Измерение потока сточных вод с помощью лотка Паршаля
Лоток Паршаля – распространенное решение для измерения расхода сточных вод в открытых каналах. Рассмотрим принцип его работы, выбор типоразмера, требования к монтажу и способ автоматического контроля уровня с помощью радарного уровнемера.
Автор: Дмитрий Слесарев 
Время прочтения: 12 мин.
На очистных сооружениях, промышленных предприятиях и объектах водоотведения жидкость часто движется самотеком по открытому или частично заполненному каналу. Обычные расходомеры для напорных трубопроводов в таких условиях применять нельзя без изменения гидравлической схемы. Подробнее о способах учета таких потоков читайте в статье «Измерение расхода сточных вод в открытых каналах».
Для измерения потока используют гидравлические сооружения с заранее известной характеристикой. Одно из наиболее распространенных решений – лоток Паршаля. Такой способ подходит для хозяйственно-бытовых и промышленных стоков, очищенной воды, дренажных систем и других объектов с безнапорным движением жидкости.
Название происходит от английского Parshall flume и связано с именем американского инженера Ральфа Л. Паршалла (Ralph L. Parshall), разработавшего эту конструкцию. В российских нормативных документах используется форма «лоток Паршалла», например, в МИ 2406-97 и ГОСТ Р 51657.1-2000. В технических и отраслевых материалах также широко встречается вариант «лоток Паршаля».
Как устроен и работает лоток Паршаля
Конструкция состоит из трех основных частей:
- сужающейся входной секции;
- горловины с параллельными стенками;
- расширяющейся выходной секции.
Профиль дна также меняется. Во входной части оно горизонтальное, затем понижается в горловине и поднимается на выходе. За счет этого формируется необходимый гидравлический режим.
Один из главных размеров – ширина горловины W. От нее зависят пропускная способность и расчетные коэффициенты.
По мере сужения канала скорость воды возрастает. Перед горловиной устанавливается определенный уровень, который зависит от количества жидкости, проходящей за единицу времени. Для стандартного исполнения эта зависимость известна заранее, поэтому измерять скорость потока напрямую не требуется.
Типоразмеры разной пропускной способности нельзя считать увеличенными копиями одной конструкции. Геометрические параметры и гидравлические характеристики задаются отдельно для каждого размера. Поэтому при изготовлении и монтаже необходимо сохранить расчетную форму канала.
Расчет расхода по уровню
При свободном истечении значение Q определяют по уровню воды перед горловиной.
Для приведенных ниже типоразмеров P1–P9 применяется зависимость:
Q = α × hᵇ
где:
- Q – объемный расход, м³/с;
- h – уровень жидкости относительно нулевой отметки, м;
- α – коэффициент выбранного типоразмера;
- b – показатель степени.
Зависимость нелинейная. Если глубина воды увеличилась в два раза, это не означает двукратного роста Q. Поэтому простой линейный пересчет сигнала уровнемера здесь не подходит.
В МИ 2406-97 применяется аналогичная степенная зависимость. Расчетные коэффициенты выбирают по нормализованному типоразмеру.
Типоразмеры и рабочие диапазоны
Чем шире горловина, тем выше пропускная способность. Для небольших потоков используют компактные исполнения, для крупных каналов – более широкие.
В рассматриваемой серии представлены типоразмеры P1–P9:
| Параметр | P1 | P2 | P3 | P4 | P5 | P6 | P7 | P8 | P9 |
| Qмин, м³/ч | 0,94 | 1,88 | 2,8 | 5,5 | 8,1 | 10,5 | 15,8 | 20,8 | 31,3 |
| Qмакс, м³/ч | 22,3 | 54,4 | 196 | 604 | 1324 | 2152 | 3232 | 4359 | 6627 |
| W, см | 2,54 | 5,08 | 7,62 | 15,24 | 22,86 | 30,48 | 45,7 | 61 | 91,4 |
| α | 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 |
Например, P1 работает в диапазоне примерно от 0,94 до 22,3 м³/ч, P4 – от 5,5 до 604 м³/ч, а максимальная пропускная способность P9 достигает 6627 м³/ч.
Расчетные данные следует брать именно для выбранного исполнения. Это особенно важно при использовании разных нормативных рядов.
Например, нормализованный ряд МИ 2406-97 начинается с ширины горловины 0,152 м. Поэтому для малых размеров P1–P3 из таблицы выше нужны характеристики, указанные в документации изготовителя или другой принятой методике.
Как выбрать типоразмер
Для подбора желательно знать:
- минимальный расход;
- среднее рабочее значение;
- максимальный расход;
- кратковременные пиковые значения;
- ширину и глубину существующего канала;
- допустимый уровень воды перед измерительным участком;
- условия отвода жидкости.
Ориентироваться только на максимальный поток недостаточно.
Слишком узкая горловина ограничит пропускную способность и может вызвать чрезмерный подъем воды перед сооружением.
Избыточно большой размер также нежелателен. При небольшом потоке глубина будет мала, а изменение Q приведет лишь к небольшому изменению уровня. В таких условиях сильнее сказываются волны, отложения, погрешность датчика и неточность исходной отметки.
Оптимально, когда обычный режим работы находится внутри расчетного диапазона, а не возле его границ.
Свободное истечение и подтопление
Важное условие корректного измерения – состояние потока после горловины.
При свободном истечении уровень ниже по течению не влияет на связь между напором перед сужением и Q. В этом случае достаточно измерять один параметр – Ha.
Если нижний уровень повышается, возникает подпор. Причиной могут быть засорение отводящего канала, недостаточная пропускная способность, высокий уровень в следующем сооружении или неверно выбранные монтажные отметки.
МИ 2406-97 предусматривает применение лотков Паршалла в режиме свободного истечения и устанавливает предельное относительное затопление:
- при ширине горловины до 1,0 м – 0,6;
- от 1,0 до 2,4 м – 0,7;
- свыше 2,4 м – 0,8.
При превышении допустимого значения расчет для свободного истечения применять нельзя без другой предусмотренной методики.
Поэтому при проектировании предпочтительно обеспечить свободный отвод воды. Если возможен подпор, дополнительное измерение ниже по течению позволяет контролировать степень затопления и своевременно обнаруживать нарушение гидравлического режима.
Где измерять уровень
Контрольную точку нельзя выбирать произвольно.
Расчетная характеристика привязана к определенному сечению входной части. Если измерять уровень слишком далеко от расчетной зоны или непосредственно у горловины, результат может искажаться из-за уклона поверхности, ускорения воды и турбулентности.
Положение точки Ha определяется геометрией конкретного исполнения.
Для расчета также важна правильная нулевая отметка. Бесконтактный датчик измеряет расстояние до поверхности, а системе требуется глубина воды относительно расчетного нуля.
Если:
H – расстояние от контрольной точки датчика до нулевой отметки;
d – текущее расстояние до поверхности,
то:
h = H − d
Полученное значение используют для вычисления Q.
Ошибка при задании нуля особенно заметна при небольших потоках, когда глубина воды невелика.
Требования к монтажу
Перед входной секцией желательно обеспечить спокойный и равномерный поток.
Непосредственно перед измерительным участком нежелательны:
- резкие повороты;
- насосные выпуски;
- ступени;
- шиберы и затворы;
- резкие изменения сечения.
Такие элементы создают завихрения, волны и неравномерное распределение скоростей.
При установке контролируют проектные отметки, ширину горловины, форму входной и выходной секций, отсутствие деформаций и правильное сопряжение с каналом.
Если корпус бетонируют, его необходимо надежно зафиксировать. Даже небольшое изменение геометрии способно повлиять на результат измерения.
Во время эксплуатации следует контролировать состояние дна. Песок, ил и другие отложения меняют фактическую глубину и расчетную отметку. Датчик при этом может работать исправно, однако полученное значение Q будет отличаться от фактического.
Нормативные документы
Для проектирования и расчета применяют несколько документов.
- МИ 2406-97 – «ГСИ. Расход жидкости в открытых каналах систем водоснабжения и канализации. Методика выполнения измерений при помощи стандартных водосливов и лотков». Документ содержит расчетные зависимости, нормализованные размеры и требования к условиям измерения.
- ASTM D1941-21 – стандарт на определение объемного расхода воды и сточных вод в открытых каналах с помощью Parshall flume.
- ISO 9826:1992 – международный стандарт Measurement of liquid flow in open channels – Parshall and SANIIRI flumes. Он распространяется на измерения с помощью конструкций Parshall и SANIIRI.
Для технологического или коммерческого учета конкретную методику выбирают с учетом метрологических требований объекта.
Измерение уровня радарным уровнемером INNOLEVEL
Для автоматической работы системы необходимо непрерывно контролировать уровень в точке Ha.
На сточных водах удобен бесконтактный способ: чувствительный элемент не погружается в жидкость и меньше подвержен загрязнению, обрастанию и воздействию включений в потоке.
Для такой задачи можно использовать микроволновые радарные уровнемеры INNOLEVEL.
Прибор устанавливается над каналом и направляет микроволновый сигнал к поверхности воды. По отраженному сигналу определяется расстояние, которое затем преобразуется в уровень.
Например, INNOLEVEL IL-MP-S35 имеет диапазон измерения до 30 м, питание 24В DC, двухпроводный выход 4–20 мА/HART, резьбовое присоединение G 1½ и степень защиты IP66.
В линейке доступны и другие исполнения, в том числе фланцевые и взрывозащищенные модели. Конкретный вариант выбирают по условиям монтажа, требованиям к присоединению и исполнению оборудования.
Для открытого расходомерного канала большая максимальная дальность обычно не является главным критерием. Важнее правильно расположить прибор и исключить посторонние отражения в зоне измерения.
Монтаж радара и передача сигнала
Уровнемер размещают над контрольной точкой так, чтобы измерительный луч попадал на поверхность жидкости.
В зоне измерения по возможности не должно быть:
- труб;
- балок;
- кабелей;
- лестниц;
- выступающих элементов конструкции.
Высоту установки выбирают с учетом минимального и максимального уровня воды, а также требований инструкции прибора.
После настройки сигнал 4–20 мА передается в ПЛК или контроллер. Поддержка HART позволяет использовать цифровую связь для настройки и диагностики.
Алгоритм работы системы можно представить так:
измерение расстояния → определение h → вычисление Q → перевод в м³/ч → суммирование объема
Контроллер выводит текущее значение оператору и при необходимости передает данные в АСУ ТП или SCADA. Там же можно вести учет объема за смену, сутки или другой период.
Что влияет на точность
Гидравлическая часть и уровнемер работают как единая измерительная система. Поэтому ориентироваться только на характеристики электронного прибора неправильно.
На результат влияют:
- выбор типоразмера;
- соответствие фактической геометрии расчетной;
- качество монтажа;
- состояние потока перед входной секцией;
- положение точки Ha;
- точность исходной отметки;
- наличие отложений;
- подпор со стороны нижнего бьефа;
- погрешность измерения уровня;
- корректность коэффициентов в контроллере.
При нестабильных или явно неверных показаниях необходимо проверять весь измерительный участок, а не только электронный прибор.
Заключение
Лоток Паршаля позволяет определять расход сточных вод в открытых и безнапорных каналах по уровню жидкости. При свободном истечении достаточно измерить напор в расчетной точке и преобразовать его по характеристике выбранного типоразмера.
Для надежной работы важны правильный выбор размера, соблюдение расчетной геометрии, спокойный поток на входе, отсутствие недопустимого подпора и точная привязка уровня.
Автоматизировать измерение можно с помощью микроволнового радарного уровнемера INNOLEVEL. Бесконтактный прибор передает данные в контроллер, где рассчитываются текущий расход и накопленный объем сточных вод.
Скачать статью в формате PDF
- Комментарии
