Мерења у хидротехници Семинарски рад -први извештај-

Мерења у хидротехници Семинарски рад -први извештај- Тема: Мерења протока АДЦП уређајем Професор: проф др Душан Продановић Асистент: Милош Милашиновић Студенти: Немања Лучић Дејан Пардањац Предраг Грбић Ненад Радивојевић

Садржај Преглед метода за мерење протока у отвореним ток. Теоријске основе мерења протока ADCP уређајем Опис Sontek RiverSurveyor M9 уређаја Упутство за повезивање М9 уређаја и модови рада Опис RiverSurveyor Live софтвера Тестирање Сонтек М9 уређаја и теренска мерења Закључак Одрађено, стављено у извештај Одрађено, али није стављено у извештај У плану да се одради

Методе мерења протока у отвореним токовима Oсновни и најбитнији хидротехнички задатак- мерење протока у водотоцима Развијено je мноштво различитих метода које можемо поделити према настанку на традиционалне и савремене или према начину мерења на посредне и непосредне Mетодe мерења протока у отвореним токовима: Одређивање протока применом хидрометријског крила Одређивање протока гравиметријском методом Метода трасера Метода површина-брзина Мерење протока коришћењем хидротехничких објеката ADCP - Acoustic Doppler Current Profiler

ADCP метода одређивања протока у водотоцима ADCP - хидроакустични мерни инструмент сличан сонару користи се да измери брзине водотока при различитим дубинама користећи принцип Доплеровог ефекта звучних таласа који се упуштају у водоток а затим одбијају од честица у води и расипају назад унутар воденог стуба Израз ADCP је генерички израз за све акустичне профајлере, али скраћеница датира од серије инструмената уведених у струку 1980. године од стране компаније RD Instruments Радна фреквенција уређаја је од 38 khz до неколико МHz

Доплеров ефекат ADCP мери брзину воде користећи физички принцип који се назива Доплеров ефекат. Доплеров ефекат је појава да услед релативног кретања пријемника или извора долази до мењања фреквенције таласа Ако се пријемник и предајник крећу један ка другом, фреквенција се помера навише (расте), а ако се пријемник и предајник крећу један ка другом, фреквенција опада Фреквенција звука коју извор емитује се не мења, али се мења фреквенција звука коју пријемник добија Дакле, ако се извор звука креће у односу на пријемник звука, фреквенција звука код пријемника је различита од оне која је трансмитована иако извор није мењао фреквенцију звука приликом емитовања Код мерних уређаја који користе Доплеров ефекат за мерење протока, посматра се одбијање звука од честица у води Промена фреквенције је пропорционална брзини воде Примена Доплеровог ефекта је од изузетног значаја у астрономији, астрофизици, медицини, у конструкцији Доплер радара и може се користити у хидротехници за мерење протока

Принцип рада ADCP ADCP уређај садржи пијезоелектричне сензоре којима емитује и прима звучне сигнале Време путовање звучних сигнала даје процену дубине Промена фреквенције услед Доплеровог ефекта је пропорционална брзини воде дуж акустичне путање Да би се мериле брзине у три димензије, потребно је најмање три зрака да се испусти У рекама су битне брзине у само 2 димензије, и такви ADCP уређаји углавном могу да испусте само 2 зрака. Последњих година, уведене су додатне функционалности за овакве уређаје којима могу да се мере и таласи и турбуленције па се такви системи могу наћи са по 2, 3, 4, 5 или чак 9 сензора.

Пример профилисања тока и мерења брзине у три димензије Слика 9 : ADP Геометрија зрака и профилисање тока Поступак мерења тродимензионалног профилисања тока је следећи: - Сваки сензор генерише кратак звучни импулс и мери Доплерову промену током времена - Брзине измерене у сваком зраку се зову брзине зрака и представљају пројекцију тродимензионалне брзине на осу акустичног зрака -Три брзине зрака се комбинују за сваку ћелију коју дефинишемо по дубини Тиме правимо слојеве у којима знамо стање брзина - Подаци о брзинама су у Декартовом координатном систему а у односу на ADP - ADP садржи у себи интерни компас како би мерио оријентацију ADP-а - То омогућава уређају да конвертује податке из Декартових координата у глобални позициони систем независно од ADP оријентације - ADP скупља узорке (пингове) што је брже могуће током потребног просечног времена које уноси корисник и даје извештај о тродимензионалном профилу тока

Домет профилисања и просторна резолуција ADP профил је подељен на неколико зона, као што је приказано на сликама 9 и 10 Испред сензора је мала зона где мерења не могу да се изврше која се назива празна зона Та зона омогоћује сензорима и електронској опреми да се опорави од трансмитованог сигнала и да се у том времену припреме да приме повратни сигнал Остатак профила је подељен у дометне ћелије Подаци о брзинама су упросечени према величинама ћелија које уноси сам корисник Домет профилисања и и просторна резолуција (односно величина дометних ћелија) ADP уређаја је примарно функција звучне фреквенције Мале фреквенције дају дуже домете профила Високе фреквенције дају краће домете профила са бољим просторним резолуцијама (што је заправо резултат смањених величина ћелија) Максимални домет профилисања је такође и функција количине звучног расипања материјала у води ADP-ови су доступни у 5 радних фреквенција за операције у широком спектру дубина Што се физичких ограничења тиче, она су углавном зависна од параметара које сам корисник дефинише

ADP Профил шема и ADP подаци ADP може да мери и чува следеће податке у сваком профилу: o Датум и време помоћу сопственог интерног сата o Три вредности брзине у свакој дометној ћелији, тј. свака вредност одговора једној компоненти у простору o Три вредности о јачини сигнала за сваку дометну ћелију и за сваки сензор o Три вредности стандардне грешке за сваку дометну ћелију, тј. по једну за сваку компоненту брзине у простору o Податке са температурног сензора o Податке са компаса o ГПС податке o Податке са сензора за притисак Слика 10: ADP Профил шема [6] o Податке о таласном спектру сигнала

ADP подаци Узорковање података (повећање упросеченог интервала смањује неизвесност података у сваком измереном профилу) Подаци о брзини(измерени подаци о брзини могу се директно користити без даљих постпроцесних корекција Прецизност ADP мерења ефекат брзине звука је углавном занемарљив приликом прорачуна грешке у мерењу јер је грешка око 0,1% брзина звука зависи од салинитета воде и њене температуре промена температуре од рецимо 5 C узрокује промену од око 1% у односу на оригиналну брзину звука Краткотрајна непоузданост (шумови) Јачина сигнала(јачина сигнала опада са даљином због ширења геометрије и апсорпције

Стандардне грешке при ADP мерењу ADP производи вредност стандардне грешке која је директно сразмерна квалитету података о измереним брзинама: ADP генерише по једну вредност стандардне грешке при мерењу за сваку од три компоненте брзине у простору и то за сваку ћелију у којој се мерење врши Стандардна грешка се може сматрати као директна процена прецизности података о брзинама Стандардна грешка у себи обухвата и непоузданост коју генерише сам уређај (Доплеров шум), реалне промене у брзини воде као и покрете ADP инсталације (уколико је уређај на броду који се креће) Стандардна грешка се рачуна на следећи начин: Одређени број пингова се упросечи на интервале које одреди корисник Измери се профил брзина Стандардна девијација брзине за све пингове се подели са квадратним кореном броја пингова како бисмо добили стандардну грешку

Начин мерења и примена ADP Једна од примена ADP је мерење речне струје с брода у покрету: ADP је инсталиран на броду тако да су његови сензори усмерени према речном дну ADP мери профиле брзина у води у односу на покретни брод ADP тада користи трасирање по дну корита како би мерио брзину брода у односу на речно дно Тако добијена брзина брода се одузима од измерене брзине воде и добија се апсолутна брзина која представља профил речне струје независно од покрета брода Овакво мерење с покретног брода нуди могућност мерења које се не може извршити с неким другим уређајима овог типа: Мерење апсолутне брзине и такво профилисање са покретног брода омогућује ADP уређају да за јако кратки временски период покрије огромне површине ГПС систем који је интегрисан у уређај даје мапу речних струја за области од интереса ADP истовремено мери и дубине дна речног корита, дајући притом слику батиметрије корита у оквиру сета излазних података Лакоћа коришћења ADP уређаја нам дозвољава да са минималним припремама и трошковима добијамо најбољи могући квалитет података

Слика 11 S5 ADP и његове компоненте SonTek ADCP уређај за мерење протока На тржишту постоје два типа АDP уређаја: 1. S5 ADP: S5 - систем који може да генерише пет зракова од којих су 4 зраци за профилисање а пети је вертикални зрак S5 има домет профилисања брзина од 0,2 до 5 метара дубине и 15 метара ширине Идеалан је за плитке канале

SonTek ADCP уређај за мерење протока 2. M9 ADP М9 - систем са 9 зракова са по 2 сета од 4 зрака за профилисање Сваки има сопствену фреквенцију и са једним вертикалном зраком М9 - домет профилисања до 40 метара дубине и 80 метара ширине Може се користити и за плитке и дубоке канале Слика 12 М9 ADP и његове компоненте [7]

Опис делова уређаја М9 који ће се користити за мерења У овом раду ће се детаљно описати M9 ADCP јер ћемо њега користити приликом мерења 1. АДЦП (ADCP) уређај модел М9 2. PCM Power and Communication module напајање и модул за конекцију 3. Каблови за напајање/комуникацију (1м), директна веза ка рачунару 4. Батерије за напајање PCM уређаја, односно кућиште у којем се налазе батерије неопходне за рад уређаја 5. GPS антена 6. USB радио Слика 13 Комплетна опрема повезана са рачунаром

Опис делова уређаја Слика 15 Приказ сензора Слика 16 Приказ напајања-pcm уређаја(у два цеваста отвора стављамо батерије, а даље овај уређај има везу са (GPS) ГПС-ом и радијом) Слика 17 Приказ батерије која се ставља у лежиште уређаја

Опис делова уређаја Слика 18 Приказ АДЦП(ADCP) уређаја са делом за учвршћивање за носач, и детаља са џеком за везу са уређајем PCM уређајем Слика 19 Приказ дела са четири рупе за учврћивање на носач и делом, који каблом повезујемо са PCM уређајем Слика 20 Налепница која је залепљена на коферу у којем се налази уређај

Поставка уређаја и припрема за мерење ADCP систем се типично користи као инсталација на бродовима са људском посадом где је повезан на неки екстерни извор напајања, рачунар и потенцијално ГПС Систем је могуће повезати и бежично путем Bluetooth везе или радио везе У овом случају није потребан брод са људском посадом већ је довољан мали бродић на даљинско управљање којим се управља у врши мерење са речне обале Максимални домет оваквог мерења са рачунара је до 200 метара а коришћењем мобилног уређаја (таблета) је 60 метара Ове дужине подразумеване су при нормалним временским условима и чистој линији видика Слика 21 Шема повезивања ADCP система [7]

Одржавање система При нормалним условима ADP систем захтева изузетно мало напора за одржавање Препоручује се повремено чишћење сензора како би се осигурао оптималан рад и перформансе у областима високе биолошке активности и високе концентрације минерала Како би се уклонио талог са сензора довољно их је очистити тврдом неметалном четком или сунђером и сапуном Сензори су јако издржљиви и мале огреботине их неће оштетити Директни удари по површини сензора нису препоручљиви да не би дошло до пукотина кроз које би вода улазила до електронских компоненти Каблови и конектори су најрањивији делови система. Препоручљиво је да се проверавају редовно и замењују уколико је неопходно Што се батерија тиче, потребно је их редовно пуни искључиво пуњачем који је добијен уз уређај Сваки систем је индивидуално калибрисан фабрички током процеса производње. С обзиром на то да нема покретних делова и да су зраци уграђени у главу ADP-a додатна калибрација није потребна осим ако уређај није претрпео физичко оштећење

Увод у процес мерења Након повезивања свих компоненти закључати све конекторе сигурносним прекидачима Водити рачуна да су све потребне батерије претходно напуњене и да су резервне батерије спремне Извршити тест система који потврђује да су све компоненте хардвера функционалне. Системски тест проверава напон батерија, компас, меморијску картицу и температурне сензоре Пре почетка мерења је потребно извршити калибрацију компаса Ако је ADP већ инсталиран на броду, онда цео брод мора да се ротира заједно са ADP-ом са свим својим компонентама После извршене калибрације ништа са бродића не сме да се скида и помера док се не заврши мерење или ће калибрација бити неважећа и мора се поновити

Mерење протока Сврха мерења је одредити проток у реци Проток у реци је количина воде која прође кроз одређени профил који меримо и рачуна се тако што помножимо измерени профил брзина и површину профила на ком смо мерење извршили Област мерења протока се може поделити на три кључна дела: Почетна ивица, пресек, крајња ивица Област пресека се даље може поделити на површинску процену, процену на дну и измерену површину ADP мери само област која је названа measured area док се за остале области узима процена брзина из препоручених стручних и индустријских емпиријских образаца За све ове зоне брзина мора да се срачуна екстраполацијом профила брзине изразом: u u = 9.5 ( Z Z 0 ) b Oвде је u измерена брзина на дубини Z полазећи од речног дна, u је брзина на дну реке, Z 0 је кота дна реке, док је b константа чија је вредност 1/6 Сада када су познате све брзине за сваку област пресека може се срачунати проток Протоци се рачунају за сваку област посебно на основу измерених брзина, дубина и кретања пловила преко пресека

Планови за наставак Приказ модова рада М9 уређаја (директна и радио веза) Тестирање уређаја на великом резервоару у Институту Тестирање за случај када вода мирује Тестирање за случај када се укључи пумпа у резервоару Теренско тестирање и мерења (ако време дозволи)

Хвала на пажњи!