Kalibrační procedura

Kalibrace hydrometrických vrtulí a dalších vodoměrných přístrojů a manipulace s nimi se provádějí zásadně v souladu s normami ISO 3455 Hydrometry – Calibration of current-meters in straight open tanks a ISO 2537 Hydrometry – Rotating-element current-meters.

Norma ISO 3455 specifikuje postup kalibrace vodoměrných vrtulí s rotačním prvkem stejně jako se stacionárním snímačem (elektromagnetických) v přímých otevřených nádržích. Norma rovněž určuje typ měrné nádrže, měřicího vozíku a použitého zařízení a způsob vyjádření výsledků. Popsaný postup nebere v úvahu případné rozdíly mezi chováním vrtule pohybující se v klidné vodě a chováním pevné vrtule v turbulentním proudu.

Norma ISO 2537 specifikuje požadavky na provoz, konstrukci, kalibraci a údržbu zařízení s rotačním prvkem určených pro měření rychlosti proudění v otevřených korytech. Užitím uvedených zařízení se zabývá norma ČSN EN ISO 748 Hydrometrie – Měření průtoku kapalin v otevřených korytech použitím vodoměrných vrtulí nebo plováků.

Předmětem kalibrace je experimentální stanovení vztahu mezi rychlostí proudění kapaliny v a frekvencí otáčení otočného prvku (propeleru) vrtule nebo mezi rychlostí proudění kapaliny v a rychlostí přímo indikovanou měřidlem. Za tímto účelem je měřidlo upevněno na vlečný vozík a taženo klidnou vodou napuštěnou v přímé nádrži konstantního příčného průřezu počtem konstantních rychlostí vlečného vozíku. Současně s tím se měří rychlost vlečného vozíku a počet otáček rotačního prvku nebo rychlost indikovaná měřidlem. V případě vrtulí s rotačním prvkem je vztah mezi dvěma parametry vyjádřen jednou nebo více rovnicemi, u nichž je stanoven interval platnosti. V případě měřidel se stacionárním snímačem je rychlost indikovaná na displeji měřidla porovnávána s odpovídající rychlostí vozíku za účelem stanovení chyby měření.

Geometrické uspořádání upevnění přístroje je při kalibraci vyžadováno stejné, jako bude použito při měření. Přitom se stanovuje rychlost vozíku v [m/s] a – v případě vrtulí s rotačním prvkem – frekvence otáček vrtule n [1/s] na základě měření vzdálenosti l [m] projeté vlečným vozíkem, počtu otáček vrtule N [-] a příslušného času t [s]. Vzájemný vztah mezi rychlostí vlečného vozíku a specifickými otáčkami (frekvencí otáčení) vrtule s rotačním prvkem nebo mezi rychlostí vlečného vozíku a rychlostí odečítanou na displeji měřidla se pak vyjádří kalibrační rovnicí.

Vrtule s rotačním prvkem

Při vlastní kalibraci vrtulí s rotačním prvkem se prostřednictvím uživatelského rozhraní řídícího počítače předem nastaví požadovaný počet otáček vrtule a požadovaná rychlost vozíku. Vozík se rozjede a po dosažení nastavené rychlosti a jejím ustálení zahájí řídící počítač sběr dat. První příchozí signál od vrtule zapíná měření projeté vzdálenosti a času, současně s tím se načítají signály od vrtule. Jakmile je dosažen jejich nastavený počet, měření dráhy a času se ukončí a data jsou bezdrátově předána řídícímu počítači ve velínu.

Měření dráhy je založeno na snímání počtu impulzů od měřítka dráhy. To je realizováno jako kovový pás s výřezy o rozteči 0,1 m, snímání je optoelektronické. Toto uspořádání dovoluje dosáhnout při typické vzdálenosti 50 m, projeté vozíkem při kalibraci, rozlišovací schopnosti a nejistoty určení dráhy 0,1 %. Celková dráha projetá kalibračním vozíkem se pak určí jako součin počtu impulzů dráhy a jednotkové vzdálenosti. Měření času se provádí softwarovým čítačem kmitočtu odvozeného z krystalového generátoru počítače in-line. Všechna měřidla ČKSVV používaná při kalibracích jsou metrologicky navázána na hlavní etalony akreditovaných kalibračních laboratoří.

Doporučený počet kalibračních bodů (počet jízd) je v souladu s normou 8 až 12 při kalibraci do rychlosti 2,5 m/s, 12 až 18 při kalibraci do rychlosti 5 m/s a 18 až 24 při kalibraci do rychlosti 8 m/s, přičemž vzdálenost mezi body se poněkud zvětšuje se zvyšující se rychlostí. Protože při každé kalibrační jízdě se rozvíří voda v kalibračním žlabu (a to tím více, čím vyšší je rychlost; záleží i na upevnění vrtule – vrtule na laně se závažím rozvíří vodu více než vrtule na tyči), jsou pro jednotlivé typy vrtulí a jejich upevnění stanoveny čekací doby mezi jízdami, sloužící k tomu, aby se voda v kalibračním žlabu uklidnila.

Po realizaci všech určených vlečných rychlostí (kalibračních bodů) jsou data zpracována počítačem a je vyhodnocena kalibrační rovnice. Kalibrační rovnice má v souladu s normou ISO 3455 předepsaný tvar po částech lineární závislosti [1]

Kalibrační rovnice

kde v [m/s] je rychlost vrtule ve vodě, která se určí z uražené dráhy a času, n [1/s] je frekvence otáček vrtule, určená z nastaveného celkového počtu otáček a času, αi a βi jsou kalibrační konstanty vrtule platné v uvedeném rozmezí specifických otáček n a i je počet lineárních úseků kalibrační rovnice, přičemž i ≤ 3. Přitom konstanta αi zhruba odpovídá rychlosti proudění, při které se vrtule začíná otáčet, a konstanta βi je blízká stoupání propeleru vrtule.

Kalibrační rovnice je určena metodou nejmenších čtverců. Software určuje i pozici lomových bodů, ale pracovník provádějící vyhodnocení má možnost jejich polohu v případě potřeby optimalizovat. K tomu slouží pomocný graf (0,65 MB, Adobe Acrobat dokument), do něhož se vynášejí rozdíly

Rozdíly rychlostí

kde k [m] je stoupání propeleru vrtule. Z tohoto grafu lze mnohem spolehlivěji určit lomové body i případné body odlehlé než z běžného kalibračního grafu v = f(n), a proto je doporučen normou. Jiný význam tento pomocný graf nemá.

Pokud se při vyhodnocování (a totéž je možné již v průběhu kalibrace) projeví odlehlé body, je možné je vyřadit a kalibraci v tomto bodě (při dané rychlosti) případně zopakovat.

Elektronický protokol o kalibraci obsahuje kromě vlastních kalibračních dat ještě řadu dalších údajů sloužících k automatickému generování výstupních kalibračních listů, které jsou předávány zákazníkovi.

Všechny tyto údaje se vyplňují ještě před zahájením vlastní kalibrační procedury při zakládání elektronického protokolu o kalibraci do řídicího počítače ve velínu.

Měřidla s vlastní vyhodnocovací jednotkou

Při vlastní kalibraci elektromagnetických (indukčních) nebo ultrazvukových měřidel se rovněž postupuje podle normy ISO 3455.


[1] Tento tvar kalibrační rovnice vychází z rozboru L. Otta (Ott, L.: Teorie und Konstantenbestimmung des hydrometrischen Flügels. Berlin 1925).