CC BY
52
УДК 532.574.27
И. В. КЛРНЛЦЕВИЧ Т.П. ТРОЯН
Омский государственный аграрный университет
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
НОВЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ИЗМЕРЕНИЙ МЕСТНОЙ СКОРОСТИ В БЕЗНАПОРНЫХ ПОТОКАХ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
В статье авторы представляют преимущества нового прибора для экспресс-измерений местной скорости в безнапорных потоках жидкостей и газов.
Для измерения скорости воды в потоках в 20-м столетии в системе Росгидрометслужбы повсеместно использовался стандартный прибор — гидрометрическая вертушка ГР-21м, представляющий собой винтовой ротор, связанный редуктором с электромеханическим счетчиком оборотов. Существенным недостатком этого прибора является повышенная чувствительность к ударам, после чего он должен быть отдан в ремонт и вновь подвергнут тари-ровочным испытаниям в специальном лотке. Стоимость тарирования вертушек в ценах 2005 г. составляла около 2000 рублей, ремонт (в основном замена шариковых подшипников) тоже очень дорог.
Сразу после замеров вертушку нужно разобрать, промыть бензином и просушить. В противном случае шарики подшипников ржавеют, и вертушка занижает действительную скорость потока. При глубинах потока менее 130 мм для определения скорости использовать гидрометрическую вертушку нельзя, поскольку диаметр ротора у вертушки ГР-21 составляет 120 мм.
При определении поверхностных скоростей воды в речных потоках во всем мире широко используется поплавковый метод, использовавшийся еще Леонардо да Винчи (общеизвестна гравюра, где великий итальянец катит тележку-измеритель расстояния по берегу реки, на поверхности воды виден поплавок). База, на которой замеряется при таком методе время и расстояние, составляет сотню-другую метров, время регистрируется и в наши дни ручным секундомером. Механический секундомер позволяет отсчитывать время с точностью до 0,2-0,1 с. Поплавковый метод не применим в самотечных трубопроводах и коротких лотках.
Появление кварцевых генераторов и электронных секундомеров позволяет использовать счетчик времени с интервалом до сотых долей секунды, следовательно появляется возможность сократить путь поплавка до несколько сантиметров. Для мгновенного безынерционного включения и выключения милли-секундомера не годятся механические системы вроде подпружиненного спускового механизма обычного ручного секундомера. Поэтому система включения-выключения должна быть иной. Изобретение и широкое внедрение в электрических схемах герконов (герметичных контактов), управляемых движущимся магнитным полем, дало возможность
замыкать и размыкать электрические цени измерителей времени с нужной скоростью (порядка 0,2 — 1,5 м/с) для фиксации интервала времени на расстояниях в десятки миллиметров.
В Омске создан и в течение многих лет работает принципиально новый прибор - спидометр конструкции Карнацевича [ 1 ]. Этот прибор служит для измерения скорости потока воды или воздуха. Идея прибора возникла зимой 1997 г. в связи с необходимостью производить гидравлические измерения в системе промышленно-ливневой канализации Омского нефтезавода в зимних условиях. Использовать гидрометрическую вертушку зимой в условиях пурги, сильных морозов в потоках воды с нефтью практически невозможно, поскольку каждое измерение требует повышенного внимания к точным показаниям приборов, особенно секундомера и звукового сигнала, требует визуального контроля за положением вертушки в неосвещенной и заполненной паром нижней части глубоких колодцев.
Конструкция
Датчик представляет собой основание, на котором смонтированы стеклянная направляющая трубка длиной 200 мм и стопорный механизм. Основание жестко соединено с титановой трубчатой штангой диаметром 25 мм и длиной около 1 метра. По стеклянной трубке диаметром 6 мм, смонтированной на основании скользит круглая втулка-диафрагма с кольцевым магнитом. В начале измерения диафрагма удерживается в потоке в крайнем положении защелкой, связанной со спусковым крючком.
Внутри тонкой стеклянной трубки установлены два геркона, включаемые и выключаемые кольцевым магнитом во время его движения. Провода от герконов соединяются с фиксирующим прибором.
Фиксирующий прибор - миллисекундомер выполнен на МОП-интегральной микросхеме, которая сохраняет устойчивые частотные характеристики при значительных отклонениях питающего напряжения от номинала. К недостатку данного вида микросхем относится низкая частота работы (32 кгц). Для повышения частоты в схему включен кварцевый генератор, и частота повышена до 150 кгц.
Погрешность измерений прибора Ртах = 0,8Т, где Т - период опроса геркона. Ртах = 0,00168 с. Средняя погрешность Р = 0,00084 с.
Диапазон измеряемых скоростей, определяется промежутком времени, в течение которого герконы замкнуты. Это время должно быть больше периода опроса герконов:
Тзамык > Топроса Тзамык = 0.005м/У,
где 0,005 м - это расстояние, определяемое площадью контактов геркона и толщиной ферритового магнитного кольца, а V — скорость потока. Расчет показывает, что при скорости 1,5 м/с Тзамык = 0,0033 с, Следовательно, в диапазоне скоростей потоков от 0,2 до 1,5 м/с прибор дает надежные результаты. При скоростях более 1,5 м/с нужен прибор с частотой не менее 1 мгц, но такой прибор сложнее и дороже.
Датчик не может занижать истинную скорость, он может (из-за задержек в пути), только завышать ее. Явно выходящие из ряда измерений завышенные результаты бракуются, так как свидетельствуют о том, что поплавку мешали какие-то препятствия (плывущий в потоке мусор).
Интегральный способ измерения средней скорости заключается в том, что после каждого измерения табло не обнуляется, но отсчеты записываются для контроля вариации их разностей в журнал. Десятый отсчет — в случае незначительной вариации разностей соседних измерений — делится на 10, а затем по таблице определяется средняя скорость.
Питание прибора осуществляется от встроенного блока питания (двух аккумуляторов АС-13).
Производство измерений
Исходное положение поплавка — одно из крайних, фиксируемых защелками. Датчик опускается в поток глубиной не менее 6 см и выставляется по направлению потока. Освобождается защелка, и в самом начале своего движения втулка-диафрагма кольцевым магнитом включает геркон, замыкающий цепь миллисекундомера. В конце своего движения (через несколько десятых долей секунды при скорости потока около 1 м/с) кольцевой магнит замыкает контакты второго геркона. который выключает
Таблица 1
Показания табло и истинная скорость в лотке
Рис. 1. Результаты тарировки датчика № 2
миллисекундомер. Время движения поплавка I высвечивается на табло. Базис Ь (расстояние между точками сработки герконов) точно измерен, его значение приводится в паспорте датчика. Отношение длины пути Ь ко времени I дает местную скорость и, м/с. На производство одного замера с фиксацией показания табло уходит 3 - 4 с. Для оптимального усреднения местных скоростей производится 10-12 замеров и определяется средняя скорость.
Лабораторные испытания
В целях определения надежности, чувствительности, совершенствования конструкции и тарировки приборы были подвергнуты лабораторным испытаниям в большом и малом лотках гидравлической лаборатории кафедры гидрогеологии, гидравлики и инженерной гидрологии Омского аграрного университета. Большой гидравлический лоток имеет ширину 50 см, высоту 70 см и длину 10 м, малый - ширину 0,25 м, высоту 0,7 м и длину 5,0 м. Расход потока в большом лотке определяется объемным, а в малом - весовым способами. Точность вычисления расхода около 0,4%. Уклоны лотков можно менять с помощью домкратов. Испытания производились 13,14 и 17 января 2000 г. с 9.00 до 11.30.
В промежутках между испытаниями были внесены изменения в конструкции датчиков и миллисекундомера. Всего было произведено 19 серий испытаний при скоростях от 0,07 до 1,40 м/с. Для иллюстрации приведены результаты одной серии испытаний.
Параметры и результаты испытаний
трех датчиков
Опыт №8. 14 января 2000 г. Малый лоток. Объем мерного бака 410 л; время наполнения 30 с; расход воды 0,0137 м/с. Ширина лотка 0,25 м; глубина лотка 0,095 м; площадь живого сечения 0,023 м". Истинная средняя скорость 0,58 м/с.
ДАТЧИК 1 (длина базиса 0,113м) Серия отсчетов потабло-. 1,06; 1,12; 1,22; 1,06; 1,15; 1,16; 1,09. Средний отсчет 1,13.
ДАТЧИК 2 (длина базиса 0,137 м) Серия отсчетов потабло: 1,66; 1,75; 1,47; 1,66; 1.50; 1,75; 1,44; 1,68. Средний отсчет 1,61.
Соотношения между показаниями табло и истинными скоростями, полученные в результате испытаний, приведены в табл. 1. По этим данным построена тарировочнаякривая (рис. 1).
Вывод
Новый прибор обладает не меньшей точностью, чем стандартная гидрометрическая вертушка, более
Датчик №1 Датчик №2
Показания табло Скорость, м/с Показания табло Скорость, м/с
10,1 0,09 16,9 0,07
4,27 0,32 5,2 0,17
0,86 0,54 5,66 0,17
1,13 0,58 3,83 0,21
0,57 0,87 2,68 0,30
0,49 1,40 1,99 0,41
1,26 0.53
0,83 0,89
0,82 0,95
0.75 0.98
0,67 1,16
прост, дешевле в производстве, менее капризный в эксплуатации, не имеет нижнего предела чувствительности. В силу всех этих преимуществ новый прибор должен в ближайшие годы полностью вытеснить стандартные гидрометрические вертушки при измеренияях скоростей в самотечных трубопроводах и водотоках.
Библиографический список
1. Российское агентство по патентам и товарным знакам/ Патент яи 32606. Устройство для измерения скорости потока. Бюл.№ 26.-20.09.2003.
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук, профессор кафедры гидрогеологии, гидравлики и инженерной гидрологии Омского государственного аграрного университета и кафедры физической географии Омского государственного педагогического института. ТРОЯН Тамара Петровна, доцент кафедры проектирования автомобильных дорог.
Дата поступления статьи в редакцию: 26.01.06 г. © Карнацевич И.В., Трояк Т П.
УДК S32.S74.27 у П ТРОЯН
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
РЕЗУЛЬТАТЫ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ СКОРОСТИ ПОТОКА ГИДРОМЕТРИЧЕСКОЙ ВЕРТУШКОЙ И СПИДОМЕТРОМ_
В статье идет речь о неоспоримом преимуществе спидометра по сравнению с вольмановскими вертушками.
Для измерения скорости воды в реках инженеры начали создавать приборы еще в середине 18 века. Немецкий инженер Рейнхард Вольтман (1757-1837), работая в Ганновере в Управлении портами, написал книгу "Теория и практика гидрометрической вертушки", изданную в 1790 г. В ней описана вертушка с двумя лопастями, червячным редуктором и счетчиком оборотов. Для ее включения служила проволочная тяга, с помощью которой червяк мог быть введен в зацепление с шестерней [ 1 ].
За прошедшие 200 лет принцип работы вертушки не изменился. В прошлом веке и в наши дни в системе Росгидрометслужбы на сети гидрологических станций и постов повсеместно использовались и используются стандартные приборы -гидрометрические вертушки моделей ГР-21м, ГР-55, Гр-99. Самым главным недостатком этих приборов является то, что при исчезающе малых скоростях потока ротор не может вращаться из-за трения в червячном редукторе и подшипниках. Шариковые подшипники быстро приходят в негодность из-за коррозии, а при их замене необходимо заново тарировать прибор. Гидрометрические вертушки выпускались в советское время на заводе в Тбилиси, но в годы перестройки выпуск их прекратился. Несколько лет назад в Санкт-Петербурге государственное предприятие «ГИДРОМЕТ-ПРИБОР» запустило в производство измеритель скорости потока ИСП-1, оснащённый преобразователем сигналов вертушки ПСВ-1 ГМП 18.0000.00 ПС.
Диапазон измерения скорости водного потока лопастными винтами вертушки (с!, = 70 мм, с12 = 120 мм) от 0,1 до 5,0 м/с. При сохранении прежней точности (2%) время измерения скорости водного потока уменьшилось до 60 с, т. к. лопастные винты изготовлены из более лёгкого, но прочного сплава, что позволяет за меньшее время преодолеть инерцию вертушки.
Принцип работы измерителя ИСП-1 основан на том, что вращение лопастного винта вызывает циклическое изменение выходного электрического сигнала вертушки, частота которого функционально связана со скоростью набегающего на винт водного потока. Преобразователь, связанный с выходной цепью вертушки сигнальным проводом, формирует из выходных сигналов вертушки последовательность электрических импульсов, измеряет их частоту следования и в соответствии с градуиро-вочной характеристикой лопаст?юго винта, заложенной в памяти преобразователя, вычисляет значение измеряемой скорости водного потока. На панели преобразователя высвечиваю гея показания как в об/с, так и в м/с.
Рис. 1. Результаты сопоставления измеренных поверхностных скоростей воды в р. Иртыше у г. Омска спидометром и стандартной гидрометрической вертушкой ГР-21м
