Характеристика приборов и методов измерения расходов воды

Для перехода от скорости вращения лопасти вертушки n к скорости течения воды ui используют  т а р и р о в о ч н у ю  к р и в у ю – график зависимости между скоростью течения и числом оборотов лопастного винта в секунду: u = f(n), официальный документ каждой гидрометрической вертушки, прошедшей тарировку в специальном тарировочном бассейне[13].

Вертушка ГР-21М снабжается двумя лопастными винтами: винт   № 1 (основной) компонентный, диаметром 120 мм с геометрическим шагом 200 мм, применяется при работе со штанги, при скоростях течения до 2 м/с, и винт № 2 некомпонентный, диаметром 120 мм с геометрическим шагом 500 мм, применяется во время работы с троса при скоростях течения более 2 м/с.

Малые скорости течения не приводят лопастный винт во вращение. Наименьшая скорость u0 , при которой силовое воздействие потока на лопастный винт равно величине сопротивлений, а лопастный винт вращается неравномерно, называется  н а ч а л ь н о й  с к о р о с т ь ю в е р т у ш к и. Для вертушки ГР-21М начальная скорость составляет 0,04 м/с, а верхняя – 5 м/с.

Гидрометрическая вертушка ГР-55 – малогабаритная, отличается от ГР-21М размерами лопастного винта. Винт № 1 диаметром 70 мм с геометрическим шагом 110 мм применяется при скоростях течения 0,1–2,5 м/с, погрешность измерения при этом не превышает ± 1,5%; винт № 2 диаметром 70 мм с геометрическим шагом 250 мм применяется при скоростях течения 2–5 м/с (погрешность ± 1,5%). При скоростях менее 0,2 м/с погрешность измерения возрастает до 10%.

Микровертушки. К недостаткам описанных выше гидрометрических вертушек можно отнести: винт сравнительно большого диаметра обладает определенной инерционностью, что снижает его чувствительность; наличие червячной передачи и обычных шарикоподшипников увеличивает механические сопротивления вращению винта, что приводит к неустойчивой работе его и к увеличению погрешности измерений при малых скоростях течений.

Ввиду этого в микровертушках применяются винты малых диаметров (4–40 мм), изготовленные из материалов, близких по плотности к воде; для уменьшения сопротивлений они вращаются в агатовых или рубиновых подшипниках; корпуса микровертушек имеют значительно меньшие размеры и массу; в электрической цепи применяется бесконтактная схема[7].

Одной из таких конструкций является гидрометрическая микровертушка цифровая модернизированная ГМЦМ–1, разработанная в ЦНИИКИВР и изготавливаемая НТК «Комплекс» (г. Минск). Она состоит из датчика скорости и блока обработки измерительной информации.

Датчик (рис. 1.7) предназначен для формирования электрических импульсов, частота которых характеризует измеренную скорость потока. Он состоит из лопастного винта 4, держателя его (корпуса) 1, электрода 3, регулировочного винта 2, муфты 7 для крепления на штанге с помощью винта 5. Лопастный винт 4 является первичным преобразователем скорости течения воды в электрической сигнал.

Рис. 1.7 Датчик скорости микровертушки ГМЦМ-1.

 

При прохождении лопасти винта 4 перед оголенным торцом элетрода 3 изменяется проводимость в электрической цепи «электрод 3 – корпус держателя 1», что приводит к прерыванию тока в цепи. Амплитуда формируемых импульсов зависит от величины зазора между полюсом электрода и торцом лопасти винта. Оптимальная величина зазора 0,2–0,3 мм устанавливается с помощью регулировочного винта 2. Импульсы по кабелю 6 поступают на вход блока обработки измерительной информации (на рис. 1.7 не показан). Последний включает следующие электронные блоки: 1) формирования импульсов; 2) задания коэффициентов градуировочного уравнения лопастного винта (например, u = 0,0391 n + 0,0024); тактового генератора; 4) управления и вычисления; 5) счета и дешифрации; 6) индикации. Результат измерения выводится на табло в численном виде в м/с[11].

Пределы измерения 0,05–4,0 м/с; погрешность ± 2,0%. Время одного измерения скорости при использовании лопастного винта диаметром 15 мм составляет 35–45 с, винта 25 мм – 50–80 с. Питание микровертушки постоянным током напряжением 1,5–9 В, потребляемый ток не более 6 мА.

Вертушка хранится в ящике вместе с батареей питания, сигнальным устройством, проводниками и принадлежностями для ухода за ней.

Для погружения вертушек в воду и установки их в нужных точках живого сечения потока применяют различное установочное оборудование, к которому относятся: штанги, тросы, лебедки, уравновешивающие грузы и др.

При глубинах до 3 м вертушки погружают в воду при помощи упорных или подвесных штанг, которые представляют собой металлический трубы, размеченные по высоте через каждые 5–10 см. Первые упирают нижним концом в грунт, вторые укрепляют на неподвижной опоре, например на мостике.

При глубинах более 3 м, когда работать со штангой трудно, вертушки опускают в воду при помощи тонких тросиков диаметром 2–4 мм. Глубину погружения вертушки определяют по меткам на тросике или при помощи специального счетчика глубины. К вертушкам прикрепляют чугунный или свинцовый груз весом от 10 до 80 кг, в зависимости от скорости течения. Трос соединяют с вертушкой и грузом специальным устройством, называемым  в е р т л ю г о м. Опускают и поднимают вертушки ручной лебедкой[6].

При каждой вертушке должно всегда храниться тарировочное свидетельство, в котором указывают: тип и номер вертушки; дату последней тарировки; организацию, проводившую тарировку; график тарировки или уравнение тарировочной кривой.

Вертушки являются точными приборами, требующими бережного отношения и внимательного ухода. Перед сборкой вертушки необходимо тщательно проверить состояние ее частей, обращая особое внимание на состояние винта, оси прибора, подшипников, контактного устройства и электропроводки. После работы вертушку разбирают на основные части, которые очищают, промывают бензином и протирают сначала насухо, а затем тряпкой, слегка смоченной в масле.

При работе зимой вертушка может покрыться льдом, который нельзя удалять ударами или соскабливанием. Для удаления льда вертушку следует опустить в теплую воду. При перевозке вертушку необходимо оберегать от сотрясений.

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДОВ ВОДЫ

 

2.1 Измерение расхода воды гидрометрической вертушкой

 

Многоточечный (детальный) способ предусматривает измерение расхода воды по увеличенному против обычного числу скоростных вертикалей 10-15 с измерением скорости в 5-10 точках (пов.;0,2;0,6;0,8;дно-при свободном русле; пов.;0,2;0,4;0,6;0,8;дно-при несвободном русле) на каждой вертикали. Многоточечный способ даёт наиболее точное значение расхода.На вновь открытых гидростворах в первый год их действия расходы воды измеряют многоточечным способом (не менее 10 расходов воды при разных фазах режима).

Основной способ, когда число скоростных вертикалей уменьшается в 1.5-2 раза по сравнению с детальным, а скорости течения измеряются в 2-3 точках на каждой вертикали.

Интеграционный способ по вертикалям применяется при глубинах более 1 м и скоростях течения более 0.2 м/с. Измерение производится с помощью интегральной установки ГР-101.

Ускоренный способ применяется при быстрых изменениях уровня за время измерения расхода воды при интенсивной деформации русла, при наличии переменного подпора и в других неблагоприятных условиях.

Сокращенные способы предусматривают измерение расхода воды по средней скорости на 1-2 репрезентативных вертикалях или единичной скорости в точке 0.2 её рабочей глубины.

 

2.2 Измерение расхода воды поплавками

 

Измерения поверхностными поплавками. Точность поплавочных измерений существенно ниже, чем вертушечных, поэтому поверхностные поплавки применяются при рекогносцировочных обследованиях рек, выходе вертушек из строя. При интенсивном ледоходе, когда вертушечные измерения становятся невозможными, а в качестве поплавков служат отдельные льдины.

Поплавочные измерения проводят при штиле или небольшом ветре 2-3 м/с . По берегу параллельно основному направлению течения прокладывается магистраль и перпендикулярно к ней разбиваются три створа: верхний, средний и нижний. Расстояние между створами назначается такое, чтобы продолжительность хода поплавков между ними составляла не менее 20 секунд[6].

Измерение скорости течения поверхностными поплавками состоит в определении времени прохождения ими расстояния от верхнего до нижнего створа и мест прохождения через средний створ.

В пусковом створе забрасывается с берега или пускается с лодки первый поплавок, и в момент прохождения им верхнего створа по сигналу наблюдателя, стоящего в этом створе, техник пускает секундомер. В момент пересечения поплавком среднего створа отмечается место прохождения от постоянного начала по размеченному канату или засечками с берега угломерным инструментом. При прохождении поплавком нижнего створа по сигналу наблюдателя, стоящего у этого створа, техник останавливает секундомер.

Следующий поплавок пускается на некотором расстоянии от первого, и вся работа по измерению скорости течения повторяется в том же порядке. Всего пускается 15-20 поплавков, равномерно распределенных по ширине реки[2].

Если невозможно пустить поплавки по всей ширине реки, например на реках, с быстрым течением, где поплавки сносятся к середине потока, расходы воды определяются по наибольшей поверхностной скорости. В этом случае на стрежневую часть потока пускается 5-10 поплавков. Из всех пущенных поплавков выбираются три с наибольшей продолжительностью хода, отличающиеся друг от друга по времени не более чем на 10%; при большем отклонении продолжительности хода пускается ещё 5-6 поплавков.

Запись результатов измерений расходов воды поплавками ведётся в книжке КГ-7М(н).Для определении скорости течения строится график продолжительности хода поплавков, на котором по горизонтальной оси откладываются расстояния от постоянного начала до места прохождения поплавками среднего створа, а по вертикальной оси – продолжительность хода поплавков между верхним и нижними створами. По нанесённым точкам проводится осредненная эпюра распределения продолжительности хода поплавка по ширине реки. В местах перегибов эпюры, а при плавной её форме через равные расстояния назначается не менее 5-6 скоростных вертикалей, которые для удобства обработки совмещаются с промерными вертикалями. Для каждой скоростной вертикали вычисляется поверхностная скорость течения путем деления расстояния между верхним и нижним створами на продолжительность хода поплавка, снятую с эпюры[1].

Умножая площади отсеков между скоростными вертикалями на полусумму поверхностных скоростей на них, получают частичные фиктивные расходы воды qфз. Их сумма, с учетом краевых коэффициентов дает общий фиктивный расход воды Qф. Действительный расход вычисляется по формуле: Q=KQф, К – переходный коэффициент, который вычисляется по формуле Д.Е.Скородумова

К=с2/5/с2/3+1,6

Если с помощью поплавков измерена наибольшая поверхностная скорость, то она используется для вычисления расхода воды Q=KнаибVнаибF, где Vнаиб- среднее значение скоростей трех наиболее быстрых поплавков; Kнаиб=1-5,6ghI/Vнаиб (h-средняя глубина потока; g-ускорение свободного падения)F-площадь водного сечения.

 

2.3 Измерение расхода воды глубинными поплавками и поплавками-интеграторами

 

Поплавки этого вида используются для измерения сравнительно малых скоростей течения (до 0,15-0,20 м/с), когда вертушечные измерения мало надежны. И для определения границ мертвого пространства. Скорости течения измеряются с лодки, на которой устроены из трех горизонтальных реек створы: верхний, средний и нижний на расстоянии друг от друга через 1 м. при помощи шеста пускается глубинный поплавок. По секундомеру определяется время прохождения поплавком расстояния от верхнего до нижнего створа. В каждой точке поплавок пускается не менее трех раз. Скорость в точке вычисляется делением длины базиса- расстояния между створами на среднюю продолжительность хода поплавка. Расход воды вычисляется аналитическим способом аналогично расходу воды, измеренному вертушкой, записи ведутся в КГ-3М (н) [6].

Измерение расхода воды гидравлическим способом

Используется когда измерить расход воды другими способами не представляется возможным. Расход воды вычисляется по формуле Q=VсрF, Vср=C RJ,где R-гидравлический радиус; J-продольный уклон; C-скоростной коэффициент или коэффициент Шези C=1/nR x-1,5 n при R<1 м;x-1,3 n при R>1 м.

 

2.4 Анализ расходов воды, измеренных детальным способом, с целью выяснения возможности перехода на основной способ измерения

 

Анализ заключается в отборе части скоростных вертикалей, по значениям средней скорости течения которых можно построить эпюру распределения скорости по ширине реки, близкую к эпюре, построенной по всем вертикалям.

Отбор скоростных вертикалей выполняется следующим образом. Для каждой скоростной вертикали дополнительно к графической обработке расхода вычисляется аналитическим способом значение средней скорости течения по сокращенному числу точек: 0,2 и 0,8 рабочей глубины при свободном русле; 0,15; 0,50 и 0,85 рабочей глубины для расходов, измеренных при ледоставе и заросшем русле. Значение средней скорости наносятся на чертеж графической обработки расхода воды, измеренного детальным способом, и по ним вычерчивается эпюра распределения средней скорости течения по ширине реки. Для основного способа измерения расхода воды отбирают те скоростные вертикали, на которых значения средней средней скорости, вычисленные по сокращенному и полному числу точек, совпадают или разнятся незначительно. При сокращении числа скоростных вертикалей одну из них следует назначать в стрежневой части потока, а остальные – в местах основных переломов эпюры[5].

По отобранному числу вертикалей все расходы воды вычисляются вторично уже обычным аналитическим способом. Обычный аналитический способ дает возможность уменьшить число скоростных вертикалей до 7-8, а в некоторых случаях до 5.

Значение каждого расхода, вычисленного аналитическим способом, сравнивается с расходом, обработанным графически и принятым за эталон.

Переход на основной способ измерения возможен при условии:

1. систематическая ошибка расходов, вычисленных аналитическим способом, не превышает 2%;
2. средняя суммарная ошибка не превышает 3%;
3. наибольшая ошибка отдельного расхода за вычетом систематической ошибки не превышает 5%.

 

 

2.5 Анализ измерения расхода воды с целью перехода на сокращенный способ

 

Анализ заключается в отборе одной скоростной вертикали в стрежневой части потока, значение скорости на которой (средней, в точке 0,6 или 0,2), умноженное на постоянный коэффициент, отличается от средней скорости водного сечения не более чем на 10%.