ГОСТ Р 51657.5-2002
Группа П15
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Водоучет на гидромелиоративных и водохозяйственных системах
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДОВ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ (АКУСТИЧЕСКИХ) ИЗМЕРИТЕЛЕЙ СКОРОСТИ
Общие технические требования
Water flow measurement in hydromelioration and water supply systems. Manner of measurement of water discharge using the ultrasonic (acoustic) velocity meters.
General technical requirements
ОКС 17.120
93.160
ОКП 43 1100
Дата введения 2003-07-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Техническим комитетом по стандартизации ТК 317 "Измерение расходов жидкости в открытых водотоках и каналах", ВНИИ Гидротехники и мелиорации им.А.Н.Костякова (ГНУ ВНИИГиМ), ВНИИ Расходометрии (ФГУП ВНИИР), НИИ Водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (НИИ ВОДГЕО), Государственным гидрологическим институтом (ГГИ)
ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 317 "Измерение расходов жидкости в открытых водотоках и каналах" и Департаментом мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения Министерства сельского хозяйства РФ
2 ПРИНЯТ И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Госстандарта России от 4 декабря 2002 г. N 452-ст
3 Настоящий стандарт соответствует основным техническим требованиям ИСО 6416-92
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает общие технические требования к способу измерения и условиям применения ультразвуковых (акустических) измерителей скорости с целью измерения расходов воды в открытых водотоках, реках, каналах или закрытых водоводах со свободной поверхностью воды методом "скорость-площадь".
Стандарт распространяется только на способ, в котором измеряют время распространения ультразвуковых колебаний в водном потоке (временные схемы) и не применим к другим способам ультразвукового зондирования, позволяющим измерять скорость водного потока: эффект Доплера, снос ультразвуковых колебаний, частотные схемы и т.д.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ Р 51657.1-2000 Водоучет на гидромелиоративных и водохозяйственных системах. Термины и определения
3 Определения
В настоящем стандарте применяют следующие термины с соответствующими определениями:
акустический луч: Зона распространения в жидкой среде механических колебаний акустической частоты от точечного источника. Обычно акустический луч имеет форму конуса, в вершине которого находится источник колебаний. Угол при вершине конуса зависит от частоты акустических колебаний - чем выше частота, тем острее угол конуса (т.е. луч имеет более узкую направленность).
ультразвуковой луч: Разновидность акустического луча с колебаниями ультразвуковой частоты (от 15 кГц и выше).
ультразвуковой импульс: Фиксируемое во времени единичное колебание.
ультразвуковой преобразователь: Датчик, преобразующий электрические или электромагнитные колебания ультразвуковой частоты в механические (источник) и, наоборот, механические колебания ультразвуковой частоты в электрические или электромагнитные (приемник).
ультразвуковая аппаратура: Комплекс приборов, включающий в себя блоки питания, ультразвуковые преобразователи, вторичные приборы для обработки измерительных сигналов, коррекции ошибок измерения и получения результатов измерения.
Остальные термины - по ГОСТ Р 51657.1.
4 Способ измерения
4.1 Принцип измерения
4.1.1 В основу метода положен принцип измерения разности времени прохождения ультразвуковыми импульсами базового измерительного участка по направлению движения потока и против него. Эту разность при неизменных характеристиках контролируемого потока (температуре, солености, концентрации взвешенных частиц и др.) следует определять средней скоростью движения воды на участке измерения.
4.1.2 Базовый измерительный участок задается в водном потоке между двумя пунктами (точками), в которых располагают соответственно источник и приемник ультразвуковых колебаний. Ультразвуковые колебания распространяются от источника к приемнику в виде "акустического луча".
Проекция вектора скорости потока на направление распространения ультразвукового импульса называется скоростью вдоль акустического луча.
4.1.3 Для достижения максимальной точности в измерении средней скорости потока необходимо, чтобы количество акустических лучей было бы достаточным для полного перекрытия его живого сечения.
4.1.4 Среднюю скорость слоя потока , м/с, вектор которой составляет угол
с вектором скорости потока, измеренной вдоль акустического луча
, м/с, вычисляют по формуле
. (1)
4.1.5 Для измерения расхода жидкости в открытом русле необходимо выполнить следующие требования:
а) источник и приемник акустического луча должны располагаться на противоположных берегах русла водотока;
б) угол , указанный в 4.1.4, должен составлять 30°-60° для достижения оптимального соотношения между разрешающей способностью метода, возникающими при этом погрешностями и требуемой мощностью ультразвуковой аппаратуры (таблица А.1).
4.2 Использование ультразвука для определения расхода воды
4.2.1 Общие характеристики
Ультразвуковые измерители позволяют измерять осредненную скорость потока в пределах зоны распространения акустического луча. Поэтому ультразвуковые способы для определения расхода воды следует применять в качестве разновидности метода "скорость-площадь". Технические требования при использовании ультразвуковой аппаратуры для этих целей приведены в 4.4.
4.2.2 Открытые русла
Ультразвуковой способ для определения расходов воды в реках и каналах имеет ряд преимуществ перед другими способами измерения расходов:
а) допускает менее жесткие требования к участку измерения;
б) для градуировки не требует обязательного искусственного задания различных расходов и уровней потока;
в) не требует расположения в движущемся потоке каких-либо механических деталей и устройств, что оставляет свободным русло реки или канала и, следовательно, не мешает судоходству и миграции рыбы;
г) не зависит от подтопления участка измерения из-за искусственных или естественных преград в нижнем бьефе канала или реки.
4.2.3 Измерение расхода воды в пойме
В том случае, когда поток не вмещается в одно русло и имеется существенный расход в обход главного измерительного сечения по обширной пойме, ее следует разделить с помощью небольших строительных работ на ряд проток, в каждой из которых расход измеряют отдельно. Целесообразность разделения поймы устанавливают при проектировании.
4.2.4 Измерение расхода в водоводах замкнутого поперечного сечения
Ультразвуковой способ применяют для измерения расхода в водоводах замкнутого поперечного сечения, включая трубопроводы, работающие в безнапорном режиме, коллекторы дренажной и ливневой воды, независимо от гидравлических условий. При этом не требуется сжатия потока и изменения геометрии водовода.
4.3 Схемы расположения датчиков (преобразователей)
4.3.1 Общие сведения
Методика измерения скоростей зависит:
- от количества используемых преобразователей ультразвуковых колебаний (акустических лучей);
- от месторасположения преобразователей;
- от необходимой точности и эксплуатационной надежности измерительных устройств;
- от ресурсов для сохранения измерительных устройств в рабочем состоянии (степени резервирования системы).
В зависимости от степени учета вышеперечисленных факторов применяют различные схемы расположения ультразвуковых датчиков: однолучевые, многолучевые, с пассивными отражателями.
4.3.2 Однолучевые схемы
4.3.2.1 Однолучевая схема включает только одну пару преобразователей, формирующую один акустический луч, в пределах которого определяют среднюю скорость одного участка (слоя) живого сечения потока (например луч АА на рисунке 1).
Рисунок 1 - Схема расположения преобразователей с пересекающимися лучами
Такую схему измерения применяют, только когда известна зависимость, связывающая скорость, измеряемую в месте расположения акустического луча, со средней скоростью потока по всей площади его живого сечения (расходное соотношение).
4.3.2.2 При сезонных изменениях расходного соотношения в течение длительного промежутка времени необходимо предусмотреть возможность перемещения пары ультразвуковых преобразователей в вертикальной плоскости, что позволит получать, по аналогии с использованием гидрометрических вертушек, профиль вертикальных скоростей, а также устанавливать преобразователи в те места, где измеренная скорость наиболее близка к средней скорости всего потока.
4.3.2.3 Сезонные перемещения преобразователей на другие горизонтали живого сечения возможны при следующем требовании: изменение уровня воды в месте измерений в течение одного сезона должно быть незначительным или медленным, чтобы можно было вовремя изменить высоту расположения преобразователей.
4.3.2.4 Недостатком однолучевой схемы является относительно высокая погрешность измерения и ее невысокая надежность, т.к. в случае отказа одного из преобразователей схема перестает работать.
4.3.3 Многолучевые схемы
4.3.3.1 Многолучевые схемы (с двумя и большим количеством акустических лучей) применяют при частых и значительных изменениях уровня и расхода воды, в том числе и при возникновении подпора со стороны нижнего бьефа, влияющего на расходное соотношение, для получения более точной средней скорости потока по всему его сечению по сравнению с однолучевыми схемами.
4.3.3.2 Требуемое количество акустических лучей при разработке измерительной системы задают, исходя из заданной точности, надежности, стоимости, а также размеров и конфигурации участка измерения.
Измерительная система должна обеспечить определение с заданной точностью профиля скоростей и площади живого сечения потока на участке измерения во всем диапазоне уровней и расходов.
4.3.3.3 Для обеспечения безотказной работы предусматривают дополнительное количество "избыточных" акустических лучей, чтобы пропадание одного или нескольких лучей из-за отказов или повреждений преобразователей заметно не снижало общую точность измерений.
4.3.3.4 Многолучевые схемы применяют также при сложной геометрической форме поперечного сечения реки или канала.
4.3.4 Схемы с пересекающимися лучами
4.3.4.1 Схемы с пересекающимися лучами применяют, когда невозможно определить с требуемой точностью угол (4.1.4).
4.3.4.2 Ошибки в определении угла возникают, когда ось потока непараллельна оси канала (или его берегам), например, из-за несимметричной формы сечения русла или косого подхода потока к участку измерения. Для оценки погрешности, возникающей при вычислении расхода в этом случае, следует пользоваться данными таблицы А.1.
4.3.4.3 Для устранения этой погрешности используют схему самокоррекции. Ультразвуковые преобразователи размещают таким образом, чтобы получить одну или несколько пар перекрещивающихся акустических лучей, располагающихся на различных глубинах. Каждая пара лучей в одной плоскости образует симметричный относительно оси русла крест (рисунок 1).
Осреднение двух линейных скоростей в пределах одной пары акустических лучей дает значение, близкое к действительной средней скорости потока на данной глубине. При этом возникающие погрешности в значительной степени компенсируются.
4.3.4.4 При использовании этой схемы следует выполнять следующие технические требования:
- акустические лучи каждой пары должны пересекаться в середине русла, а их преобразователи располагают на противоположных берегах напротив друг друга;
- необходимое количество пар лучей задают с учетом требования повышенной надежности, чтобы сохранить характеристики системы в случае отказов в работе ее отдельных элементов (например, из-за физического повреждения преобразователей).
4.3.4.5 Недостатком приведенной на рисунке 1 схемы измерения является тот факт, что преобразователи расположены на обоих берегах русла, поэтому подходящие к ним кабели должны пересекать его по верху или по дну.
4.3.5 Схемы с отраженными лучами
4.3.5.1 Схема измерения с отраженными лучами позволяет проложить на одном берегу все информационные и питающие кабели ультразвуковой измерительной системы, не пересекая русла. Передающий и приемный преобразователи в этом случае расположены на одном берегу и взаимодействуют через пассивный отражатель, находящийся на противоположной стороне канала (рисунок 2).
