Problematyka pomiaru prędkości przepływu cieczy metodą ultradźwiękową w naturalnych małych kanałach otwartych

Transkrypt

1 Andzej MICHALSKI,, Kzysztof KWIATOS, Jan SIENKIEWICZ, Zbigniew WATRAL Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Systemów Elektonicznych (), Politechnika Waszawska, Instytut Elektotechniki Teoetycznej i Systemów Infomacyjno Pomiaowych () Poblematyka pomiau pędkości pzepływu cieczy metodą ultadźwiękową w natualnych małych kanałach otwatych Steszczenie. W efeacie pzedstawiono potzeby monitoowania oaz pomiau pzepływu cieczy z wykozystaniem fali ultadźwiękowej na małych otwatych kanałach pzepływowych. Omówiono zasady pomiau pzepływu cieczy tą metodą oaz jej wady i zalety. Omówiono główne źódła błędów metody ultadźwiękowej pod kątem jej aplikacji do pomiau pzepływu w małych natualnych kanałach melioacyjnych. Abstact. The pape pesents the ways of ultasonic monitoing and measuement of wate flow in small natual channels. The idea of ultasonic method fo volume flow measuement is pesented and its advantages and disadvantages ae discussed. The main eo souces, and thei influence to the measuement accuacy in case of application of ultasonic method fo flow measuement in small, natual open channels ae descibed. (Evaluation of flow monitoing methods fo small open channels). Słowa kluczowe: pzepływ, pomia pzepływu, metoda ultadźwiękowa Keywods: flow, flow measuement, ultasonic method Wstęp W hydologii pomia natężenia pzepływu cieczy w kanałach otwatych dokonywany jest w celu: pognozowania zagożeń (susza, stany powodziowe itp.), steowania zapasami wody w zbionikach etencyjnych, pognozowania stanów pacy dla enegetyki wodnej i żeglugi śódlądowej, kontolowania stanu nawodnienia teenów objętych siecią kanałów melioacyjnych, pognozowania stanów kytycznych na teenach poldeowych. W ostatnich tzydziestu latach pojawiło się szeeg nowych ozwiązań technicznych wykozystujących dotychczas nie stosowane techniki pomiaowe pzepływu wykozystujące metody optyczne, elektomagnetyczne i ultadźwiękowe zwane potocznie metodami współczesnymi. Wszystkie te metody należą do gupy metod pędkość powiezchnia i wspólną ich cechą jest wykozystywanie zaawansowanych technik pzetwazania sygnałów w poceduze pomiaowej. W atykule tym omówiona zostanie metoda ultadźwiękowa pomiau pzepływu cieczy w małych natualnych kanałach melioacyjnych. Metoda ultadźwiękowa pomiau pzepływu wykozystuje wpływ stumienia miezonej cieczy na waunki popagacji fali ultadźwiękowej tansmitowanej w stefie pomiaowej kanału pzepływowego. Metoda ta chaakteyzuje się szeegiem zalet, do któych można zaliczyć pzede wszystkim bak zakłóceń w stefie pzepływu, zdolność do integacji pola pędkości wzdłuż ścieżki ultadźwiękowej oaz zadawalającą dokładnością pomiau (dla kanałów natualnych zędu %). Sposoby pomiau pędkości pzepływu cieczy wykozystujące falę ultadźwiękową Popagacja fali ultadźwiękowej w pomiaze pędkości miezonego medium wykozystywana może być na cztey óżne sposoby. Piewszym, zasadniczym sposobem jest wykozystanie óżnicy w sygnałach otzymanych pzy pzejściu impulsu ultadźwiękowego między odpowiednio ozmieszczonymi punktami A i B. Sposób ozmieszczenia tych punktów oaz ideę pomiau pędkości cieczy dla tego pzypadku pzedstawia ys.. W metodzie tej infomacja pomiaowa o pędkości miezonego medium może być zawata w óżnicy: czasów pzebiegu fali ultadźwiękowej pod pąd i z pądem miezonego medium, faz odbieanych sygnałów lub częstotliwości powtazania impulsów (metoda kążącego impulsu). Inny sposób pomiau pędkości cieczy opiea się na wykozystaniu pzesunięcia doppleowskiego występującego w momencie ozposzenia fali ultadźwiękowej na dobinach unoszonych w stumieniu miezonego medium. Dwa pozostałe sposoby tj. zjawisko unoszenia impulsu ultadźwiękowego pzez pouszające się śodowisko oaz zjawisko skoelowania szumów w dwóch odległych od siebie miejscach są znacznie zadziej aplikowane do natualnych kanałów pzepływowych. A L Rys.. Idea metody ultadźwiękowej pomiau pędkości cieczy C Dla metody óżnic czasów pzebiegu fali ultadźwiękowej między punktami A i B (ys.), czas pzejścia impulsu ultadźwiękowego t + w kieunku zgodnym z kieunkiem uchu wody (od A do B) będzie kótszy niż w pzypadku pokonania takiej samej odległości w kieunku pzeciwnym t - (od B do A) zgodnie z zależnościami () + L t =, L t = C w + ϑ cos α C w ϑ cos α gdzie: L długość ścieżki akustycznej, C w pędkość popagacji fali ultadźwiękowej (w wodzie ok. 500 m/s), ϑ - śednia pędkość medium (wody) w stefie pomiaowej, α - kąt jaki twozy ścieżka akustyczna z kieunkiem pzepływu. Różnica czasów pzejścia t impulsu ultadźwiękowego między punktami A i B jest wpost popocjonalna do poszukiwanej watości pędkości [,]. Dugą metodą wykozystującą falę ultadźwiękową do pomiau pędkości pzepływu jest metoda wykozystująca zjawisko Dopplea. Doppleowskie pzesunięcie częstotliwości spowodowane pzemieszczaniem się źódła ϑ α B PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electical Review), ISSN , R. 85 NR /009 73

2 fali ultadźwiękowej względem obsewatoa może być okeślone zależnością () Δf = f ϑ C w gdzie: Δf óżnica pomiędzy nadawaną a odbieaną częstotliwością (pzesunięcie Doppleowskie częstotliwości) [Hz], f częstotliwość sygnału nadawanego [Hz], ϑ - względna pędkość pomiędzy nadajnikiem i obsewatoem [m/s]. Zjawisko Dopplea nie występuje, jeżeli źódło fali i obsewato pzemieszczają się względem ziemi, ale ich wzajemna odległość jest stała. Tylko pomieniowy uch źódła fali względem obsewatoa powoduje występowanie efektu Dopplea. Miaą pędkości pouszającej się dobiny (pędkości wody) jest óżnica częstotliwości fali emitowanej pzez nadajnik i odbieanej pzez odbionik. Typowa konfiguacja układu pomiaowego wykozystywana w pomiaach pzepływu pzedstawiona jest na ys.. Nadajnik jest pofilomet Doppleowski (ADCP ang. Acoustic Dopple Cuent Pofile). Jego główną zaletą jest możliwość badzo szybkiego okeślenia ozkładu wektoa pędkości w danym pionie. Standadowy pofilomiez doppleowski składa się z tzech lub czteech niezależnych pzetwoników ultadźwiękowych zabudowanych hoyzontalnie co 0 0 (dla tzech pzetwoników) lub 90 0 (dla czteech) w jednej głowicy (ys. 3). Rys. 3. Głowica pofilomieza doppleowskiego α Odbionik ϑ Kanał pzepływowy Dobiny Rys.. Typowa konfiguacja pzepływomieza ultadźwiękowego wykozystująca efekt Dopplea. Zależność okeślająca liniową elację pomiędzy zmiezoną óżnicą częstotliwości Δ f a pędkością miezonego pzepływu, pzy założeniu że dobina odbijająca falę zachowuje taką samą pędkość co stumień pzepływającego medium zaówno co do watości jak i kieunku, pzedstawiona jest wzoem (3) ϑ = C w Δf f cosα gdzie α jest kątem pomiędzy wektoem pędkości wody a ścieżką ultadźwiękową. Pzepływomieze doppleowskie są wykozystywane do pomiau pędkości w cieczach niejednoodnych zawieających cząstki stałe lub pęchezyki gazu. Jedną z głównych zalet tego typu pzepływomiezy jest bak konieczności pecyzyjnego okeślania długości ścieżki ultadźwiękowej. Najczęściej spotykany zakes częstotliwość fali wynosi 0,3 3 MHz. Pzy częstotliwości 0,6 MHz, śednica najmniejszej cząstki, któa powoduje odbicie wiązki ultadźwiękowej powinna pzekaczać 40 μm. Spotyka się ównież pzepływomieze doppleowskie o częstotliwości geneacji powyżej MHz pzeznaczone do pomiau cieczy o badzo małym stężeniu zawiesin. W tym wypadku odbicia fali ultadźwiękowej występują od natualnie obecnych w polu pzepływu zawiowań. Pzy tej częstotliwości koncentacja zawiesin nie powinna pzekaczać 0,05% ponieważ dla wysokich częstotliwości zdecydowanie maleje zdolność penetacji ośodka pzez wiązkę ultadźwiękową. Jedną z najnowszych metod wykozystujących zjawisko Dopplea w śodowisku wodnym do pomiau pola pędkości Każdy z pzetwoników wysyła okesowo paczki impulsów ultadźwiękowych. Częstotliwość emitowanej fali ultadźwiękowej zawiea się w ganicach 75 khz 3MHz. Dobó częstotliwości fali ultadźwiękowej zależy między innymi od głębokości miezonego cieku. Pzykładowo pofilomet o częstotliwości fali 300 khz może być wykozystywany do pomiaów na głębokości do 0 m, a fala ultadźwiękowa o częstotliwości 00 khz zapewnia pomia tylko do 0 m. Związane jest to z tłumieniem fali ultadźwiękowej (im większa częstotliwość tym większe tłumienie). Głowica pofilomieza podwieszona jest do łodzi i zanuzona kilkanaście centymetów pod jej dnem. Łódź wyposażona w system GPS pousza się po akwenie, któego pzepływ jest badany, mieząc lokalnie głębokość cieku za pomocą oddzielnie wysyłanego impulsu ultadźwiękowego oaz ozkład pędkości w danym pionie za pomocą tzech bądź czteech wiązek ultadźwiękowych. Pędkość łodzi miezona jest za pomocą analizy impulsów ultadźwiękowych wykozystywanych do pomiau głębokości. Odpowiednio zapojektowana akwizycja danych pomiaowych połączona z dalszym ich pzetwazaniem pozwala wyznaczyć pzepływ w wybanym pofilu. Wiązki ultadźwiękowe emitowane z głowicy pofilometu odchylone są od jej osi pionowej o ok Taka konfiguacja pzetwoników nosi nazwę Janus (gecki Bóg mający zdolność jednoczesnego widzenia w pzód i w tył, (ys. 3.). Każdy z pzetwoników głowicy wysyła i odbiea odbite impulsy ultadźwiękowe od pouszających się z pędkością pzepływu cząstek stałych w miezonym stumieniu wody. Impuls ultadźwiękowy ozchodzi się w kieunku dna stożkowo powodując odbicia od kolejnych cząstek zanuzonych na óżnej głębokości w penetowanym słupie (stożku) wody. Pofilomiez dzieli penetowany słup wody na szeeg segmentów o wysokości (długości) ównej długości impulsu. Wyznaczana pędkość w amach pojedynczego impulsu jest ówna watości śedniej pędkości za obsza danego segmentu. Rejestując kolejne impulsy odbite (echa) pzesunięte w czasie, będące odbiciami od cząstek znajdujących się na óżnej głębokości uzyskuje się możliwość wyznaczenia pionowego ozkładu pędkości. Na ys. 4 pzedstawiono schematycznie ozchodzenie się impulsu ultadźwiękowego wzdłuż słupa wody pzez kolejne segmenty. 74 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electical Review), ISSN , R. 85 NR /009

3 Zwot jak i kieunek wektoa pędkości może być wyznaczony w opaciu o wskazania tzech pzetwoników ultadźwiękowych zabudowanych w jednej głowicy. Coaz częściej spotyka się pofilomieze wykozystujące cztey pzetwoniki ultadźwiękowe. Czwaty nadmiaowy pzetwonik wykozystywany jest do okeślania niepewności pomiau pędkości. odległość od głowicy pofilometu Stat Stop czas twania impulsu długość impulsu bamka bamka bamka 3 bamka 4 bamka 5 segment 6 segment 5 segment 4 segment 3 segment segment Rys. 4. Rozchodzenie się impulsów w słupie wody i odpowiadające poszczególnym segmentom echa Niepewność pomiau pędkości ozumiana jest jako óżnica wskazań uzyskanych z jednego zestawu tzech pzetwoników i dugiego z tej samej głowicy pomiezonym w tym samym okesie czasu. Bak óżnicy wskazań pomiędzy tymi dwoma zestawami pzetwoników wskazuje na jednoodny ozkład pola pędkości w zakesie obszau zawatego w śladzie ultadźwiękowym głowicy. W pomiaach paktycznych istnieje zawsze niejednoodność pola pędkości. Główne źódła błędów w ultadźwiękowej metodzie pomiau pędkości cieczy Głównym źódłem błędów pomiau pędkości miezonego medium za pomocą metody ultadźwiękowej jest popagacja fali ultadźwiękowej w śodowisku statnym. Fale spężyste o częstotliwościach większych od słyszalnych (powyżej 6 khz) a mniejszych od GHz są populanie nazywane ultadźwiękami. Mechanizm powstawania i ozchodzenia się fal spężystych jest taki sam niezależnie od częstotliwości. Zasadnicza óżnica polega na oddziaływaniu fal spężystych ze śodowiskiem, w któym się ozchodzą. W pomiaach pzepływu za pomocą pzepływomiezy ultadźwiękowych dominującą olę odgywają fale podłużne. Zakładając, że dynamiczny poces zgęszczania i ozzedzania ośodka w takcie popagacji fali ultadźwiękowej jest pocesem temodynamicznym adiabatycznym, pędkość C ozchodzenia się fali ultadźwiękowej w cieczy może być opisana wzoem Laplace a (4) κ P0 C = ρ 0 gdzie: P 0 jest ciśnieniem w ównowadze [MPa], κ = c p c v, c p ciepłem właściwym pzy stałym ciśnieniu [J/kgK], c v ciepłem właściwym pzy stałej objętości [J/kgK], ρ0 - gęstością ośodka niezabuzonego [kg/m 3 ]. Pędkość fali ultadźwiękowej zależy od gęstości i ciśnienia cieczy czyli tym samym od jej składu i tempeatuy. Pzy ciśnieniu atmosfeycznym pędkość fali Czas ultadźwiękowej osiąga maksymalną watość w tempeatuze 74 0 C i maleje w tempeatuach wyższych. Zmienność pędkości fali ultadźwiękowej w wodzie waz ze zmianą tempeatuy T (w zakesie tempeatu 5 0 C 5 0 C) można pzedstawić zależnością (5) c( T ) = 48,3 + 3.( T T0 ) [m/s] Jednym ze sposobów, któy pozwoli zminimalizować wpływ zmiennej pędkości popagacji fali ultadźwiękowej w śodowisku wodnym jest zmodyfikowanie metody óżnic czasów pzelotu impulsu ultadźwiękowego. Wyznaczając czas śedni pzejścia impulsu ultadźwiękowego t + + t t = można uzyskać zależność na ϑ nie będącą funkcją pędkości popagacji fali ultadźwiękowej w wodzie + (6) t + t L L L t = = + = Cw C ϑ cosα w + ϑ cosα Cw (7) Δ tc Δ ϑ w tl = =. L cos α t cos α Altenatywną metodą wyznaczania pędkości wody w opaciu o czasy pzejścia impulsów ultadźwiękowych pzez kanał pzepływowy nie uwzględniającą pędkości C w, jest metoda óżnic częstotliwości nazywana metodą kążącego impulsu (ang. sing-aound). Wyznaczona pędkość wody zgodnie z tą metodą opisana jest wzoem (8) ϑ = cosα L ϑ =. + L + t t cosα t t Metoda ta polega na cyklicznym wyzwalaniu ultadźwiękowego pzetwonika nadawczego pzez impuls geneowany w pzetwoniku odbioczym po zaejestowaniu czoła nadanej fali ultadźwiękowej. Pocedua wyzwalania impulsów ultadźwiękowych stosowana jest pzy pzelocie fali w obu kieunkach z pądem i pod pąd. Różnica częstotliwości impulsów wyzwalających jest popocjonalna do śedniej pędkości pzepływu. W obu tych pzypadkach wyznaczona pędkość ϑ jest śednią pędkości punktowych występujących wzdłuż ścieżki ultadźwiękowej. Powadząc analizę popagacji fali ultadźwiękowej w cieczach należy wziąć pod uwagę tzy kolejne zjawiska: absopcję, ozpaszanie i dyfakcję. Dodatkowym zjawiskiem, któe defomuje obaz fal ultadźwiękowych jest występowanie pocesów nieliniowych. Pocesy te polegają na zniekształcaniu postaci fali oaz wytwazaniu ciśnienia pomieniowania fali powodując stały pzepływ ośodka w kieunku ozchodzenia się fali; zjawisko to nosi nazwę wiatu akustycznego. Absopcja polega na zmniejszaniu się amplitudy fali ultadźwiękowej wzdłuż jej dogi ozchodzenia się. Pzyczyną absopcji są tzw. czynniki klasyczne jak lepkość, pzewodnictwo i pomieniowanie ciepła oaz elaksacja molekulana. Absopcja sygnału jest wynikiem pocesu zamiany enegii akustycznej na ciepło, popzez tacie między cząsteczkami wody w czasie gdy, na skutek działania fali ośodek jest poddawany sukcesywnemu ściskaniu i ozpężaniu. Tego typu staty są popocjonalne do kwadatu częstotliwości. Wpływ pzewodnictwa cieplnego na tłumienie ma większe paktyczne znaczenie niż pomieniowanie ciepła. Ze wzostem częstotliwości fali, absopcja wzasta dopowadzając do zmiany pędkości ozchodzenia się fali, zależnej od częstotliwości. Ten efekt nosi nazwę dyspesji dźwięku. Efekt ten dla cieczy i ciał stałych można pominąć. W ośodkach niejednoodnych (w stosunku do długości fali) popagacji fali towazyszą PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electical Review), ISSN , R. 85 NR /009 75

4 ównież zjawiska ozpaszania i dyfakcji, co oczywiście staje się pzyczyną ich osłabiania. Ten efekt znajduje zastosowanie w ozpoznawaniu niejednoodności ośodka (defektoskopia ultadźwiękowa). Typową pzyczyną występowania zjawiska ozpaszania w kanale pzepływowym są mikoskopijne pęchezyki powietza i występujące w pzepływie natualne zawiesiny. Niejednoodności te powodują zmiany akustyczne, właściwej oponości pozonej na skutek odbicia i ozpaszania sygnału. Efekt ten wzasta waz z częstotliwością sygnału. Niezależnie od opisanych powyżej zjawisk podczas popagacji fali ultadźwiękowej w popzek nutu w kanale pzepływowym może dochodzić w sposób pzypadkowy do zjawisk efakcji, ewebeacji i odbicia. Zjawisko efakcji występuje kiedy ścieżka ultadźwiękowa pzebiega skośnie pzez ośodek gęstościowo uwastwiony. Najczęściej ma to miejsce w małych ciekach natualnych pzy małej pędkości pzepływu gdzie mieszanie pionowe wody jest minimalne. Na skutek pomieniowania słonecznego powstaje znaczny (pionowy) gadient tempeatuy. W tak uwastwionym śodowisku, zgodnie z pawem Snella, ścieżka ultadźwiękowa zostaje zakzywiona na ganicy płynnej lub załamana na ganicy ostej między ośodkami o óżnej tempeatuze (gęstości). Pzykładowo dla gadientu 0,5 0 C/m głębokości dla ścieżki o długości 50 m, odchylenie pionowe ścieżki w kieunku dna wyniesie ok. m [3]. W układach pomiaowych o ścieżkach poziomych na skutek óżnic współczynnika efakcji w kolejnych wastwach może dochodzić do niejednakowego wydłużenia lub skócenia ścieżek ultadźwiękowych. Podobny efekt może mieć miejsce w wastwach pzydennych cieku, kiedy w wyniku cofki wód słonych w ujściach zek powstanie zakzywienie ścieżki ultadźwiękowej w kieunku powiezchni. Zjawisko ewebeacji polega na osłabianiu enegetycznym sygnału na skutek odbić wiązki ultadźwiękowej od celów innych niż hydometyczne. W wielu pacach typową analogią tego zjawiska jest osłabianie skuteczności eflektoów samochodowych w mglistą noc. Ze względu na oganiczone ozmiay pzestzenne były pzepływu w takcie popagacji fali ultadźwiękowej ozchodzącej się kuliście w popzek cieku, może dochodzić do jej odbicia od powiezchni wody (óżne gęstości śodowiska) lub dna kanału pzepływowego. Niepawidłowe ustawienie ścieżki ultadźwiękowej (za nisko bądź za wysoko) w pofilu pomiaowym kanału pzepływowego może spowodować wystąpienie niepożądanego zjawiska odbicia i załamania fali ultadźwiękowej od lusta wody bądź dna. Ilustację tego typu sytuacji pzedstawia ys.5. Pzetwonik ultadźwiękowy Powiezchnia wody h ścieżka pzelotu fali ultadźwiękowej h Powiezchnia dna cieku L / L od Pzetwonik ultadźwiękowy Rys. 5. Zjawisko intefeencji fali odbitej od powiezchni wody i dna cieku. Zjawisko odbicia od dna zachodzi w znacznie mniejszym stopniu, z tym, że znacznie częściej może dochodzić tutaj do pochłaniania fali ultadźwiękowej, kiedy óżnica gęstości między zalegającym dno mułem a wodą maleje. W pzypadku kanałów pzepływowych sztucznych o gładkim dnie i nie zalegającej wastwie mułów, poblem ten występuje z taką samą intensywnością jak w pzypadku odbicia od powiezchni wody. Docieająca do ganicy ośodków fala ultadźwiękowa zostaje odbita doznając pzy tym odwócenia fazy o Fala odbita dociea do odbionika nieco później niż fala bezpośednia. Różnica czasów jest wynikiem óżnej długości ścieżek bezpośedniej i odbitej. Zgodnie z oznaczeniami na ys. 5. długość ścieżki odbitej może być pzedstawiona zależnością [ ] (9) L od = L + ( h) gdzie: L od długość ścieżki odbitej [m], L długość ścieżki bezpośedniej [m], h odległość ścieżki ultadźwiękowej od ganicy woda powietze, woda dno [m]. Jeżeli zostanie spełniony waunek, że minimalna óżnica w długościach ścieżek akustycznych jest większa niż długości fali ultadźwiękowej (0) L L > od C f w gdzie: C w pędkość fali ultadźwiękowej w wodzie [m/s], f częstotliwość fali ultadźwiękowej [Hz], to minimalna odległość ścieżki ultadźwiękowej od ganicy woda powietze lub woda dno będzie okeślona zależnością [ ] () L + ( h ) C w L >. f Pzyjmując założenie, że λ << L oaz, że λ 0 otzymuje się, () h > LC w f. Zgodnie z wzoem () minimalna odległość ścieżki ultadźwiękowej maleje ze wzostem częstotliwości fali ultadźwiękowej. Z badań paktycznych wynika, że częstotliwość powinna być większa niż 0,5 khz. Wyższa częstotliwość popawia dokładność pomiaów pędkości liniowej. Jednakże wyższa częstotliwość powoduje, że fala ultadźwiękowa jest badziej podatna na tłumienie. Dla kanałów pzepływowych, w któych spodziewana jest intensywna obecność óżnego odzaju zawiesin i dobin, częstotliwość fali ultadźwiękowej powinna być niższa od 0,5 khz. Polska noma PN-ISO 646 podaje elację pomiędzy długością ścieżki ultadźwiękowej, częstotliwością fali ultadźwiękowej i minimalną odległością ścieżki od lusta wody i dna kanału. Kolejnym z istotniejszych źódeł błędu w pomiaach ultadźwiękowych jedno i wielościeżkowych jest niepewność okeślenia kąta α pod jakim nachylona jest ścieżka ultadźwiękowa w stosunku do linii epezentującej śednią pędkość w pofilu pomiaowym. Kieunek śedniej pędkości w pofilu w sposób natualny może ulegać skęceniu, np. waz ze zmianami napełnienia koyta lub pofilu dna. Tak więc kąt α ównież ulega zmianom wpowadzając istotny dodatkowy błąd pomiau. Błąd ten w zależności od kąta α zmienia się w ganicach 0 %. Rozwiązaniem tego poblemu jest zastosowanie tzw. ścieżek skzyżowanych (ys.6). Ustawienie dwóch pa pzetwoników po obu bzegach kanału pzepływowego powinno zapewniać postopadłość ścieżek i punkt ich pzecięcia powinien wypadać w pzybliżeniu w połowie kanału. Zalecana jest jednakowa długość ścieżek w układzie kzyżowym. 76 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electical Review), ISSN , R. 85 NR /009

5 C β β A B A - D piewotna ścieżka ultadźwiękowa B - C kzyżowa ścieżka ultadźwiękowa D aktualny kieunek pzepływu α α założony kieunek pzepływu Rys. 6. Układ pzepływomieza ultadźwiękowego ze skzyżowanymi ścieżkami. Pzyjmując pzykładowe dane można w posty sposób wykazać efektywność zastosowanej konstukcji: L długość ścieżki ultadźwiękowej dla obu pa pzetwoników, α = β = piewotne kąty dla ścieżek ultadźwiękowych, zeczywiste kąty α = 4 0, β = 48 0, miezona pędkość ϑ. Pędkość pzepływu dla układu z pojedynczą ścieżką ultadźwiękową jest popocjonalna do cos α. Odchylenie założonego kieunku wektoa pędkości o 3 0 spowoduje zmianę odczytu pędkości o 4,6% zgodnie z obliczeniami ϑ 0 = = k = k, 45 = ϑ 45 (3) t cos α cos α ϑ 0 = = k = k, 3456 = 0, 9533ϑ 4 t cos α cos α gdzie: k =. t Wpowadzając kzyżową ścieżkę ultadźwiękową (ys.6), kąt jaki zawaty jest pomiędzy zeczywistym wektoem pędkości i kieunkiem ścieżki będzie wynosił Wyznaczając pędkość dla pzepływu w opaciu o pomiay czasu dla ścieżki kzyżowej otzymuje się (4) ϑ = = k = k, 4944 =, 0587ϑ 48 0 t cos α cos α Dla niewielkich skęceń kieunku pzepływu, poste uśednienie wyników pomiaów z obu ścieżek pozwala zminimalizować błąd pomiau do akceptowalnej watości zgodnie z wyażeniem (5) ϑ 0 + ϑ 0 ϑ ś = 4 48 =, 006ϑ Zgodnie z ideą pomiau metodą ultadźwiękową zestaw pzetwoników nadawczo odbioczych musi być umieszczony na pzeciwległych bzegach kanału pzepływowego. Powoduje to konieczność pzepowadzenia kabli łączących oba pzetwoniki nad lub pod kanałem pzepływowym. W wielu wypadkach taka aanżacja stanowiska pomiaowego może być kłopotliwa, bądź węcz niemożliwa do ealizacji. Rozwiązaniem tego poblemu jest układ pomiaowy z eflektoem bienym, któy pozwala na umieszczenie dwóch pzetwoników po tej samej stonie kanału pzepływowego. Dodatkową zaletą układów z eflektoem jest wydłużenie ścieżki ultadźwiękowej bez zmniejszania kąta ścieżki, co jest szczególnie kozystne w pzypadku pomiau pzepływów o małych pędkościach. Fala ultadźwiękowa, pzy założeniu niewystępowania istotnych gadientów tempeatuy czy zasolenia wzdłuż ścieżki ultadźwiękowej, odbija się od powiezchni eflektoa docieając do odbionika. W pzypadku pojawienia się gadientu tempeatuy czy zasolenia możliwe jest zakzywienie ścieżki ultadźwiękowej co skutkuje zmniejszeniem intensywności odbieanej wiązki ultadźwiękowej a w pzypadkach kytycznych może całkowicie uniemożliwić pacę układu. Układ pomiaowy z eflektoem bienym składa się z dwu pzetwoników ultadźwiękowych umieszczonych na tym samym bzegu kanału oaz eflektoa bienego w postaci odpowiednio ufomowanego paska z wysokojakościowej taśmy stalowej (ys.7). R - eflekto Kanał pzepływowy L L L b Kieunek pzepływu A B A - R - B ścieżka ultadźwiękowa A,B - pzetwoniki ultadźwiękowe Rys. 7. Układ pomiaowy pzepływomieza ultadźwiękowego z eflektoem bienym. Reflektoy ultadźwiękowe występują w dwu wesjach: płaskie lub kątowe. Reflektoy płaskie są badziej odpowiednie dla kanałów pzepływowych o pionowych bzegach, gdzie pojedyncza płyta eflektoa obejmuje pełen zakes zmienności napełnienia kanału pzepływowego. Reflekto kątowy o kącie zagięcia minimum 90 0 stosowany jest głównie do koyt z pochyłymi bzegami. Ten typ eflektoa jest badziej odpony na występowanie gadientów tempeatuy i zasolenia. W pzypadku systemów wielościeżkowych, stosuje się oddzielny eflekto kątowy dla każdego poziomu. Dodatkową zaletą układu z eflektoem bienym jest wyeliminowanie wpływu kąta ścieżki na dokładność pomiau. Zgodnie z wzoem (8) pędkość pzepływu dla analizowanego pzypadku można zapisać (6) L ϑ = cos α t ARB t BRA gdzie: L jest sumayczną długością ścieżki ultadźwiękowej (ys.7- A-R-B), t ARB czas pzelotu wiązki ultadźwiękowej na dodze A-R-B, t BRA czas pzelotu wiązki ultadźwiękowej na dodze B-R-A, α - kąt ścieżki ultadźwiękowej. Dokonując postych pzekształceń, wynikających z elacji geometycznych pomiędzy ścieżkami ultadźwiękowymi, otzymuje się (7) ϑ = ( + L ) L Lb t t ARB gdzie: L, L długości ścieżek ultadźwiękowych pomiędzy pzetwonikiem a eflektoem, L b odległość bzegowa pomiędzy pzetwonikami. Pzy założeniu L = L = L b pędkość pzepływu cieczy ówna się BRA PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electical Review), ISSN , R. 85 NR /009 77

6 (8) ϑ = L t ARB t Mając czasy pzejścia wiązki ultadźwiękowej między pzetwonikami A i B jednoznacznie więc możemy wyznaczyć pędkość cieczy w kanale pzepływowym. Podsumowanie W atykule pzedstawiono główne poblemy związane z aplikacją ultadźwiękowej metody pomiau pzepływu do małych kanałów melioacyjnych. Jak zawsze wybó metody pomiaowej powinien być popzedzony szczegółową analizą waunków teenowych niekiedy deteminujących skuteczność i dokładność powadzonych pomiaów. Wybó miejsca instalacji pzepływomieza ultadźwiękowego podyktowany jest szeegiem czynników. Podstawowym aczkolwiek nie kytycznym czynnikiem decydującym o wyboze miejsca instalacji jest dostępność źódła zasilania (30V/50Hz). W pzypadkach kiedy pomiay nie są wykonywane w sposób ciągły można ozważyć celowość zastosowania jedynie zasilania bateyjnego wspomaganego np. bateiami słonecznymi. Chaakteystyka wybanego pofilu pomiaowego powinna umożliwiać objęcie pomiaami jak najszeszego zakesu zmienności pzepływów. Szczególnie dotyczy to sytuacji, w któych występują ekstemalnie niskie pzepływy i chwilowe wezbania typowe dla sezonowych zmian natężenia pzepływu. Pzekój popzeczny kanału pzepływowego na wystaczająco długim odcinku powinien się chaakteyzować stabilnym kształtem niezależnie od poziomu napełnienia i poy oku. W liteatuze często podaje się, że waunek ten winien być spełniony na długości kanału ównej 0-szeokościom w góę i w dół. Ze względu na tłumienie wiązki ultadźwiękowej, występowanie BRA oślinności dennej powinno być minimalne i niezmienne w ciągu całego oku a koncentacja zawiesin nie powinna pzekaczać 000 mg/l. Należy unikać lokalizacji pofilów pomiaowych w miejscach naażonych na występowanie dużych gadientów tempeatuy bądź zasolenia spowodowanych np. dopływami w gónej części kanału. W pzypadku występowania pzepływów skośnych konieczne jest stosowanie kzyżowego układu ścieżek pomiaowych. Genealnie metoda ultadźwiękowa nie powinna być stosowana do pomiaów w zekach szeokich i płytkich co jest spowodowane występowaniem silnych odbić od dna i lusta wody będących pzyczyną zwiększenia błędów pomiaów. Ze względu na wykozystywaną apaatuę elektoniczną należy zawsze liczyć się z potencjalnym, niekozystnym wpływem zakłóceń elektomagnetycznych na pacę uządzeń. LITERATURA [] Michalski A. Pomiay pzepływu wody w kanałach otwatych, OWPW, Waszawa 004. [] Michalski A., Sienkiewicz J., Watal: Z. Metody pomiau pzepływu na małych otwatych kanałach pzepływowych Diagnostyka N 3(39)/006 st [3] Różdżyński K. Metody hydometii ultadźwiękowej, PAN, IBW Gdańsk 984 Autozy: Andzej MICHALSKI,, Kzysztof KWIATOS, Jan SIENKIEWICZ, Zbigniew WATRAL Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Systemów Elektonicznych ul. Kaliskiego, Waszawa, fax., () 8395, zwatal@wel.wat.edu.pl Politechnika Waszawska, Instytut Elektotechniki Teoetycznej i Systemów Infomacyjno Pomiaowych 78 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electical Review), ISSN , R. 85 NR /009