Tablolar, Resimler, Grafikler ve Şekiller

Transkript

1 İÇİNDEKİLER 1. DEBİ NEDİR? 2. DEBİ ÖLÇME YÖNTEMLERİ A- Açık Su Kanallarında Debi Ölçme a- Yüzücü Cisimler ile Debi ölçme b- Mulinerler ile Debi Ölçme c- Limnigraflar ile Debi ölçme d- Hacmi Bilinen Kaplar ile Debi Ölçme e- İz Maddeler ile Debi ölçme f- Sifonlarda Debi Ölçme g- Savaklarda Debi Ölçme h- Flumler ile Debi Ölçme B- Kapalı Sistemlerde Debi Ölçme Yöntemleri a- Yatay Borudan Çıkan Akışın Hesabı b- Düşey Borudan Çıkan Akışın Hesabı c- Orifislerle Debi Ölçümü d- Pitot Tüpü ile Debi Ölçüme e- Venturi Borularıyla Debi Ölçümü f- V-cone İle Debi Ölçme g- Rotametre ile Debi Ölçme C- Debi Ölçme İşlemlerinde Kullanılan Elektronik Cihazlar a- Ultrasonik Debi Ölçer b- Yatay Akustik Doppler Hız Profil Ölçüm Cihazı c- Akustik Doppler Akış Hızı Profil Ölçüm Cihazı D Debi Birimleri ve Birbirlerine Dönüştürülmeleri Tablolar, Resimler, Grafikler ve Şekiller 1. Trapez Kesit Syf :4 2. Dikdörtgen Kesit syf:5 3. Akarsu En Kesit syf: 5 4. Anahtar Eğrisi Hesap Tablosu syf : 6 5. Anahtar Eğrisi syf: 7 6. Mulineler ile Debi Ölçümünde Akarsu En Kesiti syf: 8 7. Muline ve Kontrol Ünitesi syf : 9 8. Bir Gözlem İstasyonundan Alınan Muline İle Ölçüm Verileri Tablosu syf: Akarsu Kontrol Kesiti syf: Bir Gözlem İstasyonuna Ait Anahtar Eğrisi syf: Seyhan Nehri Salbaş Ölçüm İstasyonu syf: Limnigrafa Bağlı Depolanan Su Miktarını Kayıt Eden Cihaz syf: Sifon syf: Keskin Eşikli Dikdörtgen Savak Kesiti syf: Uç Büzülmeli Dikdörtgen Savak syf: Yamuk Savak syf: Üçgen Savak syf: 18 1

2 18. Uzun Boğazlı Flum İnşaat syf: Kısa Boğazlı Flum syf: Yatay Borudan Çıkan Suyun Yörüngesi syf: Düşey Borudan Çıkan Suyun Yörüngesi syf: Su Tankına Monte Edilmiş Bir Orifis syf: Orifis Tipleri ve Bunları Ait C Katsayıları Tablosu syf: Batık Orifis Şeması syf: Boru Hattına Bağlanmış Bir Orifis syf: Bir Boruya Bağlanmış Pitot Tüpü syf : Venturimetre Şeması syf: Bir Boru İçerisine Yerleştirilmiş V-cone Debi Ölçer ve Akış Üzerindeki Etkisi Syf: Rotametre ve İçerisindeki Şamandıranın Akış İle Beraber Hareketi syf: Cam Rotametre, Rotametre Şamandırası ve Farklı Koşullar İçin Üretilmiş Rotametreler syf: Boru Üzerine Yerleştirilmiş Bir Ultrasonik Debi Ölçer syf: Yatay Akustik Dopplere Ait Bilgisayar Veri Ekranı syf: Yatay Akustik Dopplerin Gönderdiği Işınların Doğrultuları syf: Akarsu Kenarına Yerleştirilmiş Bir Yatay Akustik Doppler Cihazı syf: Akustik Doppler Akış Ölçer Cihazının Akarsuda Kullanılması syf: 32 Yararlanılan Kaynaklar Çeşitli reklam ve tanıtım broşürleri Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Kültürteknik 1 ve 2. Basım yılı Yazarlar Prof. Dr. Necmi Sönmez ve Prof. Dr. Ali Balaban Samsun 19 Mayıs Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümü ölçme deneyi. Yapan ve hazırlayan Doç. Dr. Bahattin Topaloğlu Harran Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Ölçme notları. Hazırlayan Dr. M. Azmi Aktacir A First Course in Hydraulics- John Fenton 12 Şubat Tunceli Üniversitesi Çevre Mühendisliği ders notları. Hazırlayan Doç. Dr. Ayten Öztüfekçi Ayten FAO Canals uygulama 7 kitabı. Basım yılı 1992 Yüzey sularında mulinelerle akım ölçümleri ve anahtar eğrisi. Yusuf Z. Güresinli Wikipedia ve Çeşitli internet siteleri 2

3 SULAMA PROJELERİNDE DEBİ ÖLÇÜMÜ DEBİ (verdi) NEDİR Belirli bir kesit alanından geçen suyun belirli zamanda belirli miktarda geçişini ifade eden miktarına o akışkanın debisi denir. Su kaynağının debisini bilmek bize o kaynakla alakalı çok faydalı bilgiler verir. Örneğin geçmiş yıllardaki debisi bilinen bir akarsuyun son dönemlerde debisinde farklılık var ise bu farklılık bize o su kaynağının bulunduğu havzanın yeteri kadar yağış almadığı, havzada orman varlığının artışından dolayı suyun ağaçlar tarafından tutulması, veya suyun daha üst noktalardan kullanma amaçlı tutuluyor olması gibi etmenlerle alakalı fikirler verebilir. Bununla beraber eğer bir akarsuyun debisini bilmezsek o akarsuyun üzerinde herhangi bir yapı inşa edemeyiz. Aksi halde mevsimden mevsime değişen debiyle beraber yükselecek olan su yapılara zarar verebilir, taşkınlara, sellere sebep olabilir. Veya eğer bir sulama projesi planlayacaksak bitki çeşidi, sulanabilecek arazi, sulama sıklığı gibi önemli noktaları planlayabilmek için kesinlikle debiye ihtiyaç duyarız. Su ile alakalı konuların büyük çoğunluğunda debinin bilinmesi büyük önem taşımaktadır bu nedenden dolayı debi ölçümleri yapılırken doğru ölçüm metodu seçilip dikkatle uygulanmalıdır. I. DEBİ ÖLÇME YÖNTEMLERİ 1-Açık Su Kanallarında Debi Ölçümü A-Yüzücü Cisimlerle Debi ölçümü Ortalama Akış Hızı Ortalama akış hızını bulabilmek için hesaplamamız gereken ilk değer yüzey akış hızıdır. İlk önce tahta parçası gibi batmayan bir cisim bulunur. Önceden ölçülerek hesaplanan ve işaretlenen belirli mesafenin başlangıç kısmından yüzen cisim suya bırakılır ve bu mesafeyi ne kadar sürede kat ettiğine bakılır. Aynı işlem 3 veya 4 defa tekrarlanır ve bu sürelerin ortalaması alınır. Yüzdürülen cismin kanalın ortasında seyrettiğine dikkat edilmelidir. Ölçüm yapılacak kanal düz, homojen olmalı ve kanalda suyun akışını engelleyecek bitki artıkları, yosun vb gibi ölçümün doğruluğunu etkileyebilecek etkenlerden temizlenmiş olmalıdır. Yüzey akış hızını belirlemek için yüzen parçanın katettiği mesafeyi kat etmesi için gereken süreye böleriz. Vs = L / t V s burada yüzey hız, L metre cinsinden katedilen mesafe ve t ise saniye cinsinden zamandır. V s yüzey akış hızı toplam ortalama su kesitinin hızından daha fazladır. V; yani gerçek ortalama hızı bulmak için farklı kaynaklarda farklı kabul edilen bizim ise burada 0,75 alacağımız düzeltme değeriyle V s değerini çarparız. V= V s x 0,75 3

4 Örnek 20 m uzunluğunda ki homojen ve düz bir su kanalını yüzebilen bir cisim 50 s de geçmiştir. Ortalama hızı hesaplayınız Çözüm Vs. Vs = L / t = 20 / 50 = 0.40 m/s. V. V = 0.75 Vs = = 0.30 m/s Islak Kesit Alanı Kanallarda kare üçgen gibi şekillerden faydalanılabilir ancak en çok kullanılanlar trapez ve dikdörtgen şekillerdir. Trapez Kesit İçin Hp d 1 1 H t a a B Şekil-1 Trapez kesit Hp hava payı d - su yüksekliği t - beton taban kalınlığı H - toplam kesit yüksekliği L - toplam kesit alan genişliği B - beton taban genişliği L A Kısaca yamuğun alanı (A+B)xh/2 Örnek Alt taban uzunluğu 0,5m ve üst su yüzeyi genişliği de 1.0 m olan ve Yüksekliği de 0,6 m olan kanalda suyun hızı V 0,30 metre saniye olan kanaletten akan suyun debisini hesaplayınız. Islak kesit alanı=(1+0,5)x0,6/2= 0.45 m 2 Debi =0,45x0,30= 0,135 m3/s 4

5 Dikdörtgen kesit alanı hp H h t t b t B Şekil-2 Dikdörtgen kesit h= su yüksekliği b= su taban genişliği t = beton et kalınlığı B= toplam kesit genişliği hp= hava payı H= toplam Anahtar Eğrisinin Çizilmesi A A A1 9.5 m 13.5 m 23.0 m Şekil-3 Akarsu En Kesiti 5

6 Anahtar eğrisi hesap tablosu Yükseklik Alan(m 2 ) Eklemeli Islak Hidrolik Eğim n 1/n Q(m 3 /s) Eklemeli Kot farkı(cm) alanlar(m 2 ) çevre(m) yarıçapr(m) (J) debi (m3/s) R 2/3 Şekil-4 Anahtar eğrisi hesap tablosu Kolon1: Dere en kesitinden en az dört adet kırık nokta seçilir. Kolon2: Kot farkları hesaplanır. Kolon3: Her parçanın alanı hesaplanır. A1 : (9.50 x 0.26 )/2 = 1.24 m 2 A2: (9.50 x 13.50)/2 x 0.77 = 8.86 m 2 A3: (13.50 x 23.00) /2 x 2.17 = m 2 Kolon4: Eklemeli alanlar hesaplanır 1.24 m m 2 =10.10 m m m 2 = m 2 Kolon5: Islak çevre hesaplanır P1: = m P2: = m P3: = m Kolon 6: Hidrolik yarıçap hesaplanır. ( R=kolon 4 / kolon 5) R1 : 1.24 / = 0.124= R 2/3 =

7 R2: / = = R 2/3 = R3: / = = R 2/3 = Kolon8: Boy profilinden yatak eğimi hesaplanır. Kolon9: Eğimin karekökleri hesaplanır. Kolon10: Yatak pürüzlülük katsayısı seçilir. Kolon12: Debiler Hesaplanır ( kolon4 x kolon7 x kolon9 x kolon11) Kolon13: eklemeli debiler hesaplanır Ve son olarak da anahtar eğrisi çizilir Şekil-5 Anahtar eğrisi 7

8 b-mulinerler ile debi ölçümü Hız ölçümleri için kullanılan cihazlardan en yaygın olanı mulinelerdir.mulinelerde, yatay veya düşey bir eksen etrafında dönen bir pervane, mulineyi akım doğrultusuna yönelten bir kuyruk ve sürüklenmesini önleyen bir ağırlık vardır. Pervanenin dönme hızı akımın hızıyla orantılıdır Sığ sularda su hızını ölçmek için kullanılır. Nehirlerde, küçük sulama kanallarında, oluklarda labaratuarlarda, denizlerde, sulama kanallarının çıkışlarında kullanılır. Herhangi bir kanal veya akarsu yatağında mulinelerle hız ölçümü yapılırken akım kesiti tali alanlara bölünür. 2,4m 6,0m 6,0m 3,0m 0,60m A1 A2 A3 A4 A2 A3 a6 V6 V1 V2 V4 A4 A1 a2 a4 1,2m a3v3 Hız ölçüm noktaları V5 a m Şekil-6 Mulinelerle debi ölçmede akarsu en kesiti Tali alanların genişliği kesitin büyüklüğüne ve arzu edilen hassasiyete göre 0,6-6,0 m arasında değişir. Bu tali alanlar kanal üzerinde şerit veya kablolar ile işaretlenir. Kanal veya akarsu yatağı derinse yüzeyden itibaren yapılan 0,2m ve 0,8 m derinliklerinde yapılan ölçümler o tali alanın ortalama hızı olarak alınır. Eğer su derinliği az ise yüzeyden itibaren 0,6 m derinlikte yapılan ölçüm o tali alan için geçerli değer olarak kullanılır. Elde edilen verilerden kanal veya akarsuyun debisi aşağıdaki şekilde hesaplanır. Q=A 1 xv 1 + A 2 ((V 2 +V 3 )/2) + A 3 ((V 4 +V 5 )/2) + A 4 x V 6 8

9 Güvenilirliği ve hassaslığından dolayı tüm dünyada yaygın şekilde kullanılmaktadır. Hafif ve pratik olduğu için genellikle uzak bölgelerdeki sığ sularda debi ölçümü yapılırken kullanılır. Muline Şekil-7 Muline ve kontrol ünitesi Cihazın esası suyun hareketiyle dönen bir pervanedir. Pervaneler ölçüm işleminde kullanılmadan önce pervanenin belirli sürelerdeki devir sayısı ve buna denk gelen su hızları arasındaki ilişkiler belirlenir ve alet buna göre kalibre edilir. Pervanelerin dönüşü sonucu elde edilecek devir sayısına göre suyun akış hızı elde edilir. Hızın elde edilmesinde kullanılan v = k.n + Δ fomülündeki k ve Δ parametreleri aletin kalibrasyonu yapılırken belirlenir. Bu parametreler ve n devir sayısına gelen hızları gösteren abak değerleri elektronik numaratör cihazının hafızasına kopya edilmiş ve rapor olarak verilmiştir. V= suyun hızı (m/sn.) k=pervanenin suda kapladığı hidrolik eğim n= pervanenin bir saniyedeki tur ortalaması Δ=mulinenin açık bir kalibrasyon kanalında yapılan testlerden elde edilen değerlere göre karakteristiği (m/sn.) 9

10 Akım Anahtar Eğrisi Bir akarsu kesitinde debi ve seiye arasındaki bağlantıyı gösteren eğriye anahtar eğrisi denir. Anahtar eğrisinin çıkarıldığı kesite kontrol kesiti denir. Kontrol eğrisinde ölçüm yapılırken ölçüm yapılan ardışık noktalar arasındaki seviye farkının akarsudaki en büyük seviye değişiminin % 10 undan fazla olmaması gereklidir. Örnek Aşağıda bir anahtar eğrisi çizebilmek için gözlem istasyonundan alınan veriler bulunmaktadır. Anahtar eğrisini çiziniz. Su Seviyesi (cm) Debi (m3/s) Şekil-8 Bir gözlem istasyonundan alınan muline ile ölçüm verileri tablosu Bu bilgilere göre akarsu kontrol kesitinden akan debiyi bulalım Not: Pervanenin dönme hızı akımın hızı ile bağıntılıdır. Bu bağıntının şekli, mulineyi bir kanaldaki hareketsiz su içinde belli hızlarda çekerken ya da dairesel bir havuzda belli hızlarda döndürürken pevanenin dönme hızlarını okuyarak belirlenir. Böylece mulinenin kalibrasyonu yapılmış olur. Muline ile hız ölçerken bir düşey üzerindeki ortalama hızı bulmak için genellikle su yüzünden derinliğin 0,6'sı kadar aşağıda bir okuma yapmak yeterli olur. Derinlik 0,5 m.'den fazla ise, su yüzünden derinliğin 0,2'si ve 0,8'i kadar aşağıda iki okuma yapılıp ölçülen hızların ortalaması alınır. A B D F H 0.5m C E G 1.0m 5m 5m 10m 10m 5m Şekil-9 Akarsu kontrol kesiti 10

11 Muline kalibrasyon eğrisine göre: n 10 dev/s = V=0,08n + 0,25 n 30 dev/s=v=0,11n-0,25 10 n 30 dev/s =V=0.10n En kesit alanları A A = 5x0.75x(1/2) = m 2 A BC = ( ) x ½ x 5 = m 2 A DE = 10 x 1.5 = 15 m 2 A FG = 10 x 1.5 =15 m 2 A H = 5 x 0.5 = 2.5 m 2 Ölçüm yapılan noktalardaki hız değerleri V A = 0.08x = 0.57 m/s V B = 0.08x = 0.97 m/s V C = 0.08x = 0.65 m/s V D = 0.10x = 1.95 m/s V E = 0.10 x =1.35 m/s V F = 0.11 x = 3.16 m/s V G = 0.10 x = 1.25 m/s V H = 0.10 x =1.15 m/s Şekilde verilen her bir kesitte hız değerinin hesaplanması V A = 0.57 m/s V BC = ( )/2= 0.81 m/s V DE = ( )/2= 1.65 m/s V FG = ( )= m/s Kesitin tamamından geçen debi değerinin hesaplanması Q=1.875x x x x x1.15= m 3 /s 11

12 cm (h) m3/s ANAHTAR EĞRİSİ Şekil-9 Bir gözlem istasyonuna ait anahtar eğrisi c-limnigraf ile debi ölçme Limnigraflar nehirlerde, barajlarda, göllerde, sulama kanallarında, yer altı kuyularında, taşkın kontrollerinde, atık su idaresi, kıyı dizaynı ve çevre çalışmalarında su seviyesi ölçümlerinde kullanılmaktadır. Limnigraf kesiti bilinen bir akarsu yatağında suyun yüksekliğini vererek kesitte akan suyun kesit alanını bulmamızı sağlar ve böylece hızını da bildiğimiz suyun debisini 12

13 Şekil-10 Seyhan Nehri, Salbaş Ölçüm İstasyon-ADANA Q = V x A formülüyle hesaplarız. Ayrıca limnigraf bize maksimum su seviyesini yani kesit alanda suyun ne kadar yükseldiğini gösterir, kayıt eder ve bu kayıtları inceleyerek herhangi bir dönemdeki su hareketliliğiyle alakalı bilgi sahibi olunabilir. Barajlar ve durgun sularda ise limnigraf su yüksekliği ile alakalı olarak direk depo edilmiş su miktarını verir 13

14 Şekil-11 Limnigrafa bağlı deponlanan su mıktarını kayıt eden cihaz d-hacmi bilinen kaplarla debi ölçümü Bu işlem genellikle az debili borularda, çeşmelerde, sulama sistemlerinin damlatıcı gibi unsurlarında kullanılır. İşlem genellikle bir kişinin yapabileceği kadar basittir. Hacmini bildiğimiz bir kabı su kaynağından doldururuz ve doluş süresini not ederiz. Örneğin 10 sn de 50 lt su kabımıza dolmuşsa bu kaynağın debisini saniyede 5 lt veya 0,005 m 3 cinsinden kayıt edebiliriz. e-iz Maddeler ile Debi Hesabı Hız ölçümü yapılacak suya belirlenmiş bir noktadan tuz veya boya ilave edilir. Yüzücülerde olduğu gibi daha önce belirlenmiş mesafe arasını ilave maddesinin katettiği süre not edilir ve bu şekilde suyun hızı bulunur. İz maddesinin belirlenmiş mesafeye ilk kez ulaşması ve aynı noktadan son geçiş zamanı da hesap edilir ve böylece ortalama hız bulunmuş olunur. Su içerisinde kolaylıkla fark edilebildikleri için Florensan ve Potasyum permanganat gibi boya maddeleri tercih edilir. Bu yöntem kapalı borularda da uygulanmaktadır. f-sıfonlar Suyu serbest su yüzeyinden daha yüksek bir seviyeye çıkardıktan sonra daha aşağı bir seviyeye akıtan kıvrık borulardır. Sifonun tepe noktasındaki basınç, suyun buhar basıncına yaklaştığı zaman sifon etkili olarak çalışmaz. Bu nedenle büyük sifonların tepesine gazı boşaltmaya yarayan vakum pompalar konur. 14

15 Sifonda Debi Hesabı Bernoulli Denklemi ile Onemli noktalar 1- Sıvı yüzeyi açık olduğu için basıncı sıfırdır. 2- Suyun hızının suyun alındığı kanal veya kapta değişmediği varsılır veya çok düşükse dahi aksi söylenmediği şekilde sıfır alırız. 3- Boru içerisinde herhangi bir noktada hız aynı olacağından boru içerisinde kıyaslanan iki nokta arasındaki denklemde hız değeri göz ardı edilir. C 1,2m 40 mm VA=0 1,8 m A B D 1,2m E F 25 mm Şekil-12 Sifon Debi Hesabı P A + Z A + V 2 /2= P F / γ + Z F + V 2 /2 Bernoulli Bu denklemde yukarıda yapılan hatırlatmalardan sonra PA ve PF deki basınçların ve A noktasındaki hızın sıfır olduğunu biliyoruz. Denklemi tekrar yazmamız gerekirse: P A / γ+ Z A + V 2 /2= P F + Z F + V 2 /2 Yani : Z A = Z F + V 2 /2 V F = [(Z A - Z F )*2g] 1/2 = [(3.0)*2*9.81] 1/2 = 7,67 m/s Debi = AxV = 0, x 3,14 x 7,67= 0,00376 m 3 /s Aynı işlemi farklı noktalarda gerçekleştirirsek: 15

16 P A / γ+ Z A + V 2 /2= P c / γ + Z c + V 2 /2 A-C noktaları arasında ZA = P c / γ + Z c + V 2 /2 pc = γ [Z A - Z C ) V C 2 / 2g] Z A -Z C = -1,2 m P C = γ [ (Z A - C Z ) V C 2 / 2g]= 9.81* [ ] = kpa Not: Vc hızını ilk yaptığımız işlemdeki debinin boru alanına bölünmesiyle buluyoruz. h-savaklar Savaklar açık kanal ve akarsuların debilerinin ölçülmesinde yaygın olarak kullanılan ve belirli hidrolik karakteristikleri olan yapılardır. Basit olarak savaklar akarsu ve kanalların önlerine dik olarak koyulan engellerdir. Suyu tutan savak suyun yükselmesine sebep olur ve yükselen su savağın eşiği üzerinden akarak mansap tarafına ulaşır. Eşikten akan su yüksekliği, kesiti ve debi arasında kesin bir ilişki vardır. Q= C x L x h m Bu formülde Q= debi h=savak eşiği üzerinden akan su yüksekliği L=savak eşiğinin uzunluğu m= savak geçidinin şekline bağlı bir üs metal levha, ahşap ve diğer malzemelerden yapılan geçiş kısmı, su huzmesi menba yüzeyini terk ederken huzmenin serbestçe sıçramasını temin edecek şekilde keskin olan savaklara keskin eşikli savaklar denir. 1- Keskin eşikli savaklar Savak geçidi dikdörtgen, trapez ve üçgen şeklinde olabilir Uç büzülmesiz dikdörtgen savaklarda eşik yataydır. Savak eşiğinin uzunluğu L, savağın menba tarafındaki kanal genişliği ile aynıdır. Geçitten geçen su huzmesi üstte ve altta büzülür. 16

17 H P L Keskin eşikli dikdörtgen savak Şekil-13 Keskin eşikli dikdörtgen savak kesiti Uç büzülmesiz dikdörtgen savakta akış debisi: Q = 0,0184xLxH 3/2 Q= debi litre / saniye L = savak eşiğinin uzunluğu cm H = toplam su yükü cm Savak eşiğinin uzunluğu L, savağın menba tarafındaki kanal genişliğinden az ise bu tip savaklara uç büzülmeli dikdörtgen savak denir. 2H 2H h 2H Uç büzülmesi dikdörtgen savak Ön Cephe Şekil-14 Uç büzülmeli dikdörtgen savak Bu savaklarda sadece eşik değil savak geçitinin bütün cidarları keskindir. Uç büzülme, su yükü arttıkça artar. Q= 0,02953xC d xlxh 3/2 Q= debi L/s L= savak eşiğinin uzunlığu H= toplam su yükü 17

18 C d = katsayı C d = 0.623(1-H/5L) Yamuk Savak Bu tıp savakta hem eşik hem de uç büzülmesi bulunur. Yamuk savaklardan geçen akış, eşik uzunluğu L ile doğru orantılı olduğundan uç büzülme için düzeltmeye ihtiyaç yoktur. H H Ön Cephe Şekil 15-Yamuk savak Q= xLxH 3/2 Q= debi L/s L= eşik uzunluğu H= su yükü Üçgen Savak Özellikle küçük akış debilerinin ölçülmesinde geçit kısmı dik üçgen şeklinde olan savaklardan faydalanılır. Savak geçidinin açısı 90 drecedir. H 90 H Üçgen Savak Şekil-16 Üçgen savak Q= xH 5/2 Q= L/s H= su yükü cm 18

19 İ- Flumlerle Debi Ölçümü Flumler açık kanallarda debi ölçme amacıyla kullanılırlar. Çalışma prensıpleri ise bir kanalda veya akarsu yatağındaki suyun hızını arttırarak düzgün bir akış kesiti profili yaratmak ve su seviyesini okuyarak debinin tespit edilmesi şeklindedir. Flumler suyun hızını, kanalın yan duvarlarını belirli bir aralık boyunca yakınlaştırarark veya tabanı o aralık boyunca yükselterek arttırırlar. Ve bazen de hem duvarlar yakınlaştırılarak hem de taban yükseltilerek suyun hızının arttırılması sağlanır. Mansap kısmındaki su sığken memba suyu ile düzgün bir dengeye gelindiğinde flumden akan su yüksekliğine kritik derinlik denir. Flumde su kritik derinlikte akıyor ken flumde her debi için düzgün, benzersiz bir yüzey profil akışı oluşur. Yani düzgün doğrular şeklinde türbülanssız akan su flum duvarında ve ölçülendirilmiş debi çizelgesinde net olarak okunabilen bir ıslaklık çizgisi oluşturur. Böylece okuma yüksek doğrulak ile yapılır. Flumlerin birçok şekli vardır. Ve bu şekillerdeki flumler m boğaz açıklığından 16 m boğaz açıklığına kadar ölçülecek debiye göre inşa edilebilir. Bu boğaz aralıklarına sahip flumler 0, m3/s ile 85 m3/s arasındaki debileri yüksek doğruluk oranları (%2 den az) ile ölçerler. Flumlerde sürtünme kayıpları, akış katsayıları aynı boğaz genişliğine sahip keskin kenarlı savaklar ile karşılaştırıldığında savakların sürtünmeye bağlı kayıplarının flumlerden dört kat daha fazla olduğu görülmektedir. Ve uzun boğazlı flümler de bu oran 1/10 a kadar çıkmaktadır. Bunun nedeni ise suyun boğazdan geçerken akım şeklinin paralel doğrular şeklini almasıdır. Kısa boğazlı flumler (Short parshall) Su girişinde düşük basınç Tortu ve çöküntü oluşmaz Geniş bir debi aralığında ölçüm yapabilir. Su basması sırasında ölçüm yapamaz Hendek çukuru düzgün ve hertürlü akışı engelleyebilecek unsurlardan temizlenmiş olmalıdır. Suyun normal akış tabanı ile aynı yükseklikte inşa edilmelidir. Savaklara göre daha pahalı, inşası daha zor ve inşa işleminde yapılan çok küçük hatalar debi ölçme işleminde büyük yanlışlıklara yol açar. Uzun boğazlı flumler ( RAMP veya REPLOGLE) Akışı boğaz boyunca kontrol eder ve paralel ve düzgün bir akım oluşmasını sağlarlar Ölçümlerde doğruluk payları çok yüksektir. Bilgisayarda tasarlanabilir ve kalibre edilebilirler. İşlevsel olan kanalların içerlerine inşa edilebilirler. Böylece masraf büyük ölçüde düşer. Şekillinden dolayı tortu veya cökelti oluşumu olmaz ve baskın riski çok düşükür. 19

20 Şekil-17 Uzun Boğazlı Flum İnşaatı Şekil-18 Kısa Boğazlı Flum 20

21 B-KAPALI SİSTEMLERDE DEBİ ÖLÇME YÖNTEMLERİ a-yatay Borudan Çıkan Akışın Hesabı y x D 0 x y Dolu Yatay Borudan Çıkan Suyun Yörüngesi Şekil-17 Yatay borudan çıkan suyun yörüngesi Dolu akan bir borudan çıkan su huzmesinin boruya paralel x ve dikey y koordinatları gönye ile ölçülür ve aşağıda verilmiş olan formül uygulanarak debi elde edilir. Q= C Q= akıi debisi C= akış katsayısı-ölçümde 1 alınabilir g= yerçekimi ivmesi ( 9,81 m/ s 2 ) A= boru ucundaki akış kesit alanı x= yörüngenin apsisi y= yörüngenin ordinatı 21

22 b-düşey borudan çıkan akışın hesabı Boru ağzından çıkan su yüksekliği akış debisine bağlıdır. Debi ve yükseklik arasındaki ilişki aşağıdaki formüldeki gibidir. H D Düşey bir borudan akış Şekil-18 Düşey borudan çıkan suyu yörüngesi Q= D 2 Q= akış debisi l/s D= borunun iç çapı cm h=çıkış ağzından itibaren su yüksekliği c-orifislerle debi ölçme Orifisler, su depoları veya borularda sabit yük altındaki akış debilerinin ölçülmesinde kullanılan basit aletlerdir. Basit olmaları, kullanışlılıkları ve hassas sonuç vermelerinden dolayı debi ölçme işlemlerinde çok tercih edilirler., 22

23 Orifis esas itibarıyla üzerinde delik bulunduran bir levha/engeldir. Su depoları, boru hatları, veya açık kanallara yerleştirilen delik büyüklüğü ayarlı bir kapak veya delikli bir disk veya diyaframdan oluşur. Eğer orifisten çıkan akım hava içine akıyorsa serbest, sıvı içerisine akıyorsa ise batık diye isimlendirilir. Su deposuna yerleştirilen orifisten akış 1 Boru hattı h 2 Su tankında,orifisten h yükü altında akım Şekil-19 Su tankına monte edilmiş bir orifis Şekilde bir boru hattı ile beslenen bir su deposu ve bu depoya yerleştirilen orifis görülmektedir. Orifis deponun duvarında veya tabanında olabilir. Orifisin deliği genellikle daire yada kare şeklinde olabilir. Orifisin deliğinden çıkan suyun en fazla büzülme meydana gelen noktasına Vena Kontrakt ı denir. Bu kesitte huzmeyi temsil eden akım çizgileri paralel ve basınç da atmosferik basınca eşittir. Bu bilgiler ışığında Bernoulli Denklemini uygularsak: P 1 /W + Z 1 +V 2 1 /2g =P 2 + Z 2 + V 2 2 /2g 0 + H + 0 = V 2 2 /2g V 2 = (2gh) 1/2 23

24 V 2 bulunan değeri teorik hızdır. Kayıplar sebebiyle hakiki hız Va nın değeri daha düşüktür. Hakiki hızın teorik hızına oranına hız katsayısı Cv denir. Yani : V 2a = C v formülü teorik hızı verir. Herhangi bir orifisten geçen hakiki debi(q) vena kontraktındaki hakiki hız ve su kesitindenin alanın çarpımına eşittir. Vena kontraktındaki su huzmesi alanın (A 2 ) orifis alanına oranına büzülme katsayısı ( C c ) denir. A 2 = C c. A Buradan orifisten geçen hakiki debi : Q= C c. C v. A. dir. Genel olarak iki katsayı akış katsayısı şeklinde birleştirilir( C= C c.c v ) ve formül Q= C.A. şeklini alır. Akış katsayısı C genel olarak 1.0 dan küçüktür. Asağıda orifis tiplerinin C katsayıları verilmiştir Keskin kenarlı orifis C=0.6 Yuvarlak girişli orifis C= 0.98 Kısa tüp kısmen dolu akış C= 0.61 Tekrar giriş tüpü dolu akış C= 0.73 Kısa tüp dolu akış C= 0.82 Tekrar giriş tüpü kısmen dolu akış C= 0.52 Şekil-20 Orifis tipleri ve C katsayıları 24

25 Batık orifis h1 H 1 2 h2 Batık orifis Şekil-21 Batık orifis şeması Şekilde batık akışlı orifis gösterilmektedir. Orifisin menba tarafındaki su yükü (h1), mansup tarafınadaki su yükü ise (h2) ile gösterilmiştir. Orifisten su akışını sağlayan yük h1-h2= H dır. Bernoulli denklemi uygulandıktan sonra teorik hız formülü: V 2t = (2gH)1/2 burada H ın ( h1-h2) olduğuna dikkat edilmelidir. Akış katsayısı da kullanılarak debi formülü: Q= A.C. şeklini alır. 25

26 Boru hatlarında kullanılan orifisler genel olarak keskin kenarlı, dairesel bir deliği V1 Ws D1 1 D0 2 D2 H Boru hattına bağlanmış bir orifis Şekil-22 Boru hattına bağlanmış bir orifis Olan ince bir diskten meydana gelir. Genel olarak boruların flanşlarına yada boru çıkış ağızlarına bağlanır. Şekilde ki 1 ve 2 noktalarına bernoulli denklemi uygulanır, bulunan hız akış katsayısıyla süreklilik denkleminde yerlerine konulursa: Q=C.A. 2gH ( Wo / Ws 1) Ws= suyun hacim ağırlığı Wo= manometrede kullanılan sıvının hacim ağırlığı Su yapılarında (barajlar, kanallar) suyun ayarlı bir şekilde aktarılmasını sağlayan kapaklarda orifislerin hidrolik özelliklerine sahiptir. Bunlar çeşitli tiplerde yapılırlar. Kapaklardan geçen akış serbest veya batık olabilir. Akış hesabında orifis formülleri kullanılır d-pitot Tüpleri ile Debi Ölçümü Akış ölçümlerinde kullanılan indirekt metodlarda su yükü, basınç intensitesi veya kesit içerisinde çeşitli noktalardaki akış hızı ölçülür. Su yükü ve basınç intensitesinden faydalanılarak akış debisinin tayininde genel olarak orifisler, venturi boruları, savaklar ve patentli sayaçlar kullanılır. Pitot tüpleri genel olarak boru hatlarındaki akış hızının tayininde kullanılan iki ucu açık L şeklinde bir tüptür. 26

27 h hp hs V A Pitot Tüpü ile her hangi bir boru hattında akış hızının ölçülmesi Şekil-23 Bir boruya bağlanmış pitot tüpü Pitot tüpü herhangi bir noktadan basıncı ölçer. Basınç yükü ise o noktadaki statik yükten (V 2 / 2g ) kadar fazladır. Açık kanallarda su yüzeyinde atmosferik basınç hakim olduğundan (manometrik basınç=0) statik yükün değeri sıfır eşdeğerdir. Bu sebeple, pitot tüpünde su seviyesi üzerinde kalan su yüksekliği hız yükünü verir. Ancak açık kanallarda su hızı çok düşük olduğundan pitot tüpü kullanımı tercih edilmez. Borularda pitot tüpü ile su hızının ölçülmesinde statik yükün de ölçülmesi gerekmektedir. Bu maksatla genel olarak boru cidarına bir piezometre bağlanır ve piezometredeki su yüksekliği statik yükü verir. Ve piezometre ve pitot tüpünde yükselen su seviyeleri farkından ( hp-hs)= V A = elde edilir. e-venturi Boruları Boru hatlarında akış kesitinin azaltılması akışkanın hızını arttırır. Bu durum hidrolik eğim çizgisinin ve basınç intensitesinin düşmesine sebep olur. Bu unsurlar debi ile doğrudan ilgilidir. Bu sebeple menba ve mansap taraflarındaki basıncın ölçülmesiyle akış debisi hesap edilir. Venturi borusu ortasında bulunan bir dar boğazla akış kesitini daraltan bir alettir. Bir boru hattına yerleştirilen Venturi borusunun debi formülü: 27

28 P1 P2 V1 1 V2 2 Şekil-24 Venturimetre şeması V-cone Debi Ölçer V-cone basınç farklılığından faydalanarak debi ölçen bir cihazdır. Bernoulli denklemini uygulayan bu tip cihazları yüzyıllarca yıldır kullanıyoruz. V-cone cihazının imal edilmesi sıvıların basıncının sıvıların hızıyla ters orantılı olması prensibine dayanır. Şekilde görebileceğiniz üzere koni şeklindeki cihazın boru içindeki parçası akım kesitini belli bir oranda daraltarak akışkanın hızını artmaya zorluyor ve bu da akışkanın koniden sonraki belirli bir bölümde basıncının düşmesine sebep oluyor. Ve böylece P1 ve P2 basınçları arasında fark oluşarak debinin ölçülmesine olanak sağlanıyor. V-cone çok hassas ölçümler yapabilmekte ve işlemin aynı koşullarda tekrarlaması halinde ortaya çıkabilecek yeni değer ile fark % 1 in altında olmaktadır. Bununla beraber V-cone cihazı boru içerisindeki koni şekilli parçasına bağlı olarak monte edildiği noktadan sonra kendinden önceki bölümde düzensiz olan akış profilini düzenli akışa dönüştürmektedir. 1 nolu kısımdan gelen düzensiz akış V-cone cihazından sonra 2 nolu kısımdaki gibi düzenli formda akıma devam eder. P1 P2 1 Düşük basınç girişi 2 V-cone debi ölçer Şekil-25 Bir boru içerisindeki V-cone debi ölçer ve akış üzerine etkisi 28

29 Rotametre Debi Ölçüm Cihazı Rotametre sıvı ve gazların ölçümünde özellikle endüstriyel işletmelerde yaygın olarak kullanılır. Kurulumu ve okuması kolay olması ve geniş bir aralıkta düzgün değerler vermesi yaygın olarak kullanılmasını sağlamıştır. Rotametre akışın içerisinden geçtiği konik, okuma yapılabilmesi için derecelendirilmiş bir tüp ( basınç ölçülecek yerdeki basınca göre metal, cam ve plastik olarak imal edilir) ve bu tüpün içerisindeki şamandıradan oluşur. Doğru rotametre seçimi için bilinmesi gerekenler Sistemden geçecek maksimum ve minimum debi miktarı Sistemin maksimum ve minimum çalışma sıcaklığı Rotametre yerleştirilecek borunun çapı Beklenilen hassaslık derecesi Boru üzerinde bir vana olup olmadığı Borularda veya sistemde geri akış (back pressure) olup olmadığı Maksimum sistem basıncı Basit bir rotametre şeması Şekil-26 Rotametre ve içerisindeki şamandıranın akış ile beraber hareketi Cam rotametre, rotametre şamandırası ve farklı koşullarda kullanılan rotametreler 29

30 Şekil-27 Cam rotametre, rotametre şamandırası ve farklı koşullar için üretilmiş rotametreler C-DEBİ ÖLÇME İŞLEMLERİNDE KULLANILAN ELEKTRONİK CİHAZLARDAN BAZILARI a-ultrasonik debi ölçer Ultrasonik debi ölçer Şekil-28 Boru üzerine yerleştirilmiş bir ultrasonik debi ölçer 30

31 Boru üzerine yerleştirilecek tek veya iki adet mıknatısa benzer parça ve genellikle tek elle tutulabilen kontrol ünitesinden-küçük bilgisayardan oluşur.ultasonik debi ölçer kapalı borularda debi ölçümü işleminde kullanılan çok kullanışlı bir cihazdır. Bunun en büyük sebebi ise taşınabilir olması ve ölçüm işleminin çok kısa bir sürede tamamlanabilmesidir. Alet ile ölçüme başlamadan önce cihazın kalibre edilmesi gerekmektedir. Kontrol ünitesi kalibre için adımları tek tek kullanıcıya tarif eder ve sonrasında alet çalışmaya hazır olur. Ancak boru üzerine yerleştirilecek parçaların türbülansa maruz kalan bölgelerden uzak yani dirsek, vana gibi parçalardan olabildiğince uzak olmasına dikkat edilmelidir. Kalibre için gerekli bilgiler: Boru cinsi, neden imal edildiği Boya varsa kalınlığı Boru çapı Akışkanın ne olduğu b-yatay akustik doppler hız profil ölçüm cihazı Bu cihazlar geniş çaplı uygulamalarda yüksek doğrulukta su hızı, seviye ve debi değerlerini yüksek bir doğrulukta elde etmemizi sağlar. Yavaş, hızlı veya karışık akımlarda bu cihazlar kullanılabilmektedir. Aşağıda veri ekranını görmektesiniz. 31

32 Şekiş-29 Yatay akustik dopplere ait bilgisayar ekranı Şekil-30 Yatay akustik dopplerin gönderdiği ışınların doğrultuları 32

33 Şekil-31 Akarsu kenarına yerleştirilmiş bir yatay akustik doppler Akustik doppler akış hızı profil ölçüm cihazı Bu cihaz sığ sularda dahi debiyi yüksek doğruluk oranıyla verir. ölçümün yapılması için suya cihazla girmeye gerek yoktur. Herhangi bir ip veya kabloyla köprü gibi yapılardan akarsuyun içerisine bırakılabilir. Ölçüm işlemi cihazın akarsu kesitinde hareket etmesinin gerekli olmamasından dolayı kısa sürer. Şekil-32 Akustik doppler akış cihazının akarsuda kullanılması 33

34 Debi Birimleri ve Birbirlerine Dönüştürülmeleri 1 cm 3 /s = 10-6 m 3 /s 1 cm 3 /s = 10-3 dm 3 /s 1 dm 3 /s = 10-3 m 3 /s 1 km 3 = 10 6 m 3 1 mm 3 /s = 10-3 cm3/s 1 mm3 = 1 µl 1 cm 3 = 1 ml 1dm 3 = 1 litredir Birimlerin saniye, dk veya saat cinsilerinden hangileriyle verildiğine dikkat edilmelidir. İlgili Örnekler 1) 2 L/sa debili 30 adet damlatıcıdan oluşan lateral sulama hattının debisini dm3/s ve m3/s cinsinden ifade ediniz. 1 m3/s = cm3/s 1 dm3/s = 1000 cm3/s = 1 L 1 sa = 3600 sn a-lateral borunun L/sa cinsinden debisi 2 L/sa x 30 adet = 60 L/sa b- Saniye cinsinden ifade edilmesi 60 L / 3600 s = 0,0166 L/s = 16,6 cm 3 /s = 0,0166 dm 3 /s c- m3/s cinsinden ifade edilmesi 16,6 cm3/s / = 0, m 3 /s 2) L/s ve m 3 /saat arasındaki ilişki: 34