Dobór i eksploatacja wodomierzy. Wybór typu licznika (cz. 2)

Wodomierze śrubowe z wirnikiem pionowym

W wodomierzach tego typu wirnik ma pionową oś obrotu i znajduje się w oddzielnej wstawce mierniczej zaopatrzonej od dołu w kierownicę strumienia. Wstawka umieszczona jest w osłonie wodomierza, ukształtowanej w taki sposób, że poziomy strumień wody dopływającej do wodomierza skierowany zostaje z dołu w górę do komory wirnikowej, natomiast strumień odpływający z wirnika skierowany zostaje w górę do poziomego króćca odpływowego osłony. Wstawka miernicza umocowana jest w osłonie i doszczelniona za pomocą górnej pokrywy, w której umieszczono liczydło wodomierza [7].

Wodomierze śrubowe z wirnikiem pionowym mają zmniejszony nacisk osiowy ze względu na położenie wirnika względem osi przepływającej wody, a dodatkowo w konstrukcji tej mechanizm liczydła napędzany jest z osi wirnika za pomocą przekładni zębatych bez pośrednictwa przekładni ślimakowej. Dzięki temu liczniki wykazują lepsze własności metrologiczne niż wodomierze śrubowe z wirnikiem poziomym, jednak skomplikowanie przepływu wody powoduje zwiększenie oporów hydraulicznych generowanych przez ten typ wodomierza. Wodomierze te wykazują także mniejszą wrażliwość na zakłócenie strugi mierzonego medium. 

Wodomierze sprzężone

Główną ideą powstania wodomierzy sprzężonych było zwiększenie zakresu pomiarowego. Konstrukcja ta ma najszerszy zakres pomiarowy ze wszystkich stosowanych obecnie wodomierzy. Oczywiście liczniki klasy C w jednostkowych przypadkach mogą mieć zbliżone parametry, jednak to właśnie wodomierze sprzężone dają pewność pomiaru w warunkach dużych rozbieżności w poborze wody na przestrzeni doby.

W razie wystąpienia bardzo dużych różnic pomiędzy minimalnym godzinowym zapotrzebowaniem na wodę a wartością maksymalną należy zastosować wodomierz właśnie tego typu. Jest to szczególnie istotne, gdy wartość maksymalna zużycia wody jest wartością hipotetyczną obliczoną na wystąpienie pożaru. W takim przypadku dostosowanie średnicy wodomierza do obserwowanych wartości zużyć byłoby błędem, ponieważ nie uwzględniono by w takim przypadku potencjalnego poboru wody z hydrantów przeciwpożarowych.

Dużą konkurencją dla wodomierzy sprzężonych są liczniki dużego kalibru w klasie C wykonane w technologii jednostrumieniowej lub wodomierze śrubowe klasy C. Jednak w przypadku obiektów użyteczności publicznej czy też konieczności zasilania zewnętrznej linii hydrantowej, na której usytuowano hydranty DN 80 lub 100, lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie wodomierzy sprzężonych. Jest to spowodowane tym, że można spotkać wodomierze sprzężone o deklarowanym bardzo dużym przepływie maksymalnym, co minimalizuje wystąpienie zbyt dużej straty ciśnienia na przyrządzie pomiarowym.

Szeroki zakres pomiarowy w tym typie licznika został osiągnięty dzięki połączeniu dwóch wodomierzy o rożnym zakresie pomiarowym. Obszary pomiarowe tych wodomierzy zachodzą na siebie i w ten sposób uzyskano zestaw charakteryzujący się niskim przepływem minimalnym i dużym przepływem maksymalnym. Przełączanie pomiędzy wodomierzami następuje za pomocą zaworu zmiennego obciążenia i zależy od natężenia przepływu mierzonego medium. Zatem w konstrukcji takiego wodomierza można wyróżnić trzy główne elementy:

• wodomierz główny,
• wodomierz boczny,
• zawór zmiennego obciążenia.

Wodomierz główny ma za zadanie obsłużyć okresy zwiększonego zapotrzebowania na wodę. W tym celu stosowane są liczniki o dużym przepływie maksymalnym i niskich oporach hydraulicznych. Natomiast wodomierz boczny pracuje, gdy przepływy są na niskim poziomie.

W wodomierzach sprzężonych wyróżnia się dodatkowy parametr, niewystępujący w innych typach, czyli tzw. punkt przełączania. Jest to natężenie przepływu, w którym następuje przełączenie pomiędzy wodomierzami realizowane za pomocą zaworu zmiennego obciążenia. Punkt ten jest określany dla przepływu wzrastającego i opadającego. Określenie tego parametru jest niezwykle ważne, ponieważ obserwowane przepływy nie powinny występować w dłuższym okresie na poziomie punktu przełączania.

Jest to spowodowane koniecznością ochrony zaworu zmiennego obciążenia, który w takim przypadku byłby nadmiernie eksploatowany, a jest to jeden z najdroższych elementów tego wodomierza, oraz występującą nieciągłością w tym obszarze. Nieciągłość związana jest ze zwiększonym błędem pomiarowym występującym w pobliżu punktu przełączania, który jest praktycznie nie do wyregulowania. Sytuacja ta dotyczy raczej wodomierzy sprzężonych równolegle niż szeregowo.

Strefa przełączania w wodomierzach sprzężonych równolegle występuje w okolicy, w której następuje otwarcie zaworu zmiennego obciążenia. Woda przepływa wtedy przez wodomierz główny przy natężeniu zbyt niskim, aby mógł on prawidłowo dokonać pomiaru. Szerokość strefy przełączania ograniczona jest dolną granicą dokładności, którą osiąga wodomierz główny, oraz zależy głównie od czasu reakcji zaworu zmiennego obciążenia – im szybciej, tym strefa jest mniejsza.

Wodomierze sprzężone szeregowo powinny wykazywać ciągłość obszaru mierniczego w całym zakresie pomiarowym. Jednak ich skomplikowana budowa wiąże się z pewnymi utrudnieniami w eksploatacji. Wodomierze te są bowiem podatne na wpływ zanieczyszczeń stałych mogących pojawić się w wodzie. Zanieczyszczenia mogą powodować zatrzymanie się licznika lub znaczne obniżenie wartości jego wskazań poprzez zablokowanie zaworu zmiennego obciążenia w danej pozycji, uniemożliwiając jego normalną pracę.

Zasada działania poszczególnych wodomierzy wchodzących w skład opisywanego licznika jest taka sama jak ich odpowiedników pracujących samodzielnie. Jak już wspomniano, istotą działania wodomierza jest przełączanie pomiędzy wodomierzem głównym a bocznym realizowane za pomocą zaworu zmiennego obciążenia. Zawór ten w większości typów zlokalizowany jest za wodomierzem głównym, co jest korzystne ze względów metrologicznych.

Jest to istotne, ponieważ wodomierz główny jest przeważnie wodomierzem śrubowym, tak więc umiejscowienie zaworu zmiennego obciążenia na jego odpływie minimalizuje wpływ zaburzeń strugi mierzonego medium, na co są wrażliwe tego typu liczniki. Wodomierz boczny umieszczony jest w przewodzie upustowym, którego wloty i wylot zlokalizowane są zazwyczaj przed i za zaworem zmiennego obciążenia.

Przy małych natężeniach przepływu zawór zmiennego obciążenia pozostaje zamknięty, a woda przepływa tylko przez wodomierz boczny. W razie zwiększenia się natężenia przepływu następuje spadek ciśnienia w przewodzie upustowym. Różnica ciśnienia oddziałuje na organ czynny zaworu zmiennego obciążenia i gdy osiągnie on odpowiednią wartość, następuje jego otwarcie, co powoduje przepływ wody przez wodomierz główny.

Właśnie przy takim natężeniu przepływu zlokalizowana jest strefa przełączania (nieciągłości), ponieważ w chwili otwierania zaworu zmiennego obciążenia przepływające przez wodomierz główny medium może mieć za małe natężenie przepływu, aby licznik mógł dokonywać pomiaru w wymaganych granicach pomiarowych. Przy dalszym zwiększaniu natężenia przepływu zdecydowana większość wody przepływa przez wodomierz główny, niewielka zaś część przepływa przewodem upustowym i zarejestrowana jest przez wodomierz boczny.

W chwili obecnej zawory zmiennego obciążenia są zaworami sprężynowymi, choć można spotkać w eksploatacji wodomierze sprzężone z zaworami klapowymi, jednak są one powoli wycofywane z użytkowania ze względu na duże rozmiary i wagę oraz niższą dokładność w porównaniu z nowymi konstrukcjami. Dawnej stosowane były też zawory ciężarowe hydraulicznie odciążone.

Wodomierze komorowe

Ideą działania wodomierzy skrzydełkowych był pomiar zużywanej cieczy za pomocą wirnika, którego obroty były proporcjonalne do objętości przepływającej wody. Działanie wodomierza komorowego jest bardziej bezpośrednie, odlicza on po prostu w każdym cyklu określoną dawkę mierzonego medium za pomocą elementu mierniczego, np. puszki czy tłoka. Z każdym przesunięciem się takiego organu następuje przepływ ściśle określonej dawki cieczy, dlatego często określa się takie wodomierze jako objętościowe.

Konstrukcje tego typu charakteryzują się dużą dokładnością ze względu na zasadę działania oraz niewielką wrażliwość na zakłócenie strugi mierzonej cieczy. Mają one jednak dość skomplikowaną konstrukcję i relatywnie duże rozmiary w porównaniu z wodomierzami skrzydełkowymi. Wymagają również od producenta wysokiej kultury technicznej, ponieważ duża dokładność wykonania takich liczników oraz jakość zastosowanych materiałów są kluczem do jego poprawnej pracy.

Wodomierze tego typu stosuje się do pomiaru rożnych cieczy, jeśli ze względu na ich wartość wymagana jest duża dokładność. Od kilku lat wprowadza się je także do opomiarowania zużywanej wody, dzieje się to z rożnym skutkiem, jednak głównym warunkiem jest niska zawartość zanieczyszczeń stałych w wodzie.

Wodomierze puszkowe

Jak już wspomniano, elementem pomiarowym w wodomierzach komorowych mogą być różnego typu profile, jednak do pomiaru zużywanej wody stosuje się najczęściej wodomierze puszkowe. W liczniku takim elementem pomiarowym jest puszka, która jest rodzajem tłoka poruszającego się mimośrodowo względem osi pionowej wodomierza. Tłok porusza się pod wpływem różnicy ciśnień przed i za wodomierzem i jest szczelnie dopasowany do komory pomiarowej – w każdym położeniu przylega do cylindrycznych ścianek oraz do górnej i dolnej płaskiej ścianki tej komory.

Puszka jest prowadzona odpowiednim wykrojem w ściance działowej komory pomiarowej [7]. Woda dostaje się do wodomierza kanałem dopływowym, w którym najczęściej znajduje się osadnik, a do samej komory pomiarowej specjalnymi szczelinami dopływowymi. Szczelina odpływowa umieszczona jest symetrycznie do szczeliny dopływowej względem ścianki działowej i tamtędy woda opuszcza komorę dopływową po wykonaniu przez tłok pełnego cyklu pracy. Konieczność zachowania odpowiedniej szczelności pomiędzy tłokiem a ściankami komory pomiarowej powoduje, że liczniki te podatne są na zanieczyszczenia zawarte w wodzie. Mogą one powodować wzrost oporów tarcia na styku tych dwóch elementów, a w konsekwencji zatarcie się tłoka i zatrzymanie jego pracy.

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.