DE19601646C1

DE19601646C1 - Meßanordnung zur Abflußmessung

Info

Publication number: DE19601646C1
Application number: DE1996101646
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Ing Hassinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2016-01-19

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Abflußmessung von strömenden Flüssigkeiten in einem Kanal, insbesondere bei großen Schwankungen des Durchflusses, wobei in dem Kanal Mittel zur Erzeugung eines beruhigten Wasserspiegels vorgesehen sind, wobei in dem Bereich des beruhigten Wasserspiegels eine Meßeinrichtung zur Ermittlung des Wasserstandes und eine Meßeinrichtung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit angeordnet ist.

Der überwiegende Teil der Siedlungsgebiete in Deutschland wird durch Mischkanalisationen entwässert. Da die nachgeschalteten Kläranlagen schon bei mäßigem Regen die anfallenden Wassermengen nicht aufnehmen und klären können, sind im Kanalsystem sogenannte Regenentlastungen erforderlich. Diese bestehen in der Regel aus einem Überlaufbauwerk mit einer Überfallschwelle, an das sich ein für die größten Abflüsse bemessener Entlastungskanal anschließt, der die nicht zur Kläranlage ableitbaren Wassermengen direkt zum Vorfluter entlastet. Typische Bauweisen für solche Regenentlastungen sind Regenüberläufe, die keinen besonderen Stauraum für Mischwasser enthalten, oder Regenüberlaufbecken mit Speicherraum.

Es besteht nun ein Interesse daran, zu wissen, wieviel Kubikmeter Wasser über einen bestimmten Zeitraum durch diesen Entlastungskanal zum Vorfluter gelangen. Dies deshalb, weil das Wissen über diese zum Vorfluter gelangenden Wassermengen einerseits wichtig ist für die Dimensionierung der Kläranlage und des Regenüberlaufbeckens selbst. Schließlich können erhebliche Summen eingespart werden, wenn die Kläranlage für die tatsächlich anfallenden Wassermengen ausgelegt ist. Andererseits sprechen fiskalische und gesetzliche Gründe für die Messungen.

Es sind nun verschiedene Meßanordnungen bekannt, mit denen im Entlastungskanal mehr oder weniger genau die Menge an Wasser bestimmt werden kann, die zum Vorfluter gelangt. So ist insbesondere ein Mehrsondenmeßsystem bekannt, bei dem mehrere Geschwindigkeits- und Wasserstandssonden parallel zueinanderliegend über die Breite des Querschnitts im Kanal angeordnet sind. Ein derartiges Mehrsondenmeßsystem ist nicht nur teuer, sondern erfährt eine Einschränkung im Gebrauch insoweit, als ein gewisser Mindestwasserstand vorhanden sein muß, den die Sonden benötigen, um zuverlässig den Durchfluß bestimmen zu können. Darüber hinaus ist bei schießender Anströmung die Bestimmung des Wasserstandes mit den bekannten Drucksonden nicht möglich.

Eine weitere bekannte Methode besteht in der Anordnung eines Venturi-Gerinnes mit Messung des Unterwasserstands zur Berücksichtigung des Rückstaus. Diese haben aber den Nachteil, daß für jede Geometrie eine eigene Kalibierung erforderlich ist, und daß der Unterwasserstand extrem genau gemessen werden muß, was im Abwasserbereich einen extrem hohen Aufwand erfordert. Zudem funktionieren derartige Gerinne nicht bei Vollfüllung oder totalem Überstau.

Des weiteren sind sogenannte teilgefüllte induktive Durchflußmesser bekannt. Diese sind ebenfalls überaus teuer und stellen hohe Ansprüche in bezug auf die Qualität der Anströmbedingungen des anströmenden Abwassers; so muß die Strömung ablösungsfrei sein, es dürfen keine stehenden Wellen vorhanden sein, es darf weiterhin keine Schwall- und Sunkerscheinungen geben.

Die Messung darf weiterhin nicht im Bereich des Übergangs von einer schießenden Strömung zu einer normalen Strömung erfolgen; vielmehr muß der induktive Durchflußmesser in einem Bereich angeordnet sein, der außerhalb dieses sogenannten Wechselsprungs liegt.

Aus der DE 29 51 873 A1 ist eine Meßanordnung zur Messung des Mengenstroms von fluidisiertem, feinkörnigem Material, wie- Zementrohmehl, in einer pneumatischen Förderrinne mit Hilfe einer Venturi-Einschnürung bekannt; diese Meßanordnung funktioniert, wenn überhaupt, nur sehr eingeschränkt. Dies deshalb, weil bei stärkerem Rückstau die dann auftretenden Unterschiede im Oberflächenspiegel derart gering sind, daß sie von der Meßunsicherheit des Meßgerätes übertroffen werden.

Aus der JP 07243884 A ist ein Verfahren zur Ermittlung der Durchflußmenge in einem Rohr bekannt, nicht jedoch ein solches für eine offene Gerinneströmung.

Das aus der DE 42 33 371 A1 bekannte Verfahren dient zum kontrollierten Betrieb, das heißt dem Füllen und Entleeren eines Behälters, wobei mit diesem Verfahren der Durchfluß beeinflußt werden soll. Das Verfahren bedient sich hierbei herkömmlicher Meßmethoden zur Bestimmung der Durchflußmenge und ist nicht geeignet, zur Durchflußmengenmessung bei großen Durchflußschwankungen.

Aus der US 4,480,466 ist eine Meßanordnung der eingangs genannten Art bekannt. Jedoch ist mit dieser Meßanordnung nur eine sehr ungenaue Bestimmung der Durchflußmenge möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem zuverlässig und preiswert der Durchfluß in einem Abwasserkanal ermittelt werden kann, wobei sichergestellt sein soll, daß dieses Verfahren auch bei stark schwankenden Abflüssen noch realitätsnahe Ergebnisse hinsichtlich der ermittelten Wassermenge zur Verfügung stellt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mittel zur Querschnittseinschnürung des Kanals zur Erzeugung eines gegenüber dem normalen Geschwindigkeitsprofil der Strömung vergleichmäßigten Geschwindigkeitsprofils dienen, wobei in dem Bereich des vergleichmäßigten Geschwindigkeitsprofils die Meßeinrichtung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit angeordnet ist.

Durch diese Erfindung wird ein Verfahren zur Messung von Durchflüssen bei ungünstigen hydrometrischen Bedingungen bereitgestellt, die in Regenentlastungskanälen die Regel sind. Die entsprechenden Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:

- unempfindlich gegen unruhige Anströmbedingungen;
- unempfindlich gegen Rückstau;
- in beliebigen Querschnitten einsetzbar;
- großer Meßbereich;
- vorhandene Kanäle sind ohne Umbauten nachrüstbar;
- Kanal kann teilgefüllt oder vollgefüllt sein.

Im einzelnen ist insbesondere vorgesehen, daß zur Erzeugung des vergleichmäßigten Geschwindigkeitsprofils und des beruhigten Wasserspiegels mindestens ein Einsatzelement zur Querschnittseinschnürung des Kanals in dem Kanal anordbar ist. Hierbei erfolgt die Querschnittseinschnürung vorzugsweise im Bodenbereich; die Querschnittseinschnürung ist weiterhin im wesentlichen konisch, und zwar vorzugsweise sich nach oben erweiternd konisch auslaufend ausgebildet. Mit Hilfe der ermittelten Geschwindigkeitswerte der Strömung und der Wasserstandshöhe sowie unter Berücksichtigung der Querschnittsfläche vor und im Bereich der Einschnürung kann mit Hilfe der Kontinuitätsgleichung (v₀ × A₀ = V_e = A_e) bzw. der Bernoulli-Gleichung (h₀ + V₀²/2g = h_e + V_e²/2g) der genaue Durchfluß ermittelt werden.

Vorzugsweise ist die Meßeinrichtung zur Ermittlung des Wasserstandes in Strömungsrichtung gesehen vor der Querschnittseinschnürung im Kanal angeordnet. Das heißt, daß die Meßeinrichtung für die Wasserstandshöhe in Strömungsrichtung gesehen vor der Meßeinrichtung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit angeordnet ist.

Hierbei kann die Meßeinrichtung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit als induktiv arbeitende Sonde oder aber als eine nach dem Dopplerprinzip arbeitende Ultraschallsonde ausgebildet sein. Grundsätzlich sind aber auch andere Meßeinrichtungen denkbar.

In Abhängigkeit von den möglichen oder zulässigen Energieverlusten der Strömung an der Meßstelle kann bei diesem Verfahren die Form der Einsatzelemente gestaltet werden. Sind Verluste zulässig, können die Elemente am unterstromigen Ende abrupt enden; andernfalls können durch eine konische Aufweitung die Verluste klein gehalten werden. Diese Variationen der Form haben zwar einen Einfluß auf die Strömungsbedingungen im Meßquerschnitt, dieser wird aber durch das Meß- und Auswerteverfahren automatisch berücksichtigt.

Folgende Vorteile ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung.

1. Starke Spreizung des Meßbereichs; d. h. der Durchfluß ist beispielsweise meßbar in einem Durchflußbereich von 30 l pro Sekunde bis 3000 l pro Sekunde, ohne daß hierbei unzulässig hohe Meßfehler auftreten.
2. Es ist gleich, ob sich die Flüssigkeit hinter der Einschnürung rückstaut oder nicht; dies deshalb, weil bei einem Rückstau zwar die Strömungsgeschwindigkeit vermindert wird, gleichzeitig aber der Wasserspiegel ansteigt, was durch Kontinuitätsgleichung und Bernoulli-Gleichung jedoch voll berücksichtigt wird.
3. Auch bei groben Kanalquerschnitten reicht eine Geschwindigkeitsmeßsonde aus, da durch die Querschnittsveränderung das Geschwindigkeitsprofil vergleichmäßigt wird.
4. Es ist keine Vor-Ort-Kalibrierung bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren mehr erforderlich; vielmehr können die hydraulischen Parameter, die zur Kalibrierung der Meßeinrichtungen erforderlich sind, im Labor bestimmt werden.
5. Die Form der Einsatzelemente kann in weiten Grenzen so gewählt werden, daß den jeweiligen Bedingungen (Anströmung, Gefälle, zulässiger Energieverlust ect.) Rechnung getragen wird. Dies hat keine Auswirkungen auf das Verfahrensprinzip und die Auswertemethodik.

Anhand der Zeichnungen wird das erfindungsgemäße Verfahren nachstehend beispielhaft näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung der Meßeinrichtungen im Entlastungskanal zum Vorfluter;

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Entlastungskanal im Bereich der Anordnung der Meßeinrichtungen;

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht gemäß Fig. 2;

Fig. 4 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie IV-IV aus Fig. 2.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 ist der Mischwasserkanal insgesamt mit 1 bezeichnet; dieser Mischwasserkanal 1 mündet in das Regenüberlaufbecken 2, das durch einen Kanal 3 durch eine Drossel 4 mit dem Klärwerksbecken 5 in Verbindung steht.

Im Bereich des Kanals 1 unmittelbar vor dem Regenüberlaufbecken zweigt der Entlastungskanal 6 zum Vorfluter (nicht dargestellt) ab. Dieser Entlastungskanal 6 steht durch eine Schwelle 7 mit dem Mischwasserkanal 1 in Verbindung. Die Schwelle 7 ist erforderlich, um zu gewährleisten, daß erst bei Erreichen einer bestimmten Wasserstandshöhe im Kanal 1 das Abwasser in den Entlastungskanal 6 gelangt. Dieser Entlastungskanal 6, der zum nicht darstellten Vorfluter führt, weist nach der Schwelle 7, etwa bei 10 die Mittel auf, die erforderlich sind, um den Durchfluß Q zu bestimmen, der durch diesen Entlastungskanal zum Vorfluter gelangt.

Im Bereich des Kanals 6 erfolgt bei 10 eine Einschnürung des Querschnitts des Kanals 6 durch die beiden einander gegenüberliegend angeordneten Einsatzelemente 20, 30. Diese Einsatzelemente 20, 30 sind in Richtung auf die Wasseroberfläche hin konisch auslaufend ausgebildet, so daß sich ein nach oben erweiternder Querschnitt 40 ergibt (Fig. 4).

Weiterhin sind die Einsatzelemente 20, 30 derart ausgebildet, daß die Strömung, deren Richtung durch den Pfeil 50 gekennzeichnet ist, am Übergang vom Kanal in den Meßquerschnitt keine Strömungsablösungen zeigt.

Durch die beiden Einsatzelemente wird der Querschnitt des Kanals 6 verjüngt; dies hat zur Folge, daß sich das Wasser im durch den Pfeil 60 gekennzeichneten Bereich auf staut und im Bereich dieser Aufstauung der Wasserspiegel beruhigt ist. Im Bereich der durch die Einsatzelemente 20, 30 erzeugten Einschnürung 70 entsteht ein vergleichmäßigtes Geschwindigkeitsprofil der Strömung des Abwassers. Im Bereich dieser durch die Einsatzelemente 20, 30 hervorgerufenen Einschnürung und hieraus folgend im Bereich des vergleichmäßigten Strömungsprofils befindet sich die Meßeinrichtung 80 zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit.

Eine solche Meßeinrichtung kann eine induktiv oder eine nach dem Doppler-Prinzip arbeitende Ultraschallsonde sein. Im Bereich des beruhigten Wasserspiegels ist oberhalb des Wasserspiegels eine Meßeinrichtung 90 zur Ermittlung der Wasserstandshöhe vorgesehen. Diese Meßeinrichtung, beispielsweise eine nach dem Ultraschall-Prinzip arbeitende Sonde, mit hierbei die piezometrische Höhe (Standrohrspiegelhöhe). Mit dem durch die Meßsonde 90 ermittelten h₀ und den im Bereich der Einschnürung gemessenen Geschwindigkeit V_e sind die Höhe he im Bereich der Einschnürung, der Querschnitt A_e und Q (Durchfluß) iterativ berechenbar, da sich A₀ und A_e jeweils als Funktion der Höhe h₀ bzw. h_e und der Geometrie im Zulauf bzw. im Bereich der Einschnürung darstellen. Das heißt, durch die Kontinuitätsgleichung V₀ × A₀ = V_e × A_e und die Bernoulligleichung h₀ + V₀²/2g = h_e + V_e²/2g läßt sich dann ermitteln, welche Mengen an Abwasser den Kanal 6 pro Zeiteinheit passieren.

Claims

1. Anordnung zur Abflußmessung von strömenden Flüssigkeiten in einem Kanal, insbesondere bei großen Schwankungen des Durchflusses, wobei eine Meßeinrichtung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen ist, wobei in dem Kanal (6) Mittel (20, 30) zur Querschnittseinschnürung des Kanals und zur Erzeugung eines beruhigten Wasserspiegels vorgesehen sind, wobei in dem Bereich des beruhigten Wasserspiegels eine Meßeinrichtung (90) zur Ermittlung des Wasserstandes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (20, 30) zur Querschnittseinschnürung des Kanals zur Erzeugung eines gegenüber dem normalen Geschwindigkeitsprofil der Strömung vergleichmäßigten Geschwindigkeitsprofils dienen, wobei in dem Bereich des vergleichmäßigten Geschwindigkeitsprofils die Meßeinrichtung (80) zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit angeordnet ist.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des vergleichmäßigten Geschwindigkeitsprofils und des beruhigten Wasserspiegels mindestens ein, vorzugsweise jedoch zwei Einsatzelemente (20, 30) zur Querschnittseinschnürung des Kanals (6) in dem Kanal (6) angeordnet sind.

3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittseinschnürung im Bodenbereich des Kanals (6) erfolgt.

4. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzelemente (20, 30) derart ausgebildet sind, daß sich eine im wesentlichen konische Querschnittseinschnürung ergibt.

5. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittseinschnürung nach oben sich erweiternd konisch auslaufend ausgebildet ist.

6. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzelement (20, 30) eine Form derart aufweist, daß Strömungsablösungen des einfließenden Wassers vermieden werden.

7. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (80) zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eine induktiv arbeitende Sonde oder eine nach dem Dopplerprinzip arbeitende Ultraschallsonde ist.

8. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (90) zur Ermittlung des Wasserstandes in Strömungsrichtung gesehen vor der Querschnittseinschnürung im Kanal (6) angeordnet ist.

9. Meßanordnung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Werte von Wasserstandshöhe und Geschwindigkeit unter Berücksichtigung der Querschnittsfläche vor und im Bereich der Einschnürung mit der Kontinuitätsgleichung (v_o · A_o = v_e · A_e) und der Bernoulli-Gleichung (h₀ + V₀²/2g = h_e + V_e²/2g) ermittelbar sind.