Как измерить расход сточных вод самостоятельно, быстро, если не нужен коммерческий учет
Если задача состоит не в том, чтобы предъявлять показания водоканалу для коммерческого учета, а в том, чтобы для себя достаточно точно понять реальный расход сточных вод в безнапорной канализации, выбор оборудования становится намного шире и дешевле.
Например, временные измерения могут понадобиться, чтобы понять суточный расход предприятия, сравнить несколько выпусков, подобрать будущий расходомер, проверить проектные данные или просто выяснить, что на самом деле происходит в старой канализации. Если у вас задача наладить учет канализации в частном доме, то это другая история и очень рекомендуем ознакомиться с этим материалом. Далее речь пойдет про более значительные промышленные объекты и серьезные задачи, просто скорее всего вы не знаете: нужно вам это на самом деле или нет, не хотите платить подрядчикам, за проекты и прочее.
Важно понимать ограничение: результаты таких измерений могут быть вполне полезны технически, но это не делает прибор пригодным для коммерческого учета. Для расчетов с водоканалом действуют отдельные требования к средству измерения, проекту, поверке и приемке.
Ниже — несколько реально дешевых вариантов, от практически бесплатного до вполне приличного переносного расходомера.
Вариант 1. Измерить уровень и рассчитать расход самостоятельно
Самый дешёвый вариант — вообще не покупать расходомер.
Если имеется открытый или вскрытый участок безнапорной канализации, можно установить над поверхностью обычный ультразвуковой датчик расстояния. Он периодически измеряет расстояние до воды, а значит позволяет записывать изменение уровня.
Сам датчик при этом расход не измеряет. Необходимо дополнительно знать геометрию трубы и получить хотя бы приблизительное представление о скорости потока.
Для круглой трубы по известному диаметру и измеренному уровню можно рассчитать площадь заполненной части сечения. После этого расход определяется как произведение площади живого сечения на среднюю скорость потока:
Q = A × V, где A — площадь заполненного сечения, а V — средняя скорость.
Главная проблема здесь именно со скоростью.
Для грубой оценки её можно измерить вручную на доступном прямом участке. Самый примитивный способ — пустить по потоку хорошо заметный плавающий предмет и засечь время прохождения известного расстояния. Получится поверхностная, а не средняя скорость, поэтому результат потребует поправки. Гораздо лучше использовать переносной измеритель скорости, однако они не дешевы: около 300$. Скорее всего в аренду вы его не найдете, но возможно у вас на объекте есть место, откуда можно запустить что-то поплавать в трубу, на прямом участке которой планируется производить измерение, тогда этот метод приблизительной оценки вам подойдет.
Такой способ имеет смысл, если:
- труба работает в безнапорном режиме;
- вы смогли измерить скорость потока;
- поток имеет свободную поверхность;
- известны диаметр и форма трубы;
- есть достаточно прямой участок с относительно спокойным потоком;
- отсутствуют выраженный подпор и обратное течение;
- уровень меняется, но характер потока остаётся относительно стабильным;
- требуется инженерная оценка, а не коммерческий учет.
Чем длиннее прямой участок, на котором оценивается скорость, тем лучше. Не стоит проводить измерение непосредственно после поворота, падения воды, соединения нескольких труб, насоса, задвижки или другого места, где поток сильно закручен и распределение скоростей очевидно неравномерно.
Для измерения уровня ультразвуковой датчик устанавливается вертикально над относительно спокойной поверхностью воды. Он не должен смотреть на поток под произвольным углом: датчику необходимо получить устойчивое отражение именно от поверхности. Нужно также учитывать указанную производителем «мёртвую зону» — слишком близко к датчику поверхность измеряться не будет.
Этот вариант хорош прежде всего как эксперимент. Если уровень изменяется в небольших пределах, а скорость была проверена в нескольких режимах и оказалась относительно стабильной, можно получить вполне полезный график расхода за сутки.
Но если уровень меняется в разы, возникает подпор, периодически включаются насосы или скорость заметно зависит от заполнения трубы, предположение о постоянной скорости быстро перестаёт работать.
По цене для предприятия 50$ это буквально расходник: прикрутили над вскрытой трубой, Modbus протоколом забрали данные хоть ноутбуком/ПЛК, сутки-двое записали уровень и потом все это в формулу расчета. Готово. Пользуйтесь на здоровье.
Варианты готовых решений:
www.alibaba.com/product-detail/On-Sale-Ultrasonic-Liquid-Level-Sensor_1601688090570.html
Вариант 2. Ультразвуковой датчик уровня + измерительный лоток
Гораздо правильнее заставить саму гидравлику сделать часть работы за нас.
Для этого в открытый канал устанавливается измерительное устройство с заранее известной характеристикой — например, лоток Паршаля или водослив.
После него расход уже однозначно связан с уровнем воды в определённой точке. Ультразвуковой датчик сверху измеряет уровень, а контроллер пересчитывает его в расход по известной формуле конкретного лотка.
Именно поэтому многие недорогие китайские приборы, которые продаются под названием Ultrasonic Open Channel Flow Meter, состоят всего из ультразвуковой головки и небольшого контроллера с экраном. Внутри контроллера уже заложены формулы для распространённых лотков и водосливов.
Такой принцип используется и промышленными системами: например, Siemens приводит типовую схему, где ультразвуковой датчик измеряет напор над лотком Паршаля, а контроллер рассчитывает расход по его известной характеристике.
Это уже значительно больше похоже на настоящее измерение расхода.
Метод хорошо подходит, если:
- имеется открытый канал;
- можно установить лоток или водослив;
- вода проходит через него свободно;
- ниже по течению нет сильного подпора;
- перед измерительным устройством можно обеспечить требуемый производителем режим потока.
Недостаток очевиден: в существующую канализационную трубу такой лоток далеко не всегда можно просто взять и вставить. Метод гораздо удобнее на очистных сооружениях, открытых технологических каналах и специально подготовленных измерительных участках.
Зато сами китайские электронные блоки стоят сравнительно недорого — ориентировочно несколько сотен долларов, поскольку дорогой измерительной физики в них практически нет: прибор достаточно точно измеряет уровень и пересчитывает его по известной характеристике сооружения.
Варианты готовых решений:
Вариант 3. Area Velocity — одновременно измеряем уровень и скорость
Для временного обследования существующей безнапорной канализации это, пожалуй, самый интересный вариант.
Небольшой герметичный датчик устанавливается не над водой, а непосредственно в потоке, обычно на дне трубы или канала.
Он одновременно определяет две величины:
- глубину заполнения;
- скорость движения сточных вод.
По глубине и заданной геометрии трубы контроллер рассчитывает площадь заполненного сечения. Измеренную скорость умножает на эту площадь и получает расход.
Для измерения скорости обычно используется ультразвуковой эффект Доплера: датчик посылает ультразвук в поток, а пузырьки воздуха и находящиеся в сточной воде частицы отражают сигнал обратно. По изменению частоты отражённого сигнала определяется скорость их движения. Именно так работают промышленные area-velocity системы для канализации.
Для сточных вод это особенно удобно: пузырьков и взвешенных частиц там обычно хватает для получения отражённого сигнала.
Главное преимущество метода — скорость не приходится считать постоянной. Прибор измеряет её непрерывно вместе с уровнем.
Поэтому такая система значительно лучше подходит для объектов, где:
- расход сильно меняется в течение суток;
- уровень в трубе заметно меняется;
- возможен подпор;
- бывают пиковые сбросы;
- требуется оставить прибор на несколько дней или недель;
- невозможно построить измерительный лоток.
Area-velocity применяется именно для открытых каналов и частично заполненных канализационных труб; некоторые системы способны работать также при полном заполнении, подпоре и даже обратном течении.
Но место установки всё равно имеет значение. Лучше выбирать прямой участок с относительно установившимся течением, подальше от резких поворотов, падений, слияния потоков и других мест с сильно искажённым профилем скорости.
Есть и эксплуатационный недостаток: датчик находится непосредственно в сточной воде. На нём могут оседать жир, волокна, ил и другой мусор, поэтому при длительных измерениях его состояние приходится контролировать.
Китайские переносные приборы такого типа уже относятся не к игрушкам, а к нормальному измерительному оборудованию. Ориентироваться стоит примерно на $700–1000 и выше в зависимости от исполнения, регистратора, аккумулятора, интерфейсов и комплектации.
Для поиска используются запросы:
portable area velocity flow meter, portable sewer flow meter, Doppler open channel flow meter, partially filled pipe flow meter.
Варианты готовых решений:
Вариант 4. Радарный расходомер — вообще ничего не опускаем в сточные воды
Есть ещё более интересное решение: измерять и уровень, и скорость бесконтактно сверху.
В такой системе один канал измерения определяет расстояние до поверхности воды и, соответственно, уровень. Второй радар направлен на движущуюся поверхность под углом.
Движущаяся поверхность отражает радиосигнал с небольшим изменением частоты — эффектом Доплера. По этому изменению прибор определяет поверхностную скорость воды. Такой принцип используется в промышленных радарах поверхностной скорости.
Дальше прибору необходимо знать геометрию канала.
Например, для круглой трубы задаётся её диаметр и положение нулевого уровня. По измеренному уровню рассчитывается площадь заполненной части трубы.
Получается цепочка:
радар уровня → глубина воды → площадь заполненного сечения;
радар скорости → скорость поверхности → оценка средней скорости;
площадь × средняя скорость → расход.
Есть важный нюанс. Радар непосредственно видит скорость поверхности, а нам нужна средняя скорость всего сечения. Поэтому используется поправочный коэффициент и желательно выполнить калибровку на конкретном месте. В документации OTT такой расчёт прямо описан через индексную поверхностную скорость, поправочный коэффициент и площадь сечения.
Радар скорости также требует подходящей поверхности. Для нормального отражения на воде должна присутствовать хотя бы небольшая рябь; производитель OTT, например, указывает необходимость некоторой шероховатости поверхности и рекомендует устанавливать датчик скорости по направлению основного потока под углом порядка 30°, допустимый диапазон для конкретного прибора — 20–60°.
Поэтому такой прибор нельзя бездумно повесить над любым колодцем.
Хорошее место:
- имеется открытая видимая поверхность воды;
- поток движется преимущественно в одном направлении;
- имеется достаточно ровный участок;
- поверхность не закрыта пеной и неподвижным мусором;
- геометрия сечения известна;
- радар можно правильно ориентировать относительно потока.
Плохое место — сразу после поворота трубы, водопада, насоса, соединения нескольких коллекторов или в маленьком колодце, где вода хаотично бурлит.
Зато огромное преимущество радара очевидно: вообще ничего не контактирует со сточными водами. Датчик не заиливается, на него не наматываются тряпки и его проще временно установить над колодцем.
Китайские бесконтактные системы уровня и скорости стоят уже заметно дороже простого ультразвукового дальномера. В зависимости от исполнения разумно ориентироваться примерно на $1000–1700 и выше.
Варианты решений:
https://szhuaju.com.cn/en/products/info.html?id=99
Что выбрать для временного обследования
Если нужно просто понять порядок расхода и условия позволяют нормально оценить скорость, можно начать с ультразвукового датчика уровня и собственных расчётов. Это самый дешёвый способ, но и погрешность сильнее всего зависит от того, насколько удачно выбрано место и насколько верно оценена скорость.
Если можно построить или временно установить нормальный измерительный лоток — ультразвук + лоток даст значительно более воспроизводимый результат без дорогого измерителя скорости.
Для существующей канализации, где уровень и скорость постоянно меняются, наиболее универсальным временным решением будет area-velocity Doppler. Он непосредственно следит и за заполнением, и за скоростью потока. Именно такие системы применяются для временных обследований канализационных сетей.
Если же опускать оборудование в сточные воды неудобно или опасно и сверху имеется подходящий измерительный участок, можно использовать бесконтактный радар уровня и скорости.
Короткое резюме и цены:
- пищалка $50 — дёшево только при наличии данных о скорости;
- лоток + уровнемер $200–400 — условно дёшево, но нужен подходящий участок;
- Area Velocity ~$700 — уже универсальное временное решение;
- радар ~$1000–1700 — дорого, зато удобно и бесконтактно.
Таким образом, отсутствие сертифицированного коммерческого расходомера и компании подрядчика вовсе не означает, что расход нельзя измерить самостоятельно. Для внутреннего обследования предприятия зачастую достаточно оборудования стоимостью от нескольких сотен до одной-двух тысяч долларов.
Главное — помнить, что дешёвый прибор не отменяет гидравлику. Чем проще измерительная система, тем больше нужно знать о геометрии канала, характере потока и ограничениях выбранного метода. А если полученные цифры впоследствии должны использоваться для расчетов с водоканалом, временное обследование становится только первым этапом — для коммерческого учета потребуется уже согласованное и метрологически пригодное решение.