Get 20M+ Full-Text Papers For Less Than $1.50/day. Start a 14-Day Trial for You or Your Team.

Learn More →

The influence of water temperature on the velocity of propeller - type current meter revolution

The influence of water temperature on the velocity of propeller - type current meter revolution J. Hydrol. Hydromech., 58, 2010, 4, 271­278 DOI: 10.2478/v10098-010-0025-x VLIV TEPLOTY VODY NA RYCHLOST OTÁCENÍ PROPELERU HYDROMETRICKÉ VRTULE LUKASZ NIEMIEC, MILOS STARÝ Stavební fakulta VUT, Ústav vodního hospodáství krajiny, Zizkova 17, 662 37, Brno, Ceská republika; Mailto: niemiec.l@fce.vutbr.cz; stary.m@fce.vutbr.cz Clánek prezentuje dílcí výsledky experimentálního výzkumu, zameného na posouzení vlivu teploty vody v mrném zlabu na rychlost otácení propeler u hydrometrických vrtulí firmy OTT. Jsou zde uvedeny zpsoby mení a vyhodnocování namených dat a je naznacen zpsob uplatnní dosazených výsledk pi hydrometrování v praxi. KLÍCOVÁ SLOVA: hydrometrická vrtule, vliv teploty, otácky vrtule. Lukasz Niemiec, Milos Starý: THE INFLUENCE OF WATER TEMPERATURE ON THE VELOCITY OF PROPELLER ­ TYPE CURRENT METER REVOLUTION. J. Hydrol. Hydromech., 58, 2010, 4; 12 Refs., 9 Figs., 2 Tabs. The article describes the experimental research made in specific canal with free surface. It records the changes of velocity revolutions of the current meter propellers OTT in dependence on water temperature. The authors describe the methods of measuring, data evaluation and the ways their results can be used in practice in order to improve hydrometric propeller measuring. KEY WORDS: Propeller Type Current Meter, Influence of Water Temperature, Revolution. Úvod Technologie mení prtok v mrných profilech tok se rychle rozvíjejí (ultrazvukové metody apod.). Pesto stále nejcastji pouzívaným pístrojem pro mení bodových rychlostí proudní vody v toku, pro následné odvození prtok zstává hydrometrická vrtule. V nasich geografických podmínkách mení probíhají celorocn. V zimním období se hydrometruje i pod ledem, kde teplota vody mze klesnout pod 1 °C. Naopak v letních msících teploty vody dosahují az 23 °C. Proto se autoi clánku rozhodli ovit, zda výsledky mení jsou teplotn závislé a pokud ano, tak do jaké míry. V pípad, ze tato závislost bude nezanedbatelná, jakým zpsobem je ji mozno zavést do zpracování namených výsledk. Podobnou problematikou se zabýval pan Mattas, který vyhodnocoval data získaná kalibrací vrtulí. Zabýval se pedevsím pímo vlivem teploty na konstanty a . I on zjistil jistý vliv teploty vody na otácení vrtule (Mattas, 2005). Metoda V laboratoi byl sestaven z potrubí s kruhovým prezem 200 mm vodorovný mrný zlab naplnný do cca 2/3 výsky vodou, na kterém byl uskutecován experimentální výzkum (obr. 1). Zlab má rozmry 2,7 krát 1,7 metru a tvoí uzavený okruh s volnou hladinou. Je v nm osazená chladicí a ohívací spirála vlastní výroby. Proudní vody zajisuje hnací vrtule, která je pohánná elektrickým motorem. Motor s hnací vrtulí udrzuje ustálené proudní vody ve zlabu. Sbr dat je uskutecován pomocí datové jednotky Fiedler, na kterou je pipojeno teplotní cidlo (Pt100), cítac otácek hydrometrické vrtule a optický cítac otácek motoru. Jednotka Fiedler zaznamenává kazdou minutu teplotu a namený pocet otácek. Pro mení otácek hydrometrické vrtule byly pouzity 2 sady vrtulí firmy OTT typ C2 s propelery císlo 2, 3, 6 a jedna vrtule OTT typ C31 s propelerem c. 4, parametry v tab. 1 (OTT MESSTECHNIK). Uvedené typy hydrometrických vrtulí patí mezi nejbznji uzívané vrtule v Ceském hydrometeorologickém ústavu (CHMÚ). 271 mení v ad. Interval mení ale nesmí pekrocit jeden týden (OTT MESSTECHNIK). Byly uskutecnny 4 zpsoby mení: 1. Stejné okrajové podmínky pro kazdý krok mení ­ stabilní teplota po dobu jednoho mení, zmna teploty s krokem 2 °C, výmna olejové nápln v kazdém kroku; 2. Simulace podmínek mení v mrném profilu toku ­ stabilní teplota po dobu jednoho mení, zmna teploty s krokem 2 °C, bez výmny olejové nápln; 3. Zjistní vlivu dlouhodobého pouzití olejové nápln ­ kontinuální zmna teploty (pokles teploty od 23 °C do 2 °C nebo opacn), vzorkování poctu otácek po 1 minut, bez výmny olejové nápln; 4. Zjistní vlivu dlouhodobého pouzití olejové nápln ­ kontinuální zmna teploty celým intervalem teplot od 23 °C do 2 °C a nazpt, bez výmny olejové nápln. První dva zpsoby mení jsou z teoretického hlediska nejvhodnjsí. Mení jsou vsak velmi casov nárocná a nevyvarujeme se dalsích chyb po vyjmutí vrtule z vody, které jsou spjaty s ohevem tla vrtule od okolního vzduchu, stejného umístní vrtule do zlabu, zanesení necistot nebo vody do tla vrtule pi výmn oleje apod. Poznámka V dalsím textu bude znacit N rychlost otácení propeleru, udávanou nameným poctem otácek propeleru za 1 minutu. Obr. 1. Mrný zlab. Fig. 1. Specific canal. Uvedené vrtule jsou pravideln kalibrovány a po celou dobu jejích zivotnosti dobe udrzovány podle pedpis firmy OTT, proto lze pedpokládat jejích bezproblémový chod. Jako nápl do vrtulí byl pouzit originální olej firmy OTT doporucený výrobcem vrtulí. Z kalibracních list více vrtulí pouzívaných CHMÚ Brno je zejmé, ze kalibrace probíhají celorocn a teploty, pi kterých jsou kalibrovány, se nachází v intervalu 1 °C az 22 °C. Kalibrovány jsou vsak vzdy pi konstantní teplot. Proto pro samotné mení byl stanoven interval v rozmezí uvedených teplot. Jak vyplývá z normy CSN ISO 2537, tecí odpor lozisek vrtule propelerového typu musí být co nejmensí a bhem provozu musí zstat konstantní. Loziska se musí mazat podle pokyn výrobce a je nutno zabránit vniku prachu a vody (s výjimkou lozisek mazaných vodou) do tla vrtulí. Výrobce OTT doporucuje mnit olej po nkolikanásobném T a b u l k a 1. Parametry hydrometrických vrtulí. T a b l e 1. Characteristics of current meters. Calibration Temperature Number of propeller Nejistota mení Teplota pi kalibraci Císlo propeleru Current Meter Uncertainty Elevation Diameter Stoupání Tlo vrtule Prmr Kalibracní rovnice Equation of Calibration 0,0285 0,0130 0,0038 0,0182 0,0446 0,0199 0,0217 0,0378 0,0292 0,1016 0,2556 0,2568 0,1053 0,1018 0,1051 0,1044 0,1040 0,1350 n 0,35 ÷ 23,38 0,16 ÷7,38 7,38 ÷ 15,58 0,72 ÷ 7,25 7,25 ÷ 21,17 0,41 ÷ 2,61 2,61 ÷ 22,84 0,21 ÷ 22,8 0,37 ÷ 23,53 2-169586 C2 168820 (A) 3-168723 6-56491 C2 69804 (B) C31 130372 2-56745 6-52214 4-135124 [mm] 50 50 30 50 30 80 [mm] 100 250 100 100 100 125 [°C] 20,5 20,1 17,7 1,7 1,6 1,3 [± %] 0,42 0,42 0,42 0,8 0,8 0,8 V následujícím textu jsou uvedeny výsledky mení. Obr. 2. znázoruje ukázku mení prvním zpsobem pro teploty 12, 10 a 8 °C. Zelená cára pedstavuje klesající teplotu, cervená ­ vodorovná rychlost otácení. Horní kivka pedstavuje otácky pro propeler c. 6 a spodní kivka pro propeler c. 3. Jiz zde je mozno sledovat výraznjsí vliv teploty vody na malý propeler (c. 6). Výsledky mení získané druhým zpsobem nejsou graficky uvedeny, protoze se tém nelisí od prvního zpsobu mení. Obr. 3. pedstavuje ukázku kontinuálního mení bez výmny oleje s propelerem c. 6. Mení trvalo cca 16 hodin. Cervená kivka znázoruje stoupající rychlost otácení propeleru a zelená cára znázoruje rostoucí teplotu. Teplota se na obrázku pohybuje od 5 do 20 °C, rychlost otácení je od 79 ot./min po 85 ot./min. Obr. 4 pedstavuje ukázku mení zpsobem c. 4. Zde byla pro mení pouzita vrtule s propelerem c. 2. Teplota se kontinuáln mnila od 23°C do 2°C a nazpt. Mení probhlo bez výmny olejové nápln a trvalo cca 18 hodin. Obr. 5. znázoruje stejnou rychlost otácení pi stejné teplot po souvislou dobu mení cca 12 hodin. Pro první a druhý zpsob mení bylo uskutecnno vzdy 20 opakování pi stejné teplot (s odchylkou ± 0,3 °C). Proto soubory dat pro jednotlivé stupn Celsia obsahovaly vzdy 20 hodnot, ze kterých byl spocítán prmr. U kontinuálního mení, pokud to rychlost poklesu nebo rstu teploty dovolila, se pocítal prmr z dvaceti hodnot v okolí dosazeného celého stupn Celsia. V pípad rychlejsího ohevu nebo ochlazení bylo hodnot mén a jejich rozptyl vci teplot byl vzdy max. ± 0,5 °C. Na obr. 6 je znázornna závislost rychlostí otácení propeleru pro kazdý stupe teploty mené zpsobem c. 4. Mení bylo uskutecnno postupn dvmi rznými vrtulemi C2 a propelerem c. 2, aby bylo mozno porovnat trendy v uvedených závislostech pro rzné vrtule stejného typu. Body oznacené trojúhelníky znázorují prbh rychlosti otácení propeleru pi ochlazování vody (down), body oznacené ctverci rychlost otácení pi ohevu vody (up). Obr. 2. Prbh teploty a rychlost otácení. Fig. 2. Course of temperature and velocity. Obr. 3. Stoupající teplota a rychlost otácení. Fig. 3. Increasing temperature and velocity. Obr. 4. Klesající a rostoucí teplota a rychlost otácení. Fig. 4. Decreasing and increasing temperature and velocity. Obr. 5. Stejný prbh teploty a rychlost otácení. Fig. 5. The same course of temperature and velocity. U vrtule A byla výchozí teplota vody pi mení 23 °C a postupn se ochlazovala. Vratný bod byl ve 2 °C, pak se voda postupn ohívala az na 23 °C. U vrtule B bylo mení uskutecnno opacným zpsobem, tj. výchozí a konecná teplota byla 2 °C a vratný bod byl ve 23 °C. Jak je patrné, kivky se nijak výrazn nerozchází, jsou buto blízko u sebe, nebo se kízí. Pro kazdý mený stupe teploty u jednotlivé vrtule byl spocítán prmr hodnot z obou vtví (vtev odpovídající ohevu ­ up, vtev odpovídající ochlazování ­ down). Tmito body pak byla prolozena regresní kivka, kterou tvoí polynom druhého stupn. Rovnice polynomu je uvedena na píslusném obrázku. Na obr. 7 je znázornna obdobná závislost pro kontinuální mení vrtulí C2 s propelerem c. 6 a zpsobem mení c. 4. Mení je doplnno o kontrolní mení podle zpsobu mení c. 2, s udrzovanou konstantní teplotou ve 2, 5, 10, 15.5 274 a 20 °C (na obrázku oznaceno jako point). Jak je z obrázku zejmé, kontinuální mení, vzhledem k delsímu zatízení hydrometrické vrtule, nemá výrazný vliv na rychlost otácení propeleru. Graf je i zde doplnn regresní kivkou vytvoenou podle postupu uvedeného výse. V okolí bod jednotlivých vtví (up a down, 20 opakovan namených realizací) a v okolí prmrných hodnot obou vtví (up + down, 40 opakovan namených realizací) jsou pro kazdý teplotní stupe znázornny intervaly rozptylu hodnot, coz jsou nejistoty typu A na hladin spolehlivosti 95% (rozsíená nejistota b, obr. 8). Na uvedeném obrázku znací N odchylku mezi namenou hodnotou rychlosti otácení propeleru a stední hodnotou. Na obr. 9 je mozno srovnat rozptyl namených hodnot pro teploty vody pi 5, 10, 15 a 20 °C (hustoty pravdpodobnosti rychlostí otácení propeleru pi uvedených teplotách za pedpokladu normálního rozdlení). Obr. 6. Rychlost otácení propeleru pi ohevu a ochlazování vody; vrtule C2, propeler c. 2. Fig. 6. Velocity of propeller during warming and cooling of water; current meter C2, propeller n. 2. Obr. 7. Rychlost otácení propeleru pi ohevu a ochlazování vody; vrtule C2, propeler c. 6. Fig. 7. Velocity of propeller during warming and cooling of water; current meter C2, propeller n. 6. Obr. 8. Normální (Gaussovo) rozdlení. Fig. 8. Normal (Gaussian) distribution. Obr. 9. Normální (Gaussovo) rozdlení pi 5, 10, 15 a 20 °C; vrtule C2 propeler c. 6. Fig. 9. Normal (Gaussian) distribution at 5, 10, 15 and 20 °C; current meter C2, propeller n. 6. Diskuse a závr Z pedcházejících obrázk je patrný vliv teploty vody na namené hodnoty rychlosti otácení propeleru. S klesající teplotou klesá nelineárn rychlost otácení. Jak jiz poznamenal pan Mattas, hlavními vlivy mohou být: vliv teploty na mechanické cásti vrtule (zmna vlí lozisek apod.), vliv teploty na viskozitu olejové nápln tl vrtulí a vliv teploty na hydraulické odpory pi obtékání vrtulí (Mattas, 2005). V soucasné dob nejsme schopní uvedené vlivy separovat a ani to není cílem clánku. Chceme pouze ukázat, ze vliv teploty na rychlost otácení propeleru existuje a ze je nezanedbatelný, ackoliv jej výrobce vrtulí zanedbává. V tab. 2 jsou uvedeny prmrné pocty otácek za minutu pi maximální uvazované teplot vody 23 °C a pi minimální uvazované teplot vody 2 °C, jejích rozdíl a procentuální vyjádení rozdílu. Vrtule s propelerem c. 6, který má prmr 30 mm a stoupání 100 mm, vykazovaly vzdy vtsí rozdíly v rychlosti otácení a to v rozmezí 8 az 10 %. Vrtule s propelerem c. 2, který má prmr 50 mm a stoupání 100 mm, vykazovaly rozdíly v rychlosti otácení okolo 5 %. Vrtule s propelerem c. 3, který má prmr 50 mm a stoupání 250 mm, vykazovala pouze 3 %. Nejvtsí rozdíl v rychlosti otácení vykazovala vrtule C31 s propelerem c. 4, který má prmr propeleru 80 mm a stoupání 120 mm a to piblizn 12,5 % (jiná konstrukce tla vrtule oproti typu C2). 276 U vrtulí s propelerem c. 6, který má stejné stoupání jako propeler c. 2, ale mensí prmr, se domníváme, ze vtsí rozdíl v rychlosti otácení vzniká psobením výrazn mensího momentu otácení (krouticího momentu), který psobí na hídel vrtule. U vrtule s propelerem c. 3, který má stejný prmr jako propeler c. 2, ale vtsí stoupání, je mensí vliv zpsobený mensím hydraulickým odporem, který propeler pi obtékání vodou klade. Pi piblizn stejné rychlosti proudící vody má ve srovnání s propelerem c. 2 mensí rychlost otácení. Otázkou je, jak uvedené poznatky uplatnit v praxi: - Jednou mozností je neuvazovat vliv teploty (dosud provádno v bzné hydrometrické praxi). Soubor namených hodnot otácek Ni, [pro i = 1, 2, ..., k, kde k je pocet vsech mení (k = 20 · 22 = 440)] statisticky vyhodnotit do nejistoty typu A, a tu pak pro vyuzití v praxi povazovat za nejistotu typu B. V pípad mení s propelerem c. 6, kde rozdíl otácek pi minimální a maximální uvazované teplot vody byl 10 %, by nejistota typu B (rozsíená nejistota b na hladin spolehlivosti 95 %) byla 8 %. Analogicky by v pípad mení s propelerem c. 2, kde rozdíl otácek byl 5 %, nejistota typu B (b) byla asi 4 %. U propeleru c. 3, kde rozdíl otácek byl pouze 3,3 %, by nejistota typu B (b) byla taktéz asi 4 %, vse za pedpokladu normálního rozdlení namených dat N(N,N). Je zejmé, ze uvedený postup by znacn zvýsil celkovou nejistotu stanoveného prtoku v mrném profilu. - Druhou mozností je uskutecnit korekci otácek ped samotným výpoctem bodových rychlostí v závislosti od aktuální teploty vody v toku a teplot vody, pi které byla vrtule kalibrována. Uvazovaná nejistota by pak byla nejistotu typu B (b) odpovídající aktuální teplot vody podle obr. 7. Zde by byla nutnost kalibrovat na teplotu kazdou vrtuli zvlás. - Tetí mozností je implementovat vztahy získané pi kalibraci vrtule pímo do kalibracní rovnice vcetn uvedení závislostí nejistoty B (b) od teploty. Autoi clánku jsou si vdomi, ze zde uvedené postupy a vyhodnocení postihují jen cást celkového problému, kterému je teba se vnovat podrobnji a uskutecnit dalsí mení s rznými vrtulemi za rzných rychlostí a dosazené výsledky dále zobecnit. T a b u l k a 2. Rozdíly otácek jednotlivých propeler a vrtulí. T a b l e 2. Differences of revolutions of individua propellers and current meters. Vrtule Current Meter Propeler c. Propeller n. 6 6 C2 A 2 3 C2 B C31 2 4 Pokles teploty (down) Vzestup teploty (up) Decreasing Temp. (down) Increasing Temp. (up) down up down up + down down up up + down down up down up + down up N pi 23°C at 23°C 83,85 67,18 68,79 67,98 79,00 78,70 78,85 37,50 78,12 77,69 77,90 71,20 N pi 2°C at 2°C 76,50 61,80 61,90 61,85 75,05 75,05 75,05 36,25 73,40 74,95 74,18 62,40 Rozdíl ot. Difference of Rev. 7,3 5,4 6,9 6,13 4,0 3,7 3,80 1,3 4,7 2,7 3,73 8,8 Rozdíl Difference [%] 8,8 8,0 10,0 9,01 5,0 4,6 4,82 3,3 6,0 3,5 4,78 12,4 LITERATURA CSN ISO 2537, 1993: Vodomrné vrtule s rotacním prvkem. CSN EN ISO 748, 2008: Hydrometrie ­ Mení prtoku kapalin v otevených korytech pouzitím vodomrných vrtulí nebo plovák. FIEDLER, 1990­2010: Elektronika pro ekologii, Registracní a ídící jednotka M4016-G, online: http://www.fiedlermagr.cz. HYDROMETRICS s.r.o., 1999: Návod k obsluze mikrovrtule C2. KÍZ V. a kol., 1988: Hydrometrie. Ucebnice, Praha, 176 s. MATTAS D., 2005: Vliv teploty na provoz a kalibrace hydrometrických vrtulí. Revitalizace vodního systému krajiny a mst zatízeného významnými antropogenními zmnami. Sborník semináe k výzkumnému zámru, Praha, 6 s. NIEMIEC L., STARÝ M., 2007: Problematika vyhodnocování namených dat pi ,,hydrometrování" v mrném profilu toku. Hodnocení rizik ve vodním hospodáství, Brno, 6 s. NIEMIEC L., STARÝ M., 2008: Comparison of perpendicular velocity measured and counted using different methods. I International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists, Pozna, 4 p. NIEMIEC L., STARÝ M., 2009: Vliv teploty meného média na pocet otácek u klasické hydrometrické vrtule. XII. Mezinárodní vdecká konference, Sborník píspvk, Brno, 4 s. OTT MESSTECHNIK, 2010: Mící technika, stránky firmy OTT Messtechnik [online], dostupné z WWW: http://www.ott.com. STATGRAPHICS Plus, ver. 5.1. Statistický software, 1994­ 2001. ZOUZELA M., 2005: Posouzení metod pro mení a vyhodnocení rychlostních polí reálných prizmatických tratí pi definovaných proudových pomrech s volnou hladinou. [Disertacní práce.] Brno, 105 s. Doslo 21 júna 2010 Prijaté 26. októbra 2010 THE INFLUENCE OF WATER TEMPERATURE ON VELOCITY OF PROPELLER ­ TYPE CURRENT METER REVOLUTION LUKASZ NIEMIEC, MILOS STARÝ The influence of water temperature on velocity of the propeller is obvious from the previous figures. The velocity decrease non-linearly with the decrease of temperature. The current meter with propeller n. 6 with its diameter 30 mm and its pitch 100 mm showed differences in velocity in the range from 8% to 10%. The current meter with propeller n. 2 with its diameter 50 mm and its pitch 100 mm showed the differences in velocity around 5 %. The current meter with propeller n. 3 with its diameter 50 mm and its pitch 250 mm showed the differences in velocity around 5 %. The current meter C31 with propeller n. 4, which has the diameter 80 mm and pitch 120 mm, showed the largest difference in velocity that was 12,5 %. The current meters with propeller n. 6 have the same pitch as the current meters with propeller n. 2, but propeller n. 6 has shorter diameter. The authors argue that higher velocity of propeller n. 6 is caused by the influence of slower gyroscopic moment which affects the propeller shaft. The current meters with propeller n. 3 have the same diameter as current meters with propeller n. 2, but they have higher pitch. Smaller influence is caused by smaller hydraulic resistance the propeller creates during the circumfluence of water. The propeller in the same speed of flowing water has lower velocity compared with propeller n. 2. The question is how the above mentioned observations can be used in practice: - One possibility is not to be concerned with the influence of temperature. The measured values of revolutions should be statistically evaluated as the uncertainty type A that should be converted into uncertainty type B. In case of measuring with propeller n. 6, where the range of velocity in minimum and maximum temperature of water was about 10 %, the uncertainty type B (b, with the confidence level of 95 %), would be 8 %. In case of measuring with propeller n. 2, where the range of velocity was 5 %, the uncertainty type B (b) would be 4%. In case of measuring with propeller n. 3, where the range of velocity was only 3.3%, the uncertainty type B (b) would be 4% as well. That all would work if normal distribution N(N,N) is supposed. It is obvious from the above mentioned technique that it would increase total uncertainty of the determined flowage in velocity area gauging station. - Another possibility is to make the correction of revolutions before the calculation of spot speeds in dependence on the present temperature of water and the temperature of water at which the current meter was calibrated. - The third possibility is to implement the interactions obtained during calibration of the current meter into calibration equation including the dependence of uncertainty type B on temperature. The authors are aware of the fact that the above mentioned methods and evaluations involve only a part of the issue. They are aware it is necessary to devote to the topic in more details and to make other measurings using various types of current meters and velocities and to generalize the results. This article was written as a part of the GACR project: 103/07/1620 "Prediction and simulation models in the water resources control". This outcome has been achieved with the financial support of the Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic, project No. 1M0579, within activities of the CIDEAS research centre. http://www.deepdyve.com/assets/images/DeepDyve-Logo-lg.png Journal of Hydrology and Hydromechanics de Gruyter

The influence of water temperature on the velocity of propeller - type current meter revolution

Loading next page...
 
/lp/de-gruyter/the-influence-of-water-temperature-on-the-velocity-of-propeller-type-IgJaj1bu0P
Publisher
de Gruyter
Copyright
Copyright © 2010 by the
ISSN
0042-790X
DOI
10.2478/v10098-010-0025-x
Publisher site
See Article on Publisher Site

Abstract

J. Hydrol. Hydromech., 58, 2010, 4, 271­278 DOI: 10.2478/v10098-010-0025-x VLIV TEPLOTY VODY NA RYCHLOST OTÁCENÍ PROPELERU HYDROMETRICKÉ VRTULE LUKASZ NIEMIEC, MILOS STARÝ Stavební fakulta VUT, Ústav vodního hospodáství krajiny, Zizkova 17, 662 37, Brno, Ceská republika; Mailto: niemiec.l@fce.vutbr.cz; stary.m@fce.vutbr.cz Clánek prezentuje dílcí výsledky experimentálního výzkumu, zameného na posouzení vlivu teploty vody v mrném zlabu na rychlost otácení propeler u hydrometrických vrtulí firmy OTT. Jsou zde uvedeny zpsoby mení a vyhodnocování namených dat a je naznacen zpsob uplatnní dosazených výsledk pi hydrometrování v praxi. KLÍCOVÁ SLOVA: hydrometrická vrtule, vliv teploty, otácky vrtule. Lukasz Niemiec, Milos Starý: THE INFLUENCE OF WATER TEMPERATURE ON THE VELOCITY OF PROPELLER ­ TYPE CURRENT METER REVOLUTION. J. Hydrol. Hydromech., 58, 2010, 4; 12 Refs., 9 Figs., 2 Tabs. The article describes the experimental research made in specific canal with free surface. It records the changes of velocity revolutions of the current meter propellers OTT in dependence on water temperature. The authors describe the methods of measuring, data evaluation and the ways their results can be used in practice in order to improve hydrometric propeller measuring. KEY WORDS: Propeller Type Current Meter, Influence of Water Temperature, Revolution. Úvod Technologie mení prtok v mrných profilech tok se rychle rozvíjejí (ultrazvukové metody apod.). Pesto stále nejcastji pouzívaným pístrojem pro mení bodových rychlostí proudní vody v toku, pro následné odvození prtok zstává hydrometrická vrtule. V nasich geografických podmínkách mení probíhají celorocn. V zimním období se hydrometruje i pod ledem, kde teplota vody mze klesnout pod 1 °C. Naopak v letních msících teploty vody dosahují az 23 °C. Proto se autoi clánku rozhodli ovit, zda výsledky mení jsou teplotn závislé a pokud ano, tak do jaké míry. V pípad, ze tato závislost bude nezanedbatelná, jakým zpsobem je ji mozno zavést do zpracování namených výsledk. Podobnou problematikou se zabýval pan Mattas, který vyhodnocoval data získaná kalibrací vrtulí. Zabýval se pedevsím pímo vlivem teploty na konstanty a . I on zjistil jistý vliv teploty vody na otácení vrtule (Mattas, 2005). Metoda V laboratoi byl sestaven z potrubí s kruhovým prezem 200 mm vodorovný mrný zlab naplnný do cca 2/3 výsky vodou, na kterém byl uskutecován experimentální výzkum (obr. 1). Zlab má rozmry 2,7 krát 1,7 metru a tvoí uzavený okruh s volnou hladinou. Je v nm osazená chladicí a ohívací spirála vlastní výroby. Proudní vody zajisuje hnací vrtule, která je pohánná elektrickým motorem. Motor s hnací vrtulí udrzuje ustálené proudní vody ve zlabu. Sbr dat je uskutecován pomocí datové jednotky Fiedler, na kterou je pipojeno teplotní cidlo (Pt100), cítac otácek hydrometrické vrtule a optický cítac otácek motoru. Jednotka Fiedler zaznamenává kazdou minutu teplotu a namený pocet otácek. Pro mení otácek hydrometrické vrtule byly pouzity 2 sady vrtulí firmy OTT typ C2 s propelery císlo 2, 3, 6 a jedna vrtule OTT typ C31 s propelerem c. 4, parametry v tab. 1 (OTT MESSTECHNIK). Uvedené typy hydrometrických vrtulí patí mezi nejbznji uzívané vrtule v Ceském hydrometeorologickém ústavu (CHMÚ). 271 mení v ad. Interval mení ale nesmí pekrocit jeden týden (OTT MESSTECHNIK). Byly uskutecnny 4 zpsoby mení: 1. Stejné okrajové podmínky pro kazdý krok mení ­ stabilní teplota po dobu jednoho mení, zmna teploty s krokem 2 °C, výmna olejové nápln v kazdém kroku; 2. Simulace podmínek mení v mrném profilu toku ­ stabilní teplota po dobu jednoho mení, zmna teploty s krokem 2 °C, bez výmny olejové nápln; 3. Zjistní vlivu dlouhodobého pouzití olejové nápln ­ kontinuální zmna teploty (pokles teploty od 23 °C do 2 °C nebo opacn), vzorkování poctu otácek po 1 minut, bez výmny olejové nápln; 4. Zjistní vlivu dlouhodobého pouzití olejové nápln ­ kontinuální zmna teploty celým intervalem teplot od 23 °C do 2 °C a nazpt, bez výmny olejové nápln. První dva zpsoby mení jsou z teoretického hlediska nejvhodnjsí. Mení jsou vsak velmi casov nárocná a nevyvarujeme se dalsích chyb po vyjmutí vrtule z vody, které jsou spjaty s ohevem tla vrtule od okolního vzduchu, stejného umístní vrtule do zlabu, zanesení necistot nebo vody do tla vrtule pi výmn oleje apod. Poznámka V dalsím textu bude znacit N rychlost otácení propeleru, udávanou nameným poctem otácek propeleru za 1 minutu. Obr. 1. Mrný zlab. Fig. 1. Specific canal. Uvedené vrtule jsou pravideln kalibrovány a po celou dobu jejích zivotnosti dobe udrzovány podle pedpis firmy OTT, proto lze pedpokládat jejích bezproblémový chod. Jako nápl do vrtulí byl pouzit originální olej firmy OTT doporucený výrobcem vrtulí. Z kalibracních list více vrtulí pouzívaných CHMÚ Brno je zejmé, ze kalibrace probíhají celorocn a teploty, pi kterých jsou kalibrovány, se nachází v intervalu 1 °C az 22 °C. Kalibrovány jsou vsak vzdy pi konstantní teplot. Proto pro samotné mení byl stanoven interval v rozmezí uvedených teplot. Jak vyplývá z normy CSN ISO 2537, tecí odpor lozisek vrtule propelerového typu musí být co nejmensí a bhem provozu musí zstat konstantní. Loziska se musí mazat podle pokyn výrobce a je nutno zabránit vniku prachu a vody (s výjimkou lozisek mazaných vodou) do tla vrtulí. Výrobce OTT doporucuje mnit olej po nkolikanásobném T a b u l k a 1. Parametry hydrometrických vrtulí. T a b l e 1. Characteristics of current meters. Calibration Temperature Number of propeller Nejistota mení Teplota pi kalibraci Císlo propeleru Current Meter Uncertainty Elevation Diameter Stoupání Tlo vrtule Prmr Kalibracní rovnice Equation of Calibration 0,0285 0,0130 0,0038 0,0182 0,0446 0,0199 0,0217 0,0378 0,0292 0,1016 0,2556 0,2568 0,1053 0,1018 0,1051 0,1044 0,1040 0,1350 n 0,35 ÷ 23,38 0,16 ÷7,38 7,38 ÷ 15,58 0,72 ÷ 7,25 7,25 ÷ 21,17 0,41 ÷ 2,61 2,61 ÷ 22,84 0,21 ÷ 22,8 0,37 ÷ 23,53 2-169586 C2 168820 (A) 3-168723 6-56491 C2 69804 (B) C31 130372 2-56745 6-52214 4-135124 [mm] 50 50 30 50 30 80 [mm] 100 250 100 100 100 125 [°C] 20,5 20,1 17,7 1,7 1,6 1,3 [± %] 0,42 0,42 0,42 0,8 0,8 0,8 V následujícím textu jsou uvedeny výsledky mení. Obr. 2. znázoruje ukázku mení prvním zpsobem pro teploty 12, 10 a 8 °C. Zelená cára pedstavuje klesající teplotu, cervená ­ vodorovná rychlost otácení. Horní kivka pedstavuje otácky pro propeler c. 6 a spodní kivka pro propeler c. 3. Jiz zde je mozno sledovat výraznjsí vliv teploty vody na malý propeler (c. 6). Výsledky mení získané druhým zpsobem nejsou graficky uvedeny, protoze se tém nelisí od prvního zpsobu mení. Obr. 3. pedstavuje ukázku kontinuálního mení bez výmny oleje s propelerem c. 6. Mení trvalo cca 16 hodin. Cervená kivka znázoruje stoupající rychlost otácení propeleru a zelená cára znázoruje rostoucí teplotu. Teplota se na obrázku pohybuje od 5 do 20 °C, rychlost otácení je od 79 ot./min po 85 ot./min. Obr. 4 pedstavuje ukázku mení zpsobem c. 4. Zde byla pro mení pouzita vrtule s propelerem c. 2. Teplota se kontinuáln mnila od 23°C do 2°C a nazpt. Mení probhlo bez výmny olejové nápln a trvalo cca 18 hodin. Obr. 5. znázoruje stejnou rychlost otácení pi stejné teplot po souvislou dobu mení cca 12 hodin. Pro první a druhý zpsob mení bylo uskutecnno vzdy 20 opakování pi stejné teplot (s odchylkou ± 0,3 °C). Proto soubory dat pro jednotlivé stupn Celsia obsahovaly vzdy 20 hodnot, ze kterých byl spocítán prmr. U kontinuálního mení, pokud to rychlost poklesu nebo rstu teploty dovolila, se pocítal prmr z dvaceti hodnot v okolí dosazeného celého stupn Celsia. V pípad rychlejsího ohevu nebo ochlazení bylo hodnot mén a jejich rozptyl vci teplot byl vzdy max. ± 0,5 °C. Na obr. 6 je znázornna závislost rychlostí otácení propeleru pro kazdý stupe teploty mené zpsobem c. 4. Mení bylo uskutecnno postupn dvmi rznými vrtulemi C2 a propelerem c. 2, aby bylo mozno porovnat trendy v uvedených závislostech pro rzné vrtule stejného typu. Body oznacené trojúhelníky znázorují prbh rychlosti otácení propeleru pi ochlazování vody (down), body oznacené ctverci rychlost otácení pi ohevu vody (up). Obr. 2. Prbh teploty a rychlost otácení. Fig. 2. Course of temperature and velocity. Obr. 3. Stoupající teplota a rychlost otácení. Fig. 3. Increasing temperature and velocity. Obr. 4. Klesající a rostoucí teplota a rychlost otácení. Fig. 4. Decreasing and increasing temperature and velocity. Obr. 5. Stejný prbh teploty a rychlost otácení. Fig. 5. The same course of temperature and velocity. U vrtule A byla výchozí teplota vody pi mení 23 °C a postupn se ochlazovala. Vratný bod byl ve 2 °C, pak se voda postupn ohívala az na 23 °C. U vrtule B bylo mení uskutecnno opacným zpsobem, tj. výchozí a konecná teplota byla 2 °C a vratný bod byl ve 23 °C. Jak je patrné, kivky se nijak výrazn nerozchází, jsou buto blízko u sebe, nebo se kízí. Pro kazdý mený stupe teploty u jednotlivé vrtule byl spocítán prmr hodnot z obou vtví (vtev odpovídající ohevu ­ up, vtev odpovídající ochlazování ­ down). Tmito body pak byla prolozena regresní kivka, kterou tvoí polynom druhého stupn. Rovnice polynomu je uvedena na píslusném obrázku. Na obr. 7 je znázornna obdobná závislost pro kontinuální mení vrtulí C2 s propelerem c. 6 a zpsobem mení c. 4. Mení je doplnno o kontrolní mení podle zpsobu mení c. 2, s udrzovanou konstantní teplotou ve 2, 5, 10, 15.5 274 a 20 °C (na obrázku oznaceno jako point). Jak je z obrázku zejmé, kontinuální mení, vzhledem k delsímu zatízení hydrometrické vrtule, nemá výrazný vliv na rychlost otácení propeleru. Graf je i zde doplnn regresní kivkou vytvoenou podle postupu uvedeného výse. V okolí bod jednotlivých vtví (up a down, 20 opakovan namených realizací) a v okolí prmrných hodnot obou vtví (up + down, 40 opakovan namených realizací) jsou pro kazdý teplotní stupe znázornny intervaly rozptylu hodnot, coz jsou nejistoty typu A na hladin spolehlivosti 95% (rozsíená nejistota b, obr. 8). Na uvedeném obrázku znací N odchylku mezi namenou hodnotou rychlosti otácení propeleru a stední hodnotou. Na obr. 9 je mozno srovnat rozptyl namených hodnot pro teploty vody pi 5, 10, 15 a 20 °C (hustoty pravdpodobnosti rychlostí otácení propeleru pi uvedených teplotách za pedpokladu normálního rozdlení). Obr. 6. Rychlost otácení propeleru pi ohevu a ochlazování vody; vrtule C2, propeler c. 2. Fig. 6. Velocity of propeller during warming and cooling of water; current meter C2, propeller n. 2. Obr. 7. Rychlost otácení propeleru pi ohevu a ochlazování vody; vrtule C2, propeler c. 6. Fig. 7. Velocity of propeller during warming and cooling of water; current meter C2, propeller n. 6. Obr. 8. Normální (Gaussovo) rozdlení. Fig. 8. Normal (Gaussian) distribution. Obr. 9. Normální (Gaussovo) rozdlení pi 5, 10, 15 a 20 °C; vrtule C2 propeler c. 6. Fig. 9. Normal (Gaussian) distribution at 5, 10, 15 and 20 °C; current meter C2, propeller n. 6. Diskuse a závr Z pedcházejících obrázk je patrný vliv teploty vody na namené hodnoty rychlosti otácení propeleru. S klesající teplotou klesá nelineárn rychlost otácení. Jak jiz poznamenal pan Mattas, hlavními vlivy mohou být: vliv teploty na mechanické cásti vrtule (zmna vlí lozisek apod.), vliv teploty na viskozitu olejové nápln tl vrtulí a vliv teploty na hydraulické odpory pi obtékání vrtulí (Mattas, 2005). V soucasné dob nejsme schopní uvedené vlivy separovat a ani to není cílem clánku. Chceme pouze ukázat, ze vliv teploty na rychlost otácení propeleru existuje a ze je nezanedbatelný, ackoliv jej výrobce vrtulí zanedbává. V tab. 2 jsou uvedeny prmrné pocty otácek za minutu pi maximální uvazované teplot vody 23 °C a pi minimální uvazované teplot vody 2 °C, jejích rozdíl a procentuální vyjádení rozdílu. Vrtule s propelerem c. 6, který má prmr 30 mm a stoupání 100 mm, vykazovaly vzdy vtsí rozdíly v rychlosti otácení a to v rozmezí 8 az 10 %. Vrtule s propelerem c. 2, který má prmr 50 mm a stoupání 100 mm, vykazovaly rozdíly v rychlosti otácení okolo 5 %. Vrtule s propelerem c. 3, který má prmr 50 mm a stoupání 250 mm, vykazovala pouze 3 %. Nejvtsí rozdíl v rychlosti otácení vykazovala vrtule C31 s propelerem c. 4, který má prmr propeleru 80 mm a stoupání 120 mm a to piblizn 12,5 % (jiná konstrukce tla vrtule oproti typu C2). 276 U vrtulí s propelerem c. 6, který má stejné stoupání jako propeler c. 2, ale mensí prmr, se domníváme, ze vtsí rozdíl v rychlosti otácení vzniká psobením výrazn mensího momentu otácení (krouticího momentu), který psobí na hídel vrtule. U vrtule s propelerem c. 3, který má stejný prmr jako propeler c. 2, ale vtsí stoupání, je mensí vliv zpsobený mensím hydraulickým odporem, který propeler pi obtékání vodou klade. Pi piblizn stejné rychlosti proudící vody má ve srovnání s propelerem c. 2 mensí rychlost otácení. Otázkou je, jak uvedené poznatky uplatnit v praxi: - Jednou mozností je neuvazovat vliv teploty (dosud provádno v bzné hydrometrické praxi). Soubor namených hodnot otácek Ni, [pro i = 1, 2, ..., k, kde k je pocet vsech mení (k = 20 · 22 = 440)] statisticky vyhodnotit do nejistoty typu A, a tu pak pro vyuzití v praxi povazovat za nejistotu typu B. V pípad mení s propelerem c. 6, kde rozdíl otácek pi minimální a maximální uvazované teplot vody byl 10 %, by nejistota typu B (rozsíená nejistota b na hladin spolehlivosti 95 %) byla 8 %. Analogicky by v pípad mení s propelerem c. 2, kde rozdíl otácek byl 5 %, nejistota typu B (b) byla asi 4 %. U propeleru c. 3, kde rozdíl otácek byl pouze 3,3 %, by nejistota typu B (b) byla taktéz asi 4 %, vse za pedpokladu normálního rozdlení namených dat N(N,N). Je zejmé, ze uvedený postup by znacn zvýsil celkovou nejistotu stanoveného prtoku v mrném profilu. - Druhou mozností je uskutecnit korekci otácek ped samotným výpoctem bodových rychlostí v závislosti od aktuální teploty vody v toku a teplot vody, pi které byla vrtule kalibrována. Uvazovaná nejistota by pak byla nejistotu typu B (b) odpovídající aktuální teplot vody podle obr. 7. Zde by byla nutnost kalibrovat na teplotu kazdou vrtuli zvlás. - Tetí mozností je implementovat vztahy získané pi kalibraci vrtule pímo do kalibracní rovnice vcetn uvedení závislostí nejistoty B (b) od teploty. Autoi clánku jsou si vdomi, ze zde uvedené postupy a vyhodnocení postihují jen cást celkového problému, kterému je teba se vnovat podrobnji a uskutecnit dalsí mení s rznými vrtulemi za rzných rychlostí a dosazené výsledky dále zobecnit. T a b u l k a 2. Rozdíly otácek jednotlivých propeler a vrtulí. T a b l e 2. Differences of revolutions of individua propellers and current meters. Vrtule Current Meter Propeler c. Propeller n. 6 6 C2 A 2 3 C2 B C31 2 4 Pokles teploty (down) Vzestup teploty (up) Decreasing Temp. (down) Increasing Temp. (up) down up down up + down down up up + down down up down up + down up N pi 23°C at 23°C 83,85 67,18 68,79 67,98 79,00 78,70 78,85 37,50 78,12 77,69 77,90 71,20 N pi 2°C at 2°C 76,50 61,80 61,90 61,85 75,05 75,05 75,05 36,25 73,40 74,95 74,18 62,40 Rozdíl ot. Difference of Rev. 7,3 5,4 6,9 6,13 4,0 3,7 3,80 1,3 4,7 2,7 3,73 8,8 Rozdíl Difference [%] 8,8 8,0 10,0 9,01 5,0 4,6 4,82 3,3 6,0 3,5 4,78 12,4 LITERATURA CSN ISO 2537, 1993: Vodomrné vrtule s rotacním prvkem. CSN EN ISO 748, 2008: Hydrometrie ­ Mení prtoku kapalin v otevených korytech pouzitím vodomrných vrtulí nebo plovák. FIEDLER, 1990­2010: Elektronika pro ekologii, Registracní a ídící jednotka M4016-G, online: http://www.fiedlermagr.cz. HYDROMETRICS s.r.o., 1999: Návod k obsluze mikrovrtule C2. KÍZ V. a kol., 1988: Hydrometrie. Ucebnice, Praha, 176 s. MATTAS D., 2005: Vliv teploty na provoz a kalibrace hydrometrických vrtulí. Revitalizace vodního systému krajiny a mst zatízeného významnými antropogenními zmnami. Sborník semináe k výzkumnému zámru, Praha, 6 s. NIEMIEC L., STARÝ M., 2007: Problematika vyhodnocování namených dat pi ,,hydrometrování" v mrném profilu toku. Hodnocení rizik ve vodním hospodáství, Brno, 6 s. NIEMIEC L., STARÝ M., 2008: Comparison of perpendicular velocity measured and counted using different methods. I International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists, Pozna, 4 p. NIEMIEC L., STARÝ M., 2009: Vliv teploty meného média na pocet otácek u klasické hydrometrické vrtule. XII. Mezinárodní vdecká konference, Sborník píspvk, Brno, 4 s. OTT MESSTECHNIK, 2010: Mící technika, stránky firmy OTT Messtechnik [online], dostupné z WWW: http://www.ott.com. STATGRAPHICS Plus, ver. 5.1. Statistický software, 1994­ 2001. ZOUZELA M., 2005: Posouzení metod pro mení a vyhodnocení rychlostních polí reálných prizmatických tratí pi definovaných proudových pomrech s volnou hladinou. [Disertacní práce.] Brno, 105 s. Doslo 21 júna 2010 Prijaté 26. októbra 2010 THE INFLUENCE OF WATER TEMPERATURE ON VELOCITY OF PROPELLER ­ TYPE CURRENT METER REVOLUTION LUKASZ NIEMIEC, MILOS STARÝ The influence of water temperature on velocity of the propeller is obvious from the previous figures. The velocity decrease non-linearly with the decrease of temperature. The current meter with propeller n. 6 with its diameter 30 mm and its pitch 100 mm showed differences in velocity in the range from 8% to 10%. The current meter with propeller n. 2 with its diameter 50 mm and its pitch 100 mm showed the differences in velocity around 5 %. The current meter with propeller n. 3 with its diameter 50 mm and its pitch 250 mm showed the differences in velocity around 5 %. The current meter C31 with propeller n. 4, which has the diameter 80 mm and pitch 120 mm, showed the largest difference in velocity that was 12,5 %. The current meters with propeller n. 6 have the same pitch as the current meters with propeller n. 2, but propeller n. 6 has shorter diameter. The authors argue that higher velocity of propeller n. 6 is caused by the influence of slower gyroscopic moment which affects the propeller shaft. The current meters with propeller n. 3 have the same diameter as current meters with propeller n. 2, but they have higher pitch. Smaller influence is caused by smaller hydraulic resistance the propeller creates during the circumfluence of water. The propeller in the same speed of flowing water has lower velocity compared with propeller n. 2. The question is how the above mentioned observations can be used in practice: - One possibility is not to be concerned with the influence of temperature. The measured values of revolutions should be statistically evaluated as the uncertainty type A that should be converted into uncertainty type B. In case of measuring with propeller n. 6, where the range of velocity in minimum and maximum temperature of water was about 10 %, the uncertainty type B (b, with the confidence level of 95 %), would be 8 %. In case of measuring with propeller n. 2, where the range of velocity was 5 %, the uncertainty type B (b) would be 4%. In case of measuring with propeller n. 3, where the range of velocity was only 3.3%, the uncertainty type B (b) would be 4% as well. That all would work if normal distribution N(N,N) is supposed. It is obvious from the above mentioned technique that it would increase total uncertainty of the determined flowage in velocity area gauging station. - Another possibility is to make the correction of revolutions before the calculation of spot speeds in dependence on the present temperature of water and the temperature of water at which the current meter was calibrated. - The third possibility is to implement the interactions obtained during calibration of the current meter into calibration equation including the dependence of uncertainty type B on temperature. The authors are aware of the fact that the above mentioned methods and evaluations involve only a part of the issue. They are aware it is necessary to devote to the topic in more details and to make other measurings using various types of current meters and velocities and to generalize the results. This article was written as a part of the GACR project: 103/07/1620 "Prediction and simulation models in the water resources control". This outcome has been achieved with the financial support of the Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic, project No. 1M0579, within activities of the CIDEAS research centre.

Journal

Journal of Hydrology and Hydromechanicsde Gruyter

Published: Dec 1, 2010

There are no references for this article.