Određivanje protoka tečnosti u složenim uslovima strujanja primenom ravnih elektromagnetnih senzora

Abstract

Pouzdano poznavanje protoka predstavlja preduslov za adekvatno dimenzionisanje hidrotehničkih sistema. Pored toga, upravljanje postojećim sistemima se često vrši na osnovu izmerenih podataka o protoku. Međutim, u sistemima gde se javlja tečenje sa slobodnom površinom, posebno u kanalizacionim sistemima, određivanje protoka je komplikovan i zahtevan zadatak. U ovim slučajevima, protok se najčešće određuje pristupom V – A (Brzina – Proticajni presek). Neodređenost ovako određenog protoka uglavnom potiče od neodređenosti procenjene srednje profilske brzine. Sama neodređenost procenjene srednje profilske brzine ima dve komponente: neodređenost samog senzora brzine i neodređenost korelacije između lokalno izmerene brzine i srednje profilske brzine. U kanalizacionim sistemima, a i generalno u ostalim oblastima hidrotehnike, za merenje brzine se najčešće koriste senzori koji se zasnivaju na primeni Doplerovog efekta. Međutim, problemi sa radom pri malim dubinama i brzinama kao i u slučaju formiranja sedimenta iznad kućišta senzora, često umanjuju pouzdanost dobijenih podataka. U ovoj disertaciji, kao potencijalna alternativa, analizirani su ravni elektromagnetni (EM) senzori. Detaljno su ispitane karakteristike senzora, predložen je uprošćeni matematički model radnog principa, razvijene su metodologije za korekciju izlaznog signala, definisanje tehničkih parametara kao i primenu postupka lokalne kalibracije, sa ciljem unapređenja pouzdanosti protoka određenog primenom ovih senzora u složenim uslovima strujanja. Radne karakteristike ravnih EM senzora, izražene kroz parametar merne neodređenosti, su ispitane na laboratorijskoj instalaciji u okviru Instituta za hidrotehniku i vodno ekološko inženjerstvo. Korišćenjem odgovarajuće metodologije za etalaloniranje merne neodređenosti omogućeno je nepristrasno poređenje sa Dopler senzorima. Ustanovljeno je da su ravni EM senzori ponovljiviji, linearniji i da mogu da rade u širem spektru dubina i brzina u odnosu na Dopler senzore. Posebno je ispitana mogućnost rada u slučaju sedimentacije kućišta senzora poroznim nanosom, kao i u slučaju zadržavanja plastičnih kesa. Ustanovljeno je da ravni EM senzori u slučaju sedimentaciji daju linearan, ali oslabljen odziv. Predložena je metodologija za definisanje linearnog regresionog modela, kojim se može izvršiti korekcija oslabljenog odziva na osnovu izmerene dubine sedimenta. Sa druge strane, u slučaju zadržavanja plastičnih kesa, ravni EM senzori nisu u mogućnosti da proizvedu adekvatan odziv. U okviru analize radnog principa ravnih EM senzora, mapirano je magnetno polje senzora i ustanovljeno je da dominantan doprinos generisanju izlaznog signala daje Y komponenta magnetnog polja. Predložen je uprošćeni matematički model za opisivanje radnog principa, kojim se izlazni signal aproksimira linijskim integralom proizvoda rasporeda podužnih komponenata brzine i jednodimenzionalne težinske funkcije, u okviru dometa kontrolne zapremine senzora. Takođe, predložena je i eksperimentalna metodologija za određivanje tehničkih parametara ravnih EM senzora, težinske funkcije i dometa kontrolne zapremine. Za pouzdanije definisanje korelacije između izmerene i srednje profilske brzine, predložena je metodologija za lokalnu kalibraciju ravnih EM senzora. Lokalna kalibracija je primenjena na tri izvedena merna mesta u okviru derivacionih tunela sistema „Hidroelektrane na Trebišnjici“. Sprovedena je verifikacija postupka lokalne kalibracije na mernom mestu u tunelu Dabarsko Polje – Fatničko Polje, korišćenjem dodatnog kontrolnog mernog sistema, sačinjenog od lokalnih EM senzora „Ajkulino krilo“.

Reliable flow data are a precondition for adequate designing of hydraulic systems. Additionally, hydraulic system control is frequently based on the measured flow rate data. However, in the systems with free surface flow, and especially sewer systems, flow rate assessment is a complex and challenging task. In these cases, flow rate is commonly determined with the V – A (Velocity – Area) approach. Most of the flow rate uncertainty, obtained in this manner, stems from the uncertainty of the assessed mean flow velocity. Uncertainty of the mean flow velocity has two components: uncertainty emanating from the velocity sensor and the uncertainty of the correlation between the measured and mean flow velocity. In sewers, and other hydraulic systems, Doppler based sensors are commonly used for the velocity measurement. However, the accuracy of the acquired data is impeded in cases of the low flow depths and velocity operation, and sedimentation above the sensor housing. In this dissertation, flat electromagnetic (EM) sensors are analysed as a potential alternative. To improve the reliability of the flow rate assessment with flat EM sensors in complex flow conditions, sensor characteristics have been examined in detail, simplified mathematical model of the sensor’s operating principle is suggested and methodologies for the output signal correction, determination of the technical parameters and local calibration of the sensors are proposed. Flat EM sensor characteristics, expressed through the measurement uncertainty parameter, have been assessed on the laboratory setup at the Institute for hydraulic and environmental engineering. Appropriate methodology was used for benchmarking measurement uncertainty, to allow for the unbiased comparison with the Doppler sensors. It was concluded that the Flat EM sensors are more precise, linear and can operate in wider range of flow depths and velocities. Additionally, capacity for operation under porous sediment deposit and in the case of the plastic bag retention, was assessed. In case od the sedimentation of the flat EM sensor, the output was still linear, but attenuated. Methodology for the definition of the linear regression model, for output signal correction based on the sediment depth measurement, is proposed. On the other hand, in case of the plastic bag retention, flat EM sensors cannot produce adequate output. Within the analysis of the flat EM operating principle, sensor’s magnetic field was mapped, and it was determined that the dominant contribution to the output signal generation is provided by the Y magnetic field component. Output signal generation is described with the novel simplified mathematical model, where the output is approximated with the line integral of the product of longitudinal velocity distribution and one-dimensional weighting function, within the control volume reach. Additionally, an experimental methodology is proposed for the derivation of the flat EM sensor’s technical parameters, weighting function and control volume reach. To allow for more reliable assessment of the correlation between the measured and mean flow velocity a methodology for the local calibration of the flat EM sensors is suggested. Local calibration was applied on three measurement sites, constructed within the derivational tunnels of the “Hidroelektrane na Trebišnjici“ system. The verification of the local calibration was performed on the measuring site within the Dabarsko Polje – Fatničko Polje tunnel, by using the additional control measurement system, made of local EM sensors “Ajkulino krilo”.