Odborný článek o měření průtoku

1.1 Zařízení a způsob jeho výběru pro kontinuální měření průtoků

Zařízení pro kontinuální měření průtoků (dále průtokoměry) se sestávají z měrného profilu a elektronického vyhodnocovače průtoku (dále vyhodnocovač). Měrným profilem se rozumí místo, kde dochází k přechodu z říčního proudění na bystřinné případně místo (prizmatický úsek), kde je možno přesně určit závislost průtočné plochy na hloubce a tato je v čase neměnná. Vyhodnocovačem se rozumí zařízení, které čidly (obvykle ultrazvuková, tlaková a magneticko-indukční čidla, plovák) snímá proměnné a údaje předává do vyhodnocovací jednotky. Ta je s využitím statistiky zpracovává a vypočítává průtok a proteklé množství. Vyhodnocovače mohou časovou řadu a statistické údaje ukládat do paměti, předávat údaje do dalších zařízení a případně spínat nebo rozepínat okruhy připojených zařízení (čerpadla, vzorkovače, alarmy, servopohony řízení průtoku atd.).

Pro měření průtoku odpadních vod na stokových sítích a čistírnách odpadních vod a v ostatních otevřených korytech je možno používat vzhledem ke kvalitě a rozsahu průtoků odpadních vod pouze vybrané typy průtokoměrů. Mezi tyto se řadí:

  • měrné přelivy ostrohranné nebo se širokou či krátkou korunou s vyhodnocovačem,
  • měrné žlaby s vyhodnocovačem,
  • při nedostatku energie v profilu (malý sklon potrubí) nebo při problematické výstavbě vzdouvacího objektu se používají ultrazvukové průtokoměry s přímým měřením rychlosti a hloubky vody (Dopplerův jev, translace zvukového obrazu, transmise) anebo indukční průtokoměry s uzavřenou či otevřenou hladinou,
  • při větším rozsahu průtoků (např. jednotná kanalizace) se používají kombinované měrné objekty, které obvykle sestávají z vhodné kombinace základních typů přelivů a žlabů (trojúhelníkový přeliv s obdélníkovým, Parshallův žlab s přepadem se širokou korunou, malý Parshallův žlab vnořený do velkého atd.); data se vyhodnocují vyhodnocovačem,
  • pro méně přesné měření lze použít metodu využívající Q-h křivky kanálu (Chezyho rovnice) s verifikací drsnostního součinitele hydrometrováním; metoda určení Q-h křivky měrného profilu tj. místa, kde dochází ke změně říčního proudění v bystřinné, je přesnější, avšak konzumční křivku je nutno určit experimentálně (tj. hydrometrováním), přičemž podmínky pro přesné určení bývají v provozu omezené a tedy je obvykle tato metoda méně přesná; data se vyhodnocují vyhodnocovačem,
  • ostatní metody jako výtok otvorem, násoska, plnění-prázdnění nádrží, hybnostní metoda, radarová, chemické metody a další se používají zřídka.

1.1.1 Volba způsobu měření

Volba zařízení závisí na mnoha kritériích, jež mnohdy vzájemně působí proti sobě. Při určování typu průtokoměru je nutno zvažovat tato kritéria:

KRITÉRIUM ROZHODOVÁNÍ
finanční rozvaha
  • při významné ceně vypouštěných vod volit zařízení přesnější a tedy i dražší zařízení
  • když investici vyvolají legislativní požadavky, pak volit nejlevnější měření splňující požadavky legislativy (např. pro malé průtoky)
lokální vlivy
  • klimatické podmínky (hory x nížiny x město x komunikace x ČOV)
  • pravděpodobnost poškození, zcizení, vandalismus
použití
  • stabilní (při dlouhodobém použití)
  • přenosné (při krátkodobém využití - vývoje a trendy na lokalitě)
charakter měření
  • v otevřeném profilu (např. kanály, kanalizace, potoky)
  • v profilu s uzavřenou hladinou (např. tlaková potrubí)
průtok vody
  • návrh měř. s dostatečným a odpovídajícím rozsahem?
  • jak jsou dodrženy max. a min. rychlosti proudění?
kvalita vody
  • použít zařízení odpovídající kvalitě vody (eroze, koroze, ucpávání, samočištění)
hydraulické podmínky
  • vyhovující podmínky na přítoku a na odtoku v celém rozsahu průtoků
  • vzdutí před měřením při všech průtocích neovlivňuje funkci kanalizace
  • sedimentace, eroze
ztráta energie
  • vysoká - přelivy ostrohranné
  • střední - měrné žlaby, přelivy se širokou nebo krátkou korunou
  • nulová - ultrazvukové a magneticko indukční přístroje, Q-h křivka
přesnost životnost spolehlivost
  • je vhodné pro daný účel a použití
  • nedochází v čase a vlivem provozu ke změnám
  • je srovnatelná s ostatními zařízeními na lokalitě
  • splňuje bezpečně požadavky legislativy
požadavky na instalaci
  • ostupnost pro obsluhu
  • kompatibilita s ostatními zařízeními
  • stabilní funkce při různých provozních podmínkách
  • náročnost stavebních prací (obtoky, úprava kanalizace, šachty,...)
  • lhůta výstavby
vliv na prostředí
  • vliv provozu a samotné existence zařízení na okolí (např. aerosoly, hluk, četnost obsluhy)

Výběr optimálního řešení není jednoduchý a je závislý na hloubce a úrovni znalostí posuzovatele. K dobrému výsledku dospěje pracovní tým složený z investora, provozovatele a odborného poradce, neboť teprve pak je možno zohledňovat komplexně všechna kritéria a vstupní informace.

Při současných vysokých úplatách je obvyklé, že obě zúčastněné strany producent a odběratel vod mají zájem co nejspolehlivěji a co nejpřesněji vyhodnocovat průtok. Týž zájem pak vede k instalaci i cenově náročnějších zařízení a k častější kalibraci.

1.1.2 Vzájemné porovnání průtokoměrů

Pro hrubou orientaci je možno uvést vzájemné porovnání vybraných měrných objektů v závislosti na základních vybraných kritériích:

typ měření jednoduchost výstavby jednoduchost kalibrace-kontroly ztráta spádu cena

pozn. 2

typ odpadní vody
měrné přelivy ostrohranné ne (stavba, obtok) ano vysoká střední mechanicky předčištěná
měrné žlaby Parshallovy ne (stavba, obtok) ano nízká střední surová odpadní v.
Q-h křivka ano (za provozu) ne žádná nejnižší surová odpadní v.
Ultrazvuková (Doppler) ano (krátká výluka) ne žádná vyšší surová odpadní v.

pozn.: cenové pořadí pro průtoky do cca 200 l/s

1.2 Měrné přelivy

Měrné přelivy lze rozdělit na ostrohranné a přelivy s krátkou či širokou korunou. Ostrohranné přelivy se sestávají ze stěny umístěné napříč koryta s různě vytvarovaným výřezem, přičemž návodní hrana stěny přelivu musí být ostrá. Proteklý objem v čase zaznamenává vyhodnocovač.

Mezi nejpoužívanější ostrohranné měrné přelivy se řadí především trojúhelníkový přeliv s různým středovým úhlem, obdélníkový přeliv, parabolický přeliv, lichoběžníkový a proporcionální. Průtokové charakteristiky významně ovlivňuje stav proudění před přepadem. Základními nevýhodami přelivů je vysoká ztráta energie a malá ztížená možnost prefabrikace.

1.2.1 Ostrohranné přelivy

Výhody Nevýhody
jednoduchá a rychlá instalace do šachty obtížná nebo neekonomická prefabrikace
vysoká přesnost měření každý přepad je originálem s vlastním projektem
jednoduchá kontrola přesnosti měření vysoký hydraulický spád
vysoká přizpůsobivost měrnému rozsahu velký obestavěný prostor
zvýšené požadavky na uklidnění rychlostního pole
Nejčastější chyby
nekvalitní výřez přelivu, přelivná hrana není ostrá (tloušťka je větší jak 1 mm), vrchol u trojúhelníkového přelivu není vybroušen
nekvalitní geometrie přepadu, nakloněný přepad, poškozená hrana
nejsou dodrženy požadavky na vytvoření úplné nebo částečné kontrakce proudnic (přelivná hrana nízko nad dnem, úzké koryto)
nedostatečné odtokové podmínky (ovlivnění průtoku zpětným vzdutím)
nezavzdušněný prostor pod přepadovým paprskem
podtékání
nedostatečné uklidnění - vlnění, víry, nesymetrický přepadový paprsek
neodborně sestavený vzorec Q = fce(h)
při použití prefabrikátu chybí protokol o prvotní kalibraci
zanešený prostor před přepadem
nesprávné stanovení nuly (kapilarita, naklonění přepadu atd.)
chybí protokol o prvotní kalibraci

1.2.1.1 Trojúhelníkový měrný přeliv

Ostrohranný trojúhelníkový přeliv (rozšířená nejistota měření +/- 3%) se používá především na lokalitách s velkým rozsahem průtoků. S lineárně rostoucí přepadovou výškou roste kvadraticky průtočná plocha, což se projevuje ve vzorci konzumční křivky tvarem Q = a. h2,5. Přeliv je zvýšeně citlivý na změnu hloubky. Chyba hloubky se projevuje při výpočtu průtoku s mocninou n= 2,5. Pro tyto přelivy je nezbytné používat pouze přesnější elektronické vyhodnocovače. Při správném vyhodnocování přepadové výšky a přesném stanovení konzumční křivky se přeliv řadí mezi nejpřesnější průtokoměry.

obr_merny_preliv

Konstrukce přelivu a konzumční křivka:

Základní parametry jsou na obrázku č. 1. Osa úhlu výřezu musí být svislá a ve stejné vzdálenosti od bočních stěn. Při dostatečném uklidnění rychlostního pole, kdy je vliv stěn, dna a přítokové rychlosti zanedbatelný, hovoříme o přepadovém paprsku s dokonalou kontrakcí. Vzorec je stabilní pro celý rozsah přepadových výšek. Při nedokonalé kontrakci se uplatňuje vliv stěn a změna konzumční křivky je vyjádřena změnou efektivního přepadového koeficientu. Vzorec konzumční křivky se mění v závislosti na hloubce a při použití konstantního koeficientu je rozšířená nejistota měření vyšší. Vrcholový úhel přelivu je možno přizpůsobovat danému rozsahu průtoků a volit jej v intervalu od 250 do 1000. Návod na stanovení konzumční křivky a používání trojúhelníkových přelivů je uveden v ČSN ISO 1438-1.

Popis obrázku 1:

h (m) přepadová výška měřená ve vzdálenosti 2-3 h před přelivem
pozn.: vliv přítokové rychlosti zanedbán
Q (m3/s) průtok vody
B (m) šířka přítokového kanálu
P (m) vzdálenost vrcholu ode dna

Specifické chyby přelivu:

nevybroušený vrchol a s tím související špatné nastavení úrovně nuly,
neostrá přelivná hrana, otočený přeliv,
nepřesný úhel výřezu případně nedostatečná rovinatost hrany,
vývěr bublin a šíření vlnění a nerovnoměrného rychlostního pole do měrného profilu,
spodní voda za přelivem dosahuje vyšší úrovně než 5 cm pod vrchol přelivu.

1.2.1.2 Obdélníkový měrný přeliv

Ostrohranný obdélníkový přeliv (rozšířená nejistota měření +/- 4%) se používá především na lokalitách s vyrovnaným rozsahem průtoků. S lineárně rostoucí přepadovou výškou roste lineárně průtočná plocha, což se projevuje ve vzorci konzumční křivky tvarem Q = a * h1,5. Přeliv je přiměřeně citlivý na změnu hloubky. Chyba měřené hloubky se projevuje při výpočtu průtoku s mocninou n =1,5 a proto je možno pro tento typ přelivu používat i méně přesné a tedy levnější průtokoměry. Při správném vyhodnocování přepadové výšky a přesném nastavení konzumční křivky se přeliv řadí mezi velmi přesné průtokoměry.

obr_merny_preliv2

Konstrukce přelivu a konzumční křivka:

Základní parametry jsou na obrázku č. 2. Plocha přelivu musí být svislá a obdélníkový výřez musí být ve stejné vzdálenosti od bočních stěn. V případě přelivu na celou šířku musí hrana končit u boční stěny, která je rovná bez výčnělků a přesahuje minimálně do vzdálenosti 0,5 h za přepad. Přeliv by se měl umísťovat vždy do pravoúhlého kanálu (při dostatečně nízké přítokové rychlosti je možno volit tvar libovolný). Při dostatečném uklidnění rychlostního pole, kdy je vliv stěn, dna a přítokové rychlosti zanedbatelný, hovoříme o přepadovém paprsku s dokonalou kontrakcí a vzorec je stabilní pro celý rozsah přelivných výšek. Při nedokonalé kontrakci se uplatňuje vliv stěn a změna konzumční křivky je vyjádřena změnou efektivního přepadového koeficientu. Vzorec konzumční křivky se mění v závislosti na hloubce a při použití konstantního koeficientu je rozšířená nejistota měření vyšší. Návod na stanovení konzumční křivky a používání trojúhelníkových přelivů uvádí ČSN ISO 1438-1.

Popis obrázku 2:

h (m) přepadová výška měřená ve vzdálenosti 4-5 h před přelivem
Q (m3/s) průtok vody
B (m) šířka přítokového kanálu
b (m) šířka obdélníkového přelivu
P (m) vzdálenost přelivné hrany od dna

Specifické chyby přelivu:

hrana přelivu není vodorovná,
nedostatečná rovinatost hrany přelivu,
neostrá hrana, přeliv je otočen,
vývěr bublin a šíření vlnění a nerovnoměrného rychlostního pole do měrného profilu,
spodní voda za přelivem dosahuje vyšší úrovně než 5 cm pod hranu přelivu.

1.2.2 Přelivy s krátkou korunou a širokou korunou

Výhody Nevýhody
jednoduchý tvar přelivu obtížná nebo neekonomická prefabrikace
nízké stavební úpravy ? vložka do kanálu prahy s dostatečnou přesností tj. se širokou korunou lze použít pouze pro vyčištěné vody
nízký hydraulický spád každý přepad je originálem s vlastním projektem
jednoduchá kontrola přesnosti měření přesný hydraulický výpočet kanálu a osazení
nižší požadavky na uklidnění proudění
Nejčastější chyby
nekvalitní geometrie přepadu, nakloněný přepad, poškozená hrana
nevhodné podmínky na přítoku a na odtoku (vysoký sklon, nepravidelné rychlostní pole atd)
neodborně sestavený vzorec Q= fce(h)
zanešený prostor před přepadem
nestabilní konstrukce, eroze povrchu použitím nevhodného materiálu
nesprávné stanovení nuly (kapilarita, naklonění atd.)
chybí protokol o prvotní kalibraci

Přelivy s krátkou korunou (rozšířená nejistota měření +/- 8 %) jsou vestavby různých prahů do dna koryta, přičemž proudnice nejsou v žádném místě rovnoběžné (obrázek č. 3). Nejčastěji používaným je přeliv Crumpův, kdy práh je trojúhelníkového průřezu. Vzhledem k nestabilnosti proudění je přesnost ovlivňována mnoha faktory a chyba měření je vyšší.

obr_merny_preliv3

Přelivy se širokou korunou (rozšířená nejistota měření +/- 6 %) mají delší práh a proudnice probíhají nad prahem rovnoběžně (obrázek č. 4). Průtokové charakteristiky jsou stabilnější a chyba měření je menší. Nejčastěji používaným je pravoúhlý práh se zaoblenou nebo ostrou návodní hranou.

Pro surové odpadní vody jsou přelivy z důvodů zanášení dna před měrným profilem méně vhodné, neboť při zanesení prostoru před přepadem dojde ke snížení hladiny a přepad převede větší množství, než je vypočteno ze standardní konzumční křivky. Pro jednoduchost instalace jsou však mnohde i na surových odpadních vodách používají s tím, že prostor před přepadem se pravidelně čistí (např. pneumaticky či odplavením).

obr_merny_preliv4

1.3 Měrné žlaby

Měrné žlaby jsou takové vestavby v kanalizaci, jež zužují průtočný profil do té míry, že proudění je nuceno přejít z říčního do bystřinného. Žlaby lze rozdělit na žlaby s dlouhým hrdlem, kde jsou alespoň v části hrdla proudnice rovnoběžné a z hydraulického hlediska méně stabilní žlaby bez hrdla, kde proudnice nejsou rovnoběžné. Mezi nejznámější žlaby se řadí žlaby Parshallovy, Montana, Venturiho, Saniiri, Palmer-Bowlus, Leopold-Lagco, žlaby pravoúhlého-lichoběžníkového průřezu a průřezu tvaru U a další. Vzhledem k vysoké odolnosti na zanášení jsou žlaby vhodné pro surové odpadní vody s vysokým obsahem nerozpuštěných látek. Navíc žlaby s dlouhým hrdlem mají značnou odolnost proti vlnění a neuspořádanému rychlostnímu profilu a jejich přesnost je vysoká... Žlaby mají vysoký měrný rozsah a zároveň způsobují nízkou energetickou ztrátu. Zařízení lze obvykle vsadit do stávající stoky bez větších stavebních úprav.

Výhody Nevýhody
jednoduchý tvar přelivu nižší měrný rozsah než u trojúhelník. přepadu
nízké stavební úpravy - vložka do kanálu přesný hydraulický výpočet kanálu a osazení
nízký hydraulický spád
jednoduchá kontrola přesnosti měření
prefabrikovatelnost
vhodné pro surové odpadní vody
nižší požadavky na uklidnění proudění
Nejčastější chyby
nesprávná instalace prefabrikátu (nakloněný žlab, napojení na přítok nebo odtok)
nevhodné podmínky na přítoku a na odtoku (vysoký sklon, nepravidelné rychlostní pole atd)
nepřesné rozměry prefabrikátu
nedostatečné odtokové podmínky (ovlivnění průtoku zpětným vzdutím)
nesprávné stanovení nuly (kapilarita, naklonění přepadu atd.)
chybí protokol o prvotní kalibraci

1.3.1 Parshallův žlab

Měrný Parshallův žlab (rozšířená nejistota měření +/- 4%), se řadí mezi žlaby s dlouhým hrdlem (obrázek č. 5 a 6) a používá se především na lokalitách s vyrovnaným rozsahem průtoků (při větším rozsahu průtoků se používají kombinované Parshallovy žlaby). S lineárně rostoucí přepadovou výškou roste lineárně průtočná plocha, což se projevuje ve vzorci konzumční křivky tvarem Q = a * h1,5. Parshallův žlab je přiměřeně citlivý na změnu hloubky. Chyba měřené hloubky se projevuje při výpočtu průtoku s 1,5 mocninou a proto je možno pro tento typ přelivu používat i méně přesné a tedy levnější průtokoměry. Výhodou tohoto měrného Parshallova žlabu je skutečnost, že přepadová hloubka se měří již v zužujícím se profilu, kde dochází ke zvýšení rychlosti a proudnice díky tvaru zúžení a blízkosti skluzu v hrdle jsou stabilnější. Látky případně sedimentují především před měrným profilem a měření nebývá na sedimentaci choulostivé. Při kulminačních průtocích se nerozpuštěné látky odplaví za Parshallův žlab. Při správném vyhodnocování přepadové výšky se přeliv řadí mezi velmi přesné průtokoměry.

Parshallův žlab
Parshallův žlab v šachtě

Konstrukce Parshallova žlabu a konzumční křivka:

Základní parametry jsou uvedeny na obrázku č. 7 a v tabulce

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9
Qmin 0,26 0,52 0,78 1,52 2,25 2,91 4,4 5,8 8,7
Qmax 6,22 15,1 54,6 168 368 598 898 1211 1841
a 0,0609 0,1197 0,1784 0,354 0,521 0,675 1,015 1,368 2,081
b 1,552 1,553 1,555 1,558 1,558 1,556 1,560 1,564 1,569
B' 30 34 39 53 75 120 130 135 150
Z Qmin 5,4 4,1 4,1 4,1 3,8 3,8 3,6 3,6 3,5
 % Qmax 4,8 3,6 3,6 3,6 3,2 3,2 3,1 3,1 3,0
hd/ha 0,6 0,7
m 5,7 7,7 17 47 81,0 146 183 231 252
W 2,54 5,08 7,62 15,24 22,86 30,48 45,70 61,00 91,40
C 9,29 13,49 17,80 39,4 38,1 61,0 76,2 91,44 121,9
D 16,75 21,35 25,88 39,69 57,47 84,46 102,6 120,7 157,2
E 23 26,4 46,7 62,0 80 92,5 92,5 92,5 92,5
L 63,5 77,5 91,5 152,4 162,6 286,7 294,3 301,9 316,9
S 20 20 20 20 20 20 20 20 20
U 24,8 26,8 49,2 69,6 87,6 101,1 101,1 101,1 101,1
V 30,7 35,35 39,9 54 80 100 120 140 180
Výkres Parshallova žlabu

Popis obrázku 7:

 m (kg) hmotnost Parshallova žlabu
hd/h (-) maximální poměr zatopení spodní vodou
h (m) hloubka vody ve vzdálenosti B´ před hrdlem
hd (m) hl. vody za Parshallovým žlabem (k niveletě dna přední části Parshallova žlabu)
W až V (cm) rozměry měrného Parshallova žlabu

Při nedostatečném návrhu uklidňovacích délek dochází k vlnění a nerovnoměrně rozdělenému rychlostnímu poli v měrném profilu. Důsledkem toho dochází ke snížení přesnosti měření a to jednak díky nevhodné hydraulice objektu a jednak díky nepřesnému snímání hloubky vody. Vzniklé vlnění nemusí však vždy způsobit významnou chybu měření a proto je její velikost nutno ověřit nezávislým měřením (např. hydrometrováním nebo jiným vhodným způsobem). V případě prokázání již nepřípustné chyby měření je nutno hydraulický jev stabilizovat. Za tímto účelem se používají různé typy rozrážečů, usměrňovačů, plovoucích norných stěn apod. (případně i jejich kombinace), nebo se, pokud je to možné, zvyšuje dno Parshallova žlabu, či se instaluje Parshallův žlab nový.

Specifické chyby Parshallova žlabu:

  • vzorec konzumční křivky je stanoven pro čtení hloubky v přesné vzdálenosti před hrdlem, při zvolení jiného profilu vzorec neplatí,
  • při nepoužití prefabrikátu s prvotní kalibrací nebo při "homemade" výrobcích může dojít k významným odchylkám od standardního provedení,
  • nedodržení stavebního projektu umístění Parshallova žlabu,
  • nedodržení vodorovného uložení Parshallova žlabu.

1.3.2 Venturiho žlab

Měrný Venturiho žlab (rozšířená nejistota měření +/- 7 %) se řadí mezi žlaby bez hrdla (obrázek č. 8). Jeho použití je nepatrně omezeno větší hodnotou minimálního průtoku (při stejné šířce hrdla v porovnání s Parshallovým žlabem) a zároveň větší hodnotou nejistoty měření. Měrný žlab se řadí mezi žlaby bez hrdla a tedy chování proudnic není tak stabilní, jako u žlabu s hrdlem. Měření hloubky na přelivu se dle typových podkladů umísťuje do značné vzdálenosti před žlab, avšak dle zkušeností vyhovuje snímání hloubky již ve vzdálenosti 3 h (trojnásobek přepadové hloubky). Přesné rozměry, konstrukční výkresy a konzumční křivky uvádí typový podklad HDP Bratislava 1962 a výzkumná zpráva VÚV TGM "Měření průtoků" 2000.

Venturiho žlab

hd/h (-) maximální poměr zatopení spodní vodou
h (m) hloubka vody ve vzdálenosti B´ před hrdlem
Q (m3/s) průtok vody
hd (m) hloubka vody za žlabem (k niveletě dna přední části žlabu)

Hydraulický výpočet pro umístění Venturiho žlabu je totožný s výpočtem u žlabů Parshallových. Výpočet uklidňovacích a přechodových délek je jiný a významně se od Parshallových žlabů liší. V zásadě Venturiho žlaby vyžadují delší uklidňovací a přechodové délky.

Specifické chyby žlabu:

  • skutečná šířka hrdla se významně liší od typového podkladu,
  • hrdlo se rozevírá nebo zužuje,
  • u starších typů vyrobených z černého plechu případně bez ocelového dna, je významně narušena geometrie korozí a erozí vody,
  • při nepoužití prefabrikátu s prvotní kalibrací nebo při "homemade" výrobcích může dojít k významným odchylkám od standardního provedení,
  • nedodržení stavebního projektu umístění žlabu (vodorovnost, výškové umístění žlabu).

1.4 Kombinované průtokoměry

Kombinované průtokoměry (rozšířená nejistota měření +/-7 % až 10 %) jsou průtokoměry složené ze dvou nebo výjimečně třech přepadů nebo žlabů či vzájemné kombinace obou (obrázek 9 a 10). Tyto průtokoměry se používají všude tam, kde je velký rozsah průtoků tedy obvykle na jednotné kanalizaci. Kombinovaný měrný objekt se navrhuje tak, aby většinu průtoků měřil na základním hydraulickém objektu (ostrohranný přepad, Parshallův žlab atd.), kde se dosahuje vysoké přesnosti měření a pouze menší část vody se měří na kombinaci obou, kde je přesnost nižší. Rozšířená nejistota měření objemu za rok se počítá jako vážený průměr rozšířené nejistoty objemů vypouštěných na základním objektu a rozšířené nejistoty na kombinovaném. Při správném návrhu hodnota vypočítané rozšířené nejistoty musí být menší než 10 % tedy taková, aby objekt vyhovoval požadavku našich zákonných norem. Významného zvýšení přesnosti se dosahuje při odvození vzorce z modelového výzkumu.

Kombinovaný  v žlab
Kombinovaný Parshallův žlab

Mezi rozšířené typy se řadí:

  • trojúhelníkový přepad s obdélníkovým přepadem (obrázek 9),
  • malý Parshallův žlab vnořený do většího Parshallova žlabu (prefabrikovaný výrobek, obrázek 10),
  • Parshallův žlab a přepad se širokou korunou atd.

1.5 Q-h křivka kanálu a měrného profilu

Q-H křivka kanálu (rozšířená nejistota měření +/-15% až 30 %). Funkční závislost průtoku na hloubce stanovená z několika měření Q-h závislosti (obrázek 11). Pro určitý úsek kanalizace či koryta je konzumční křivka určena hydrometrováním, objemovou metodou nebo jiným způsobem a to při několika různých průtocích. S ohledem na omezené možnosti přesného stanovení této křivky (poznámka A) a s ohledem na pouze časovou platnost dopočtené rovnice, je tato metoda použitelná pouze jako náhradní, jestliže není možno použít jiný způsob. Metoda sama obvykle nesplňuje podmínky pro měrné objekty stanovené legislativou. Výhodou je však rychlá realizace měření a nulová přídatná ztráta energie.

Obrázek q-h kanálu

Poznámka A: přesným stanovením rozumíme určení konzumční křivky metodou, jejíž přesnost je alespoň čtyřikrát větší než požadovaná přesnost konzumční křivky. Zvážíme-li, že stanovuje li se křivka obvykle za provozu, je nasnadě, že tato metoda je jen vyjímečně realizovatelná a to ať již z důvodu obtížného přesného zaměření (příčný profil, hydrometrování, instalace jiného průtokoměru atd.) či z důvodu nemožnosti nastavení v určitém časovém intervalu alespoň pěti konstantních průtoků.

Q-H křivka profilu (rozšířená nejistota měření +/- 7% až 15 %), kde dochází ke změně režimu proudění. V profilech, kde dochází ke změně z říčního proudění na bystřinné, lze stanovit konzumční křivku hydrometrováním jako závislost Q -h (obrázek 12). Místo pro stanovení Q-h křivky se volí min. 3 hmax před místem, kde vzniká kritická hloubka. Přesnost stanovení konzumční křivky je závislá na přesnosti zaměření průtoku (např. hydrometrováním), hladiny a stabilnosti nastaveného průtoku (viz poznámka vpředu). Časová stálost rovnice je závislá na konstrukční a stavební stabilnosti měrného místa tj. místa se změnou režimu proudění. Výhodou této metody je rychlá realizace měření, nulová přídatná ztráta energie a dosažitelná vysoká přesnost.

q-h profil
Výhody Nevýhody
rychlá instalace obtížné stanovení konzumční křivky a určení hydraulických parametrů
minimální úpravy kanálu sofistikovaný výběr místa
časová stálost konzumční křivky pro Q-h profilu časová nestálost konzumuční křivky pro Q-h kanálu
vyhovující přesnost pro metodu Q-h profilu snížená přesnost pro metodu Q-h kanálu
nulová ztráta pro metodu Q-h kanálu pro metodu Q-h profilu srovnatelná ztráta se žlaby přesný výpočet chování měrného objektu při jiných průtocích, než se hydrometrovalo
vhodné pro surové odpadní vody obtížná kontrola a kalibrace
nízké požadavky na uklidnění proudění
Nejčastější chyby
nepřesně změřená nebo neurčitelná závislost plochy na hloubce
nevhodné podmínky na přítoku a na odtoku (vysoký sklon, nepravidelné rychlostní pole atd.)
neodborně sestavený vzorec konzumční křivky Q= fce(h)
nestabilní hydraulické parametry v čase (zanášení, eroze, destrukce, zamrzání atd.)
nevhodně vybrané místo (změna parametrů při jiných průtocích, než se kalibrovalo)
nedokonalý přístup a možnost kontroly a kalibrace
nedokonalý popis místa jeho tvaru a stavu
nesprávné stanovení nuly (kapilarita, naklonění přepadu atd.)
chybí protokol o prvotní kalibraci

K oběma metodám lze shrnout, že jejich použití je závislé především na kvalitě odborného návrhu, kterým se rozumí správný výběr místa, správné zaměření závislosti plochy na hloubce, správné stanovení úrovně nulového průtoku (tzv. "nuly") a správné stanovení konzumční křivky a vhodného měrného rozsahu.

1.6 Ultrazvuková metoda

1.6.1 Dopplerův jev

Ultrazvuková metoda - Dopplerův jev (rozšířená nejistota měření +/- 3%). Elektronický průtokoměr měří přímo rychlost vody a to v oblasti nad sondou, jež je umístěna obvykle na dně (obrázek 13). Pro vyhodnocování rychlosti proudění se využívá měření změny frekvence mezi signálem vysílaným ze sondy a odraženým od vznášených nerozpuštěných látek. Přístroj vyhodnocuje energetické zastoupení jednotlivých odražených frekvencí a vypočítává průměrnou rychlost vznášených nerozpuštěných látek. Určená rychlost je průměrná rychlost částic v určitém prostoru nad sondou. Hloubka vody se měří ultrazvukovou sondou (nad hladinou) anebo pneumatickou, či piezometrickou sondou (dle výrobce). Průtok se vypočítává ze známé geometrie kanálu, z měřené hloubky a z rychlosti částic, která se považuje za průměrnou rychlost vody v celém profilu. Vzhledem k těmto zjednodušením je přístroj nutno při instalaci kalibrovat. Kalibraci je nutno provádět při více hladinách. Tento způsob je velmi jednoduchý pro instalaci, avšak jeho spolehlivost je snížená a to ať již z důvodů obtížné kalibrace (viz poznámka A výše) nebo z důvodu zanášení sondy, či změny kalibračních koeficientů v čase.

Doppler ultrazvukový snímač

1.6.2 Translace zvukového obrazu

Metoda translace zvukového obrazu (rozšířená nejistota měření +/-3%) je založena na přímém měření hodnoty bodových rychlostí proudění nerozpuštěných látek a měření hloubky vody. Na dně kanálu je umístěna ultrazvuková sonda, která měří bodovou rychlost částic nerozpuštěných látek obsažených ve vodě a hloubku vody (obrázek 13). Rychlostní sonda vysílá v krátkých časových intervalech (0,5 až 4 ms) zvukový signál a zaznamenává spektrum zvukového echa. S využitím korelační metody vyhodnocování obrazu odezvy vypočte délku translace (posunu) mezi jednotlivými zvukovými obrazy. Ze známého intervalu mezi signály se vypočte bodová rychlost... Výškové umístění změřené bodové rychlosti je dopočteno z rychlosti šíření zvuku a doby návratu echa (prodlevy). Tak se v krátkých časových intervalech změří 16 bodových rychlostí nad sondou. Pro přesnější zachycení rychlostního pole v profilu se na sondě umísťují tři vysílače-přijímače (jeden svislý a dva symetricky odkloněné od horizontály). V závislosti na geometrii kanálu a počtu použitých sond průtokoměr "zmapuje" bodové rychlosti v 50 až 70 % průtočného průřezu (bodová rychlost v rozích kanálu je extrapolována). Celkový okamžitý průtok je jako objemový integrál průtokového tělesa vytvořeného tokem částic v profilu za dobu 1s (těleso vymezené plochou základny /příčný průtočný profil/ a vlnoplochy, vytvořené tokem částic za dobu 1s). Toto nová metoda se jeví jako perspektiní a to především pro relativně levnou sondu umístěnou v profilu. Značná cena je dnes vysoká díky drahému softwarovému vybavení a vývoji.

Protože přístroj vyhodnocuje pouze část průtočného profilu, je nezbytné zařízení opět kalibrovat na místě (např. hydrometrováním), což s sebou přináší již zmíněné nevýhody.

1.6.3 Ultrazvuková transmise

Ultrazvuková transmise (rozšířená nejistota měření +/- 3% až +/-10 %) je metoda měření průtoku založená na měření časové prodlevy zvukového signálu (obrázek 14). Na protilehlých stranách potrubí nebo kanálu jsou umístěny ultrazvukové vysílače-přijímače. Čidla jsou ve směru kanalizace vzájemně polohově posunuta. Průtokoměr měří rozdíl mezi časovými prodlevami při šíření zvukového signálu proti vodě (rychlost vody prodlužuje dobu, za kterou dorazí signál) a po vodě (rychlost vody zkracuje zvukovou prodlevu). Ze známé vzdálenosti mezi čidly a rozdílu mezi časovými prodlevami se dopočítává cosínusová složka rychlosti tedy střední průřezová rychlost. Ze střední průřezové rychlosti a průtočné plochy se vyčísluje okamžitý průtok. Zařízení se vyrábějí jak pro potrubí s uzavřenou hladinou tak i pro koryta s otevřenou hladinou. Rozptyl rozšířené nejistoty měření je závislý na způsobu použití a typu výrobku. Příložné průtokoměry na tlakové potrubí nevyžadují žádné přídatné armatury a zařízení. Jejich nejistota měření je však vyšší. Průtokoměry s čidly ponořenými do kapaliny vykazují vyšší přesnost měření. Stabilita obou typů měření je nízká a to především z důvodu nedokonalého proměření celého rychlostního pole, možnosti zanášení a inkrustace na ploše potrubí nebo čidla, nevhodného množství nerozpuštěných látek (obvykle se používají jen do koncentrace NL 10 mg/l) a bublin, tepelné stratifikace apod. Metrologická kontrola průtokoměrů není jednoduchá a vyžaduje výstavbu kontrolního místa, kde obvykle hydrometrováním lze funkci přístroje kontrolovat. Tento přístroj je používán obvykle pouze pro provozní a rychlé kontroly na potrubí bez požadavku garantovaného měření s odchylkou do 10 %.

obr_transmise

V současnosti jsou u nás na trhu přístroje, které se snaží minimalizovat negativní vlastnosti jednotlivých ultrazvukových metod tak, že jednotlivé principy vzájemně slučují. Ultrazvukové čidlo je kombinované a je schopno vyčíslovat rychlost jak Dopplerem tak transmisí. Vyhodnocovač funkci čidla přepíná tak, aby výsledné měření bylo co nejpřesnější.

Výhody Nevýhody
extrémně rychlá instalace vyšší cena elektroniky
minimální úpravy koryta nižší životnost než je u stavebních objektů
nulová hydraulická ztráta nesnadná kontrola a kalibrace
možno měřit i nenewtonskou kapalinu měří se rychlost NL ve vodě a ne částic vody
rychlostní sonda pod vodou
časová nestálost nastavení elektroniky
Nejčastější chyby
nevhodně zvolený profil (vysoké nebo nízké Froudovo nebo Reynoldsovo číslo)
špatně provedená kalibrace rychlosti
špatně stanovená závislost plochy na hloubce
nesprávně stanovená úroveň nulového průtoku (tzv. "nula")
nevhodná kvalita vod (při zanešení sondy či tvorbě bublin na sondě dochází ke znehodnocení měření)
stavebně nestabilní profil
bezhlavá víra v dokonalost senzoru a softwaru vyhodnocovače
chybí protokol o prvotní kalibraci, chybí protokol o schválení typu (u nás pouze dovoz)

1.7 Magneticko-indukční průtokoměry

Magneticko indukční průtokoměry využívají fyzikálního jevu popsaného Faradayovým zákonem o elektromagnetické indukci. Při aplikaci zákona pro měření průtoku je vodičem pohybující se vodivá kapalina, přičemž elektromagnetické pole vytváří cívka umístěná okolo potrubí. Indukované napětí, jež se tvoří díky proudění kapaliny kolmo na magnetické pole, se snímá mezi protilehlými stěnami potrubí obvykle nerezovými snímači. Vyhodnocovač vyřazuje neplatné výsledky a metodou klouzavého průměru vypočítává průtok, který zaznamenává jako proteklý objem v čase.

Výhody Nevýhody
vysoká přesnost měření obtížná kontrola funkce
nezanáší se - stabilní provoz nižší životnost než život. stavebních objektů
nulová hydraulická ztráta stanovené měřidlo - povinnost ověřování
obousměrné měření (pro přesné měření musí být rychlost větší než 0,1 m/s) snímací sondy pod vodou - reálné nebezpečí ztráty citlivosti (automatické čištění sond)
použitelné pro kapaliny s vodivostí nad 5 ?S/cm časová nestálost nastavení elektroniky
možno měřit i nenewtonskou kapalinu certifikovaný rozsah měření (1 : 20)
Nejčastější chyby
nevhodně navržená měrná trať (vysoká - nízká rychlost, nerovnoměrné rychlostní pole, bubliny)
nevhodná kapalina
špatně vložená plocha potrubí či kanálu, případně inkrustace na ploše
chybí protokol o schválení typu a jeho ověření, v případě pracovních metod kalibrace
nedostatečná údržba, nedostatečné odstraňování inkrustů, bionárůstů a případných sedimentů

1.7.1 Potrubí s uzavřenou hladinou

Magneticko-indukční průtokoměr pro potrubí s uzavřenou hladinou (rozšířená nejistota měření 0,6 až 2 %) je určený pro měření průtoků vodivých médií v uzavřených průtočných profilech (potrubí) ve světlostech DN 10 až DN 1000. Tato metoda vyžaduje zaplněné potrubí a pokud se nejedná o měření na výtlaku za čerpadlem, pak je nezbytné vystavět shybku y na stávajícím kanalizačním řádu. Obvykle se pro tento účel buduje delší šachta a celá konstrukce je demontovatelná s možností čištění (zúžení a kolena na trase, - možnost při ucpání nerozpuštěnými látkami). Maximální rychlost v potrubí je určena maximální povolenou hodnotou hydraulického spádu a obvykle je do 1,2 m/s (standardní měrné trasy vykazují ztrátu pro Q max do Z < 0,1 m).

obr_fqi-kompakt

1.7.2 Potrubí a kanály s otevřenou hladinou

Magneticko-indukční průtokoměr pro potrubí s otevřenou hladinou (rozšířená nejistota měření 3 až 4 %) je určený pro měření průtoků vodivých médií v kanálech s otevřenou hladinou. Senzory snímající napětí se situují na dně nebo na bocích a to v uspořádání na deskách nebo jednotlivě (bodově). Rychlost vody se měří mezi senzory a tedy u bodových senzorů (tzv. myš na dně) se měří rychlost pouze v jednom místě u sondy a průřezová rychlost se odhaduje dle obvyklého tvaru rychlostního pole v potrubí s dostatečně dlouhým uklidněním. Hloubka vody se měří hloubkoměrem (ultrazvukový senzor, plovák, bubliny, dle ponoření jednotlivých elektrod). Metoda je vhodná pouze pro malý rozsah rychlostí. Minimální rychlost musí být větší jak 0,1 m/s a maximální je taková, aby Froudovo číslo bylo menší než 0,6 ...(v2/hg). Uvážíme-li citlivost na zanášení, odhadnutou a nikoli změřenou průřezovou rychlost, vyšší cenu a další faktory, je zřejmé, e tato metoda se uplatňuje pouze výjimečně případně náhodně.

1.8 Elektronické vyhodnocovače průtoku

Elektronické vyhodnocovače průtoků

Vyhodnocují data o průtoku a zaznamenávají je v čase. Průtokoměry ultrazvukové a indukční se dodávají obvykle jako celky složené z vyhodnocovače a čidla a tak variabilita volby funkce je vždy daná konkrétním výrobkem. Ostatní výše uvedené průtokoměry mohou využívat různé typy senzorů pro měření hloubky a různé typy elektronických záznamových a vyhodnocovacích jednotek. Obvykle však každý výrobce vyhodnocovače využívá určité jím ověřené čidlo, které mění pouze v závislosti na inovaci vyráběných senzorů.

Čidla pro měření hloubky

Pro měření hloubek se běžně používají čidla ultrazvuková, plováková, tlaková (piezoelektrická metoda a bublinová metoda), dotyková a indukční. Metoda plováková je jistě nejpřesnější, řadí se však mezi metody využívající kontakt s mediem. Při měření hloubky odpadní vody je při kontaktu čidla s kapalinou vždy reálné nebezpečí sedimentů, inkrustů a bionárůstů a proto jsou metody kontaktní (plováková, indukční, tlaková provozně náročnější. Metoda dotyková pro technicky náročné řešení a vyšší cenu není běžně rozšířená (kontaktní ocelová jehla je spouštěna v pravidelných intervalech ke hladině). Z důvodů bezpečnosti a pohodlnosti provozování se v současnosti používají především hloubkoměry ultrazvukové a to i přes jejich nižší přesnost, než mají průtokoměry plovákové.

Ultrazvuková čidla

Čidlo se sestává z vysílače a přijímače zvuku. Ze známé rychlosti zvuku ve vzduchu (obvykle s korekcí dle teploty) a prodlevy odrazu je vypočítána vzdálenost ke hladině. Při zadání nulové hloubky v kanále se tato vzdálenost odečítá od změřené a tím se získá skutečná hloubka vody. Z důvodu citlivosti veličiny časové prodlevy vyslaného signálu a odrazu se do určité vzdálenosti od membrány vyskytuje tzv. mrtvá zóna (obvykle do 20 cm), kde není přístroj schopen měřit vzdálenost. Sondy se tedy umísťují minimálně 20 cm nad maximální hladinu vody. Vyzařovací úhel sond se pohybuje od 30 do 70 v závislosti na velikosti sondy a výrobci. Výstup ze sond je v současnosti standardně proudový s tím, že někteří výrobci vyhodnocovačů digitalizují signál již u sondy, čímž zajišťují průtokoměru větší stabilitu měření a možnost umístit vyhodnocovač do větší vzdálenosti.

Sledované vlastnosti:

  • vysílací frekvence (čím vyšší tím přesnější, ale méně stabilnější),
  • tepelná kompenzace rychlosti šíření zvuku (externí tepelné čidlo),
  • elektrické krytí čidla minimálně IP 67,
  • dokonalejší čidla jsou vybavena vyhodnocovacím softwarem (odstranění falešných odrazů od stěn, stojatých vln, míchadel apod.),
  • časová stálost měření (některé výrobky vykazují změnu parametrů v čase),
  • odchylka měření u přesnějších sond je do 1 mm u běžných do 2 mm, avšak vyskytují se i sondy s odchylkou do 5 mm (platí pro sondy s měřením vzdálenosti do 1 m),
  • schopnost eliminace pěny na hladině a vlnění.

Vyhodnocování výstupu z ultrazvukového čidla:

V současnosti vyráběné vyhodnocovače a datalogery se koncipují tak, že v základním provedení splňují požadavky naší legislativy a navíc se vybavují dalšími funkcemi, aby použití odpovídalo co nejlépe požadavkům měření na lokalitě. V základním vybavení musí mít přístroje ukazatel celkového proteklého množství a ukazatel motohodin. Pro jednoduchost kontroly a kalibrace se přístroje téměř vždy vybavují ukazatelem okamžité hloubky a průtoku, méně častěji pak datem uvedení do provozu, počtem poruchových hodin a pamětí pro ukládání časového průběhu průtoků. Běžně používaným výstupem je výstup proudový případně digitální a pulzní. Pro lokality odlehlé od elektrického proudu jsou některé typy přístrojů vybavitelné baterii případně slunečním kolektorem. Jejich provoz je pak striktně autonomní. Současná telekomunikační technologie umožňuje přístroje v přijatelné ceně vybavovat bezdrátovým přenosovým zařízením dat. Při výběru zařízení je nezbytné porovnávat vybrané vlastnosti přístrojů.

Sledované vlastnosti:

  • dostatečně velký přehledný a správně podsvětlený displej,
  • vyhřívání displeje při teplotách nižších než -15°C,
  • pohodlná a přístupná klávesnice přístroje,
  • dostatečné elektrické krytí přístroje (min IP 55),
  • možnosti řízení čerpadel, vzorkovačů, aerátorů apod.,
  • kvalita používaného softwaru pro třídění a vyhodnocování údajů ze sondy,
  • snadnost obsluhy přístroje a snadnost používání manuálu (obvykle špatný manuál indikuje, že přístroj je špatně ovladatelný),
  • možnost vlastního seřizování,
  • možnost blokace ovládání přístroje heslem
  • četnost změny zvoleného typu vyhodnocovače, jeho opravitelnost a servis,
  • údaje o firmě (výše produkce, servis), její stabilita.

Chyby elektronického vyhodnocování

  • špatné vyhodnocování hloubky,
    • špatně nastavená nulová úroveň (nevhodně či neodborně přenesená výška),
    • porucha linearizace (nula je nastavena správně a přitom při větších hloubkách vzniká diference mezi ukazatelem a skutečností),
    • vliv teploty vzduchu (nutno volit přístroje s měřením teploty),
    • vliv kondenzace par na sondě případně biologických nárůstů,
    • sonda není umístěna svisle,
    • sonda není v předepsaném profilu, pro který platí daná konzumční křivka,
    • instalována nedostatečně pevná konzole (posun, natočení sondy),
  • vložena nevhodná konzumční křivka,
  • nezabezpečená kabeláž (hlodavci),
  • nevhodný záznam celkového proteklého množství (chyba v čase, chyba v záznamu provozních hodin, zálohování údajů),
  • ucpání průtočného profilu s následným zvýšením vzdutí hladiny (provozní chyba),
  • chybí kalibrační protokol.