CZ32293U1 - Zařízení pro měření průtoku s vysokým obsahem plavenin - Google Patents

Description

Řešení se týká měřícího zařízení umožňujícího terénní stanovení průtoku média s vysokým obsahem plavenin. Toto zařízení se využívá jako součást aparatury pro měření množství povrchového odtoku při měření eroze půd pomocí simulátoru deště. Svým využitím zařízení spadá do oblasti výzkumu ochrany půd a výzkumu geotechniky zemin.

Dosavadní stav techniky

Měření průtoku média s obsahem plavenin je poměrně obtížný úkol, protože obsah pevných částic je příčinou mnoha technických problémů. Zásadním problémem je sedimentace pevných částic v měřícím zařízení způsobující buď nepřesnost měření, rychlé opotřebení měřícího zařízení, případně jeho mechanickou poruchu. Obtížné je zejména měření menších průtoků média s plaveninami v kombinaci s volnou hladinou proudnice a nízkým hydraulickým spádem. Problematické je také měření průtoků s velkým rozpětím hodnot průtoku. Komerčně dostupné průmyslově využívané průtokoměry jsou konstruovány pro měření médií bez obsahu pevných částic (např. lopatkové průtokoměry), nebo umožňují měření média s plaveninami, ale vyžadují plné zatopení měřeného potrubí (elektromagnetické průtokoměry), nebo jsou vhodné pouze pro větší průtoky (ultrazvukové, dopplerovské průtokoměry). Omezeně lze také využít překlápěcí člunkové průtokoměry, jejichž nevýhodou je nízká citlivost při malých průtocích a náchylnost k sedimentaci plavenin v člunkové sklopné nádobě. Při nízkých průtocích je citlivost detekce nedostačující a neodráží aktuální stav měřeného průtoku. Při velkých průtocích naopak překlápěcí mechanismus nedokáže zvládat požadovanou rychlost překlopení. U tohoto detekčního principu je nutné optimalizovat rozměry překlápěcího člunku pro předpokládaný měřící rozsah průtoků a obvykle takový systém nevyhovuje požadavkům na měření odtoků povrchových splachů, které mají velké rozpětí od malých (první ml.min¹) až po velké (první desítky l.min¹).

Poměrně přesnou metodou, avšak náročnou na lidskou práci, je manuální měření pomocí kalibrovaných odměmých nádob.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro měření průtoku s vysokým obsahem plavenin, podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že sestává z měřicího žlabu, který je na nátokovém konci vybaven aretačním mechanismem a je volně spojen pomocí kyvného břitu s podstavcem aretačního mechanismu, kdy výtokový konec měřicího žlabu je zavěšen na nosném ocelovém lanku, to je připevněno na nosné konstrukci skládající se ze tří stabilizačních tyčí se závitem na jejich konci a dvou stabilizačních desek s polohovatelnými maticemi a podlouhlým profilem montážních otvorů pro vymezení vůle mezi zavěšeným měřicím žlabem a nosnou konstrukcí, přičemž stabilizační tyče jsou se stabilizačními deskami spojeny polohovatelnými maticemi, podstavec aretačního mechanismu a stabilizační tyče jsou ukotveny v zemi prostým zapíchnutím do půdního podloží, stabilizační deska kolmá na žlab je vybavena závěsem žlabu, který sestává z hmotnostního senzoru, pod ním je zavěšen závitový napínák pro plynulé nastavení požadovaného sklonu měřícího žlabu, přičemž níže pod závitovým napínákem je výtokový konec měřícího žlabu uchycen ve svých rozích pomocí nosných ocelových lanek, kdy nátoková trubka je umístěna rovnoběžně co nejníže nad hranou měřicího žlabu a bez kontaktu nátokové trubky a měřicího žlabu, který je opatřen hmotnostním senzorem a ten je napojen na digitální datalogger, přičemž elektronická část zařízení je napájena externím zdrojem.

- 1 CZ 32293 UI

Zařízení podle technického řešení slouží k měření průtoku vody s vysokým obsahem plavenin různé zrnitosti s volnou hladinou proudnice. Zařízení se skládá z průtočného žlabu ve tvaru V, jehož nátokový konec je aretován na kyvném břitu a výtokový konec žlabu je volně zavěšen na ocelovém lanku vybaveném hmotnostním senzorem. Měřicí žlab je pomocí stabilizačního mechanismu ukotven v požadované poloze tak, aby nedocházelo ke vzniku vibrací či posunům ve směru příčném i podélném na průběh žlabu. Stabilizační konstrukce umožňuje jediný možný pohyb měřicího žlabu, a to ve směru kolmém na zemský povrch. Měřené médium, voda s plaveninami, je přivedeno do měřicího žlabu na nátokový konec volným přepadem a opouští měřicí žlab na výtokovém konci opět volným přepadem. Pro měření je využíváno principu jednoramenné páky. Se zvyšujícím se průtokem média ve žlabu se zvyšuje i tíhová odezva na výtokovém konci měřicího žlabu a množství protékajícího média je detekováno hmotnostním senzorem umístěným na závěsu. Výhodou tohoto způsobuje vysoká citlivost měření při nízkých i větších průtocích, která předčí měření pomocí standardních průtokoměrů. Ty mají obvykle měřicí rozsah, podíl minimálního a maximálního možného průtoku, v poměru 1 : 25 až 1 : 50, naproti tomu využívané hmotnostní senzory mají poměr měřícího rozsahu 1 : 1000 a více. Obsah plavenin v měřeném médiu má vliv na jeho hustotu a ovlivňuje měření pomocí hmotnostního senzoru. Tento jev je kompenzován při matematickém zpracování měřených dat, do kterého vstupují i další proměnné, jako je náklon žlabu. Nastavitelným náklonem žlabu je regulována optimální rychlost proudění média ve žlabu tak, aby nedocházelo k sedimentaci plavenin.

Výhodou zařízení podle technického řešení je velice rychlá odezva na aktuální změnu průtoku, vysoká citlivost a možnost měření v širokém rozpětí průtoků.

Celé zařízení podle technického řešení je mobilní a skládá se z mechanické a elektronické měřící části, které jsou během jejich dopravy k místu měření složeny. Mechanické řešení zavěšení měrného žlabu dovoluje instalaci v jakýchkoliv běžných podmínkách a dává uživateli plnou kontrolu nad zvoleným režimem měření (plynule nastavitelná výška žlabu nad povrchem a sklonu žlabu). Elektronická část se skládá z hmotnostního senzoru a dataloggeru, který dovoluje nahrání různých kalibračních křivek dle požadavku uživatele, a tudíž automaticky v reálném čase vypočítává průtok.

Takto zpracovaná data jsou poté směrována do komunikačních rozhraní, která dovolují napojení do externích řídicích systémů.

Výhody zařízení podle technického řešení spočívají především ve vlastní konstrukci zařízení a zapojení součástek, dále ve využití nakloněného průtočného měřicího žlabu pro měření průtoku média s obsahem plavenin, využití součástky závitový napínák pro přesné ustanovení požadovaného sklonu měřícího žlabu při měření, využití kyvného břitu a nosné konstrukce pro bezpečné ukotvení měřicího žlabu v terénu minimalizující nežádoucí vibrace při měření a využití kombinace součástek hmotnostní senzor - datalogger pro přesný automatizovaný kontinuální odečet hodnot měřených průtoků a ukládaní měřených hodnot.

Objasnění výkresů

Na přiložených výkresech je na Obr. 1 schématický nákres zařízení z bočního pohledu (bokorys), na Obr. 2 je schématický nákres zařízení z čelního pohledu (nárys) a na Obr. 3 je schématický nákres zařízení z horního pohledu (půdorys).

Zařízení podle technického řešení bylo původci s úspěchem vyzkoušeno v praxi při měření přihlašovatelem, kterým je Ekotechnika spol. s r. o., Čemošice, ČR.

-2CZ 32293 UI

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Zařízení se sestává z měřicího žlabu 6, který je na nátokovém konci vybaven aretačním mechanismem žlabu 7. Tento aretační mechanismus žlabu 7 je volně spojen pomocí kyvného břitu s podstavcem aretačního mechanismu 8. Výtokový konec měřicího žlabu 6 je zavěšen na nosném ocelovém lanku 10. To je připevněno na nosné konstrukci skládající se ze tří stabilizačních tyčí 4 a dvou stabilizačních desek 2. Stabilizační desky mají vrtání montážních otvorů podlouhlého profilu, aby byla usnadněna montáž konstrukce, a také se pomocí těchto otvorů vymezuje vůle mezi zavěšeným měřicím žlabem 6 a nosnou konstrukcí. To je důležité pro omezení vzniku vibrací, které by negativně ovlivňovaly měření. Stabilizační tyče 4 jsou na svém konci opatřeny závitem a se stabilizačními deskami 2 jsou spojeny polohovatelnými maticemi L Spojení pomocí závitů a matic umožňuje snadnou montáž a demontáž zařízení při transportu. Výhodou je také snadnost přizpůsobení konstrukce místním terénním podmínkám. Podstavec aretačního mechanismu 8 a stabilizační tyče 4 jsou ukotveny v zemi prostým zapíchnutím do půdního podloží.

Stabilizační deska 2 kolmá na žlab je vybavena závěsem žlabu. Závěs se sestává z hmotnostního senzoru 3, pod ním je zavěšen závitový napínák 9 umožňující plynulé nastavení požadovaného sklonu měrného žlabu 6. Sklon žlabu je volen tak, aby v průběhu měření nedocházelo k sedimentaci plavenin ve žlabu. Níže pod závitovým napínákem 9 je výtokový konec měrného žlabu 6 uchycen v rozích žlabu pomocí nosným ocelových lanek 10. Přivedení měřeného média do měrného žlabu 6 je provedeno pomocí nátokové trubky 5. Nátoková trubka je umístěna rovnoběžně se žlabem, co nejníže nad hranou měřicího žlabu 6, ale tak, aby nedocházelo ke kontaktu nátokové trubky 5 a měřicího žlabu 6. Velikost průtoku je detekována hmotnostním senzorem 3, ten je napojen na digitální datalogger 11. Ten obstarává zpracování výstupního signálu z hmotnostního senzoru 3, provádí matematické výpočtové operace a korekce na základě dat kalibračních křivek a dále ukládá měřená data na paměťovou kartu. Elektronická část měřicího zařízení je napájena externím zdrojem 12 VDC nebo soustavou elektrických akumulátorů s požadovaným elektrickým napětím.

Průmyslová využitelnost

Nové zařízení umožňuje v terénních podmínkách kvalitně stanovit velikost povrchového odtoku z testované plochy při erozních zkouškách. Zařízení vykazuje výhodné vlastnosti oproti doposud používaným měřicím postupům a aparaturám. Důležitá je zejména možnost měřit odtok už v jeho počátcích. Je pak možné přesně stanovit limitní hodnoty objemu srážek, kdy se počne objevovat povrchový odtok a vsakovací kapacita půd je vyčerpána. Průtočný žlab umožňuje kontinuální měření, oproti tradiční manuální metodě pomocí odměmých nádob.

V současné době výrazných klimatických změn, kdy je očekáván častější výskyt v čase nerovnoměrně rozložených a extrémních forem srážek, je výzkum erozních vlastností půd důležitým předpokladem k jejich ochraně.

Kromě výzkumu erozních vlastností půd je možné zařízení využít i pro stanovení vsakovacích vlastností základových zemin. Znalost tohoto parametru je potřebná ve stavebnictví, kde údaje o propustnosti prostředí jsou důležitým podkladem pro správnou volbu technologického postupu stavebních prací a slouží také jako vstupní data do bezpečnostních analýz, které jsou často součástí schvalovacího řízení při budování rozsáhlejších staveb.

Claims (12)

1. Zařízení pro měření průtoku s vysokým obsahem plavenin, vyznačující se tím, že sestává z měřicího žlabu (6), který je na nátokovém konci vybaven aretačním mechanismem (7) a je volně spojen pomocí kyvného břitu s podstavcem (8) aretačního mechanismu, kdy výtokový konec měřicího žlabu (6) je zavěšen na nosném ocelovém lanku (10), to je připevněno na nosné konstrukci skládající se ze tří stabilizačních tyčí (4) se závitem na jejich konci a dvou stabilizačních desek (2) s polohovatelnými maticemi (1) a podlouhlým profilem montážních otvorů pro vymezení vůle mezi zavěšeným měřicím žlabem (6) a nosnou konstrukcí, přičemž stabilizační tyče (4) jsou se stabilizačními deskami (2) spojeny polohovatelnými maticemi (1), podstavec (8) aretačního mechanismu a stabilizační tyče (4) jsou ukotveny v zemi prostým zapíchnutím do půdního podloží, stabilizační deska (2) kolmá na žlab (6) je vybavena závěsem žlabu (6), který sestává z hmotnostního senzoru (3), pod ním je zavěšen závitový napínák (9) pro plynulé nastavení požadovaného sklonu měřícího žlabu (6), přičemž níže pod závitovým napínákem (9) je výtokový konec měřícího žlabu (6) uchycen ve svých rozích pomocí nosných ocelových lanek (10), kdy nátoková trubka (5) je umístěna rovnoběžně co nejníže nad hranou měřicího žlabu (6) a bez kontaktu nátokové trubky (5) a měřicího žlabu (6), který je opatřen hmotnostním senzorem (3) a ten je napojen na digitální datalogger (11), přičemž elektronická část zařízení je napájena externím zdrojem (12).

3 výkresy

-4CZ 32293 UI

Seznam vztahových značek:

1 - polohovací matice

2 - stabilizační deska

3 - hmotnostní senzor

4 - stabilizační tyč se závitem

5 - nátoková trubka

6 - měřicí žlab

7 - aretační mechanismus

8 - podstavec aretačního mechanismu

9 - závitový napínák

10 -nosné lanko

11 - datalogger

12 - zdroj.