Dobór i eksploatacja wodomierzy. Wybór typu licznika (cz. 1)

Według organizacji IWA (ang. International Water Association) [3] wodę wprowadzaną do sieci podzielić można na dwa rodzaje: wodę zużytą na konsumpcję i straty. Kolejnych podziałów wody konsumowanej (tab. 1) dokonano w oparciu o sposób jej rozliczania i obecność przyrządów pomiarowych.

W tabeli podzielono wodę wtłoczoną do sieci wodociągowej na autoryzowaną konsumpcję i straty. Całkowite straty wody to różnica pomiędzy zmierzoną ilością wody wprowadzonej do sieci wodociągowej a zafakturowaną ilością wody dostarczonej odbiorcom. Straty te podzielono z kolei na rzeczywiste i pozorne.

Straty rzeczywiste to te, które powstają w:

• stacjach pomp,
• urządzeniach do uzdatniania wody,
• zbiornikach wody,
• sieciach wodociągowych wraz z uzbrojeniem,
• wewnętrznych instalacjach wodociągowych.

Większość tych strat powstaje w wyniku nieszczelności przewodów i uzbrojenia sieci wodociągowej lub awarii przewodów [2].

Natomiast na straty pozorne składa się nieautoryzowana konsumpcja – np. kradzieże i straty powstające w wyniku nieprawidłowego wyboru typu wodomierzy dla danej sieci wodociągowej, ich złych właściwości eksploatacyjnych i błędnego odczytu wskazań [6].

Przyczyn błędów wskazań należy szukać w:

• nieprawidłowym wyznaczeniu przepływu maksymalnego na podłączeniu wodociągowym (wodomierze przewymiarowane) [4],
• wyborze nieodpowiedniej klasy metrologicznej urządzenia,
• nieprawidłowym montażu urządzenia pomiarowego [5],
• zmienności metrologii urządzeń podczas ich eksploatacji [6],
• konstrukcji urządzenia i zastosowaniu nieodpowiednich materiałów,
• nieprawidłowym przesyle danych z urządzeń,
• zewnętrznej ingerencji w urządzenie.

Rodzaje wodomierzy wirnikowych

Wodomierze wirnikowe możemy podzielić według schematu przedstawionego na rysunku 1.

Wodomierze skrzydełkowe jednostrumieniowe

Podstawową częścią składową wodomierza jednostrumieniowego jest wirnik umieszczony w komorze wirnikowej (fot. 1). Wirnik ma kilka łopatek (skrzydełek) rozmieszczonych równomiernie na obwodzie. Liczba łopatek jest zwykle nieparzysta ze względu na konieczność uniknięcia drgań. Mierzone medium dopływa do komory wirnikowej przez osadnik z sitem, a następnie przez kanał dopływowy zostaje skierowane jednym strumieniem skośnie względem osi wirnika.

Woda przepływa szczelinami między wirnikiem a komorą wirnikową, obraca wirnik i wypływa kanałem odpływowym. Obrót wirnika powstaje na skutek jednostronnego momentu naporu hydrodynamicznego strumienia wody [7]. Wielkość szczelin między komorą i wirnikiem jest ważna dla funkcjonowania wodomierza. Zależą od niej:

• szybkość obrotowa wirnika,
• przepustowość wodomierza,
• opory hydrauliczne wodomierza.

Brak szczelin uniemożliwiałby działanie tego wodomierza, gdyż siły naporu spowodowane różnicą ciśnień na wlocie i wylocie równoważyłyby się po obu stronach osi wirnika.

W komorze wirnikowej umieszczone są nieruchome łopatki spiętrzające, które powodują szybsze przystosowanie się wirnika do nagłej zmiany natężenia przepływu.

Pozwala to osiągnąć proporcjonalność wskazań wodomierza w stosunku do ilości przepływającej wody, działając hamująco na szybkość obrotu wirnika.

W niektórych wodomierzach element ten wykorzystywany jest do regulacji. Innym sposobem jest regulacja upustowa. W wodomierzu wykonany jest specjalny kanał, który pomija komorę wirnikową. Prześwit tego kanału jest regulowany.

W wodomierzach jednostrumieniowych istotna jest prędkość obrotu wirnika, która powinna być proporcjonalna do natężenia przepływu wody. Proporcjonalność tę mogą zakłócić opory mechaniczne występujące na elementach ruchomych wodomierza.

Konieczność utrzymania niskich oporów jest w liczniku tego typu bardzo trudna ze względu na to, że woda dostaje się do komory wirnikowej jednym strumieniem, a co za tym idzie, obciąża wirnik jednostronnie, co przy wieloletniej eksploatacji może powodować nadmierne zużycie jego elementów. Konsekwencją wystąpienia takiego zjawiska będzie zmniejszenie wielkości wskazań licznika.

Wodomierze jednostrumieniowe występują w dwóch odmianach: suchobieżnej i mokrobieżnej (fot. 2).W wodomierzach suchobieżnych komora wirnikowa oddzielona jest od liczydła za pomocą szczelnej płyty. Obroty wirnika przekazywane są do mechanizmu liczydła za pomocą sprzęgła magnetycznego. Zastosowanie sprzęgła niesie ze sobą niebezpieczeństwo wpływu zewnętrznego pola magnetycznego na wskazania wodomierza.

W wodomierzach mokrobieżnych liczydło i komora wirnikowa zanurzone są w mierzonym medium, a liczydło uszczelnione jest przezroczystą płytą odporną na wpływ ciśnienia.

Technologia suchobieżna wymaga zastosowania masywniejszej konstrukcji w celu uzyskania wytrzymałości na ciśnienie, nie tylko w komorze wirnikowej, ale także w liczydle, które również jest zalane cieczą. Należy użyć odpowiednio wytrzymałego szkła, przez które można będzie odczytać wskazania liczydła, gdyż woda ma do niego dostęp i może następować jego zamulanie. Aby wyeliminować ten problem, niektórzy producenci umieszczają część numeryczną liczydła w roztworze gliceryny. Zabiegi te jednak zwiększają koszt produkcji wodomierzy.

Odrębną grupą wodomierzy jednostrumieniowych są liczniki dużego kalibru, o średnicy powyżej DN 40 (fot. 3). Wodomierze te stosowane są masowo od kilku lat, a w zamyśle miały stanowić konkurencję dla wodomierzy sprzężonych. Mają zwykle niski próg rozruchu i przepływy minimalne. Uzyskano to dzięki zastosowaniu dużej komory wirnikowej, a co za tym idzie, dużego wirnika, co zwiększa siłę powodującą obrót osi wirnika.

Dodatkowo przewidziano specjalnie wyprofilowany kanał dolotowy w kształcie zwężającej się dyszy, czego skutkiem jest wzrost prędkości przepływającej wody. Efektem tych zabiegów konstrukcyjnych jest obniżenie dolnych granic pomiaru, ale również przepływu maksymalnego ze względu na zwiększone straty ciśnienia spowodowane zmniejszeniem przekroju wlotu.

Pomimo tego wodomierze o tej konstrukcji mają tak szeroki zakres pomiarowy, że szybko zyskały dużą popularność wśród eksploatatorów. Przy zakupie takiego wodomierza należy zwracać uwagę, aby było to urządzenie wysokiej jakości, gdyż zwiększone siły działające na wirnik nasilają negatywne cechy technologii jednostrumieniowej – przeciwdziała temu zastosowanie materiałów o bardzo wysokim poziomie technologicznym.

Wodomierze skrzydełkowe wielostrumieniowe

W odróżnieniu od wodomierzy jednostrumieniowych w wielostrumieniowych woda nie wpada bezpośrednio na wirnik z kanału dopływowego. Wirnik umieszczony jest w puszce, która osadzona jest w obudowie wodomierza w taki sposób, że dolna część osłony połączona z kanałem dopływowym stanowi komorę zasilającą, a górna – komorę odprowadzającą mierzone medium.

Woda dostaje się do komory wirnikowej przez szereg skośnych otworków dopływowych, których osie leżą w płaszczyźnie poziomej, wywierconych w dolnej części puszki wirnikowej [7]. Zatem woda dostaje się do komory wirnikowej równomiernie w postaci szeregu strumieni, a odpływ realizowany jest za pomocą podobnych otworków umieszczonych w górnej części puszki. Równomierność napływu wody do komory wirnikowej, a co za tym idzie równomierne obciążenie wirnika to wielka zaleta tego wodomierza. Rozwiązanie to pozwala na zmniejszenie obciążenia łożyskowania wirnika, a to z kolei przedłuża żywotność całego urządzenia.

Podobnie jak wodomierze jednostrumieniowe również ten typ liczników może być wykonany w technologii suchej lub mokrej.

Wodomierze wielostrumieniowe mają masywniejszą obudowę w kształcie gruszki oraz bardziej skomplikowaną budowę wewnętrzną niż wodomierze jednostrumieniowe (rys. 3). Ich konstrukcja jest bardziej finezyjna, wymaga odpowiedniego wyprofilowania otworów napływowych i odpływowych (puszka, w której znajduje się wirnik, jest jedną z najkosztowniejszych części wodomierza) oraz większej obudowy niż wodomierze jednostrumieniowe.

Wszystko to powoduje, że wodomierze wielostrumieniowe są przeważnie droższe od jednostrumieniowych. Jednak specyfika tej konstrukcji powoduje zwiększenie odporności na pracę pod większym obciążeniem oraz na wpływ zaburzenia strugi. Niektórzy producenci deklarują, że ich wodomierze wielostrumieniowe nie wymagają odcinków prostych, zarówno na dopływie, jak i odpływie.

Wodomierze śrubowe z wirnikiem poziomym

Wodomierze tego typu (rys. 4) stosowane są przy dużym zapotrzebowaniu na wodę. Ich konstrukcja sprawia, że trudno jest uzyskać wystarczającą dokładność przy relatywnie niskich przepływach, choć dostępne są na rynku konstrukcje spełniające warunki klasy C.

Z drugiej strony liczniki te mają niskie opory hydrauliczne, dzięki czemu mogą być stosowane w miejscach, w których mogą wystąpić duże przepływy, bez obawy o straty ciśnienia. Obecnie w wielu miejscach zastąpiono ten typ wodomierza licznikami jednostrumieniowymi.

Wodomierz śrubowy z wirnikiem poziomym ma na wlocie zainstalowaną kierownicę strumienia, ale mimo to jest wrażliwy na zakłócenia strugi mierzonego medium, dlatego bardzo istotne jest zachowanie wymaganych odcinków prostych na zasilaniu i odpływie (fot. 4).

Woda po ukierunkowaniu przez strumienicę w kierunku osiowym przepływa między łopatkami wirnika śrubowego, powodując jego obrót wskutek naporu hydrodynamicznego osiowego strumienia wody na zakrzywione łopatki wirnika [7]. Szybkość obrotu wirnika zależy od kąta pochylenia jego łopatek.

Ruch wirnika przenoszony jest za pomocą przekładni ślimakowej, na której występować mogą opory obniżające dokładność wodomierza, co nasila się w miarę upływu czasu i zużycia zastosowanych podzespołów.

W wodomierzach śrubowych nie stosuje się osadników, co wiąże się z możliwością uszkodzenia mechanicznego potencjalnymi zanieczyszczeniami stałymi mogącymi występować w wodzie, nasila to również zjawisko zarastania wodomierzy, szczególnie w obrębie kierownicy strumienia.

Wadą tych wodomierzy jest występowanie dość dużego nacisku osiowego na tylne łożysko osi wirnika spowodowane naporem hydrodynamicznym na łopatki wirnika.

Nacisk ten powoduje szybkie zużywanie się wspomnianego łożyska, a co za tym idzie, zwiększenie oporów mechanicznych [7].

Regulacja wodomierza śrubowego z wirnikiem poziomym realizowana jest najczęściej za pomocą jednej z łopatek kierownicy strumienia, którą można przestawić pod pewnym kątem względem osi wodomierza. Manipulacja wspomnianą łopatką ma wpływ na szybkość obrotu wirnika, a tym samym na wskazania regulowanego wodomierza.

Dużą zaletą tych wodomierzy jest ich niewielki rozmiar i waga, co ułatwia eksploatację.

Literatura

1. Tuz P.K., Straty pozorne wody w systemie wodociągowym. Ucieczka z rurociągu cz. 2, „Magazyn Instalatora” nr 12/2007.
2. Bergel T., Pawełek J., Straty wody w systemach wodociągowych – charakterystyka, wielkość, wykrywanie i ograniczanie, Dubiecko 2006.
3. Piechurski F., Próba oceny straty wody w systemie wodociągowym, 2007.
4. Tuz P. K., Jak wybrać wodomierz – prawo a rzeczywistość, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2005.
5. Tuz P. K., Zabudowa wodomierzy. Optymalna pozycja, „Magazyn Instalatora” nr 3/2007.
6. Czeszczewik D., Analiza uszkodzeń wodomierzy domowych – aspekty metrologiczne, praca magisterska, Politechnika Białostocka, Białystok 2009.
7. Osiński K., Szymański H., Troskolański A.T., Poradnik wodomierzowy, Warszawa 1956.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!