Tel: 021 3390 3552 , 021 3390 1804
آخرین مقاله ها در سایت

مساحت سنج هد

مساحت سنج هد

مساحت سنج هد (Plan meter head)

ابزارهایی که برای اندازه­گیری جریان در مجاری باز بکار می­روند معمولا به عنوان مساحت­سنج­های هد شناخته می­شوند که رایج­ترین آنها وییر ) سرریزها( Weir : و فلوم )ناودان­ها(Flume:  هستند. وییر یک ساختار سرریز است که در عرض یک کانال باز ساخته می­شود. سرریزها یکی از قدیمی­ترین، ساده­ترین و قابل اعتمادترین ساختارها برای اندازه­گیری جریان آب در کانال­ها و مجاری می­باشند. این ساختارها را می­توان براحتی بازرسی نمود و هرگونه اقدام اشتباهی را سریعا پیدا کرد و اصلاح نمود. دبی­های خروجی را با اندازه­گیری فاصله قائم از تاج قسمت سرریز وییر تا سطح آب در بالاسری حوضچه از تاج و مراجعه به جداول محاسباتی بر اساس اندازه و شکل وییر تعیین کرد. برای استفاده از جداول استاندارد وییر باید دارای شکل منظم و ابعاد مشخصّی باشد و در قسمت تاقک قرار گیرد و حوضچه باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا سیستم به گونه­ای استاندارد رفتار نماید.

وییرها ممکن است مستطیلی، ذوزنقه­ای یا مثلثی باشند که بستگی به شکل مجرا دارد. در وییرهای مستطیلی و ذوزنقه­ای لبه کف مجرا، تاج و لبه­های کناری، انتهاهای وییر یا جوانب وییر نامیده می­شوند (اشکال13-8 و14-8). ورقه آبی که از تاج وییر بیرون می­ریزد سرراند (نپیNappe 🙂 نامیده می­شود. در شرایط غوطه­وری خاصّی، فضای زیر سرراند باید دارای تهویه برای حفظ فشار نزدیک به اتمسفر باشد.

انواع وییرها که برای اندازه­گیری جریان آب­ها استفاده می­شوند عبارتند از:

  • وییرهای دارای تاج تیز و وییرهای کیپولتی (Cipolletti) لبه تیز
  • وییرهای لبه تیز 90 درجه با شکاف V شکل
  • وییرهای مستطیلی منقبض با تاج تیز
  • وییرهای مستطیلی خوابیده با تاج تیز

برای اندازه­گیری جریان آب، نوع وییری که بکار می­رود دارای مشخصاتی است که آن را برای شرایط کاری خاصّی مناسب می­نماید. در حالت کلّی برای رسیدن به بهترین نتیجه و دقت یک وییر خوابیده مستطیلی با یک وییر با شکاف V شکل 90 درجه باید استفاده شود.

جریان خروجی در دومین فوت (مترهای مکعبی در ثانیه) از روی تاج یک وییر مستطیلی منقبض، یک وییر مستطیلی خوابیده یا یک وییر کیپولتی توسط هد H بر حسب فوت (متر) و طول تاج L بر حسب فوت (متر) اندازه­گیری و تعیین می­شود. جریان خروجی وییر استاندارد با شکاف V شکل 90 درجه مستقیماً توسط هد در کف شکاف V شکل تعیین می­شود.

شکل 13-8:وییرهای منقبض استاندارد و تاقک موقتی با وییر مستطیلی منقبض با جریان آزاد خروجی

شکل 14-8:وییر خوابیده معمولی در یک جریان افتان ناودانی

شکل 15-8:وییر استاندارد یا تیر مدرج

قتی که جریان از روی وییر عبور می­کند،  سطح بالایی به سمت پایین انحنا پیدا می­کند. این سطح منحنی یا به سمت پایین فاصله کمی از شکاف وییر به سمت بالا امتداد می­یابد. هد H باید در نقطه­ای روی سطح آب در حوضچه وییر به دور از اثر جریان پایین دستی اندازه­گیری شود. این فاصله باید حداقل چهار برابر حداکثر هد روی وییر باشد و همین نقطه سنجش باید برای جریان­های خروجی کمتر استفاده شود. یک تیر مدرّج (شکل15-8) که دارای مقیاسی مدرّج با صفری که در همان ارتفاع تاج وییر قرار گرفته است معمولا برای اندازه­گیری­های هد بکار می­رود.

دو مجموعه فرمول رایج برای محاسبه جریان خروجی روی وییر مستطیلی منقبض استاندارد عبارتند از فرمول­های اسمیت و فرانسیس. فرمولی که توسط اسمیت پیشنهاد شده است نیازمند استفاده از ضرایب تخلیه­ای است که با تغییر هد آب روی وییر و طول وییر تغییر می­کند. در نتیجه فرمول اسمیت تا حدودی نامناسب بوده اگرچه برای گستره­هایی از ضرایبی که داده می­شوند معمولاً دقیق است. برای این نوع وییر که تحت شرایط مطلوبی که در پاراگراف پیشین توضیح داده شد کار می­کنند، فرمول فرانسیس در صورتی که سرعت نزدیک­شدن قابل اغماض باشد به صورت زیر است:

معادله (1)

در دستگاه USCS

] 17-8[

در دستگاه SI

] 18-8 [

و فرمول وقتی که سرعت نزدیک­شدن غیرقابل اغماض باشد به صورت زیر است:

معادله (2)

در دستگاه USCS

]19-8[

در دستگاه SI

]20-8[

که در این رابطه Q = جریان خروجی با صرفنظر از سرعت نزدیک­شدن بر حسب فوت مکعب بر ثانیه (مترمکعب بر ثانیه)

Q’ = جریان خروجی با درنظرگرفتن سرعت نزدیک­شدن بر حسب فوت مکعب بر ثانیه (مترمکعب بر ثانیه)

H = هد روی وییر بر حسب فوت (متر)

L = طول وییر بر حسب فوت (متر)

h = هد ناشی از سرعت نزدیکی (v2/2g) بر حسب فوت (متر)

دقت کنید که فرمول فرانسیس دارای ضرایب ثابت تخلیّه­ای است که محاسبه را بدون استفاده از جداول مقدور می­سازند. جدول توان­های 2/3 که مقادیر H3/2، h3/2 و (H+h)3/2 را برای سهولت در محاسبه جریان خروجی با فرمول فرانسیس ارائه می­دهند را می­توان در کتابچه راهنماهای هیدرولیک یافت.

فرمول­های اصلی که برای محاسبه دبی خروجی وییر مستطیلی استاندارد خوابیده استفاده می­شود نیز توسط اسمیت و فرانسیس ارائه شدند. در فرمول­های اسمیت برای وییرهای خوابیده همانند وییرهای منقبض ضرایب تخلیّه با تغییر هد و طول وییر تغییر می­کنند؛ بنابراین این فرمول­ها برای استفاده در محاسبات بدون جداول یا ضرایب قابل استفاده نیستند.

فرمول فرانسیس برای وییر مستطیلی استاندارد خوابیده با صرف نظر کردن از سرعت نزدیکی به صورت زیر است:

معادله (3)

در دستگاه USCS

]21-8[

در دستگاه SI

]22-8[

و با درنظرگرفتن سرعت نزدیکی به صورت زیر:

معادله (4)

در دستگاه USCS

]23-8[

در دستگاه SI

] 24-8[

در این فرمول­ها همانند فرمول­های وییرهای مستطیلی استاندارد منقبض، حروف دارای اهمیّت یکسانی هستند. ضریب تخلیّه توسط فرمول فرانسیس از همان مجموعه کلّی از آزمایش­هایی که برای وییر مستطیلی منقبض استفاده شدند بدست آمد. هیچ آزمایشی برای تعیین قابلیّت استفاده این فرمول­ها برای وییرهای با طول کمتر از 4 فوت (1.2 متر) انجام نشده است.

وییر کیپولتی یک وییر منقبض است و باید به گونه­ای نصب شود که اندازه­گیری جریان خروجی سازگار و قابل قبولی حاصل شود. با وجود این، وییر کیپولتی برای کاهش در جریان خروجی به علّت انقباضات انتهایی با شیب­دار کردن به اندازه کافی لبه­های وییر بر اثر انقباض غلبه می­کند. فرمول­های کیپولتی که ضریب فرانسیس به اندازه 1 درصد و سرعت نزدیکی قابل اغماض است به صورت زیر است:

معادله (5)

در دستگاه USCS

] 25-8[

در دستگاه SI

] 26-8[

با درنظرگرفتن سرعت نزدیکی داریم:

معادله (6)

در دستگاه USCS

] 27-8[

در دستگاه SI

] 28-8[

که در این روابط

Q = جریان خروجی با صرفنظرکردن از سرعت نزدیکی برحسب فوت مکعب بر ثانیه (متر مکعب بر ثانیه)

Q’ = جریان خروجی با درنظرگرفتن سرعت نزدیکی برحسب فوت مکعب بر ثانیه (متر مکعب بر ثانیه)

H = هد روی وییر برحسب فوت (متر)

L = طول وییر برحسب فوت (متر)

h = هد ناشی از سرعت نزدیکی (v2/2g) برحسب فوت (متر)

دقت اندازه­گیری­های حاصله با وییرهای کیپولتی و این فرمول­ها اساسا به میزان اندازه­گیری­های حاصل از وییرهای مستطیلی خوابیده یا با شکاف V نیست. با وجود این این نتایج زمانی که دقت بیشتر مورد نیاز نیست قابل قبول هستند.

چندین فرمول مشهور وجود دارد که برای محاسبه جریان خروجی روی وییرهای با شکاف V استفاده می­شوند. رایج­ترین آنها که در حوزه آبیاری استفاده می­شوند فرمول­های کن و تومسون هستند. فرمول کن برای وییرهای کوچک و برای شرایطی که معمولا در اندازه­گیری آب در مجاری باز با آنها مواجه می­شویم قابل اعتمادتر محسوب می­شوند که به صورت زیر است:

معادله (7)

در دستگاه USCS

] 29-8[

در دستگاه SI

]4-8[

که در این رابطه Q = جریان خروجی روی وییر برحسب فوت مکعب بر ثانیه (مترمکعب بر ثانیه)

H = هد روی وییر برحسب فوت (متر)

معمولا وییرهای با شکاف V چندان تحت تأثیر سرعت نزدیکی قرار نمی­گیرند. اگر وییر با انقباض کامل نصب شود، سرعت نزدیکی پایین خواهد بود.

ناودان­ها خصوصا در کانال­های آبیاری دارای یک بخش اندازه­گیری هستند که توسط انقباض دیواره­های جانبی کانال یا با بالابردن کف آن که یک برآمدگی تشکیل می­دهد، ایجاد می­شود. ناودان پارشال رایج­ترین و شناخته­شده ترین ناودان اندازه­گیری خصوصا در کانال­های آبیاری است. این ناودان دارای بخش جریان کانال روباز  با شکل خاصّی است که ممکن است در یک مجرا، شاخه فرعی یا آبراه برای اندازه­گیری دبی آب نصب شود. ناودان دارای چهار مزیّت است: (1) می­تواند با دبی آب بسیار کمی کار کند (2) نسبت به سرعت رویکرد چندان حسّاس نیست (3) این قابلیّت را دارد که اندازه­گیری­های خوبی بدون هیچ غوطه­وری، با غوطه­وری متوسط یا حتّی با غوطه­وری قابل ملاحظه جریان پایین دستی انجام دهد (4) سرعت جریان آن به اندازه کافی بالا است تا واقعا تاثیر رسوبات در ساختار در طول استفاده را حذف کند.

جریان خروجی از داخل یک ناودان پارشال در دو حالت اتفاق می­افتد. اولی جریان آزاد، که زمانی اتفاق می­افتد که عمق آب باریکه ناکافی است تا دبی جریان خروجی را کاهش دهد. دومی جریان غوطه­وری، که زمانی اتفاق می­افتد که جریان سرپایینی سطح آب در ناودان به اندازه کافی بالاتر از ارتفاع تاج ناودان است تا بتواند جریان خروجی را کاهش دهد. برای جریان آزاد فقط هد ناودان Ha در موقعیّت نقطه سنجش جریان سربالایی مورد نیاز است تا جریان خروجی را با استفاده از یک جدول استاندارد بتوان تعیین کرد. گستره جریان آزاد دربردارنده مقداری از گستره است که ممکن است معمولا به صورت جریان غوطه­وری مدنظر قرار گیرد چون ناودان­های پارشال 50 تا 80 درصد غوطه­وری را قبل از اینکه دبی جریان آزاد به طرز قابل ملاحظه­ای کاهش یابد تحمّل می­کنند. برای جریان­های غوطه­وری (وقتی غوطه­وری بیش از 50 تا 80 درصد است بسته به اندازه ناودان) برای هر دوی هدهای جریان­های بالاسری و پایین­سری Ha و Hb لازم است جریان خروجی تعیین شود (شکل 16-8).

مزیّت منحصر به فرد ناودان پارشال توانایی آن در قابلیّت آن بعنوان یک فلومتر (جریان­سنج) در گستره عملیاتی عظیمی با حداقل افت هد می­باشد در عین حال که برای هر جریان خروجی نیازمند اندازه­گیری فقط یک هد می­باشد. افت هد فقط در حدود یک چهارم افت هدی است که لازم است یک وییر دارای طول تاج یکسانی را به کار اندازد. مزیت دیگر این ناودان این است که در صورتی که ناودان به اندازه صحیحی انتخاب شود به صورتی که باید استفاده شود – یعنی به صورت یک ساختار هم راستا- سرعت نزدیکی به صورت خودکار کنترل می­شود.

ناودان­ها به طرز گسترده­ای استفاده می­شوند چون هیچ راه ساده­ای برای جایگزین ساختن ابعاد ناودان­ها وجود ندارد و راهی برای تغییر ابزار یا مجرای مورداستفاده وجود ندارد تا سهم نامتناسبی از آب بدست آید.

عیوب اصلی ناودان­های پارشال عبارتند از: (1) نمی­توان آنها را در ساختارهای ترکیبی بسته – مزدوج ازجمله در دهانه آبگیرها، ابزارهای کنترل و اندازه­گیری استفاده کرد (2) معمولا گران­تر از وییرها و یا اورفیس­های غوطه­ور هستند (3) نیازمند فونداسیون ضدآب و مستحکم هستند و (4) به فرد ماهر و دقیقی برای ساخت رضایت­بخش و عملکرد قابل قبول آنها نیاز داریم.

اندازه ناودان­های پارشال توسط عرض گلوگاه W طراحی می­شود که این اندازه­ها از 1 اینچ (25.4 میلیمتر) برای جریان های خروجی تا 0.01 فوت مکعب بر ثانیه تا 50 فوت برای جریان­های خروجی به اندازه 3000فوت مکعب بر ثانیه تغییر می­کنند. ناودان­ها ممکن است از چوب، بتن، فولاد گالوانیزه یا دیگر مواد مناسب ساخته شوند.

شکل 16-8:ابعاد ناودان پارشال

ناودان­های بزرگ معمولا درمحل ساخته می­شوند، امّا ناودان­های کوچک ممکن است به صورت ساختارهای از پیش­ساخته شده خریداری ­شوند و در محل موردنظر نصب ­شوند. برخی از ناودان­ها به صورت پوسته­های سبک­وزنی موجودند که با قراردادن بتن بیرون دیواره­ها و زیر کف صلب و ثابت می­شوند. ناودان­های بزرگ در رودخانه­ها و کانال­های بزرگ و جریان­های عظیم استفاده می­شوند ولی ناودان­های کوچک برای اندازه­گیری میزان ورودی مزارع یا برای اندازه­گیری الزامات کشت ردیفی در مزرعه بکار می­روند.

ناودان­ها می­توانند به دو صورت عمل کنند: جریان آزاد و جریان غوطه­وری. در جریان آزاد جریان خروجی صرفا به عرض گلوگاه W و عمق آب H0 در نقطه سنجش در بخش همگرا بستگی دارد (شکل 16-8 و17-8). شرایط جریان آزاد در ناودان شبیه به شرایطی است که در یک وییر یا تاج سرریز اتفاق می­افتد که سرعت آبی که از روی تاج می­گذرد توسط شرایط جریان سرپایینی کند نمی­شود.

در جریان غوطه­وری فاکتورهای دیگری عملیاتی هستند. در اکثر نصب­ها، وقتی جریان خروجی به بیش از یک مقدار بحرانی افزایش می­یابد، مقاومت در برابر جریان در کانال پایین­سری به اندازه کافی می­باشد که بتواند سرعت را کاهش دهد، عمق جریان را افزایش دهد و باعث اثر آب باریکه در ناودان پارشال شود. می­توان انتظار داشت که جریان خروجی به محض اینکه سطح آب باریکه Hb از ارتفاع تاج ناودان تجاوز کند شروع به کاهش کند. آزمایش­های کالیبراسیون نشان می­دهد که جریان خروجی تا زمانی که نسبت غوطه­وری Hb/Ha (برحسب درصد) از مقادیر زیر تجاوز نکند کاهش نمی­یابد.

50 درصد برای ناودان­های با عرض 1، 2 و 3 اینچ (25، 50 و 75 میلیمتر)

60 درصد برای ناودان با عرض 6 و 9 اینچ (152 و 229 میلیمتر)

70 درصد برای ناودان با عرض 1 تا 8 فوت (0.3 تا 2.4 متر)

80 درصد برای ناودان­های با عرض 8 تا 50 فوتی (2.4 تا 15.2 متر)

معادلات تخلیّه برای جریان آزاد روی ناودان­ها به صورت زیر می­باشند. معادله­ای که رابطه بین هد جریان سربالایی Ha و جریان خروجی Q برای عرض W از 1 تا 8 فوت (0.3 تا 2.4 متر) به صورت زیر است:

شکل 17-8:روابط عمق جریان نسبت به ارتفاع تاج ناودان

در دستگاه ]      USCS31-8[

در دستگاه SI            ]32-8[

اگر این معادله برای محاسبه جریان خروجی از درون ناودان­های با عرض 10 تا 50 فوتی استفاده شود، جریان­های خروجی محاسبه شده همیشه بزرگتر از جریان­های خروجی واقعی هستند. بنابراین معادله دقیق­تری برای ناودان­های بزرگ ارائه شده است:

در دستگاه USCS                ]33-8[

در دستگاه SI                 ]    34-8[

اختلاف در جریان­های خروجی محاسبه شده حاصل از دو معادله برای ناودان 8 فوتی (2.4 متری) معمولا کمتر از 1 درصد است. با وجود این، این اختلاف وقتی که اندازه ناودان بزرگتر شود بیشتر می­شود. بخاطر دشواری در استفاده منظم از این معادلات، جداول جریان خروجی برای استفاده ناودان­های با عرض 1 تا 50 فوتی (0.3 تا 15.2 متری) تهیّه شده­اند.

8-5 تخمین میدانی(Field estimate) در مساحت سنج هد

غالبا تخمین میدانی دبی آب خروجی از پمپ ضروری است؛ خصوصا اگر شیوه­های دیگر عملی نباشند و یا به راحتی در دسترس نباشند. یکی از پذیرفته­ شده­ترین شیوه­ها استفاده از خط سیر (مسیر پرتابی) است. دهش (تخلیه) لوله ممکن است عمودی و یا افقی باشد که همین مساله در اندازه­گیری دقیق مختصات جریان مشکل آفرین می­شود. در این روش جریان در لوله­ها می­بایست کامل باشد(از کل ظرفیت لوله استفاده شده باشد) و دقت این روش از 85 تا 100 درصد متغیر است. شکل 18-8 تخمین در یک لولة افقی را نشان می­دهد. این روش بوسیلة اندازه­گیری بالای جریان می­تواند ساده تر شود به این ترتیب که همیشه طوری اندازه­گیری کنیم که Y برابر با 12 اینچ شود و بر حسب آن X را نیز در واحد اینچ اندازه بزنیم همانطور که در شکل 19-8 نمایش داده شده است.

 مساحت سنج هد ” مساحت سنج هد ”  مساحت سنج هد ” مساحت سنج هد ” مساحت سنج هد “

شکل 18-8:تخمین جریان در یک لوله افقی در مساحت سنج هد

 

شکل 19-8:روش ساده شده برای تخمین جریان در یک لوله افقی در مساحت سنج هد

مطالب مرتبط

بدين وسيله از متخصصين محترم، مديران، کارشناسان فني و بازرگاني آن شرکت دعوت مي گردد تا در دهمین سمینار تخصصی کمپرسور و تجهیزات هوای فشرده، مورخ 98/08/19 حضور بهم رسانند. خواهشمند است نماينده خود را حداکثر تا تاريخ 98/08/08 در وب سايت acin.ir ثبت نام نماييد تا اطلاعات تکميلی و بارکد ورود به سمينار براي ايشان ايميل گردد. در صورت نياز به اطلاعات بيشتر با شماره تلفن  09122000359  تماس حاصل فرمائيد.

برای ثبت نام کلیک نمایید.