15Применимость уровнемеров различных конструкций для регулирования стока на малых водохранилищах комплексного назначения
Михеева Ольга Валентиновна
кандидат технических наук, доц., Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н.И. Вавилова, [email protected]
Миркина Елена Николаевна
кандидат технических наук, доц., Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н.И. Вавилова, [email protected]
Мавзовин Владимир Святославович
кандидат технических наук, доц., НИУ МГСУ, [email protected]
В настоящее время для непрерывного контроля и измерения уровня воды на малых водохранилищах комплексного назначения применяются уровнемеры. Огромное количество представленных уровнемеров показывают возможности их применения на водохранилищах для измерения и управления уровнями воды. Для непрерывного контроля и измерения уровня воды в водохранилище, можно применять датчики уровня для водохранилищ. Уровнемеры в водохранилищах будут непрерывно контролировать уровень в водохранилищах и с помощью выходного сигнала передавать его на контроллер или на любой вторичный прибор, на котором будет отображаться уровень в водохранилище в режиме реального времени. В статье рассмотрены различные модели уровнемеров, их возможность применения для разных случаев. Подобраны оптимальные из существующих уровнемеры, которые позволят вести контроль за уровнями воды в водохранилищах и своевременно информировать о чрезвычайных ситуациях на водных объектах Ключевые слова: Гидротехнические сооружения, плотины, уровнемеры
Введение: С переходом на цифровые технологии в настоящее время появилось много различных приборов учета уровня воды. В статье рассмотрены существующие уровнемеры и возможность их применения для измерения и учета уровня воды в водохранилищах.
Цель исследования - рассмотреть различные уровнемеры и их применимость для измерения уровня воды в водохранилищах.
Методика исследований:
В настоящее время для непрерывного контроля и измерения уровня воды на малых водохранилищах комплексного назначения применяются уровнемеры. Одним из наиболее значимых разработок в настоящее время являются уровнемер с визуальным отсчетом. Он основан на визуальном измерении высоты уровня жидкости. Высоту уровня жидкости измеряют в стеклянной трубке, сообщающейся с контролируемым сосудом в нижней, а иногда и в верхней части, или при помощи прозрачной вставки.
Основным принципом работы зондового уровнемера является измерении высоты уровня воды при помощи специального зонда или измерительной рейки. Данный уровнемер может быть применен как для измерения уровня воды, так и для измерения уровня сыпучих веществ.
Для проведения исследования по измерению уровня воды необходимо поместить рейку до упора. На рисунке 1 представлен визуальный уровнемер и его конструктивные элементы.
Рисунок 1 - Визуальные уровнемеры: а - смотровое стекло: б - плоское многоэлементное смотровое стекло; в-мерная трубка
Визуальные уровнемеры (рисунок 1) представляют собой простейшие измерители уровня воды и могут быть применены для измерения уровней воды в малых водохранилищах. В уровнемере имеются указательные стекла, которые представляют собой прозрачные вставки в стенках резервуара. Могут быть применены конструкции с сообщающимися с резервуарами мерными трубками. На вставках в стенках резервуарах или в сообщающихся с резервуаром мерных трубках нанесены шкалы для убдоб-ства измерения уровней. Проводя визуальные наблюдения за положением уровня в стеклянной трубке делают выводы об имеющемся уровне воды в резервуаре.
Указательное стекло в случае открытых сосудов будет соединено нижним концом с сосудом. В случае, если в сосуде избыточное давление или наоборот наблюдается разряжение, то соединение осуществляется обоими концами.
Плоские указательные стекла, как правило, рассчитываются на давление до 2,94 МПа и могут выдерживать температуру до 300°С. Для отключения стекла от сосуда или продувки системы они оборудуются специальными кранами или вентилями. В качестве примера на рисунке 2 приведены конструкции визуальных уровнемеров G34 CPI Reflex с указательными (смотровыми) стеклами компании SEETRU.
Указательные стекла длиной более 500 мм не рекомендуются к применению, поэтому на малых водохранилищах возможно применение нескольких стекол соединенных последовательно в виде сегментированной конструкции для контроля перепадов уровня воды (рисунок 2. б). Однако необходимо учитывать, что их индивидуальные диапазоны измерения должны перекрываться. У данных видов уровнемеров есть один существенный недостаток, в следствии разной плотности жидкости в смотровом стекле и в резервуаре наблюдается разная температура, особенно, если смотровое стекло находится на удалении, что вызывает погрешность измерений уровней. Различие плотностей приводит к различию уровней в резервуаре, и указательном стекле. Погрешность может достигать существенных значений, поэтому в целях ее уменьшения необходима либо тепловая изоляция уровнемера, либо продувка его жидкостью
из резервуара перед отсчетом. Однако на малых водохранилищах данной погрешностью можно пренебречь.
Рисунок 2 - Плоские смотровые стекла уровнемеров компании SEETRU
Визуальные уровнемеры модели G34 CPI Reflex (с плоским смотровым стеклом) предназначены для тяжелого режима эксплуатации, а также для высокого давления и температуры. Модульная конструкция изготовлена из стандартных компактных и прочных элементов из нержавеющей стали прецизионной отливки.
В арматуре указательных стекол, работающих под давлением, как правило, имеются предохранительные устройства, автоматически перекрывающие каналы при аварийном разрушении стекла.
Другим типом уровнемеров является электрический контактный погружной уровнемер. Так, например, электрический контактный погружной уровнемер KL-010 может быть использован для измерения глубины в колодцах, наблюдательных трубах и скважинах, а также при контроле откачек. Его можно также использовать для измерения уровней воды в малых водохранилищах или резервуарах. На рисунке 3 представлен электрический лотовый уровнемер KL- 010.
При опускании датчика, как только датчик касается поверхности воды, сигнальная лампочка загорается, и глубина погружения может быть считана с измерительной ленты в метрах и сантиметрах. Для использования данного типа уровнемеров на малых водохранилищах необходимо наличие смотрового мостика откуда может вестись наблюдение за уровнями воды в водохранилищах.
Длина измерительной рулетки изготавливается кратной пяти и составляет 5, 10, 15, 20, 25 метров 2-го и 3-го класса точности.
Для обеспечения надежности и долговечности рулетки ее корпус изготавливают из латуни. В холодную погоду деревянная ручка рулетки способна обеспечить комфортное использование.
Ленту уровнемера изготавливают из нержавеющей стали по особой технологии, для того чтобы она обладала повышенной гибкостью и прочностью. Это обеспечивает то, что при сильных перегибах лента не будет ломаться. Стойкость к истиранию шкалы обеспечивается нанесением лазерным методом глубиной 30 микрон.
Рисунок 3 - Электрический лотовый уровнемер: а- К1.-010, б- измерительная рулетка
Визуальные уровнемеры являются самыми простыми и обеспечивающими приемлемо точные показатели измерения уровня.
При соответствующем диаметре мерной трубки, подсветке поверхности раздела и использования специальных средств отсчета погрешность визуальных уровнемеров при неподвижной поверхности жидкости может быть сведена к десятым долям миллиметра. Вследствие этого они находят широкое применение в поверочных установках с мерными баками, в образцовых мерниках. Сложность дистанционных измерений уровня, невозможность использования в системах регулирования автоматизированными технологическими процессами препятствуют широкому промышленному применению визуальных уровнемеров. Несмотря на то, что обеспечить неподвижность поверхности в водохранилищах практически невозможно из-за волновых явлений, визуальные уровнемеры хорошо зарекомендовали себя для измерения уровней воды на малых водоемах.
Байпасные магнитные уровнемеры также являются уровнемерами визуальными, требующими присутствия человека для оценивания результатов. В выносной камере расположен поплавок, он частично погружен в жидкость. В поплавок встроен магнит, который находится на уровне поверхности воды в водоеме или резервуаре. Уровень равен уровню воды в резервуаре, к которому присоединена выносная камера благодаря свойству сообщающихся сосудов .
Магнит, находящийся внутри поплавка постоянный, жестко закрепленый в нем. Магнитное поле бесконтактно передает информацию магнитомеханическим преобразователям и далее чувствительным индикаторам положения. Индикаторами могут служить магнитомеханические преобразователи подвижных вспомогательных магнитов, а так же герконовые преобразователи или магнит резисторы, датчики Холла, маг-нитострикционные преобразователи и т.п.
На рисунке 4 представлен ряд вариантов использования магнитомеханических индикаторов. На рисунке 4 а представлен подвижный цилиндрический челнок, на рисунке 4 б разноцветный флажковый и разноцветный роликовый на рисунке 4 в, внутри всех них впрессованы постоянные магниты.
Рисунок 4 - Поплавковые уровнемеры с магнитной визуализацией
Принцип действия цилиндрического челнока достаточно простой. В выносной камере располагается поплавок. Внутри поплавка, как отмечалось ранее, находятся сильные магниты. Магнитное поле поплавка взаимодействует с внешним индикатором - магнитным «челноком», который под действием «магнитного поля поплавка» перемещаются в стеклянной трубке, откуда должен быть откачен воздух.
Отсутствие воздуха в трубке обеспечивает хорошую видимость в следствии того, что исключено образование конденсата в трубке. Считывание информации обеспечивается наличием градуированной шкалы.
Аналогичный принцип работы осуществляется в магнитном визуальном уровнемере G35 компании SEEMAG. На рисунке 5 представлен байпасный магнитный уровнемер.
Данная конструкция обеспечивает безошибочное бесступенчатое считывание с полной визуализацией. Данный уровнемер обеспечен опцией автоматической сигнализации высокого и низкого уровня с дистанционным считыванием.
ш
»
Рисунок 5 - Байпасный магнитный уровнемер G 35 SEEMAG
Конструкция уровнемера SEEMAG представлена трубкой из немагнитной нержавеющей стали наружного диаметра 33,4 мм, поплавка из нержавеющей стали, он так же может быть выполнен из пластика или другого материала. Поплавок перемещается внутри байпасной трубки, он следует за уровнем воды или другой жидкости. Подвижный люнет, каркас которого изготовлен из легкого пластика с встроенным магнитным кольцом осуществляет движение снаружи трубки.
Основным плюсом данной конструкции является обеспечение видимости шкалы отсчета со всех сторон. Это является основным отличием от существующих магнитных указателей с фронтальным обзором. Маркерная полоска повышенной видимости устанавливается на подвижном люнете. Ее положение регулируется в связи с плотностью жидкости в резервуаре.
В качестве чувствительных элементов флажковых уровнемеров, которые являются индикаторами использованы плоские флажки пластики, выполненные из пластмассы. Внутри них встроены постоянные магниты. Когда поплавок переходит из водной среды в воздушную, то при помощи сфокусированного магнитного поля флажки поворачиваются на 180. Если уровень воды повышается, то это приводит к изменению цвета в результате поворота флажка с синего на красный или наоборот. Таким образом обеспечивается визуальный контроль. Граница раздела цвета и градуированная шкала сингализирубт об изменении уровня.
В качестве чувствительных индикаторов в роликовых магнитных уровнемерах представлены пластмассовые или керамические ролики красно-белого или сине-белого цвета внутрь которых помещены магниты. Принцип действия аналогичен флажковому уровнемеру. Индикатор уровня показывает уровень воды в виде красного или соответственно синего столбика.
Трубки индикаторов должны быть выполнены из материалов, обладающих немагнитными свойствами, например, нержавеющей стали, пластмассы или стекла. Индикаторы приборов конструктивно является полностью независимым, поэтому могут быть заменены без снятия давления, если используются для измерения уровней в резервуарах, находящихся под давлением.
Магнитные указатели уровня являются простой, крепкой и виброустойчивой конструкцией, которая обеспечивает герметичное разделение между пространствами измерения и индикации.
Они могут применяются для измерения уровня нефти, нефтепродуктов, вода, кислот, и т. д. во всех отраслях промышленности, в частности в гидротехнике для определения уровней воды на малых водохранилищах комплексного назначения.
Диапазон давлений магнитных уровнемеров колеблятся от вакуума до 42 МПа , данный тип уровнемеров работает при температурах от -160°С до +450°С.
Магнитные указатели уровня, байпасный поплавковый и роликовые уровнемеры РИЗУР могут быть использованы для непрерывного измерения, вывода и контроля уровней жидкости.
Еще одним примером уровнемеров байпасные роликовые уровнемеры RIZUR-NBK применямые для непрерывного измерения и отображения уровня жидкости в резервуарах. Для контроля уровня жидкости в открытых или закрытых резервуарах используют магнитный указатель уровня RIZUR-NBK. Уровнемеры поплавковые байпасные RIZUR-NBK могут эксплуатироваться как в закрытых помещениях, так и на открытых установках в широком диапазоне климатических условий. Принцип действия RIZUR-NBK основан на законе о сообщающихся сосудах - уровень в байпасной
колонке равен уровню измеряемой жидкости внутри резервуара. Поплавок с встроенным магнитом перемещается внутри колонки вместе с уровнем воды. Принцип действия аналогичен рассмотренным ранее магнитным роликовым. Он также может передавать информацию о текущем уровне на другое контрольное устройство. Байпас-ный указатель-индикатор уровня Р^иР^ВК способен измерять уровень жидкости в больших и малых резервуарах. Байпасные указатели-индикаторы уровня Р^иР^ВК как правило крепятся к боковой стенке резервуараоднако они могут располагаться сбоку, сверху или снизу.
В случае с боковым монтажом «бок-бок» диапазон измерения равен расстоянию между точками подключения. Предусмотрен монтаж типа «верх-бок», «бок-низ», «верх-низ». Однако в данном случае необходимо учитывать, что могут возникнуть погрешности из-за возникновения мертвой зоны.
Еще один вид уровнемеров поплавковый уровнемер представлен на рисунке 6. В данном типе измерение уровня происходит с помощью поплавка.
Если жидкость однородна, то он будет погружаться одинаково независимо от местонахождения и не будет вносить в измерения погрешность.
На поплавок действуют сила тяжести и противоположно ей выталкивающая сила. Основная погрешность измерений уровнемером данного типа является зависимость от плотности жидкости. Чтобы уменьшить погрешность поплавок стараются делать из легкого материала, а поперечное сечение делают как можно больше. В результате этого уменьшается осадка поплавка и увеличивается точность.
Обычно поплавок связан с указателем уровня гибкой механической связью.
На рисунке 7 представлена схема поплавкового уровнемера.
Уровнемеры данного типа хорошо зарекомендовали себя для измерения уровней однородных жидкостей. Что хорошо применимо для измерения колебаний уровней в открытых резервуарах.
На рисунке 8 приведена схема ультразвукового уровнемера.
Ультразвуковые уровнемеры отличаются повышенной надёжностью в эксплуатации и сравнительно небольшой стоимостью. Благодаря этим качествам подобные уровнемеры получили достаточно широкое применение во многих областях задач измерения уровня, где применение поплавковых уровнемеров не представляется возможным.
Рисунок 7 - Схема поплавкового уровнемера; Рисунок 8 - Ультразвуковые уровнемеры 1 - поплавок; 2 - трос; 3 - указатель; 4 - противовес
Результаты исследований и их обсуждение
Огромное количество представленных уровнемеров показывают возможности их применения на водохранилищах для измерения и управления уровнями воды. Для непрерывного контроля и измерения уровня воды в водохранилище, можно применять датчики уровня для водохранилищ. Уровнемеры в водохранилищах будут непрерывно контролировать уровень в водохранилищах и с помощью выходного сигнала передавать его на контроллер или на любой вторичный прибор, на котором будет отображаться уровень в водохранилище в режиме реального времени. Для отображения данной информации можно использовать щитовой индикатор или видеографический регистратор.
Для сигнализации о переполнении или опустошении водохранилища, можно использовать следующие датчики предельного уровня воды в водохранилище. Сигнализатор уровня в водохранилищах при достижении определенной точки срабатывания, будет замыкать или размыкать реле, которое будет заведено на механизм, который будет отключать или включать подачу в водохранилище, или предупреждает звуковым сигналом. Для данных целей может быть применен поплавковый датчик уровня NivoFLOAT. Поплавковый сигнализатор уровня применяется для контроля уровня различных жидкостей в ёмкостях и бассейнах. В комплект датчика входит контрбаланс, позволяющий настроить гистерезис, и размещаемый на кабеле. Корпус прибора выполнен из полипропилена, имеет круглую или каплевидную форму и позволяет обеспечивать работу при температурах продукта до 50°С.
Заключение. В статье рассмотрены различные модели уровнемеров, их возможность применения для разных случаев. Подобраны оптимальные из существующих уровнемеры, которые позволят вести контроль за уровнями воды в водохранилищах и своевременно информировать о чрезвычайных ситуациях на водных объектах.
Литература
1. Автоматическая система полива декоративных растений в закрытом грунте на базе ARDUINO / Портнов С.А., Михеева О.В., Михеев И.А.// Аграрный научный журнал. 2018. № 1. С. 58-60.
2. К вопросу об автоматизации системы орошения и полива в открытом грунте/ Абдразаков Ф.К., Михеева О.В., Серебренников Ф.В., Михеев И.А. // Аграрный научный журнал. 2019. № 5. С. 70-73.
3. Suwandana E, Kawamura K, Sakuno Y and Kustiyanto E. 2012 Thematic information content assessment of the ASTER GDEM: A case study of watershed delineation in West Java, Indonesia // Remote Sensing Letters. -. - V. 3(5) pp 423-432
4. Omid M H, Karbasi M and Farhoudi J 2010 Effects of bed-load movement on flow resistance over bed forms // Sadhana. V. 35. No 6 pp 681-691
5. Lai J-S, Guo W-D, Lin G-F and Tan Y-C 2010 A well-balanced upstream flux-splitting finite-volume scheme for shallow-water flow simulations with irregular bed topography // International Journal for Numerical Methods in Fluids. V. 62. N8. pp 927-944.
6. Kesserwani G and Liang Q 2010 Well-balanced RKDG2 solutions to the shallow water equations over irregular domains with wetting and drying // Computers & Fluids. V. 39. -N10. pp 2040-2050.
7. Хожанов Н.Н., Турсунбаев Х.И. Методология расчета поливной нормы сельскохозяйственных культур. The scientific heritage No 59 (2021), С. 51-54
8. Оценка надежности системы автоматического управления уровнем воды в теплице / Бакиров С.М., Карпухин Р.К.// В сборнике: Современные проблемы и перспективы развития строительства, теплогазоснабжения и энергообеспечения. Материалы XII Национальной конференции с международным участием. Саратов, 2022. С. 255259.
9. Эффективные решения по автоматизации локализованных ирригационных систем / Островский Н.В., Ванжа В.В., Самойлюков Ю.Н., Бандурин М.А., Дегтярева Е.В. // Аграрный научный журнал. 2021. № 11. С. 102-107.
10. Prototyping for the development of practical skills of students in automation and robotics / Bogdanov A.N., Danilov V.A., Hallyyev I.A. // В сборнике: Proceedings of the 2022 4th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2022. 4. 2022.
11. http://www.rushydro.ru/hydrology/informer/
12. http://www.hydrology.ru/sites/default/files/Books/rd_52.08.869-2017.pdf
Applicability of level gaugers of different designs for runoff control in small reservoirs of complex purpose Mikheeva O.V., Mirkina E.N., Mavzovin V.S.
Saratov State University of Genetics, Biotechnology and Engineering named after N.I. Vavilov, NRU MGSU At present, level gauges are used for continuous monitoring and measurement of the water level in small complex-purpose reservoirs. A huge number of level gauges presented show the possibilities of their application in reservoirs for measuring and controlling water levels. To continuously monitor and measure the water level in a reservoir, reservoir level sensors can be used. Level gauges in reservoirs will continuously monitor the level in the reservoirs and, using the output signal, transmit it to the controller or to any secondary device that will display the level in the reservoir in real time. The article discusses various models of level gauges, their applicability for different cases. The best available level gauges have been selected that will allow monitoring water levels in reservoirs and informing in a timely manner about emergencies at water bodies
Keywords: Hydraulic structures, dams, level gauges References
1. Automatic irrigation system for ornamental plants in closed ground based on ARDUINO / Portnov S.A., Mikheeva O.V., Mikheev
I.A.// Agrarian scientific journal. 2018. No. 1. S. 58-60.
2. On the issue of automation of the irrigation and irrigation system in open ground / Abdrazakov F.K., Mikheeva O.V.,
Serebrennikov F.V., Mikheev I.A. // Agrarian scientific journal. 2019. No. 5. S. 70-73.
3. Suwandana E, Kawamura K, Sakuno Y and Kustiyanto E. 2012 Thematic information content assessment of the ASTER GDEM:
A case study of watershed delineation in West Java, Indonesia // Remote Sensing Letters. -. - V. 3(5) pp 423-432
4. Omid M H, Karbasi M and Farhoudi J 2010 Effects of bed-load movement on flow resistance over bed forms // Sadhana. V. 35.
No. 6 pp. 681-691
5. Lai J-S, Guo W-D, Lin G-F and Tan Y-C 2010 A well-balanced upstream flux-splitting finite-volume scheme for shallow-water
flow simulations with irregular bed topography // International Journal for Numerical Methods in Fluids. V.62.N8. pp. 927-944.
6. Kesserwani G and Liang Q 2010 Well-balanced RKDG2 solutions to the shallow water equations over irregular domains with
wetting and drying // Computers & Fluids. V. 39. - N10. pp 2040-2050.
7. Khozhanov N.N., Tursunbaev Kh.I. Methodology for calculating the irrigation rate of agricultural crops. The scientific heritage
No 59 (2021), pp. 51-54
8. Assessment of the reliability of the automatic water level control system in the greenhouse / Bakirov S.M., Karpukhin R.K.// In
the collection: Modern problems and prospects for the development of construction, heat and gas supply and energy supply. Materials of the XII National Conference with International Participation. Saratov, 2022, pp. 255-259.
9. Effective solutions for automation of localized irrigation systems / Ostrovsky N.V., Vanzha V.V., Samoylyukov Yu.N., Bandurin
M.A., Degtyareva E.V. // Agrarian scientific journal. 2021. No. 11. P. 102-107.
10. Prototyping for the development of practical skills of students in automation and robotics / Bogdanov A.N., Danilov V.A., Hallyyev I.A. // In the collection: Proceedings of the 2022 4th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2022. 4. 2022.
11. http://www.rushydro.ru/hydrology/informer/
12. http://www.hydrology.ru/sites/default/files/Books/rd_52.08.869-2017.pdf
