Obecnie do pomiaru przepływu strumienia ścieków stosuje się urządzenia wykorzystujące zjawisko rozchodzenia się fal ultradźwiękowych. Aparatura ta realizuje pomiar, który polega na analizie zmian zjawiska rozprzestrzeniania się fal ultradźwiękowych podczas przepływu mierzonego strumienia ścieków.
Podczas badań zostały wykorzystane urządzenia, które dokonywały pomiarów na podstawie czasu przebiegu fali ultradźwiękowej w kierunku zarówno zgodnym jak i przeciwnym do kierunku przepływu strumienia ścieków. Wyżej opisywana aparatura wykorzystywała tzw. korelację krzyżową pomiarów z cyfrowym pomiarem wzoru echa.
Metoda ta polega na analizie zależności pomiędzy dwoma sygnałami echa uzyskanymi z tego samego punktu pomiarowego, a następnie określeniu przesunięcia czasowego tych wzorów (ech), na podstawie którego ustala się prędkość przepływu ścieków. Aby w/w pomiar był możliwie jak najdokładniejszy poszczególne prędkości składowe wyznaczane są w 16 tzw. oknach pomiarowych. Dopiero wtedy wyliczana jest prędkość średnia analizowanego strumienia ścieków.
5.Opis zastosowanej aparatury pomiarowej
98 Układ pomiarowy wyposażono w system do ciągłego rejestrowania przepływów w kanale zarówno częściowo, jak i całkowicie wypełnionym.
Czujniki aktywne zamontowane w kanale dopływowym do osadnika wód deszczowych przedstawiono na rysunku 31 i 32.
Rysunek 31. Czujnik klinowy do pomiaru prędkości
Rysunek 32. Czujnik klinowy do pomiaru napełnienia
Ultradźwiękowy czujnik klinowy odpowiedzialny za pomiar prędkości wykorzystuje korelację krzyżową, z cyfrowym rozpoznawaniem wzoru echa. Na każdym poziomie strugi (jest ich 16) występują różne prędkości przepływu, ostatecznie cyfrowy procesor sygnałowy wyznacza prędkość średnią, braną dalej do obliczenia natężenia strumienia przepływu. Sytuację tą uwidacznia rysunek 33.
Dodatkowo sonda ta mierzy temperaturę medium (w zakresie od -20 do 60°C z błędem δ = 0.5°C), która jest wykorzystywana do kompensacji jej wpływu na prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej (Dąbrowski, i in., 2010). Zakres pomiarowy sondy prędkości mieści się w granicach -1 m/s do 6 m/s (pozwala więc na rejestrację przepływów wstecznych), jest ona umieszczona na dnie kanału. Skanuje ona strugę wody wyznaczając prędkość średnią medium z błędem <1% - dla prędkości >1 m/s oraz <0.5%
dla prędkości <1 m/s (Woźniak, 2009).
Druga sonda realizuje ultradźwiękowy pomiar napełnienia hydrostatycznego w zakresie 0 - 200 cm, z błędem pomiaru mniejszym od +/- 5 mm. Jest ona zainstalowana przy sklepieniu kanału i realizuje pomiar napełnienia od góry przez powietrze. Technika pomiaru polega na pomiarze czasu biegu fali ultradźwiękowej między czujnikiem a lustrem zwierciadła wody. Sonda wypełnienia kanału w sposób ciągły monitoruje jego wypełnienie. W realizowanych badaniach wykorzystuje się zjawisko Dopplera, w którym podstawą pomiaru jest przesunięcie fazowe pomiędzy impulsami ultradźwiękowymi (wysłanymi i powrotnymi). Wysokość wypełnienia wyznaczona jest wg wzoru 27:
5.Opis zastosowanej aparatury pomiarowej
99
ℎ = ` ×
2
(27)gdzie:
h - napełnienie kanału, [m];
c - prędkość rozchodzenia się dźwięku w medium - 340, [m/s];
t - czas między nadaniem a odebraniem sygnału, [s].
Metoda pomiaru prędkości w kanale, również opiera się na wykorzystaniu efektu Dopplera, polega na emisji sygnału ultradźwiękowego o znanej częstotliwości oraz pod znanym kątem. Sygnał po odbiciu od zanieczyszczeń lub pęcherzyków powietrza niesionych przez strumień medium wraca do czujnika, i na tej podstawie wyznaczana jest prędkość strugi. Zmiana częstotliwości (frekwencji) odbitego sygnału jest wprost proporcjonalna do prędkości cząstek w analizowanym medium (rysunek 33) (Erb, 1999), zależność tą opisuje wzór 28:
= 2 × ×cos ,
E- × (28)
gdzie:
f - frekwencja pomiarowa czujnika klinowego, [MHz];
C0 - prędkość rozchodzenia się dźwięku w mierzonym medium, [1485 m/s];
Vp-prędkość cząsteczek w strudze, [m/s];
α - kąt między emitowanym sygnałem a kierunkiem przepływu medium ≈ 45°, [°].
Przy f, α, C0 = const., wzór na prędkość strugi w kanale upraszcza się:
= M × (29)
gdzie:
M = 2 × ×cos ,
E- (30)
5.Opis zastosowanej aparatury pomiarowej
100 Rysunek 33. Technika pomiaru prędkości przez sondę (NIVUS, 2016)
Urządzeniem odpowiedzialnym za zapis danych pomiarowych w/w sond jest stacjonarny przetwornik OCM Pro CF (rysunek 34). Archiwizacja znacznej ilości danych jest możliwa, dzięki zewnętrznej karcie pamięci typu Compact Flash.
W pamięci systemowej urządzenia wprowadzona jest zależność h/d (napełnienia do cięciwy), na podstawie której (przy znanej prędkości) wyznacza jest objętość strumienia przepływu badanej cieczy. Jest ona wyznaczana na podstawie (wzór 31):
P = c × d̅ (31)
gdzie:
A - przekrój powierzchni przepływu - wyznaczany na podstawie wysokości napełnienia medium w kanale, [m];
d̅ - średnia prędkość przepływu strumienia - wyznaczana przez sondę, [m/s].
Wśród wielu ustawień modułu sterującego (rysunek 34), przydatnymi funkcjami okazały się opcje ustawienia interwału poboru prób (w zależności od objętości zrzutu) oraz wysokość okna pomiarowego (minimalnego przepływu, który był pomijany - nieistotny pomiarowo).
Dodatkowo możliwe było wprowadzenie wysokości ewentualnych osadów kanałowych, które docelowo miałyby wpływ na wysokość napełnienia kanału. Ponieważ w analizowanym systemie kanalizacji bytowo-gospodarczej nie stwierdzono depozytów kanałowych, opcję tą ustalono na poziomie 0.
Vśr
α
Vp
5.Opis zastosowanej aparatury pomiarowej
101 Bardzo przydatnym narzędziem w oprogramowaniu przepływomierza okazała się możliwość bezpośredniego podglądu mierzonych parametrów w miejscu pomiaru. Do sprawdzenia dostępne są zarówno wysokość napełnienia, prędkość oraz natężenie przepływu (rysunek 36-38). W celu uwzględnienia poprawki dotyczącej rozchodzenia się prędkości w powietrzu, możliwy jest również odczyt jego temperatury (rysunek 39).
Producent urządzenia przewidział kontrolę pracy wszystkich podzespołów oraz sond pomiarowych, np. w celu weryfikacji sondy wypełniania istnieje możliwość sprawdzenia jej profilu echa (rysunek 35).
Rysunek 34. Przetwornik OCM Pro CF do pomiaru przepływu medium
Rysunek 35. Panel przedni przepływomierza OCM Pro CF z prawidłowym profilem echa czujnika wysokości napełnienia
5.Opis zastosowanej aparatury pomiarowej
102 Rysunek 36. Panel przedni przepływomierza OCM Pro CF z przebiegiem wypełnienia kanału
podczas opadu z 04.05.2016
Rysunek 37. Panel przedni przepływomierza OCM Pro CF z przebiegiem prędkości w kanale podczas opadu z 04.05.2016
Rysunek 38. Panel przedni przepływomierza OCM Pro CF z przebiegiem przepływu w kanale podczas opadu z 04.05.2016
5.Opis zastosowanej aparatury pomiarowej
103 Rysunek 39. Panel przedni przepływomierza OCM Pro CF z chwilowym wynikiem temperatury
medium i powietrza w kanale
Pobór ścieków w sposób ręczny znacznie komplikuje przebieg badań, ponieważ wymaga obecności badacza w danym miejscu o określonym czasie, w którym dany opad atmosferyczny występuje. Niewątpliwie jego zaletą jest pewny pobór prób, lecz niestety kosztem niebezpieczeństwa podczas pracy w kanałach i niekorzystnych warunków atmosferycznych podczas poboru prób. W czasie badań znaczna większość analizowanych zjawisk opadowych miała swój przebieg między 23.00 a 6.00, co dodatkowo powoduje utrudnienia i niesie ze sobą ryzyko np. błędów pomiarowych.
Rozwiązaniem, które eliminuje wyżej wymienione problemy jest automatyczny pobór prób, który podczas prowadzonych badań był realizowany przez automat do poboru ścieków. Współpracuje on z modułem przepływomierza, posiada kilka programów poboru, np. proporcjonalny do przepływu, proporcjonalny do czasu, zdarzeniowy, losowy a nawet ręczny. Podczas badań własnych zdecydowano się na program poboru proporcjonalnego do przepływu. Opisywane wyżej urządzenie posiada możliwość poboru maksymalnie 24 prób o pojemności 1 dm3 każda. Dość istotnym ograniczeniem jest maksymalna wysokość podnoszenia zainstalowanej pompy perystaltycznej, która wynosi wg producenta, ok. 8.5 m. Ponadto sama procedura poboru ścieków trwa stosunkowo długo, ponieważ linia ssąca jest przed i po każdym cyklu przedmuchiwana. Samo pompowanie również trwa ok. 1 minuty. Podczas usytuowania stanowiska pomiarowego trzeba zwrócić na to uwagę. Aparat stacjonarny gwarantuje utrzymanie temperatury pobranych ścieków w granicach 0 - 4°C.
Ze względu na wiele czynników opóźniających oznaczenia laboratoryjne, przechowywanie prób w temperaturze 20°C, po czasie ok. 8h spowodowałoby
6.Wnioski wynikające z eksploatacji przyrządów pomiarowych
104 zmniejszenie parametru ChZT od 13% do nawet 40% (Masiuk, i in., 2011). Z tego powodu zdecydowano się na montaż samplera z urządzeniem schładzającym próbki.