Katedra Gospodarki Wodnej Rok studiów I
I Ochrony Wód Sekcja 7
Akademia Rolnicza w Krakowie
Załącznik 2
Pomiary objętości przepływu metodami bezpośrednimi
Operat zawiera:
1.Pomoar objętości przepływu za pomocą przelewu trójkątnego Thomsona.
2.Pomiar objętości przelewu metoda kolorymetryczna.
2.1.Opis metody.
2.2.Schemat działania dawkownika.
2.3.Zestawienie obliczeń.
Rok akademicki 2003/04
1. POMIAR OBJĘTOŚCI PRZEPŁYWU Z APOMOCĄ PRZELEWU TRÓJKĄTNEGO THOMSONA
Ogólne równanie wydatku przelewu ma postać:
Q=m*b* 2g *H 3/2
gdzie:
m- współczynnik wydatku
g- przyśpieszenie ziemskie [m/s]
h- grubość warstwy wody przelewającej się przez przelew [m]
W przypadku przelewów trójkątnych wydatek możemy obliczyć korzystając z następującego wzoru:
Q=8/15 * *tg /2 * 2g * H 5/2
Jednak przy zastosowaniu wzoru Thomsona kąt = 90
wzór przybiera postać szczególną:
Q=1,4 * h 2,5
gdzie:
h- grubość warstwy wody przelewającej się przez przelew [m]
h=0,65 m
Q= 1,4 * 0,65 2,5 =0,48 [m3/s]
2. POMIAR OBJETOŚCI PRFZEPŁYWU METODĄ KOLORYMETRYCZNĄ
2.1 OPIS METODY
Zasada metody.
Pomiary natężenia przepływu zaliczenie do tej grupy metod polegają na określeniu stężenia lub rozcieńczenia roztworu wodnego, przyjętego wskażnika w wodzie cieku. W tym celu do cieku wprowadza się roztwór wodny wskażnika o znanym stężeniu k, który wskutek burzliwości ruchu wody w cieku ulega wymieszaniu w całej masie płynącej wody. W przekroju, w którym roztwór wskażnika jest już dokładnie wymieszany, zwanym przekrojem wykrywania (detakcji), mierzy się jego rozcieńczenie w wodzie,cieku. Im przepływ cieku jest większy, tym większe obserwować się będzie rozcieńczenie roztworu i odwrotnie.
Jako wskażniki mogą być stosowane roztwory wodne soli mineralnych (elektrolity), barwników, substancji fluoryzujących, izotopów promieniotwórczych oraz woda oodmiennej temperaturze niż woda w cieku.
Od wskażnika wymaga się ,aby były to substancje niepowodujące skażenia środowiska, tj. pozbawione właściwości toksycznych. Substancje wskażnikowe nie powinny:
-ulegać rozkładowi pod wpływem wskażników zawartych w wodzie cieków w czasie krótszym od trwania pomiaru,
-ulegać rozkładowi pod wpływem światła lub podczas dłuższego przechowywania,
-spełniać roli indykatora odczynu chemicznego wody,
-zmieniać zabarwienia wraz ze wzrostem stopnia rozcieńczenia. Z praktycznego punktu widzenia nie powinny być to artykuły zbyt drogie.
W zależności od przyjętego wskażnika rozróżnia się metodę chemiczną, kolorymetryczną, fluorometryczną, izotopową (radiometryczną) lub termometryczną.
Roztwór wskażnika może być podawany do cieku równomiernie przez pewien czas (sposobem ciągłym) lub porcjami.
Sposoby podawania wskażnika.
Sposób ciągły dozowania wskażnika do cieku. Roztwór wskażnika o stężeniu k jest wprowadzany do wody cieku równomiernie przez kilka lub kilkanaście minut. Gdy w przekroju wykrywania (detakcji) natężenie przepływu roztworu wskażnika ustali się, to określa się jego stężenie w wodzie cieku k. Jednocześnie określa się stężenie wskażnika w cieku powyżej punktu dopływu roztworu w celu określenia jego stężenia w warunkach naturalnych ko. Warunkiem uzyskania poprawnych wyników pomiaru przy ciągłym podawaniu wskażnika jest zapewnienie stałego natężenia dopływu wskażnika do cieku w czasie pomiaru. Służą do tego różne urządzenia, z których najczęściej stosuje się butle Mariotte'a oraz zbiornik przelewowy.
Metoda porcji wskażnika
Metoda polega na jednorazowym wypuszczeniu określonej objętości roztworu wskażnika o stężeniu k do cieku. Wytwarza się wówczas fala wskaznikowa która przemieszcza się z biegiem rzeki. Wskutek burzliwego charakteru przepływu roztwór wskażnika miesza się z wodą cieku i po przebyciu określonego odcinka L, zwanego drogą mieszania, wytwarza się stężenie wskażnika k1<k,jednakowe we wszystkich punktach przekroju poprzecznego, w danym czasie dt. Natężenie przepływu Q oblicza się zakładając stałą ilość wskażnika wpuszczonego do cieku, która pzrechodzi w czasie T przez przekrój cieku leżący poniżej drogi mieszania L.
Dobór metody pomiaru
Metody rozcieńczania wskażnika mogą być stosowane w ciekach w których panuje ruch burzliwy, dzięki czemu uzyskać można dobre wymieszanie roztworu wskażnika z wodą cieku. Z tego względu metody te stosuje się przede wszystkim do pomiarów przepływu potoków i małych rzek górskich o przepływach od 0,02 do 10,0 Π^/s. Można je też stosować w małych rzekach nizinnych, w których występują dobre warunki mieszania spowodowane obecnością progów, częstymi zmianami kierunku strug, lokalnymi bystrzami o szerokim kamienistym dnie. Natomiast metod tych nie należy stosować w rzekach o mało burzliwym ruchu wody o strugach równoległych. W występujących w takich rzekach zatoczkach ze stagnującą lub wolno płynącą wodą zatrzymuje się nieraz znaczne ilości wskażnika, co powoduje skażenie wyników pomiaru. Stosowanie tych metod nie jest też wskazane w rzekach płynących przez obszary torfowe, ponieważ na skarpach brzegowych w gruntach torfowych może mieć miejsce znaczna absorpcja wskażnika.
Błąd pomiaru metodą rozcieńczenia wskażnika dla wskażnika chemicznego (elektrolitycznego),oceniany jest przy dobrych warunkach mieszania na 1,4-2%.
Spośród omawianych metod rozcieńczenia wskażnika najczęściej stosowana jest metoda chemiczna ze względu na łatwość nabycia wskażnika Nad oraz proste określenie jego rozcieńczenia. W literaturze podaje się, że najlepsze wyniki uzyskiwano dla przepływów do 5m3/s przy rozcieńczeniu roztworu niemniejszym od 1:20000.
2.2. SCHEMAT DZIAŁANIA DAWKOWNIKA
Butla Mariotte'a jest to zbiornik zamknięty od góry, w który wstawiona jest rurka otwarta od góry. Dzięki temu na otwór wypływowu działa ciśnienie będące sumą wysokości słupa wody h i ciśnienia atmosferycznego. Wartość h jest stałą odległością konstrukcyjną pomiędzy dobrym końcem rurki a poziomem wylotu ze zbiornika, ponieważ niezależnie od położenia zwierciadła wody w zbiorniku powyżej dolnego końca rurki, w punkcie tym będzie stałe ciśnienie atmosferyczne. Wydatek roztworu oblicza się za pomocą znanego z kursu hydrauliki wzoru:
p= F * 2gh
gdzie:
p- wydatek roztworu wskażnika
-współczynnik wydatku
F- pole przekroju otworu wypływowego [m]
g- przyśpieszenie ziemskie [m/s2]
h- wysokość konstrukcyjna butli Mariotte'a
2.3. SCHEMAT DZIALANIA KOLORYMETRU
Metoda kolorymetryczna
W metodzie kolorymetrycznej jako wskażniki najczęściej stosowane są barwniki tj.: fluoresceina, eozyna, dwuchromian sodowy itp. Wskażniki te mogą być stosowane w dużym rozcieńczeniu dochodzącym do 1:1000000. Przeprowadzone były próby zastosowania jako wskażników w metodzie kolorymetrycznej barwników stosowanych w przemyśle spożywczym do barwienia artykułów żywnościowych, a więc pozbawionych właściwości toksycznych. Stężenie barwnika określa się za pomocą przyrządów zwanych kolorymetrami. Współcześnie stosowane są fotokolorymetry działające na zasadzie komórki fotoelektrycznej, otrzymane tą metoda wyniki są mniej dokładne niż wyniki otrzymane metodą chemiczną.
1.Żródło światła
2.Diafogha
3.Badana próbka
4.Fotokomórka
5.Żródło prądu
6.galwanometr
POMIAR OBJĘTOŚCI PRZEPŁYWU ZA POMOCĄ KOLORYMETRU
Metoda porcji wskażnika
Q = g + Nm
gdzie:
g- ilość wprowadzonego roztworu do cieku [m3/s]
Nm- mianownik rozcieńczenia miarodajnego
G = V / t
V = 0,6 dm3
t1=77s
t2=78s tśr=74s
t3=67s
Absorpcja miarodajna Am=0,0224
Mianownik rozcieńczenia Nm=338
G=0,6/74=0,0081 dm3/s
Q=0,0081 * 338 =2,7378 dm3/s