CZ36109U1 - Drenážní turbínový průtokoměr - Google Patents

Description

Drenážní turbínový průtokoměr

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro kontinuální měření průtoku nebo rychlostní složky průtoku vody v drenážních systémech. Drenážní vody se vyznačují transportem sedimentů případně plavenin anorganického původu (zemité částice) nebo organického původu (odumřelé kořeny rostlin, části drobných půdních živočichů apod.). Dalším specifikem těchto vod je vysoká rozkolísanost průtoků, při nichž dochází k proudění s volnou hladinou, ale i k tlakovému proudění v potrubí. Průtoky plně zaplňující průtočný profil potrubí mají epizodní charakter, častější je průtok s volnou hladinou v potrubí, který má dlouhodobě ustálený či klesající charakter přecházející do období bez zjevného průtoku (průtok se může soustřeďovat na dno drenážní rýhy - do části drenážního obsypu nebo do preferenčních cest kolem drénu).

Optimálním místem měření je drenážní šachtice (na vtokovém nebo výtokovém potrubí podzemní nebo kontrolní nadzemní šachtice, případně v regulačním objektu, umístěným nejčastěji v šachtici), případně drenážní výusť. Častý je také požadavek měřit přímo v trase potrubí, bez narušení celistvosti pozemku, tedy na zařízení situovaném zcela pod povrchem terénu, případně na sací či výtlačné větvi odvodňovací čerpací stanice apod.

Znalost režimu odtoku drenážních vod a jejich velikosti je důležitá pro posouzení funkčnosti stavby i pro návrhy jejich úprav, například s ohledem na úvahy o modernizaci stavby na systémy s regulací drenážního odtoku, pro převod drenážních vod nebo pro systémy čištění těchto vod. Pro epizodický charakter odtoku drenážních vod se ruční měření používá jen jako iniciační měření v rámci průzkumu stavby. Z praktického důvodu je v současnosti požadováno měřené hodnoty registrovat jako elektrické veličiny (napětí, proud, pulsy) a tyto vhodným způsobem archivovat nebo předávat k dalšímu zpracování.

Dosavadní stav techniky

V praxi jsou ke kontinuálnímu měření průtoku používány měrné přelivy (štěrbinové, pravoúhlé Thompsonův přeliv, nebo přelivy složených tvarů), objemové průtokoměry (např. provedení tipping-bucket, resp. patent CZ 308852), případně průtokoměry sofistikovanější, založené na měření tlakové diference či rozdílu hladin (Parshallův žlab či Pittotova trubice), s využitím magnetické indukce, žhavených sond nebo využívající Dopplerův princip šíření ultrazvuku. Z hlediska složitosti přístroje jsou nejjednodušší objemové průtokoměry, pracující na principu registrace počtu překlopení za časovou jednotku. Existuje několik typů objemových měřidel (kromě otevřených nádobových také uzavřené rotační, pístové a další). Plovákové nebo ultrazvukové hladinoměry, registrující výšku přepadajícího vodního paprsku, vyžadují s ohledem na řadu vnějších vlivů pravidelné provádění kalibrací. Otevřené objemové průtokoměry (překlápěcí nádoby) nebo měrné přelivy vyžadují dostatečný výškový spád mezi přítokem a odtokem vody, nelze je tedy použít pro instalaci na potrubí.

Měrné přelivy lze při tlakovém proudění v potrubí použít jen omezeně, resp. vyžadují dobré přizpůsobení konkrétnímu stanovišti z hlediska velikostí dosahovaných průtoků (štěrbinový přeliv se pro velké průtoky nehodí nebo měří nepřesně z důvodu potřeby dokonalého ustálení hladiny v uklidňovací komoře; to bývá problém i u složených tvarů měrných přelivů lépe přizpůsobených široké škále měřených průtoků).

Podstata technického řešení

Účelem návrhu technického řešení, které je vhodné pro měření střední průtočné rychlosti vody

- 1 CZ 36109 UI v drenážním potrubí a z ní odvozeného průtoku (při splnění podmínky plného průtočného profilu nebo znalosti jeho výšky plnění) pro různé aplikace - tj. instalace v šachtici, v trase potrubí nebo na objektech drenážního systému (regulační prvky, drenážní výusti, čerpací segmenty apod.).

Navržené provedení podle technického řešení (viz Obr. 1), měří rychlost protékající vody snímáním otáček šroubovice umístěné v podélné ose tvarovky/trubky. Na šroubovici jsou po obvodu umístěny magnety a otáčky jsou snímány průchodem magnetu kolem snímače s elektronikou. Elektronika případně upravuje délku signálu.

Technické řešení využívá turbínu s permanentním magnetem a snímač změny magnetického pole pro registraci počtu otáček - například externím digitálním čítačem. Turbína je ve tvarovém provedení šroubovice (tj. trojrozměrné křivky, jejíž tečny ve všech jejích bodech mají stejný úhel vzhledem k pevně dané přímce - ose šroubovice). Průtokoměr tohoto provedení vyhovuje pro instalaci průběžně v trase drenážního potrubí (pod povrchem terénu), na jeho konci (v místě vyústění do drenážní šachtice nebo u zakončení potrubí drenážní výusti), nebo jako součást objektu na drenáži (např. v regulačním prvku různého typu provedení). Kompaktní prefabrikované konstrukční uspořádání měřící části s turbínou umožňuje její oddělenou instalaci, libovolně vzdálenou od místa registrace počtu otáček (prováděné pomocí datalogeru, čítače pulsů, vysílače apod.). Prefabrikace je založena na standardech typizace PVC odpadního potrubí a průmyslově vyráběných tvarovkách, což umožňuje snadné napojení na potrubí nebo instalaci do drenážních objektů. Libovolná orientace osy otáčení (zpravidla horizontální při vložení do trasy potrubí nebo vertikální při zabudování do regulačního prvku) zvyšuje univerzálnost aplikací průtokoměru.

Zařízení se hodí buď jen k registraci průtoku potrubím (rychlostní složky bez ohledu na výšku plnění vody v potrubí), nebo k plnohodnotnému měření průtoku při plně zatopeném průtočném profilu drenážního potrubí. Pro ošetření situací s výskytem situací s volnou hladinou v potrubí jsou pro měření průtoku vyžadovány buď konstrukční úpravy potrubí, zajišťující v místě instalace průtok plným profilem potrubí (např. použití tvarovek, výškové odsazení odtoku vzhledem ke vtoku), nebo potřeba doplnit měření výšky plnění potrubí.

Magnetický snímač a schránka elektroniky jsou provedeny vodotěsně pro plné zatopení vodou v šachtici nebo pro instalaci pod povrchem terénu.

Přestože je řešení prezentováno jako drenážní průtokoměr, neboť vyhovuje náročným provozním polním podmínkám v těchto melioračních systémech a při své konstrukční jednoduchosti se vyznačuje nízkou pořizovací cenou, nevylučuje se použití i v jiných oborech a aplikacích.

Přednosti technického řešení lze shrnout:

- přizpůsobení běžným světlostem potrubí,

- libovolná orientace osy otáčení šroubovice,

- kompaktnost zařízení a spolehlivost odečtu otáček,

- volitelné materiálové provedení: plastové komponenty a 3D tisk, kovové části z nerez oceli, - prefabrikace výroby konstrukčních dílů, modulárnost při sestavování,

- univerzálnost instalace buď v rámci trasy potrubí, nebo jako součást drenážních objektů,

- vhodnost pro automatizaci provozu meliorační stavby, - nízká výrobní cena.

Objasnění výkresů

Na přiloženém výkresu je na Obr. 1 schematicky znázorněno konstrukční uspořádání průtokoměru.

Na přiložené fotografii Obr. 2 je dokumentován způsob provedení drenážního turbínového průtokoměru ve variantě šroubovice plně vytištěné na 3D tiskárně a instalované v přímém potrubí bez hrdla instalační trubky E

-2CZ 36109 UI

Příklady uskutečnění technického řešení

Drenážní turbínový průtokoměr byl malosériově vyroben fy. ADCIS s.r.o. a v provozních podmínkách ověřen Výzkumným ústavem meliorací a ochrany půdy v.v.i. při dlouhodobém sledování režimu odtoku drenážních vod a při monitoringu funkce regulačních prvků dodatečně instalovaných do systémů tradičního odvodnění. Zařízení bylo provozováno souběžně s jinými užívanými typy drenážních průtokoměrů, resp. s výhodou bylo použito i v případech jinak nevhodných pro instalaci objemových vodoměrů nebo měrných přelivů.

Následující příklady provedení drenážního turbínového průtokoměrů technické řešení pouze dokládají, ale nijak neomezují.

Instalační trubka 1 je v provedení z PVC tvarovky odpadního potrubí DNI00 s hrdlem. Tvarovka umožňuje instalaci buď přímo na drén po úpravě drenážního potrubí přechodem z flexibilu nebo pálené hlíny na odpadní PVC potrubí (kanalizační, KG, apod.) vhodného průměru, nebo instalaci v drenážních objektech typu kontrolní, normální nebo regulační šachtice, případně na drenážní výusť. Provedení hřídele 6 otáčení šroubovice je vytvořeno z nerezového drátu tloušťky 3 mm, ohnutého do pravého úhlu a vyvedeného vně instalační trubky a v ose potrubí zafixovaného v aretaci držáku. Znázorněno je provedení šroubovice 2 s integrovaným párem magnetů 5, které při otáčení spínají jazýčkový kontakt, instalovaný ve schránce elektroniky 3 buď samostatně nebo s elektronikou, umožňující přizpůsobit parametry spínání připojenému čítači nebo nadřazenému dataloggeru. Hydraulicky je v tomto případě šroubovice 2 přizpůsobena směru proudění kapaliny, je však možné upravit šroubovici 2 i pro oba směry přítoku a počtem jazýčkových kontaktů přizpůsobit aplikaci i pro poskytnutí informace o směru otáčení šroubovice.

Těleso turbíny, v provedení jednoho závitu šroubovice je vyráběno 3D tiskem, což umožňuje přizpůsobit rozměry požadované světlosti drenážního potrubí (zpravidla ve výrobní řadě odpadních PVC trubek). Bylo ověřeno využití k registraci minimálních drenážních průtoků (registrována je rychlostní složka) v trase potrubí i na jeho zakončení (drenážní výusť, regulační prvek). Vyrobeny byly šroubovice pro instalaci do potrubí DNI00 mm. Provedení dvoudrátové, s jazýčkovým kontaktem, nebo tří drátové, doplněné elektronikou pro úpravu výstupního signálu s ohledem na parametry čítače/datalogeru. Toto provedení umožňuje registraci otáček do rychlosti 100 až 120 ot./min.

Příklad 1

Drenážní turbínový průtokoměr je instalován v drenážní šachtici, na vtokové potrubí svodného drénu stávajícího drenážního systému, osa otáčení šroubovice je vodorovná, a průtokoměr je doplněn tvarovkami (na vtoku nebo na výtoku ze šachtice) tak, aby byl vždy zajištěn průtok plným profilem. V případě, kdy vyhovuje měření pouze rychlostní složky drenážního odtoku, není třeba tyto úpravy provádět.

Příklad 2

Drenážní turbínový průtokoměr je součástí regulačního prvku systému s regulací drenážního odtoku (instalován na vzestupnou větev potrubí, osa otáčení šroubovice je vertikální), v provedení jako sestava odpadních PVC tvarovek (T-kus) a ovladatelného hradítka.

Průmyslová využitelnost

Řešení se týká konstrukce turbínového průtokoměrů vhodného přednostně k instalaci do potrubí nebo do objektů drenážních systémů, který umožňuje evidovat rychlostní složku průtoku drenážní

-3 CZ 36109 UI vody, resp. průtok drenážních vod. Řešení má využitelnost v oblasti vodního stavitelství, zemědělství, vodního hospodářství a životního prostředí. Turbínový průtokoměr lze průmyslově vyrábět. Hlavní konstrukční díly lze s výhodou vyrábět například 3D tiskem, nebo ohýbáním a lepením. Do finální podoby zařízení pak dílensky kompletovat s využitím tvarovek výrobců 5 plastových potrubních systémů.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Drenážní turbínový průtokoměr, který obsahuje instalační trubku (1), šroubovici (2), magnet (5) pro magnetický snímač (4), aretaci (7) držáku hřídele (6) otáčení šroubovice, vyznačující se tím, že magnety (5) jsou integrální součástí šroubovice (2), která je orientovaná svou osou otáčení souhlasně s osou instalační trubky (1) a současně ve směru přítoku (8) vody a která je fixována na hřídeli (6) otáčení šroubovice pomocí aretace (7) držáku, kdy šroubovice (2) je provedena jako monolit.
2. 2. Drenážní turbínový průtokoměr podle nároku 1, vyznačující se tím, že šroubovice (2) je vyrobena z nerezového materiálu nebo umělé hmoty.
3. 3. Drenážní turbínový průtokoměr podle nároku 1, vyznačující se tím, že instalační trubka (1) je přizpůsobena k napojení do systému potrubí nebo na drenážní objekty s přítokem (8) vody proti čelu šroubovice (2) při libovolné orientaci vůči směru zemské tíže.
4. 4. Drenážní turbínový průtokoměr podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje schránku (3) elektroniky.
5. 5. Drenážní turbínový průtokoměr podle nároku 1 a 4, vyznačující se tím, že magnetický snímač (4) a schránka (3) elektroniky jsou provedeny vodotěsně pro plné zatopení vodou v šachtici nebo pro instalaci pod povrchem terénu.
6. 6. Drenážní turbínový průtokoměr podle nároku 1, vyznačující se tím, že magnetický snímač (4) je ve výhodném provedení směrový snímač.