Ryhmä 2 - Vesijohtoverkoston virtaamasäätö.

Hannu Ruhanen, Tiina Nevala, Ville Sorvali, Tuomo Heikkinen

 

Suunnitelma

1) Mikä ilmiö/miksi mitataan (mitä selvitetään)
 
- Selvitetään säätimen vahvistuksen ja integrointiajan optimaaliset arvot värähtelymenetelmän avulla.
- Selvitetään pilot-vesijohtoverkoston virtaaman säädön toiminta erilaisilla säätimen parametreilla (vahvistus ja integrointiaika) kun verkostoon luodaan paineen vaihteluita pumpun tehoa säätämällä. Säätimen toimintaa tarkkaillaan valvomosta käsin.


2) Koeasettelu 

- Ympäristötekniikan laboratorio, pilot-vesijohtoverkosto.
- Luodaan paineen muutoksia nostamalla pumpun tehoa taajuusmuuntajan avulla.
- Valvomon käyttöliittymän kuvaajien kautta tarkkaillaan säätimen toimintaa ja mittaustiedot saadaan SaMi-järjetelmästä.

3) Mitattavat muuttujat

- Mitataan paine [bar], virtaama [l/min]
- Säädon hyvyys (Viive, nousu- huippu- ja asettumisaika [s], sekä maksimiylitys)

Suoritus

1) Asetimme Integrointiajan mahdollisimman suureksi eli mittalaitteessamme 65,45
2) Varmistimme että mittaukseen ei vaikuttanut erilaisia kuormitusvaihteluita kuten esimerkiksi pumpun paineen vaihteluita
3) Lisäsimme yksikkö kerrallaan manuaalisesti säätimen vahvistusta kunnes säätöpiirin värähtely alkoi ja muuttui pysyväksi. Tätä pysyvää värähtelyä kutsutaan stabiilisuusrajaksi. Tästä saimme K_Pkriit-arvon.
4) Katsoimme valvomon koneen näytöltä mittaustyökalua apuna käyttäen värähtelyn jakson pituuden T_kriit-arvon. Saatu arvo on useiden mittausten keskiarvoaika.
5) Laskimme K_Pkriit-arvoa ja T_kriit-arvoa käyttäen PI säätimen vahvistuksen K_P kaava 1 ja Integrointiajan TI kaava 2.

1)

 

2)

 

6) Säädön hyvyyden arvioimiseksi aiheutimme säädölle kuormitusta kahdella tavalla; muuttamalla asetusarvoa sekä laskemalla että kasvattamalla sitä alkuperäisestä ja tämän jälkeen muuttamalla pumpun painetta korkeammaksi.

7) Tulokset noudettiin mittausten lopuksi Sami-tietokannasta

Kuva 1. Pienemmästä säätimestä voitiin asettaa integrointiaika ja vahvistus.

Kuva 2. Ohjainnäyttö josta voitiin säätää asetusarvo.

Kuva 3. Pumppu.

Kuva 4. Pumpun painetta voitiin säädellä taajuusmuuntajasta.

Kuva 5. Valvomon koneen näytöllä voitiin muutokset nähdä melkein reaaliaikaisesti.

 

Tulokset

 

Kriittisen vahvistuksen arvoksi saatiin 1,8, josta kaavalla 1 laskettiin vahvistuksen arvoksi Kp = 0,81. Kriittinen integrointiaika määritettiin värähtelyn jaksonajasta, laskemalla kolmesta jaksonajasta keskiarvo. Tulokseksi saatiin Tkriit = 11,6. Kriittisestä integrointiajan avulla laskettiin kaavalla 2 integrointiaika Ti = 9,72.

Kun asetusarvoa laskettiin, virtaama asettuu uuteen asetusarvoon noin kahdessa ja puolessa minuutissa. Virtaama asettui samassa ajassa myös asetusarvoa nostettaessa (Kuva 6).

Kuva 6. Asetusarvon säätö ja pumpun säätö graafisesti esitettynä.

Pumpun tehoa nostamalla virtaama asettui asetusarvoon noin kolmessa minuutissa (Kuva 7).

Kuva 7. Pumpun säätö.

Tulosten tarkastelu

Säätö on hyvä kun asettumiseen kuluva aika on mahdollisimman lyhyt, yliheilahduksen suuruus ja heilahtelun määrä ovat pieniä ja säädön korjauskyky on hyvä syöttöhäiriöiden ilmaantuessa. Hyvä säätöpiiri on lähes tunteeton häiriöille.

Harjoituksessa virtaama palautui asetusarvoon häiriötekijöiden jälkeen muutamassa minuutissa. Virtaaman arvoon ei jäänyt pysyvää poikkeamaa, eikä säädöstä aiheutunut heilahtelevaa tai pysyvää huomattavaa värähtelyä.

Säätö kestää kuormitusta ja yliheilahdus on kohtalainen, mutta asettumiseen kuluva aika on pitkä.

Mittausten epävarmuus

Jaksonaika määritettiin manuaalisesti näytöltä, jolloin laskuihin on voinut tulla lukuvirheitä. Myös asettumisajat määritettiin samoin. Lisäksi virtausmittarin tarkkuus ja mittavirhe sekä mahdolliset puutteet kalibroinnissa voivat aiheuttaa tuloksiin epävarmuustekijöitä.

Ryhmä 1. Työ 1. Avouoman virtaaman jatkuvatoiminen mittaaminen. Antti Koskenlahti, Iiro Käsnänen, Arttu Santala, Mikko Kosonen

Mitä mitataan
Veden virtaamaa.

Miksi mitataan 
Virtaaman avulla saadaan selville avouomassa liikkuvan veden määrä ja nopeus. Harjoituksen tarkoituksena on testata eri virtausmittausmenetelmien soveltuvuuksia avouomaan ja vertailla niiden toimivuutta.

Missä mitataan
Savonia-ammattikorkeakoulun Microkadun vesitekniikan laboratorion avouoma-altaassa.

Miten mitataan 
Flowtrackerin, volymetrisen mittauksen ja V-mittapadon avulla. Mitataan Flowtrackerilla avouoma-altaasta kahdesta eri kohdasta (ennen ja jälkeen kavennusta). Mitataan mitalla vedenpinnan korkeus ennen V-mittapatoa. Volymetrisellä mittauksella mitataan V-padosta poistuvan virtauksen määrä, siten että otetaan V-padosta poistuva vesi 10 litran astiaan ja mitataan siihen kuluva aika. Mittaukset toteutetaan kolmella eri virtaamalla säätämällä pumpun tehoa. Kolme eri virtaamaa 22, 23, 24 Hz.
 
Työssä mitattavat suureet
Virtaama [m^3/s], virtausnopeus [m/s], poikkipinta-ala [m^2], syvyys [m] ja korkeus patoaukon pohjasta [m].

Mittausjakso 
Flowtrackerin mittausjakso on 30 s ja volymetrisellä mittauksella 10 litran astian täyttymiseen kuluva aika.

Työn suoritus

Mittauksensuoritus

Virtaama mitattiin volymetrimenetelmällä v-padosta ja flowtracker-mittalaitteella uomasta kavennuksen jälkeen. Lisäksi virtaamat laskettiin Thomsonin padon kaavalla (Kaava 1). Flowtrackeriin asetetut lähtöarvot on esitetty taulukossa 1. Mittaukset tehtiin kolmella eri virtaamalla (22, 23, 24 Hz).  Kuvassa 1 on mittaus käynnissä.




(1)
, jossa
Q = virtaama (m3/s)
c = vakio 0,58
α = 45 (v-padon kärjen kulma) (°)
g = putoamiskiihtyvyys (m/s2)
h = vedenkorkeus v-aukon kärjestä pintaan (m)

Taulukko 1. Flowtrackerin lähtötiedot

Kuva 1. Mittausta Flowtrackerillä.

Volymetrinen mittaus suoritettiin jokaisella virtaamalla kolme kertaa. Saaduista keskiarvoista laskettiin virtaamat kullekkin pumpun taajudelle. Mittauksissa mitattiin 10 litran ämpärin täyttymiseen kulunutta aikaa sekunneissa.

Tulokset

Taulukossa 2 on esitetty saadut virtaamat. Suhde sarakkeen prosentti arvot ovat Flowtrackerillä saatujen tulosten suhde volymetrisen mittauksen tuloksiin. Kuviossa 1 on esitetty taulukon 2 tulokset kuvaajana.

Taulukko 2. Virtaama tulokset eri taajuuksilla

Kuvio1. Kuvaaja taulukon 2 tuloksista

Mittausepävarmuus

Volymetrisessä mittauksessa epävarmuutta aiheuttaa ajanmittaajaan ja ämpärimiehen yhteistyö. Jokaisessa virtaamassa kolme ajan mittausta antoivat kuitenkin likimain samat tulokset.

Flowtrackerissä epävarmuutta aiheutti anturin stabiilius sekä virtaaman tasaantumiseen käytetty aika. Myös veden turbulenttisuss aiheuttaa virhettä mittaukseen.

Thomsonin kaavalla laskettuihin tuloksiin vaikuttaa korkeuden h mittaustarkkuus. Korkeus mitattiin käsimitalla.

Johtopäätökset

Harjoituksen tarkoituksena oli testata eri virtausmittausmenetelmien soveltuvuuksia avouomaan ja vertailla niiden toimivuutta. Tulokset olivat samansuuntaisia kaikilla menetelmillä eli virtaamat kasvoivat pumpun taajuutta nostettaessa. Volymetrisen ja Flowtrackerien mittauksien virtaama arvot nousivat lähes samassa suhteessa Flowtrackerin virtaamien ollessa noin 83 % volymetristen mittausten virtaamista. Thomsonin laskukaavalla saadut tulokset poikkavat muista ja virtaama nousee kuvaajassa jyrkemmin kun taajuutta nostetaan. 22 Hz taajudella on veden korkeuden mittauksessa tapahtunut todennäköisesti virhe, sillä Thomsonin kaavalla saatu tulos poikkeaa huomattavasti muista tuloksista.

Yhteenvetona voidaan todeta, että kaikki käytetyt menetelmät sopivat avouoman virtaaman mittaamiseen. Flowtrackerin käyttöä rajoittaa virtausnopeus, jonka tulisi olla välillä 0,001 - 4,5 m/s.