

M M M

Periferijskastanica Repetitor

Vodomeri KT radio Mobilniprijemnik

Racuni Alarmi

DB

Opravke Arhiva

Server

Slika 6.4. Očitavanje vodomera preko kratkotalasnih radio stanica U drugom rešenju podaci o potrošnji se prenose putem mreže stacionarnih reprtitora koji su u stalnoj vezi sa vodovodom (Obradović, 1999).

Racuni Alarmi

DB

Opravke Arhiva

Server

M M M

Periferijskastanica Repetitor

Repetitor

Vodomeri Radio veza

Slika 6.5. Očitavanje vodomera preko radio mreže


83

6.2. Kontrola gubitaka 6.2.1. Kontrolni vodomeri Gubici su, uz neregistrovanu potrošnju, jedan od najvećih problema sa kojim se sreću vodovodni sistemi, i obično iznose između 15% i 25% od ukupne proizvodnje. Aktivna kontrola gubitaka može značajno da ih smanji. U tome ključnu ulogu imaju merači protoka, postavljeni na ključne tačke u distribucionom sistemu. Obično su to Voltmanovi vodomeri, jer imaju odličan opseg, nisu skupi i ne zahtevaju napajanje energijom. Pored Voltmanovih vodomera, za ovu svrhu se sve više koriste i elektromagnetni merači. Sistem za kontrolu gubitaka se sastoji od niza kontrolnih vodomera koji mere ukupnu potrošnju vode u delovima distribucionog sistema. Na osnovu izmerenih protoka, koji predstavljaju zbir stvarne potrošnje i gubitaka, moguće je precizno odrediti iznos gubitaka u posmatranoj oblasti. Ovo je metoda bilansa ukupnih količina vode (engl.: TIF, Total Integrated Flow). Postoji i drugi, bolji, način za sračunavanje gubitaka i to preko analize noćne potrošnje (engl.: MNF, Minimum Night Flow). Ona se koristi samo ako postoje pouzdani podaci. To zahteva da se protoci mere dobrim instrumentima, sistematski, kontinualno i sa učestanošću od 15 do 30 minuta. Tako prikupljeni podaci su precizni i pouzdani pa mogu biti osnov za analizu. Preko dijagrama dnevne potrošnje vode može se konstatovati postojanje gubitaka. Na slici 6.6. (Obradović, 1999) na jednom primeru iz Velike Britanije, vide se dva dijagrama potrošnje u jednom delu mreže: pre i posle popravki.

Slika 6.6. Dnevni dijagram potrošnje sa i bez gubitaka

Primene

84

Glavne razlike u dijagramima su sledeće: − noćna potrošnja je zbog gubitaka povećana, − sa porastom gubitaka smanjuje se razlika između maksimalne i minimalne

potrošnje. Dobro postavljena mreža zona potrošnje, po čijim granicama su kontrolni vodomeri, osnovni je preduslov za kontrolu gubitaka vode. Dobija se opšta slika o stanju sistema, identifikuju se oblasti mogućih gubitaka i određuju prioriteti u borbi za njihovo smanjenje. Po definisanju mogućih zona gubitaka potrebno je locirati i samo mesto kvara na cevovodu, radi opravke. 6.2.2. Korelator Vredno je na ovom mestu, zbog kompletnosti, pomenuti i metodu traženja mesta gubitka sa kojom se čitalac može sresti, a ne bazira se na merenju protoka. Voda, napuštajući cev pod pritiskom kroz pukotinu na mestu kvara, stavara karakterističan šum koji se može detektovati na više različitih načina. Prateći indicije problema, koje nastaju usled neslaganja u merenju protoka, iskusan operator će prvo pokušati da, pomoću visokofrekventnog kontaktnog mikrofona, osluškuje šumove curenja na svim pristupačnim priključcima. Kada dođe do curenja na cevi, visok pritisak u cevovodu potiskuje vodu, kroz pukotinu ili otvor na zidu cevi, u spoljašnost gde vlada atmosferski pritisak. Ovo kretanje fluida kroz pukotinu, iz zone višeg ka zoni nižeg pritiska izaziva stohastičke promene pritiska u okolini pukotine. Varijacije pritiska se obično mogu čuti kao šum. To je klasičan šum curenja koji se tokom dugog niza godina koristio za pronalaženje kvarova pomoću štapa za slušanje (vidi sliku 6.7), stetoskopa i elektronskih uređaja sa slušanje. Ograničenja tih tradicionalnih metoda su tih ili preglasan šum, visok nivo okolne buke (saobraćaj) i sl, što smanjuje mogućnost da se precizno locira izvor šuma.

Slika 6.7. Štap za slušanje


85

Postoje i savremenije metode za pronalaženje mesta kvara pomoću šuma koji izaziva voda izlazeći kroz pukotinu u cevi. Može se koristiti geofon, kojim se locira tačka na cevovodu, glavni generator šuma. Kao alternativa se koristi korelator šuma curenja (slika 6.8).

Slika 6.8. Rad korelatora Proces korelacije u potpunosti prevazilazi pomenuta ograničenja. U ovoj metodi određuje se vreme potrebno da zvuk, koji proizvodi curenje, pređe poznato rastojanje kroz cev. Ova činjenica, uz poznavanje geometrije i položaja cevovoda, omogućava korelatoru da otkrije tačan položaj curenja. Šum curenja putuje kroz cev od izvora (pukotine) u oba smera istovremeno. Kreće se konstantnom brzinom koja zavisi od cevnog materijala i dimenzija cevi. To znači da će šum za određeno vreme preći potpuno isto rastojanje K u oba smera od mesta kvara. To je šematski prikazano na slici 6.9.

Slika 6.9. Šum curenja putuje od pukotine brzinom (V) m/s.

Rastojanje koje pređe u vremenu T je K = V × T Proces korelacije koristi vreme putovanja šuma curenja tako što se meri razlika u vremenu stizanja šuma u dve različite merne tačke na cevi. Situacija je prikazana šematski na slici 6.10.

Primene

86

Korelator "osluškuje" šum u dve tačke: A i B (slika 6.10). Jedna od tačaka, A u ovom slučaju, je bliža mestu curenja nego tačka B. Korelator meri vreme potrebno da šum doputuje iz tačke C do tačke B. Veza između K - ukupnog rastojanja između mernih tačaka, L - rastojanja kvara od merne tačke A, i k - rastojanja tačke C od merne tačke B, je data sledećom relacijom: K = L + L + k K = 2L + k Ako je V brzina prostiranja šuma kroz cev a T vreme potrebno da šum pređe rastojanje k, onda prethodna jednačina postaje: K = 2L + (T × V) iz čega se dobija L = 0,5 × [K - (T × V)]

Slika 6.10. Osnovni principi rada korelatora Suština ove metode je u tome da ukupno rastojanje K između mernih tačaka A i B može da se izmeri i da je poznata brzina prostiranja zvuka kroz cev V, za određeni prečnik i materijal cevi.

6.3. Bilansiranje količina Sistem za bilansiranje količina vode treba da omogući stalni uvid u tekuću proizvodnju i potrošnju vode, kao i stanje zaliha u rezervoarima. Bilans se računa za ceo vodovodni sistem ali i za pojedine njegove delove, sve do pojedinačnih objekata. Za vođenje bilansa neophodno je na svim objektima vodovodnog sistema postaviti merače protoka. Ako objekat ima više veza (postrojenje sa više ulaza i izlaza, crpna stanica sa više potisnih cevovoda), na svakoj od njih je neophodno merenje. Merači služe da prikažu i zabeleže količine vode (sirove, proizvedene, potisnute). Obično se na tim mestima protoci kreću u ograničenim opsezima i često se koriste merači na bazi razlike pritisaka. Sve više ih zamenjuju elektromagnetni i ultrazvučni merači protoka.


87

Merači protoka koji mere ukupne količine isporučene vode po svojoj prirodi rade sa velikim varijacijama količina. I ovde se obično koriste merači sa razlikom pritisaka, ali se podjednako ugrađuju i elektromagnetni i ultrazvučni. Preporučljivo je postaviti dovoljan broj merača koji se mogu međusobno proveriti. Tako se kod važnih rezervoara mere nivo, dotok i oticanje vode, čime je omogućeno bilansiranje količina. U sledećem primeru prikazano je bilansiranje količina vode u vodotornju "Minety" u Belikoj Britaniji (Obradović, 1999). Na slici 6.11 prikazani su rezultati merenja prikupljeni telemetrijom za jedan uobičajen dan.

Slika 6.11. Telemetrijski podaci za vodotoranj "Minety" Voda se povermenim pumpanjem dotura u vodotoranj (kroz merač protoka AF122), a otiče prema potrošačima (kroz merač protoka AF129). Dubina vode u vodotornju se dobija preko merača nivoa AL107. Bilans količina se vidi na slici 6.12. Kada dotok premašuje oticanje nivo vode raste, i obrnuto. Prikazane su tri linije: − ukupan bilans: dotok - oticanje + promena zapremine (Q3), − razlika protoka: dotok - oticanje (Q1), − promena zapremine po vremenu (Q2). Najvažnija je prva linija, u ovom primeru ona osciluje oko nule što znači da je tog dana sa merenjem sve bilo u redu.

Primene

88

Slika 6.12. Bilans količina za vodotoranj "Minety"

6.4. Alarmi Sistem za alarme i opšti nadzor je svakako najvažniji deo sistema daljinskog nadzora. Pokriva najznačajnije objekte i pokazuje da li vodovodni sistem u celini radi dobro. Merni uređaji, kao i ostala prateća oprema, ovde treba da budu najboljeg kvaliteta, pouzdani i precizni.


89

7. Izbor Pravilan izbor uređaja nije nimalo lak zadatak. Bez obzira na inženjersko iskustvo neophodno je uvek razmotriti sledeće parametre: − karakteristike uređaja, − cena, − efekti u radu, − instalacija, − održavanje, − zahtevani izlazni signali. Merači protoka, koji se baziraju na napred opisanim tehnikama, dostupni su većini vodovodnih sistema. Neophodno je ukazati i na zabludu investitora i projektanata da se izborom dobre opreme može nadoknaditi nedostatak održavanja, zbog čega i najbolji uređaji prestaju da rade. Nekritična nabavka opreme često vodi krupnim promašajima. Nije dobro odluke ili preporuke za nabavku uređaja donositi bez dovoljno stručne analize i provere. Ako se o merenju protoka u vodovodnom sistemu vodi neophodna briga onda je izbor i nabavka opreme deo smišljene dugoročne politike čiji je krajnji cilj da se razvije pouzdan sistem upravljanja. Postojeća oprema, ako je dobro održavana, može se modernizovati i uklopiti u savremen sistem, uz dodavanje elemenata za registrovanje i prenos rezultata merenja. Na izbor merača protoka utiče prečnik cevovoda. Nekada je potrebno u mernom preseku ostvariti raspon brzina u propisanom opsegu, pa se prečnik cevovoda može smanjivati do prečnika merača. Na slici 7.1 prikazane su oblasti dimenzija standardnih merača protoka. Lako je zaključiti da se elektromagnetni merači proizvode u najvećem rasponu prečnika. Zato su i najveće mogućnosti njihove primene.

Izbor

90

Slika 7.1. Uobičajene dimenzije nekih tipova merača protoka Tačnost merača protoka zavisi od primenjenog principa rada, kao i od načina eksploatacije. Uopšteno govoreći, najveća tačnost se može ostvariti sa elektromagnetnim i turbinskim meračima, dok se sa ultrazvučnim dobijaju nešto slabiji rezultati. U konkretnim uslovima tačnost se može bitno poboljšati ostvarivanjem propisanih uslova za rad i pažljivom kalibracijom. Na slici 7.2 prikazane su granice tačnosti pojedinih tipova merača.

Slika 7.2. Moguće tačnosti pojedinih tipova merača protoka


91

Na cenu merača protoka, naročito ako se radi o uvoznom proizvodu, utiče mnogo faktora, čija analiza zahteva posebnu knjigu. Ovde se daju odnosi nabavnih cena na tržištu u Velikoj Britaniji. Referentna je cena ultrazvučnog merača sa prečnikom od 1 m, i dobijaju se odnosi nabavnih cena za različite tipove merača, prikazani na slici 7.3.

Slika 7.3. Odnos cena i prečnika merača protoka Korisnik treba da razmotri sve činjenice. Ne treba nikako zanemariti iskustva postojećih korisnika ("najbolje je učenje na tuđim greškama", Bizmark, Oto fon, 1815-1898). Karakteristike uređaja, koje navodi proizvođač ili prodavac,

treba uvek potvrditi pozitivnim iskustvima neke nezavisne ustanove ili vodovoda koji ga već koristi, čime će se povećati sigurnost da je izbor dobar. Na slici 7.4. prikazano je kako raste cena elektromegnetnog merača sa porastom prečnika. Očigledno je da kvalitet koji pruža ovaj tip merača mora i da se plati. Ako novaca nema koristi se neka od sondi jer njihova cena ne zavisi od prečnika cevovoda na koji se ugrađuje, makar kao privremeno rešenje.

Slika 7.4. Veza cene i prečnika za elektromagnetni merač

Izbor

92

U tabeli 7.1. prikazane su glavne odlike pojedinih, prethodno opisanih, tehnika merenja, značajnih za donošenje odluka pri izboru merača protoka. Tabela 7.1. Kratko uputstvo za izbor merača protoka

Tip Diferencijalni pritisak Vodomer Elektro magn.

Ultra zvučni Odlike Dijafragma Venturi

Protok (P) ili Zapremina (Z) P P Z ili P P P

Opseg 4:1 4:1 20:1 >20:1 10:1

Srednja tačnost ±2,0% ±1,5% ±1,5% ±0,5% ±1,0%

Za čistu vodu Da Da Da Da Da

Za sirovu vodu Ne Ne Ne Da Da

Za male brzine <0,2 m/s Ne Ne smanjena

tačnost Da Ne

Nabavna cena N V S/N S S

Troškovi održavanja S S S/N N N

Gubici pritiska V S S N N

Snabdevanje el. energijom Ne Ne Ne Da, može

i akumul. Da

Pokretni delovi Ne Ne Da Ne Ne

Prepreke u cevovodu V N V N N

Osetljivost na uzvod. uslove V S S N S

Merenje u oba smera Ne Ne Ne Da Da

N = nisko; S = srednje; V = visoko Za tačnost i opseg prikazane su nominalne vrednosti. Treba voditi računa o specifikacijama proizvođača za specifične uslove.


93

8. Razvoj Napredak tehnologija koje utiču na oblast merenja protoka je stalan. Izuzetak su dve oblasti sa nešto sporijim razvojem, merenje potrošnje u industriji i domaćinstvu i kontrolna merenja u distributivnoj mreži, u kojima je dominantna upotreba mehaničkih metoda merenja. U nastavku se daje prikaz razvoja u tim oblastima. Postojećim mehaničkim meračima (vodomeri) svojstveni su sledeći problemi: − visoka cena zbog potrebnih okana i mogućih zahteva za ugradnju

armatura (filteri, bajpasi i sl), − ograničen merni opseg, − opadanje tačnosti u toku eksploatacije zbog habanja pokretnih delova, − slaba ili nikakva mogućnost merenja protoka u suprotnom smeru, − osetljivost na loše hidrauličke uslove, − relativno visoki gubici pritiska, − loše karakteristike pri malim protocima, − potreba čestog održavanja, naročito pri radu sa velikim protocima. Mnogi proizvođači usmeravaju razvoj ka prevazilaženju ovih problema i na tržištu se stalno pojavljuju novi proizvodi. Kompanija "ABB Kent Taylor" razvila je novu generaciju sistema merača protoka. Svi delovi tog sistema namenjeni su određenim potrebama vodovoda. Elektromagnetni merač protoka "Aquamag" sastoji se od izolovanog davača za protok i prethodno kalibrisane programibilne jedinice predajnika, i radi sa jednosmernim naponom od 12 V (vidi sliku 8.1). Deo sistema je integrator za snimanje ukupno protekle zapremine, sa LCD ekranom za očitavanje trenutnih vrednosti. Magnetni kalem je zaliven u oblogu sonde i ima provodljivost od 10 S/cm (10 mho/cm) i višu. Uređaj je otporan na vodu (stepen zaštite IP 68), robusan i otporan na mehaničke uticaje pa je pogodan za ukopavanje u rov cevovoda, bez okana ili druge zaštite. Merač se montira na cev, prethodno povezan neophodnim kablovima sa elektronskom jedinicom, pa se zatim rov može zatrpati a iznad zemlje ostaje samo pomoćna elektronika (slika 8.2). Najveći tehnološki prodori su primenjeni u jedinici elektronskog pretvarača. To je jedinica koja se bazira na CMOS mikroprocesoru, i sadrži generator konstantnog napona, kojim upravlja komutator, i magnetnim namotajima davača obezbeđuje pozitivnu i negativnu pobudu.

Razvoj

94

Slika 8.1. Elektromagnetni merač protoka Aquamag, ABB Kent-Taylor Signal iz elektrode senzora, srazmeran protoku vode kroz merač, uvodi se u pojačalo sa filterom. U sledećem nivou odstupanje nule i pojačanje kontroliše centralna jedinica (CPU), i tako se obezbeđuje optimalni nivo signala. Signal se potom, pomoću analogno digitalnog konvertera, pretvara u niz impulsa pre nego što se uvede u CPU. Centralna jedinica obrađuje impulse u odnosu na nulu, pozitivne i negativne pobude magnetnog polja i tako sračunava brzinu tečenja; pa na osnovu toga generiše izlazni signal. 8.1. Način rada Uređaj može da radi na dva načina: povremeno i kontinualno. U povremenom radu sistem meri srednju vrednost protoka vode u cevi senzora u periodu od oko 5 sekundi, u pravilnim intervalima od 15 minuta (mada se to po potrebi može promeniti, da iznosi od 1 do 225 minuta). Između dva merenja predajnik je "uspavan", ne troši energiju, pa tako može da radi samostalno duže od godinu dana, uz pomoć malog akumulatora. Vek baterije zavisi od intervala merenja u povremenom načinu rada. Na kraju svakog perioda merenja rezultat se predaje spoljnjoj opremi preko serijskog izlaza ili konvencionalnom logeru preko impulsnog izlaza (koji radi neprekidno, i za vreme perioda "uspavanosti"). Impulsni izlaz, sa redukovanom frekvencijom ako je potrebno, povezan je i sa modulom za internu integraciju.


95

U kontinualnom radu merač funkcioniše kao svaki drugi elektromagnetni merač protoka, a samostalno može da radi do mesec dana, napajajući se iz vlastitog akumulatora. 8.2. Ekran U kontinualnom radu trenutni razultati mogu da se očitavaju na ekranu od tečnog kristala (LCD), sa 4 cifre i automatskim pomeranjem decimalnog zareza. Decimala ima toliko da se može prikazati protok pri brzini u cevi od 0,001 m/s. Protok se prikazuje u odabranim jedinicama (na primer u l/s), sve do maksimalnih ±9999 jedinica. Napajanje električnom energijom je preko zamenljive akumulatorske baterije, kao i iz mreže, sa mogućnošću priključenja preko jedinice za neprekidno napajanje (UPS). Postoji i opcija napajanja solarnom energijom. 8.3. Primena Proizvođač navodi da se prednost ovog merača sastoji u njegovoj dvostrukoj nameni: podjednako je dobar kao kontrolni merač u mreži, kao i u ulozi merača isporučene vode potrošaču. Ima visoku tačnost, širok merni opseg, i iznad svega dobru ponovljivost merenja. Predajnik i baterija mogu da se smeste u okno, ili zaštitni orman. Telo samog merača može da se instalira bez okna jer je u osnovi inertno, bez pokretnih delova i ne zahteva održavanje.

Slika 8.2. Tipična instalacija merača Aquamag


97

9. Kalibracija Kalibracija merača protoka, bilo da se obavlja u laboratoriji ili na mernom mestu, neophodna je radi: − potvrde karakteristika uređaja koji se koristi, − kontrole kvaliteta - testiranja novih uređaja, − usklađivanja sa zakonskim propisima, − standardizacije merenja i povećanja poverenja u rezultate merenja. Dokaz o kalibraciji se obično dobija u obliku sertifikata, izveštaja o ispitivanju ili proceni, i to od ovlašćene ustanove, koja može biti nezavisna državna ili privatna laboratorija. Tu proceduru mogu, takođe, da obavljaju i proizvođači i korisnici merača. Kalibracija merača protoka se ne razlikuje od kalibracije bilo kog drugog instrumenta. Sastoji se od poređenja rezultata merenja dobijenih na testiranom instrumentu sa rezultatima standarda višeg stepena tačnosti. Poređenje može biti preko zapremine ili, mnogo češće, u obliku protoka. Cilj je da se uspostavi veza između izlaznih podataka na meraču sa stvarnim protokom. U praksi postoje dva pristupa kalibraciji merača protoka. Prvi je fiksan sistem za kalibraciju sa svom potrebnom podrškom, pri čemu se merači donose na kalibraciju. Ddrugi pristup daje prednost kalibraciji na licu mesta, sa meračem koji je ugrađen, a pomoću prenosivog kalibratora. Prvi u principu pruža tačniju kalibraciju samog uređaja, dok drugi ima prednost što se pri kalibraciji uzimaju u obzir i efekti specifični za dato merno mesto, kao što je blizina hidrauličkih prepreka i sl. Obično je očigledno koji od ova dva pristupa treba usvojiti u konkretnom slučaju, ali ponekad treba izvršiti pažljivu analizu pre odlučivanja za metod kalibracije. Tehnike koje se koriste pri kalibraciji su brojne, kao i instrumenti koji se koriste, bilo u laboratoriji ili na terenu. Međutim, korisno je razmatrati ih odvojeno, u zavisnosti od mesta obavljanja.

9.1. Kalibracija u laboratoriji Kalibracija u laboratoriji (standardni test) se obavlja u uslovima potpuno razvijenog rasporeda brzina po preseku, što znači da je uzvodno od merača deonica prave, glatke, cevi dovoljno dugačka i da je tečenje ustaljeno.

Kalibracija

98

Postoje tri osnovne metode za kalibraciju merača protoka pod pritiskom: − gravimetrijska, − volumetrijska, − pomoću referentnog merača. Prve dve se zasnivaju na principu da se voda, koja prođe kroz merač koji se kalibriše, sprovodi do sabirnog suda gde se na specifičan način određuje masa ili zapremina. Voda kroz merač može da prolazi na dva načina. U prvom slučaju kalibracija podrazumeva povećavanje protoka od nule do predviđene vrednosti, takozvani "start iz mesta", kao i smanjivanje protoka do nule, na kraju procedure. Ako je period sakupljanja vode u sudu dovoljno dug ove razlike sa početka i kraja perioda kalibracije neće bitno uticati na krajnji rezultat. U drugom slučaju, koji se nazova "leteći start", prvo se dostigne traženi protok pa tek tada počinje prikupljanje vode u sud. Prva tehnika se primenjuje za zapreminske vodomere, dok je druga pogodnija za merače sa diferencijalnim pritiskom, elektromagnetne i ultrazvučne. 9.1.1. Gravimetrijska metoda U statičkoj gravimetrijskoj metodi količina sakupljene vode se određuje merenjem praznog i punog rezervoara na vagi. Razlika dobijena iz ta dva merenja se, uz poznatu gustinu sakupljene vode, preračunava u zapreminu. Tipična instalacija ove metode je prikazana na slici 9.1. Voda prolazi kroz merač i regulator protoka i kroz mlaznicu koja formira lepezasti mlaz. Razdelnik je tako oblikovan da mlaz usmerava ili u rezervoar na vagi ili nazad u instalaciju. Za razdelnik je povezana elektronska štoperica koja meri vreme u kome voda puni rezervoar na vagi. Gravimetrijski protok se dobija deljenjem mase sakupljene vode na vagi sa vremenom punjenja. Zapreminski protok se dobija deljenjem gravimetrijskog protoka sa gustinom tečnosti koja je upotrebljena.

Slika 9.1. Kalibracija merača protoka gravimetrijskom metodom


99

Problematika kalibracije merača protoka gravimetrijskom metodom detaljno je opisana u standardu ISO 5168. Koristeći standardnu proceduru u Nacionalnoj inženjerskoj laboratoriji (NEL) u Velikoj Britaniji vrše se merenja na tri instalacije. Odstupanja razultata merenja na njima (u procentima od merene količine) prikazana su u tabeli 9.1. da bi se stekao osećaj za red veličine tačnosti koji se može očekivati u ovakvim procedurama. Deklarisana tačnost merača ne sme da bude veća od tačnosti koja se može ostvariti u procesu kalibracije. Tabela 9.1. Tačnost kalibracije - primer iz Engleske

Instalacija Protok (l/s) Odstupanje (%) Velika 3,0 - 1600 0,1 Srednj 0,7 - 800 0,2 Mala 0,4 - 40 0,2

Gravimetrijska metoda uz "start iz mesta" je nešto jednostavnija jer nema razdelnika. Pogodna je samo za zapreminske vodomere na koje ne utiču varijacije protoka za vreme kalibracije. 9.1.2. Volumetrijska metoda Pri ovoj tehnici kalibracije voda koja prođe kroz merač se upućuje u rezervoar poznate zapremine. Kad se napuni, ta poznata zapremina se upoređuje sa integrisanom količinom zabeleženom na meraču koji se kalibriše. Koriste se različiti oblici rezervoara; jedna od mogućnosti je prikazana na slici 9.2.

Slika 9.2. Kalibracija merača protoka volumetrijskom metodom

Kalibracija

100

Na slici 9.3 prikazana je zanimljiva instalacija za kalibraciju merača protoka. Sastoji se od cevi kroz koju se kreće klip ili elastična lopta. Merač koji se kalibriše montira se na ulazu instalacije a voda koja se kreće prisiljava loptu da se kreće kroz cev. Na krajevima cevi su prekidači koji registruju prolazak lopte. Zapremina cevi između dva prekidača je utvrđena inicijalnom kalibracijom, i ta poznata zapremina se upoređuje sa onom registovanom na meraču tokom kalibracije.

Slika 9.3. Jedna varijanta kalibracije volumetrijskom metodom 9.1.3. Metoda referentnog merača Možda najjednostavnija i najpristupačnija kalibracija je pomoću referentnog merača. Ovde se merač protoka sa poznatom tačnošću poveže u red sa meračem koji se kalibriše. Najviše se za ove svrhe koriste zapreminski i turbinski vodomeri. Referentni merač treba da ima tačnost nekoliko puta veću od onog koji se kalibriše. Uobičajen je odnos 10:1.

9.2. Kalibracija na licu mesta Postoje situacije kada nema druge mogućnosti nego obaviti kalibraciju na licu mesta, kao na primer: − kada nije moguće prekinuti protok u cevovodu, − kada treba analizirati i lokalne uticaje, − kada je, zbog dimenzija merača, preskupa demontaža i transport uređaja. Međutim, najveće ograničenje ove metode je što se ne mogu postići visoke tačnosti kao u laboratoriji. Na terenu se ne može ostvariti tačnost viša od ±1% do ±5%, pa je ovu tehniku bolje smatrati proverom pouzdanosti umesto apsolutnom kalibracijom. Ovakve provere često prethode odnošenju merača u laboratoriju, ili zameni. Neke tehnike iz laboratorije mogu, u prenosivoj verziji, da se koriste i na licu mesta:


101

− referentni merač, − volumetrijska metoda. ali je u vodovodnim sistemima obično mnogo prikladnije koristiti: − prenosive merače sa stezanjem na cev, − ubodne merače. 9.2.1. Referentni merač Jednostavna i dosta popularna metoda u kojoj se koristi merač poznate tačnosti da bi se kalibrisao merač određen za testiranje. Da bi se ova metoda koristila neophodno je skrenuti tok kroz referentni merač i pri tome obezbediti da celokupna količina vode prolazi kroz njega. Jedan od načina kalibracije uz skretanja toka je prikazan na slici 9.4.

Slika 9.4. Instalacija merača pri kalibraciji Veća tačnost i opseg se mogu postići kombinovanjem merača. Na slici 9.5. je prikazana jedna instalacija za kalibraciju kontrolnih merača (NEL) na licu mesta. Ima tri opsega: za velike protoke 1-10 l/s, za srednje protoke 0,2-3 l/s i za male protoke 0,001-0,75 l/s. Kod ovakvih instalacija treba imati na umu da se voda koja prolazi kroz njih ne vraća u mrežu već se ispušta, pa za to treba obezbediti odgovarajuće instalacije.

Kalibracija

102

Slika 9.5. NEL standard za protoke 9.2.2. Volumetrijski rezervoar U volumetrijskoj metodi na terenu mogu da se koriste prenosivi sudovi kao ranije pomenuti rezervoari. Međutim, mnogo je praktičnije koristiti zapreminu postojećih rezervoara. Princip se zasniva na merenju promena nivoa vode u rezervoaru tokom više sati. Preko krive zapremine rezervoara može se onda dobiti promena zapremine kroz vreme. Na taj način se mogu proveriti merači i na ulazima i na izlazima iz rezervoara, ali za vreme merenja svi zatvarači, osim onih koji vodu upućuju na merač koji se kalibriše, treba da budu zatvoreni. Tačnost metode zavisi od tačnosti merenja nivoa vode u rezervoaru kao i od kvaliteta zatvarača. Svako curenje umanjuje tačnost. Testovi se obavljaju obično noću. 9.2.3. Prenosivi uređaji sa stezanjem na cev Prenosivi ultrazvučni merači prokoka, koji se stežu uz cev, mogu da se koriste u situacijama kada nije moguće tolerisati skretanje toka vode. Već opisani ultrazvučni merači, na bazi Doplerovog efekta i direktnog vremena putovanja, proizvode se u prenosivim verzijama, veoma pogodnim za rad u terenskim uslovima. Sa njima je teško postići tačnost višu od ±2 - 5% jer je broj nepoznatih faktora često znatan: stanje obloge cevovoda, debljina zida cevi, raspored brzina u poprečnom preseku cevi. Ova se tehnika koristi više kao indikacija da je došlo do promene u radu merača između dve kalibracije, manje kao apsolutna provera. Na slici 9.6 prikazan je jedan prenosivi ultrazvučni merač protoka.


103

9.2.4. Merne sonde Tehnika merenja protoka mernim sondama već je opisana. Idealna je za povremena merenja i hidrauličke analize gde se, merenjem brzine u više tačaka duž prečnika cevi, dobija raspoded brzina po preseku cevovoda. Odatle se, pogodnom tehnikom integracije, dobija srednja brzina tečenja vode u cevi, a tako i protok u njoj.

Slika 9.6. Prenosivi ultrazvučni merač protoka "Panametrics" PT868


105

10. Rezultati merenja Merenje određenog parametra, bilo da se radi o protoku, pritisku ili nivou vode, neće imati nikakvu vrednost za korisnika u vodovodnom sistemu ako dobijene informacije nisu lako dostupne u zahtevanom obliku. Da bi se to obezbedilo, korisnik još u fazi odabiranja merača protoka treba da se odluči u kakvoj formi zahteva izlazne podatke. Na primer, da li su podaci neophodni na samom licu mesta ili ih treba preneti negde dalje; zatim da li ih treba samo prikazati ili iskoristiti za dalje analize, možda i arhivirati. Merači su neobično važni ali se njihov značaj može ostvariti u potpunosti samo ako su oni deo celine koja se naziva informacioni sistem. Izolovan merač sa lokalnim očitavanjem ima samo lokalni značaj, a veliki su izgledi da posle izvesnog vremena bude zapušten.

10.1. Prikaz rezultata Uređaji za prikazivanje rezultata merenja protoka treba da omoguće trenutni, ali ne uvek i permanentni, prenos informacija između merača i korisnika. Podaci mogu da se prikazuju u analognom obliku (okretanje kazaljke vodomera, slika 10.1) ili digitalnom obliku (LED ili LCD ekran, slika 10.2). Zahtevi se obično izražavaju u specifikacijama za uređaje. Daljinsko prikazivanje je moguće ako merni uređaj obezbeđuje izlazni signal - najčešće u vidu električne struje 4 - 20 mA.

Slika 10.1. Analogni prikaz Slika 10.2. Digitalni prikaz

Rezultati merenja

106

Trenutni prikaz izmerene vrednosti je značajan kod alarma (najviši nivo nadzora vodovodnih sistema) i kod vodomera (najniži nivo). Svi ostali nivoi bi, skoro po pravilu, trebalo da imaju nekakve sisteme za trajno zapisivanje rezultata. Postojanje takvih sistema ne isključuju mogućnost da se, pored trajnog beleženja podataka, na pogodan način vidi i trenutna vrednost protoka. Na slici 10.3. se vidi harmonična kombinacija novog i starog. Automatika i dnevnik rada.

Slika 10.3. Očitavanje i zapisivanje Očitavanje vodomera, kao najmasovnijeg vida merača protoka, ima posebnu važnost. Vrednost na brojaču se direktno očitava (u tamnom i vlažnom oknu) i ručno zapisuje. Vodomer se, kao i svaki drugi merač, može uključiti u telemetrijski sistem. To je, u našim uslovima, realno očekivati samo za značajne kontrolne vodomere. Vodomeri u kućnim priključcima mogu imati opciju za daljinsko čitanje, koja olakšava i ubrzava sam proces masovnog očitavanja vrednosti na brojilu. To važi za slučaj da je ekran izvučen na pogodno mesto, ili da se pri radu koriste pomoćni uređaji (vidi sliku 10.4).

Slika 10.4. Daljinsko očitavanje vodomera


107

10.2. Prenos Uređaj za merenje protoka treba da prenese rezultat merenja sa mernog mesta do mesta gde će se rezultat koristiti. To rastojanje može da se kreće od nekoliko metara do nekoliko kilometara. Da bi se taj transfer obavio merač treba da ima izlaz u nekom električnom obliku. 10.2.1. Analogni izlaz Najčešća je izlazna struja od 4 - 20 mA, što je postalo standard, mada se još koriste i druge varijante (na primer 0 - 10 mA ili 0 - 20 mA). Ovakav signal treba da bude proporcionalan izmerenoj veličini, iako se u nekim slučajevima, kao što je merenje protoka pomoću uređaja na osnovu diferencijalnog pritiska, vrši izvesna lokalna linearizacija. Maksimalna dozvoljena impedanca je različita kod raznih proizvođača, ali je obično između 500 i 1000 oma. Sistem 4-20 mA ima dve važne prednosti u odnosu na klasičan: − Stalna struja od 4 mA može da se iskoristi za daljinsko napajanje mernog

uređaja; − Priroda stalnog signala omogućava brzu detekciju prekida veza. U slučajevima gde ovakav signal treba da se poveže na instrument visoke impedance (uređaj za prijem napona) strujni signal se pretvara u naponski signal, koji odgovara takvim instumentima.

Slika 10.5. Različiti načini prenosa rezultata merenja protoka

Rezultati merenja

108

10.2.2. Impulsni izlaz Ova vrsta izlaza je najčešća kod merača protoka, naročito kod mehaničkih i elektromagnetnih, gde je priroda neobrađenog signala frekventno-impulsna. U tim slučajevima signal se proporcionalno prilagodi, tako da svaki impuls pretstavlja jednu jedinicu zapremine (na primer 10 litara po impulsu), pa se ti podaci koriste za integraljenje ukupno protekle vode. U slučajevima viših frekvencija za dobijanje podataka o protoku se koristi analogno digitalni konvertor. Impulsni izlaz može da se koristi i za pokretanje elektronskog ili elektromehaničkog brojača. 10.2.3. Digitalni izlaz Sa povećanjem broja takozavnih "pametnih" uređaja i mikrokompjuterskih sistema, javila se i rastuća potreba za digitalnim komunikacijama koje mogu iz instrumenta da obezbede mnogo više podataka, sem samog protoka. Ovo se ogleda u sve širem korišćenju serijske veze (RS232C, V24) mada razvoj ide dalje od pukog prihvatanja postojećih standarda kompjuterskih komunikacionih interfejsa i prelazi na standarde digitalnih instrumenata. Početna tačka je razvoj standarda za interfejs, koji definiše povezivanje udaljenih uređaja u distribuiranom sistemu merenja. Zamišljen kao alternativa za 4-20 mA sistem, pruža korisniku sve uobičajene prednosti digitalnih komunikacija kao i smanjenje troškova za instalaciju zbog mogućnosti serijskog povezivanja udaljenih uređaja. Ovaj sistem omogućava širu upotrebu "pametnih instrumenata".

10.3. Zapisivanje Tradicionalne tehnike beleženja rezultata merenja protoka su se zasnivale na pisanju po kružnim ili trakastim grafikonima. Na njima su rezultati bili trenutno dostupni za pregled i proučavanje, ali nisu imali oblik koji bi mogao da se prebaci u računar, bez koga pravog čuvanja i analize skoro da i nema. Uporedo sa brzim razvojem mikrokompjutera i elektronike, logeri su postali trenutno najprihvatljiviji način čuvanja rezultata merenja, kako po pojedinim objektima vodovodnih sistema, tako i na udaljenim mernim mestima, jer su snabdeveni akumulatorskim baterijama za napajanje.


109

Slika 10.6. Različiti načini zapisivanja rezultata Logeri se najšire mogu definisati kao sistemi za akviziciju podataka sa mogućnošću lokalnog programiranja. Primaju analogne i digitalne signale, obavljaju jednostavne matematičke i logičke operacije na ulaznim podacima, i obezbeđuju njihovo čuvanje u poluprovodničkoj memoriji. Neki logeri imaju mogućnost da preko javnih telefonskih linija na upit pošalju sadržinu. Ovakve funkcije logera se sve više ugrađuju u same merače protoka.

Slika 10.7. Veza merača protoka sa logerom

Rezultati merenja

110

Podaci iz logera se mogu prenositi direktno u računar. U tom slučaju treba ili doneti loger do računara (češći slučaj) ili računar do logera (lap top, Psion ili slično). Podaci se mogu preuzimati i bez obilaska logera, preko modema i telefonske linije (vidi sliku 10.8). Loger može imati sopstveni telefonski broj. Ovo je zgodna konfiguracija u početnoj fazi razvoja telemetrije kada postoji samo merač, računar i veze između njih, ali ne i ostali elementi potrebni za daljinski nadzor i upravljanje. Loger permanentno beleži rezultate merenja, a korisnik ih povremeno prebacuje u računar. Iz takvog jezgra se kasnije lakše razvija telemetrijski sistem. Sistem prikupljanja informacija preko logera ima niz pogodnosti: − uređaji su robusni i jednostavni, nije potrebna posebna obuka za rad, − ugradnju merača, postavljanje i skidanje logera, prikupljanje i

interpretaciju rezultata samostalno vrše radnici vodovoda, − vodovodni sistem je nezavisan od isporučilaca jer su logeri i prateća

oprema jevtini, standardizovani i jednostavni, − programska podrška može da se ostvari unutar vodovoda itd.

Slika 10.8. Preuzimanje podataka iz logera

10.4. Analiza Savremena tehnološka dostignuća u oblasti merenja i prenosa izmerenih vrednosti "zatrpavaju" vodovod hiljadama podataka o radu delova sistema. To obilje podataka ne mora da predstavlja i dobru informisanost. Da bi se dobila korisna informacija potrebno je uspostaviti procedure prihvatanja, provere, odabiranja, tumačenja i obrade podataka. S obzirom na količine podataka i obim posla koji se obavlja svakodnevno, jasno je da se posao mora kompjuterizovati u najvećoj mogućoj meri. Na slici 10.9. prikazan je jedan primer: kako uočiti kvar u mreži i reagovati na njega.


111

Obrada velikog broja rezultata merenja dobijenih telemetrijom nije nimalo jednostavna. Mogu da se koriste standardni paketi kao što je EXCEL, ali je mnogo bolje kada se radi sa programima naprevljenim "po meri" konkretnog vodovodnog sistema. Dobar primer za to je program "AquaFlow", razvijen u vodovodu "Wessex Water" u Velikoj Britaniji, za praćenje proizvodnje i potrošnje vode. Obrađuje isključivo podatke o protocima i služi za: − vezu sa telemetrijskim sistemom, − obradu i interprtaciju podataka, − ručno unošenje podataka, − konfigurisanje sistema, pripremanje izveštaja, − analizu proizvodnje i potrošnje vode i td.

Slika 10.9. Obrada operativnih podataka

Rezultati merenja

112

"AquaFlow" je simbolični kraj priče o merenju protoka. Program služi za analizu podataka dobijenih telemetrijom. Nastao je kao potreba da se iz mnoštva podataka odaberu, zapamte i prikažu samo vredni i interesantni delovi, jer u masi informacija, sa mnoštva merača koji mere sa visokom učestanošću može da se izgubi suština. Svaki vodovodni sistem prođe sličan put. Prvo se počne sa vodomerima, merenjem potrošene vode, zatim kontrolni vodomeri počnu da se postavljaju i na značajnim lokacijama distribucione mreže. Pri izgradnji novih objekata postavljaju se merači protoka koji obično imaju lokalno očitavanje vrednosti. Vrše se pojedinačna merenja za različite potrebe različitim prenosivim uređajima. Ugradnjom logera započinje era telemetrije, čiji je sledeći korak daljinski prenos izmerenih vrednosti protoka. Vreme od hroničnog nedostatka podataka na početku, do obilja informacija koje pruža telemetrija (takvog da je potreban "AquaFlow" da ih "probere") na kraju, za neke vodovodne sisteme je cela večnost. Oni vodovodi, koji su uspeli to vreme da skrate toliko da osete blagodeti sistema opisanih u ovoj knjizi, mogu se smatrati savremenim. Drugima će ova knjiga možda pomoći da to postanu.


113

Reference 1. "AquaCorr Operatinal Manual" (1995), Biwater Spectrascan, Hampshire,

UK 2. Fowles, G. (1993): "Flow, Level and Pressure Measurement in Water

Industry", Butterworth-Heinemann, Oksford, UK 3. Gajić A., Lj. Krsmanović (1994): "Matematička analiza i postupci

eksperimentalnih istraživanja", Mašinski fakiltet Univerziteta u Beogradu 4. Gotoh. K., J.K. Jacobs, S. Hosonoda and R.L. Gerstberger (1993):

"Instrumentation and Computer Integration of Water Utility Operations", American Water Works Associatin Research Foundation and Japan Water Works Association, Denver, USA and Tokyo, Japan

5. Hajdin, G. (u pripremi): "Mehanika fluida", Knjiga II: Uvođenje u

hidrauliku 6. Havran, M. (1992): "Savremene metode merenja potrošnje vode",

Savetovanje: Merenja u vodovodnim i kanalizacionim sistemima, Vrnjačka Banja, pp 111-137

7. "Inženjerijsko-mašinski priručnik", II izdanje, Glava 12: Metode i

sredstva merenja, (1992), Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd

8. Krsmanović, Lj., I. Vušković (1984): "Metod laboratorijskih merenja",

Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu 9. Lazarević, L., M. Živković i J. Nikolić (1987): "Problemi merenja protoka

u cevovodima velikog prečnika", Prvi jugoslovenski skup: Merenje u hidrotehnici, Stubičke Toplice, pp 121-139

10. Maksimović, Č. (1993): "Merenje u hidrotehnici", Građevinski fakultet

Univertiteta u Beogradu 11. Meinecke, H. (1984): "Measuring Characteristics of Water Meters",

AQUA, Journal of Water Supply Research and Technology, UK, No. 4, pp. 233-237

12. Obradović, D. (1993): "AquaFlow - Accounting for Water". User Manual,

Wessex Water Plc., Poole, UK

Reference

114

13. Obradović, D. (1997): "Organizacija sistema merenja i upravljanja u savremenim vodovodnim sistemima", Voda i sanitarna tehnika, Udruženje za tehnologiju voda i sanitarno inžinjerstvo, Beograd, Br. 6, pp, 5-25

14. Obradović, D. (1999): "Savremeni vodovodi, informatika i oprativno

upravljanje", Udruženje za tehnologiju vode i sanitarno inženjerstvo, Beograd

15. Radojković, M., D. Obradović i Č. Maksimović (1989): "Računari u

komunalnoj hidrotehnici", Građevinska knjiga, Beograd

16. "Spectrascan WISDOM User Manual" (1995), Biwater Industries Ltd., Hampshire, UK

17. Troskolanski, A. (1999): "Theorie et pratique des mesures

hydrauliques", Dunod, Paris, France 18. Vermersch, R. (1984): "Normalisation et Réglementation Internationales

des Computers d'Eau", AQUA, Journal of Water Supply Research and Technology, UK, No. 4, pp. 214-219

19. Vušković, I. (1977): "Osnove tehnike merenja", Mašinski fakultet

Univerziteta u Beogradu 20. Walski, T.M. (1984): "Analysis of Water Distribution Systems", Van

Nostrad Reinhold, New York, USA 21. Prospekti proizvođača


115

Skraćenice

Izraz Engleski Prevod Bypass Bypass Pipe Obilazna cev

CMOS Complementary Metal Oxide

Semiconductor

Logičko kolo sa komplementarnim tranzistorom

CPU Central Processing Unit Centralna jedinica u računaru

ISO International Standardisation Organisation

Međunarodna organizacija za standardizaciju

LCD Liquid Crystal Display Ekran sa tečnim kristalom

LED Light Emited Diode Dioda koja emituje svetlost

Logger Data Logger Uređaj za automatsko prikupljanje podataka

MHF Minimum Night Flow Minimalna noćna potrošnja

Modem Modulator-Demodulator Analogno digitalni pretvarač

NEL National Engineering Laboratory

Nacionalna inženjerska laboratorija u Velikoj Britaniji

TIF Total Integrated Flow Bilans količina vode


117

Registar pojmova Aksijalni snop, 57 Alarmi, 88 Analiza, 110 Analogni izlaz, 107 Anubar, 67 Bernulijeva teorema, 13 Bilansiranje količina, 86 Blenda vidi prigušnica Digitalni izlaz, 108 Dijafragma vidi prigušnica Dopler merač protoka, 48 Elektromagnetna sonda, 67

spoljašnje polje, 68 unutrašnje polje, 67

Elektromagnetni merač, 38 čišćenje elektroda, 45 instalacija, 44 katodna zaštita, 44 montaža, 43 smetnje, 44 uzemljenje, 44

Elektronski merači, 38 Emisioni merač, 52

razlika ferekvencija, 53 razlika vremena putovanja, 54

Energija fluida, 11 Energija pritiska, 12 Impulsni izlaz, 108 Izbor, 89 Izbor veličine, 75 Kalibracija, 97

gravimetrijska, 98 na licu mesta, 100 referentni merač, 100, 101 u laboratoriji, 97 volumetrijska, 99, 102

Kinetička energija, 12 Klasa vodomera, 25

Koeficijent otkaza, 4 Koeficijent umanjenja, 4 Kombinovani vodomer, 34 Kontrola gubitaka, 83 Kontrolni vodomeri, 79, 83 Korelacioni merač, 61 Korelator, 84 Koriolisov merač, 62 Kovitni merač, 60 Laminarni tok, 10 Linearnost, 4 Loger, 109 Lokacija, 75 Maseni merači, 62 Merne sonde, 103 Merno mesto, 76 MNF, 83 Noćna potrošnja, 84 Obilazni cevovod, 37 Opseg, 4 Oscilacije fluida, 60 Peskolov, 37 Pito cev, 65 Pobuda

ne-sinusna, 41 sinusna, 41

Ponovljivost, 2 Postavljanje merača, 75 Potencijalna energija, 11 Potrošnja vode, 79 Preciznost, 2 Prenos, 107 Prenosivi uređaj, 58, 102 Prigušnica, 20 Prikaz rezultata, 105 Primarni uređaj, 39 Primene, 79

Registar pojmova

118

Radne karakteristike, 1 Raspoloživost, 5 Raspored brzina, 10

određivanje, 74 Razlika pritisaka, 19 Razvoj, 93 Rejnoldsov broj, 10 Rešetka, 37 Rezultati, 105 Sekundarni uređaj, 39 Snop

jednostruki, 57 ukršten, 57 višestruki, 57

Sonda sa turbinom, 69 Strouhalov broj, 60 Tačnost, 2 Termički maseni merač, 63 TIF, 83 Toplotna energija, 12 Turbinski vodomer, 28

jednomlazni, 29

sa Peltonovim kolom, 28 višemlazni, 29 Voltmanov, 31 Voltmanov WP, 33 Voltmanov WS, 32

Turbulentan tok, 10 Ukupna energija, 12 Ultrazvučni merač, 48 Venturi, 22 Viskoznost 12

dinamička, 12 kinematska, 13

Vitstonov most, 63 Vodomeri, 25 Vreme rada bez otkaza, 4 Vrtložni merač, 60 Zapisivanje, 108 Zapreminski vodomer, 26

sa obrtnim klipom, 27 Žiroskopski merač. vidi Koriolisov


119

Dodaci Dodatak 1 Podela merača protoka Dodatak 2 Korisne adrese Dodadal 3 Standardi Dodatak 4 Pregled osobina merača Dodatak 5 Najvažnije jedinice Dodatak 6 Konverzija jedinica


121

Dodatak 1 Podela merača protoka

Merenje protoka u cevima pod pritiskom

Diferencijalni pritisak Prigušnica Venturi Dalova cev Cev promenljivog preseka Rotametar Otpor pokretne prepreke

Vodomeri Zapreminski Obrtni klip Recipročni klip Njišući klip Klizne lopatice Obrtne lopatice Ovalni zupčanici Turbinski Sa Peltonovim kolom Jednomlazni Višemlazni Ugaoni propelerni Bajpas Voltman WS WP

Elektronski merači Elektromagnetni (induktivni) Ultrazvučni Dopler Emisioni Razlika frekvencija Razlika vremena putovanja

Oscilacija fluida Vrtlozi Koviti Fluidični Korelacioni Maseni merači Protok mase Ugaoni momenat Koriolisov/žiroskopski Termički maseni merač

Dodaci

122

Merenje lokalne brzine u cevi

Pito cev Elektromagnetna sonda Unutrašnje polje Spoljašnje polje Turbinska sonda Laser Dopler Topla žica Vrtložna sonda Ultrazvučna Dopler sonda


123

Dodatak 2 Korisne adrese

Proizvođači Insa Zemun, ul. Tršćanska 21, tel: 614 434 Institut "Mihajlo Pupin", Laboratorija za mernu i regulacionu tehniku, Beograd, Volgina 15, tel: 776 222 Danfoss Beograd, ul. Prizrenska 6, tel: 683 077 Endress+Hauser "Meris", Beograd, ul. Makenzijeva 46, 444 29 66 ABB Beograd, ul. E. Josimovića 4, tel: 3244 341 Spectrascan, Biwater, Peek "Vodoprojekt", Beograd, ul. Gen. Mih. Nedeljkovića 85, tel: 318 0853

Kalibracija merača Institut za vodoprivredu "Jaroslav Černi" Beograd, ul. Jaroslava Černog 80, tel: 649 113 Građevinski fakultet Univerziteta u Beogradu, Hidraulička laboratorija, Bulevar revolucije 73, tel: 3370 206 Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, Laboratorija za strujno-tehnička merenja i modelska ispitivanja, 27. marta 80, tel: 3370 266 Savezni zavod za mere i dragocene metale, Beograd, ul. Mike Alasa 14, tel: 328 3736

Dodaci

124

Dodatak 3 Standardi ISO 2186:1973 Fluid flow in closed conduits -- Connections for pressure

signal transmissions between primary and secondary elements ISO/TR 3313:1998 Measurement of fluid flow in closed conduits -- Guidelines

on the effects of flow pulsations on flow-measurement instruments ISO 3354:1988 Measurement of clean water flow in closed conduits --

Velocity-area method using current-meters in full conduits and under regular flow conditions

ISO 3966:1977 Measurement of fluid flow in closed conduits -- Velocity area

method using Pitot static tubes ISO 4006:1991 Measurement of fluid flow in closed conduits -- Vocabulary

and symbols ISO 4064-1:1993 Measurement of water flow in closed conduits -- Meters for

cold potable water Part 1: Specifications Part 2: Installation requirements Part 2: Add 1:1983 Parallel and multiple meter operation Part 3: Test methods and equipment

ISO 4185:1980 Measurement of liquid flow in closed conduits -- Weighing

method ISO 5167:1991 Measurement of fluid flow by means of pressure differential

devices inserted in circular cross-section conduits running full Part 1: Orifice plates, nozzles and Venturi tubes Part 2: Orifice plates Part 3: Nozzles and Venturi nozzles Part 4: Venturi tubes inserted

ISO/TR 5168:1998 Measurement of fluid flow -- Evaluation of uncertainties ISO 6817:1992 Measurement of conductive liquid flow in closed conduits --

Method using electromagnetic flowmeters ISO 7066:1988 Assessment of uncertainty in the calibration and use of flow

measurement devices Part 1: Linear calibration relationships Part 2: Non-linear calibration relationships


125

ISO 7145:1982 Determination of flowrate of fluids in closed conduits of

circular cross-section -- Method of velocity measurement at one point of the cross-section

ISO 7194:1983 Measurement of fluid flow in closed conduits -- Velocity-area

methods of flow measurement in swirling or asymmetric flow conditions in circular ducts by means of current-meters or Pitot static tubes

ISO 8316:1987 Measurement of liquid flow in closed conduits -- Method by

collection of the liquid in a volumetric tank ISO 9104:1991 Measurement of fluid flow in closed conduits -- Methods of

evaluating the performance of electromagnetic flow-meters for liquids ISO 9368-1:1990 Measurement of liquid flow in closed conduits by the

weighing method -- Procedures for checking installations Part 1: Static weighing systems

ISO/TR 9464:1998 Guidelines for the use of ISO 5167-1:1991 ISO 10790:1999 Measurement of fluid flow in closed conduits -- Guidance to

the selection, installation and use of Coriolis meters (mass flow, density and volume flow measurements)

ISO 11631:1998 Measurement of fluid flow -- Methods of specifying

flowmeter performance ISO/TR 12764:1997 Measurement of fluid flow in closed conduits -- Flowrate

measurement by means of vortex shedding flowmeters inserted in circular cross-section conduits running full

ISO/TR 12765:1998 Measurement of fluid flow in closed conduits -- Methods

using transit-time ultrasonic flowmeters ISO/TR 12767:1998 Measurement of fluid flow by means of pressure-

differential devices -- Guidelines to the effect of departure from the specifications and operating conditions given in ISO 5167-1

ISO 13359:1998 Measurement of conductive liquid flow in closed conduits --

Flanged electromagnetic flowmeters -- Overall length ISO/DIS 14511 Measurement of fluid flow in closed conduits -- Thermal mass

flowmeters ISO/TR 15377:1998 Measurement of fluid flow by means of pressure-

differential devices -- Guidelines for the specification of nozzles and orifice plates beyond the scope of ISO 5167-1

Dodaci

126

Dodatak 4 Pregled osobina merača

Uređaj Max Q l/s

Odnos max:min Tačnost Tip

razmere

Prigušnica neogran. 4:1 ±1% max kvadratni

Venturi neogran. 4:1 ±1% max kvadratni

Mlaznica neogran. 4:1 ±1% max kvadratni

Dalova cev 120 4:1 ±1% max kvadratni

Rotametar 200 10:1 ±3% max linearni

Koleno neogran. 4:1 ±5% max kvadratni

Pito cev neogran. 4:1 ±5-10% max kvadratni

Pito rotametar 4 10:1 ±3,5% max linearni

Pito anubar 400 4:1 ±2% max kvadratni

Turbinski 95 10:1 ±2-5% max linearni

Vrtložni 145 10:1 ±1-2% max linearni

Ultrazvučni prenosivi 475 10:1 ±3-5% max linearni

Ultrazvučni stacionarni neogran. 25:1 ±1% max linearni

Elektro magnetni neogran. 25:1 ±0,5% max linearni


127

Pregled osobina merača (nastavak)

Uređaj Relativna cena

Gubitak pritiska

Uzvodna deonica Napomena

Prigušnica niska-sred. 50-90% ΔP 10-30 D Proširen opseg pri velikim Q

Venturi visoka 10-25% ΔP 10-30 D Mali gubici pritiska

Mlaznica srednja 30-70% ΔP 10-30 D Pogodan za velike brzine

Dalova cev srednja 2-4% ΔP 10-30 D Vrlo mali gubici pritiska

Rorametar niska 50-90% ΔP 10-30 D Ekonomičan za velike Q

Koleno niska zanemarljivo 25 D Jevtin, veliki Q

Pito cev niska zanemarljivo 20-30 D Raspored brzina po preseku

Pito rotametar niska zanemarljivo 20-30 D Direktno

očitavanje

Pito anubar niska zanemarljivo 7-25 D Montira se pod pritiskom

Turbinski sred.-visoka do 0,7 m.v.s 5 D Integrator protoka

Vrtložni srednja do 7 m.v.s. 10-40 D Potreban digitalni izlaz

Ultrazvučni prenosivi niska zanemarljivo 10-30 D Osetljiv na

vrstu cevi i nasl

Ultrazvučni stacionarni sred.-visoka zanemarljivo 10-20 D Osetljiv na

raspored brzina

Elektro magnetni sred.-visoka zanemarljivo zanemarlj. Direktno čitanje

rezulta (T. M. Walski, 1984)

Dodaci

128

Dodatak 5 Najvažnije jedinice

Fizička veličina Simbol SI

jedinica Dozvoljene jedinice

Preporučene jedinice Napomena

Dužina l m mm, cm, dm, km m Osnovna

jedinica

Vreme t s min, h, d s Osnovna jedinica

Zapremina V m3 cm3, l, dm3 m3

Protok Q m3/s m3/h, l/s. Ml/d m3/s, l/s

Masa m kg kg Osnovna jedinica

Specfična težina γ N/m3 N/m3

Gustina ρ kg/m3 kg/dm3 kg/m3

Sila F N kN, mN N =kg m/s2

Pritisak p Pa bar (=105 Pa) Pa, bar

Energija, rad E, A J kWh, Ws,

kJ J =Nm

Snaga P W kW, MW kW =J/s

Tempera-tura T K °C K

Dinamička viskoznost μ N s/m2 N s/m2

Kinematska viskoznost ν m2/s m2/s =μ/ρ


129

Dodatak 6 Konverzija jedinica Jedinica ES u SI SI u ES Dužina 1 in = 2,54 cm

1 ft = 0,3048 m 1 yd = 0,9144 m 1 mi = 1,6093 km

1 cm = 0,39370 in 1 m = 3,28084 ft 1 m = 1,093613 yd 1 km = 0,62139 mi

Površina 1 in2 = 6,4516 cm2 1 ft2 = 0,092903 m2 1 yd2 = 0,8361 m2 1 acre = 4046,86 m2

1 cm2= 0,155 in2 1 m2= 10,7639 ft2 1 m2= 1,196 yd2 1 acre = 2,471 m2

Zapremina 1 in3 = 16,387 cm3 1 ft3 = 0,02817 m3 1 gal USA = 3,7854 l 1 gal UK = 4,546 l

1 cm3 = 0,061024 in3 1 m3 = 35,31467 ft3 1 l= 0,264173 gal USA 1 l = 0,21997 gal UK

Brzina 1 ft/s = 0,3048 m/s 1 ft/min = 0,00508 m/s

1 m/s = 3,28084 ft/s 1 m/s = 196,85 ft/min

Protok 1 ft3/s = 28,3268 l/s 1 gal USA/s = 3,7854 l/s 1 gal UK/s = 4.546 l/s 1 gal USA/min = 0,063 l/s 1 gal UK/min = 0,0758 l/s

1 l/s = 0,0353 ft3/s 1 l/s = 0,26417 gal USA/s 1 l/s = 0,219974 gal UK/s 1 l/s = 15,85 gal USA/min 1 l/s = 13,1978 gal UK/min

Masa 1 lb = 0,4536 kg 1 slug = 14,5939 kg 1 ton 1016, 947 kg

1 kg = 2,204586 lb 1 kg = 0,068522 1000 kg = 0,98421 ton

Pritisak 1 psi = 6894,24 Pa 1 psi = 0,0689424 bar 1 in H2O = 2,4909 mbar 1 ft H2O = 29,8907 mbar

1 Pa = 0,000145 psi 1 bar = 14,505 psi 1 mbar = 0,40146 in H2O 1 mbar = 0,033455 ft H2O

Gustina 1 slug/ft3 = 515,363 kg/m3 1 lb/ft3 = 0,0160 kg/dm3 1 lb/in3 = 27,6799 kg/dm3

1 kg/m3 = 0,00194 slug/ft3 1 kg/dm3 = 62,50 lb/ft3 1 kg/dm3 = 0,036127 lb/in3

Energija, rad 1 ft lb =1,3558 W 1 BTU = 1,0558 kJ

1 W = 0,73757 ft lb 1 kJ = 0,94715 BTU

Snaga 1 ft lb/s = 1,3558 W 1 HP = 0,7457 kW

1 W = 0,73757 ft lb/s 1 kW = 0,7457 HP

Kinematska viskoznost

1 ft2/s = 0,0929 m2/s 1 m2/s = 10,764 ft2/s

Temperatura tC = (5/9)(tF-32) tC - u °C; tF - u °F

tF = 32+(9/5)tC

Documents

Merenje protoka u vodovodnim sistemima