Гидрометрия. Теория и практика измерения скорости течения воды в открытых каналах

Цивин М.Н., Абраменко П.И.

Цивин М.Н., Абраменко П.И.

ГИДРОМЕТРИЯ: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ В ОТКРЫТЫХ КАНАЛАХ

Киев ИГиМ 2003

2

УДК 532.517.4.001.5 Цивин М.Н., Абраменко П.И. Гидрометрия: теория и практика измерения скорости течения воды в открытых каналах. – К., ИГиМ, 2003 . – 109 с. В работе изложены основные сведения по одному из вопросов гидрометрии – измерение скоростей течения воды в открытых руслах. В первом разделе изложен традиционный подход к решению рассматриваемой задачи, в последующих разделах - рассматриваются особенности методики измерения кинематических характеристик турбулентного водного потока датчиками дискретного типа. Дается анализ погрешностей измерения датчиками дискретного типа, рассматриваются вопросы оптимизации приемного элемента. Подробно освещены аппаратные и программные средства для подсоединения рассматриваемых датчиков к персональному компьютеру и приведены алгоритмы и листинги необходимых для этого программ. Книга предназначена для сотрудников служб эксплуатации мелиоративных каналов, гидрометристов, студентов, магистров, аспирантов, научных работников, проводящих исследования водных потоков, как в лабораторных, так и в полевых условиях.

ISBN 966-96361-1-6 Рецензенты: Большаков В.А.

Иванов П.В.

доктор технических наук, профессор, Лауреат государственной премии Украины, заслуженный деятель науки и техники Украины (НТУ г.Киев) доктор технических наук, профессор, (НГМА, г.Новочеркасск)

© ©

Цивин М.Н. 20003 г. Абраменко П.И. 20003 г.

3

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................... 8 1. ОСНОВЫ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ .............................................................. 12 1.1. Общие сведения об организации гидрометрических наблюдений .......................................................................................... 12 1.2. Общие сведения о движении воды .................................. 13 1.3. Распределение скоростей в речном потоке ..................... 15 1.4. Классификация методов измерения................................. 17 1.5. Гидрометрические вертушки ........................................... 19 1.6. Основы теории гидрометрической вертушки ................. 21 1.7. Тарирование гидрометрических вертушек ..................... 26 1.8. Измерение расходов воды с помощью гидрометрических вертушек ............................................................................................. 32 1.9. Особенности измерения скорости течения воды в мелиоративных каналах ...................................................................... 39 2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛОПАСТНОГО ВИНТА ВЕРТУШЕК............................................................................... 41 2.1. Вступление......................................................................... 41 2.2. Измерение скорости слаботурбулизированного водного потока ............................................................................................. 41 2.3. Измерение скорости турбулентного водного потока ..... 45 2.4. Оценка длительности процесса измерения кинематических характеристик потока.............................................. 48 3. АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ЛОПАСТНОГО ВИНТА ВЕРТУШЕК ........................... 56 3.1. Приборы для измерения скорости потока....................... 56 3.2. Расчет электронного блока для измерения скорости водного потока ..................................................................................... 60 3.3. Генератор ........................................................................... 60 3.4. Усилитель........................................................................... 62 3.5. Формирователь .................................................................. 63 3.6. Интегратор ......................................................................... 64 3.7. Методика измерения осредненных и актуальных скоростей ............................................................................................. 66 3.8. Оценка погрешности измерения скоростей потока микровертушками ................................................................................ 52 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ДАТЧИКОВ ДИСКРЕТНОГО ТИПА .......................................................................... 70 4

4.1. Описание конструкции роторов микровертушек ........... 70 4.2. Компонентность микровертутиек .................................... 71 4.3. Тарировка микровертушек ............................................... 73 5. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ АКТУАЛЬНЫХ СКОРОСТЕЙ............................................................... 76 5.1. Введение............................................................................. 76 5.2. Методы подключения устройств сопряжения ................ 77 5.3. Варианты устройств сопряжения..................................... 79 5.4. Устройство сопряжения для вторичных приборов гидрометрических вертушек............................................................... 83 5.5. Разработка программного обеспечения низкого уровня 83 5.6. Разработка программного обеспечения высокого уровня. ............................................................................................. 91 5.7. Настройка программного обеспечения. .......................... 92 6. РАСЧЕТ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБУЛЕНТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ СКОРОСТИ ................................... 95 6.1. Оценка точности программно-аппаратного комплекса, как средства измерения частоты......................................................... 99 ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ................................................ 102

5

Перечень условных обозначений, символов, сокращений, терминов Условные обозначения D - диаметр лопастного винта; - геометрический шаг лопастного винта; kΓ n - число оборотов; i - число лопастей; D* =

D kΓ

A u0

uкн и uкк ∆n k J Lc ua

u′ u

T Сx

ρ

S

- относительный диаметр; - дисковое отношение; - начальная скорость вращения лопастного винта; - соответственно минимальное и максимальное значения критической скорости, для которых график тарировки сохраняет прямолинейный характер; - компонентность (при α = 40°); - гидравлический шаг лопастного винта; - момент инерции; - путь синхронизации (по Г.Х.Сабинину); - актуальная скорость; - пульсационная скорость; - осредненная местная скорость; - период наблюдения; - коэффициент сопротивления; - плотность воды; - площадь лопасти винта

Термины[14]: гидрометрия – раздел гидрологии суши, рассматривающий методы наблюдений за режимом водных объектов, применяемые при этом устройства и приборы, а также способы обработки результатов измерений; водоток – водный объект, характеризующий движение воды в направлении уклона в углублении земной поверхности; гидрологический пост – пункт на водном объекте, оборудованный устройствами и приборами для проведения систематических гидрологических наблюдений; уровень воды – высота поверхности воды в водном объекте над условной горизонтальной плоскостью сравнения;

6

объемный расход воды – объем воды, протекающий через живое сечение потока в единицу времени; гидрометрический створ – створ через водоток, в котором измеряются расходы воды и производятся другие виды гидрометрических работ; кривая расходов – кривая связи между расходами и уровнями воды для данного сечения водотока; уровнемер – прибор или устройство для измерения уровней воды; гидрологический расходомер – гидротехническое сооружение для измерения расходов воды в открытых водных потоках по устойчивой однозначной зависимости расхода воды от напора над сооружением; гидрометрический водослив – гидрологический расходомер, представляющее собой порог или перегораживающую русло стенку с вырезом особой формы для истечения воды; гидрометрическая вертушка – прибор для измерения скорости течения воды в водотоках и водоемах, отличительной особенностью которого является использование ротора или лопастного винта в качестве чувствительного элемента; компонентность – способность вертушки измерять местную скорость потока, направленную под углом к оси вращение винта(ротора) вертушки; дисковое отношение – отношение площади проекции винта (на плоскость, перпендикулярную его оси вращения) к площади круга, образуемого винтом, без учета площади ступицы.

7

ПРЕДИСЛОВИЕ Предлагаемое учебное пособие является кратким курсом гидрометрии (гидравлических измерений), посвященное одной из сложнейших проблем – измерение скорости течения воды в открытых руслах. Необходимость возврата к этому, на первый взгляд достаточно изученному вопросу, вызвана тем, что, как показал анализ учебных пособий по гидрометрии: В.Д.Быков, А.В.Васильев (1965, 1977), В.В.Орлова (1974), А.А.Лучшева (1983), Г.В.Железняков (1964, 1966, 1972, 1981), И.Ф.Карасев, И.Г.Шумков (1985), Е.Е.Овчаров, Н.Н.Захаровская (1986), Н.М.Константинов, Н.А.Петров, Л.И.Высоцкий (1987), подавляющее число научных положений, являющихся основой современной методики гидрометрии, были получены еще в 50 годах прошлого столетия. Сложный период социально-экономических преобразований в стране привел к тому, что за последние 20 лет в гидрометрию, особенно в раздел, посвященный измерению скорости воды в открытых канал, не было привнесено новых методик, позволяющих существенно рационализировать труд гидрометриста, повысить надежность полученных им результатов и т.д. Очевидно, что необходимо усовершенствовать методику измерения скоростей течения воды в натурных условиях, используя современные положения теории механики жидкости, современные аппаратные средства и современное программное обеспечение, что позволит сократить образовавшийся разрыв между методами измерения скоростей потока в натурных и в лабораторных условиях. Это авторы и попытались сделать в своей работе. В книге представлены общепринятые способы измерения скоростей течения потока гидрометрическими вертушками, обычно приводимые в учебниках по гидрометрии, наставлениях гидрометрическим станциям и постам и т.д., рассмотрены специальные вопросы, позволяющие учитывать влияние турбулентных характеристик потока на показания гидрометрических вертушек, даны рекомендации по разработке вторичной аппаратуры, алгоритмы и программы позволяющие автоматизировать процесс измерения и обработки данных, как в стационарных (лабораторных), так и в полевых условиях. При написании книги отдано предпочтение терминам и обозначениям, принятым в гидромеханике. 8

Книга написана авторами (Цивиным Михаилом Наумовичем, Институт гидротехники и мелиорации, г.Киев, Украина и Абраменко Петром Ивановичем, Новочеркасская гидромелиоративная академия, Россия) по результатам совместных многолетних исследований. Авторы выражают свою искреннюю благодарность кандидатам технических наук Кольченко О.Л. и Ткаченко Н.И. за неоценимую помощь в изготовлении и тестировании новых типов гидрометрических приборов, проведении лабораторных и натурных испытаний на водохозяйственных объектах Северного Кавказа, Ставропольского края, Ростовской и Волго-Донской областей.

9

ВВЕДЕНИЕ Эффективность гидрологических изысканий и научных исследований в области прикладной гидромеханики во многом зависит от методики исследования и уровня измерительной техники, позволяющей получить достоверную количественную информацию об изучаемых процессах и кинематических характеристик турбулентных потоков в частности. Совершенствованием методов измерения скорости течения турбулентных потоков ученые начали заниматься интенсивно со второй половины XIX века. Наиболее распространенным прибором для измерения пульсаций в турбулентном потоке (в лабораторных условиях) является термоанемометр с нагретой нитью, принцип действия которого основан на измерении тепловых потоков, отводимых от некоторого элемента, температура которого определяется по его сопротивлению. Разработано много модификаций этого прибора (анемометры с тлеющим или коронным разрядом, и импульсным нагревом нити, пленочные, термисторные и т.д.), но принцип работы у них остается общим. В настоящее время многие группы исследователей занимаются разработкой и совершенствованием методов, основанных на использовании лазера, в котором мгновенное значение скорости воды определяется по доплеровскому сдвигу частоты света, рассеянного на частицах, движущихся с жидкостью. Свое место в области исследования турбулентных пульсаций заняли методы визуализации, основанные на фотографировании траектории частиц или краски, когда о поле скоростей судят по длине штриха траектории индикатора, сфотографированного через стробоскоп. Перечисленные выше способы турбулентных характеристик потока предъявляют повышенные требования к качеству воды и предполагают использование дорогостоящего оборудования. Это делает весьма проблематичным использование этих методов при проведении исследований на русловых плановых или размываемых моделях и практически неприменимо их использование при проведении натурных исследований. В настоящее время при проведении таких видов исследований принято использовать для измерений осредненных скоростей датчики 10

дискретного типа (микровертушки), а для измерения мгновенных скоростей – динамические датчики, принцип действия которых основан на том, что величина деформации упругого элемента такого датчика зависит от величины скорости потока. Простота изготовления динамических датчиков и легкость регистрации их показаний, сделала такие датчики весьма популярными у исследователей. Однако такие датчики обладают рядом недостатков, к которым следует отнести следующие: 1. Узкий линейный диапазон графика тарировки. 2. Слабо разработана методика учета влияния «эффекта присоединенной массы» в случае высокотурбулентного потока. 3. Низкая собственная частота датчика. Перечисленные недостатки сделали невозможным применение динамических датчиков для измерения актуальных скоростей высокотурбулентного потока Авторы данной работы не отклоняют методы, основанные на использовании доплеровского эффекта (лазерные технологии) и термоанемометров. Однако их применение практически невозможно при проведении натурных исследований, а также при проведении исследований на русловых площадках, в обычных гидротехнических лотках, поэтому в данной работе эти методы не рассматриваются.

11

1. ОСНОВЫ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ 1.1. Общие сведения об организации гидрометрических наблюдений Гидрометрия – самостоятельный раздел гидрологии суши. Слово «гидрометрия» означает измерение жидкостей. Гидрометрия – это наука о методах и средствах определения величин, характеризующих движение и состояние жидкости, режим водных объектов. В задачи гидрометрии входят измерения: − уровней и глубин водных потоков − скоростей и направлений течений жидкости − расходов воды и наносов − гидравлических уклонов и других элементов водных объектов, характеризующих их режим. Гидрометрия естественных вод включает: − гидрометрию поверхностных вод суши (речная гидрометрия – потамометрия, глярия, озерная гидрометрия - лимнометрия и тельматометрия); − геогидрометрию (гидрометрию подземных вод); − морская гидрометрия (океанометрия, практическая океанология); − гидрометеорологию (измерение осадков и испарений). Наибольшее развитие в связи с гидротехническим строительством получила речная гидрометрия. Стремление к наиболее эффективному использованию водных ресурсов и более рациональной эксплуатации гидромелиоративных систем, гидротехнических сооружений, мостов, автомобильных дорого обусловило формирование эксплуатационной гидрометрии, причем наиболее развита ирригационная гидрометрия. Получила развитие инженерная гидрометрия, включающая гидрометрические работы в период строительства и ввода в эксплуатацию гидротехнических сооружений и мостов. Сюда относятся наблю12

дения за влиянием возводимых сооружений на гидравлические элементы потока, за воздействием потока на сами сооружения (на состояние и сохранность подводных частей); наблюдения за деформациями стесненного русла, в особенности вблизи сооружений, пропуском паводка и воздействием ледохода на сооружения; гидрометрические работы при перекрытии русл рек и переводе потока на водосбросные сооружения. Гидрометрия как научная дисциплина должна развиваться по следующим направлениям: разработка новых методов и развитие теории гидромеханики; использование новейших достижений физики в целях создания новых принципов и приборов для измерения элементов потока; автоматизация и механизация гидрометрических работ; разработка методов гидрометрии зарегулированных водотоков, эксплуатационной и инженерной гидрометрии.

1.2. Общие сведения о движении воды Определение скоростей течения воды необходимо при измерении расходов воды, а также при изучении речных течений для нужд судоходства и лесосплава, строительства мостов и гидротехнических сооружений, при изучении скоростного поля рек, озер, водохранилищ и других водных объектов, для решения ряда научных и практических задач. Приступая к рассмотрению вопроса об измерении скоростей течения воды, необходимо остановиться на современных представлениях о физической сущности самой измеряемой величины, т. е. скорости течения. В русловых потоках - реках, каналах, водохранилищах и др., в которых производятся измерения скоростей течения методами гидрометрии, наблюдается турбулентный режим движения воды, который характеризуется перемешиванием масс жидкости, вызывающим пульсацию скоростей, как по величине, так и по направлению. Причиной турбулентного перемешивания является возникновение вихрей на выступах шероховатости русла; вихри, отрываясь от выступов, проникают в толщу потока. В результате этого вся масса воды потока движется в условиях непрерывного перемешивания отдельных объемов воды. В связи с этим скоростное поле потока представляет собой сложную картину, непрерывно изменяющуюся во времени. Повороты русла, массивные выступы - валуны, крупные камни, пни и т.п., а также всевозможные русловые образования - песчаные гряды, перекаты и др., вносят дополнительные усложнения кинематической струк13

туры потока. При обтекании потоком выступов за ними образуются зоны завихрений, в которых давление может быть меньше гидростатического. В подобных случаях возможно возникновение обратных течений. Турбулентное движение воды характеризуется пульсацией скоростей. Современная измерительная аппаратура позволяет измерить и записать на любом магнитном носителе пульсационные изменения скорости во времени и по величине. Подобные измерения показывают, что пульсационные изменения происходят с большой частотой, причем на отдельные пики значительной амплитуды накладываются пики меньшей амплитуды, но большей частоты. Для примера приведем график пульсации продольных скоростей для определенной точки потока (Гончаров, 1962). По оси абсцисс (рис.1.) отложено время, а по оси ординат - величина скорости в процентах от ее значения, осредненного по времени. Анализ подобных графиков позволяет определять продолжительность и амплитуду отдельных пульсаций. Рис. 1. График пульсации продольных скоростей течения.

Установлено, что в открытых потоках амплитуда пульсации увеличивается от поверхности ко дну. В поперечном сечении потока .амплитуда пульсаций возрастает от динамической оси потока к берегам. Частота пульсаций мало зависит от положения точки в потоке и от размера потока. В связи с наличием пульсации скоростей различают мгновенную скорость и местную скорость в точке потока. М г н о в е н н о й ( а к т у а л ь н о й ) с к о р о с т ь ю (ua) называется скорость в данной точке потока в данное мгновение.

14

Мгновенная скорость, осредненная за достаточно продолжительный период времени, - устойчивая величина, она называется местной скоростью потока в данной точке и определяется выражением u=

1 u a dt. T T∫

При гидрометрических работах обычно измеряются местные скорости потока. Мгновенные скорости определяются, как правило, при проведении различных научно-исследовательских работ. При измерении местных скоростей в реках достаточно бывает осреднения во времени в течение нескольких минут; при замерах расходов воды измерение скоростей в отдельных точках производится в течение 100 сек1, а при большой турбулентности потока продолжительность измерений должна увеличиваться, о чем более подробно будет сказано ниже. Направления векторов местных скоростей в потоках могут сильно отклоняться от общего направления движения потока. Многочисленными наблюдениями установлено, что в реках даже при отсутствии препятствий, искажающих скоростное поле, отклонения скоростных векторов от общего направления потока могут достигать в отдельных точках живого сечения 45 - 60°.

1.3. Распределение скоростей в водном потоке Распределение скоростей течения воды в водном потоке может быть весьма разнообразным в зависимости от типа водотока, местных особенностей, уклона и строения русла. Будем в дальнейшем рассматривать распределение местных скоростей. При всем разнообразии указанных выше факторов существуют некоторые общие закономерности в распределении скоростей по глубине и ширине реки. Распределение скоростей на вертикалях. Рассмотрим распределение продольных скоростей на различных глубинах по вертикали. Если от направления вертикали откладывать величины продольных скоростей и соединить их концы плавной линией, то эта линия будет представлять собой профиль скоростей. Фигура, ограниченная профилем скоростей, направлением вертикали, линиями поверхности воды и дна потока называется эпюрой скоростей (Рис. 2). 1

Авторы книги считает это утверждение спорным, однако считают возможным его привести как общепринятое. Вопрос о длительности времени измерения рассмотрен в главе 2.

15

Рис. 2. Профили (эпюры) местных осредненных скоростей потока:

а) безнапорного;

б) напорного под ледяным покровом

В открытом потоке наибольшая скорость umax наблюдается обычно у поверхности воды. Скорость у дна потока имеет определенное конечное значение u D и называется донной скоростью. Профиль скоростей на вертикали в открытых потоках довольно хорошо описывается логарифмической кривой, например, соответствующей уравнению u u max

=

y+c c , h ln c

ln

где h - глубина на вертикали; u - местная скорость в точке, отстоящей ото дна на расстоянии у; с - параметр, зависящий от высоты выступов шероховатости ∆ и равный приближенно 0,06∆. Если измерить площадь эпюры скоростей и разделить ее на глубину потока, то получим величину, которая называется средней скоростью на вертикали и обозначается буквой UB. Средняя скорость на вертикали выражается зависимостью 1h U B = ∫ u dh h0

16

Наблюдениями и теоретическими исследованиями установлено, что средняя скорость на вертикали располагается на глубине от поверхности, равной примерно 0,6h. Многочисленные исследования распределения скоростей на вертикали, произведенные в различных условиях, показали, что очертания профиля скоростей могут быть весьма различными в зависимости от ряда факторов, а именно: конфигурации русла в плане, формы поперечного сечения, неровностей дна, влияния ветра, приливов, ледовых явлений, подпора и др. При значительных неровностях дна скорость у дна резко снижается. При ветре по течению поверхностные скорости могут увеличиваться, а уровень воды несколько понижаться; при ветре против течения наблюдается обратная картина. При наличии ледяного покрова влияние шероховатости нижней поверхности льда обусловливает смещение максимальной скорости на некоторую глубину от поверхности, обычно на 0,3- 0,4 глубины вертикали. Если, кроме кристаллического льда, имеется шуга, то смещение максимальной скорости вниз может быть еще более значительным, до 0,6 - 0,7 глубины вертикали. Подобно эпюрам скоростей на вертикалях, можно построить эпюру скоростей по ширине реки (например, поверхностных или средних скоростей на вертикалях). Очертания эпюры обычно следуют очертаниям дна; местоположение наибольшей скорости приближенно совпадает с положением наибольшей глубины. Представление о распределении скоростей в живом сечении дают линии равных скоростей - изотахи, которые вычерчиваются по данным измерения скоростей в отдельных точках. Для открытого потока изотахи обычно имеют вид плавных кривых, не замыкающихся в пределах живого сечения; по мере приближения ко дну расстояния между изотахами уменьшаются. При ледяном покрове часть изотах образует замкнутые кривые.

1.4. Классификация методов измерения Существует большое количество методов для измерения скоростей течения воды и приборов, действие которых основано на различных физических принципах. Здесь остановимся только на тех из них, которые применяются или могут быть использованы в гидрометрических работах. Метод, основанный на регистрации числа оборотов лопастного винта (ротора). Наиболее распространенные приборы для из17

мерения скорости течения - гидрометрические вертушки. При измерении скорости регистрируется общее число оборотов лопастного винта и продолжительность измерения. Величина скорости определяется по тарировочному графику в зависимости от числа оборотов в секунду. Посредством гидрометрических вертушек обычно определяется местная скорость течения в отдельных точках потока, хотя вертушки применяются и для интеграционного определения средней скорости на вертикали или, например, средней поверхностной скорости потока. Метод, основанный на регистрации скорости плывущего тела. Для измерения скорости используются различного рода поплавки, которые могут запускаться как на поверхность потока, так и на требуемую глубину. Скорость течения принимается равной скорости движения поплавка, которая определяется по времени прохождения поплавком определенного расстояния. Отсюда видно, что при поплавочных измерениях получаем значение скорости, осредненное для участка потока по траектории движения поплавка. Метод, основанный на регистрации скоростного напора. Для измерения скорости используются гидрометрические трубки различной конструкции, прообразом которых является трубка Пито (1732 г.). Скорость определяется в зависимости от скоростного напора, для этого трубка вводится в поток отверстием навстречу течению. Скоростной напор измеряется непосредственно по высоте подъема уровня в трубке. Гидрометрические трубки дают местную скорость в отдельных точках потока. Метод, основанный на регистрации силового воздействия потока. Для измерения скорости используются приборы, в которых имеется чувствительный элемент, воспринимающий силовое воздействие потока. В настоящее время подобные приборы применяются главным образом для научно-исследовательских работ с целью измерения и непрерывной записи значений скоростей в отдельных точках потока. Они позволяют исследовать пульсацию скоростей. Метод, основанный на принципе теплообмена. Для измерения скорости используются приборы, имеющие в качестве рабочего органа нагретый элемент, вводимый в поток. Скорость течения определяется в зависимости от быстроты охлаждения чувствительного элемента: чем больше скорость, тем выше темп охлаждения. Подобные приборы применяются для научных исследований, главным образом в лабораторных условиях; с их помощью измеряют скорости, обычно с непрерывной записью. 18

Метод, основанный на измерении объема воды, вошедшей в прибор за время наблюдения. В поток вводится прибор - батометр, входным отверстием навстречу течению, и выдерживается определенное время, после чего вынимается; измеряется объем воды, вошедшей в прибор. Скорость определяется по тарировочному графику в зависимости от объема воды, вошедшей за единицу времени. Этот способ почти вышел из употребления. Метод, основанный на применении ультразвука. При распространении ультразвуковых колебаний в движущейся среде, в частности в воде, скорость ультразвука относительно неподвижной системы координат равна векторной сумме скорости звука и скорости самой среды. Ультразвуковой метод применяется в настоящее время для измерений в закрытых трубопроводах расходов различных жидкостей, в том числе загрязненных, агрессивных и кристаллизующихся, а также пульп. В гидрометрии он пока широко не применяется. В настоящее время проводятся исследования и разрабатываются ультразвуковые приборы для измерения скоростей течения и расходов воды, как в лабораторных лотках, так и в реках. В настоящее время при гидрометрических работах на реках, водохранилищах, каналах измерение скоростей течения производится чаще всего гидрометрическими вертушками. Реже применяются поплавки, но следует отметить, что в последнее время поплавки получили широкое применение для измерения скоростей течения аэрометодами. Остальные из указанных выше методов и приборов употребляются главным образом при проведении научно-исследовательских работ, в основном в лабораторных условиях. Ввиду этого ниже главное место отводится описанию гидрометрических вертушек и работе с ними.

1.5. Гидрометрические вертушки Применение гидрометрических вертушек для измерения скорости течения воды позволило приступить к накоплению систематических сведений о режиме водных потоков. Гидрометрическая вертушка прочно вошла в практику и до сих пор является наиболее распространенным и одним из лучших приборов для измерения скоростей течения воды. Имеется очень много различных типов и конструкций гидрометрических вертушек. Современные вертушки различаются по ряду признаков: направлению оси вращения, устройству лопастного винта

19

пли ротора, устройству контактного и счетного механизмов, способу опускания вертушки в воду и пр. По направлению оси вращения различают вертушки с горизонтальной и с вертикальной осью. К первым относятся, например, ГР-21 и др., ко вторым - вертушка Прайса. По устройству лопастного винта или ротора вертушки подразделяются: − с лопастным винтом, образованным винтовой поверхностью; − с ротором, состоящим из конусообразных чашек; − с ротором в виде крылатки (некоторые типы морских вертушек, например ВМ-М). Большинство современных речных вертушек имеют лопастные винты, образованные винтовой поверхностью с параболической образующей - вертушка ГР-21 и др. Вертушки с чашечным ротором для речных гидрометрических работ применяются главным образом в США (вертушка Прайса). Форма лопастного винта или ротора имеет большое значение для правильного измерения скорости течения. По устройству счетно-контактного механизма различают: − вертушки с механическим счетчиком числа оборотов − вертушки с электрической сигнализацией. Большинство современных вертушек имеет электрическую сигнализацию, преимуществом которой является то, что вертушку не надо вынимать из воды для отсчетов. Примером вертушек с механическим счетчиком является морская вертушка ВМ-М. Кроме указанных, применяются и другие типы счетно-контактных устройств, например с применением фотосопротивлений и с записью показаний на бумажной ленте. Такие приборы применяются для измерений скоростей и направлений морских течений, но некоторые из них с успехом используются для работ на крупных реках и водохранилищах, например печатающий самописец БПВ-2р. Камеры контактного механизма вертушек с электрической сигнализацией в настоящее время делаются закрытыми и заполняются маслом. По способу опускания в воду вертушки подразделяются на штанговые (опускаемые на штанге) и тросовые (опускаемые на тросе). Большинство речных вертушек в настоящее время делаются универсальными, пригодными для работы со штанги и с троса. По расположению ротора вертушки на оси – консольные и осевые. К консольным относятся практически все основные типы гидрометрических вертушек – ВЖМ-3,Ж3, ГР-11, ГР-21М, ГР-55, ГР-99, 20

ВБ-57 и др. К осевым относятся в основном малогабаритные вертушки – ГР - 96, ЗИВХ и т.д., в том числе лабораторные гидрометрические микровертушки.

1.6. Основы теории гидрометрической вертушки Основные параметры и характеристики. Работа вертушки определяется взаимодействием потока и прибора. При измерении скорости используется зависимость между числом оборотов лопастного винта (ротора) в секунду и скоростью течения. В идеальном случае, т. е. при отсутствии трения в механизме вертушки и при отсутствии вязкости в жидкости, указанная зависимость выражается уравнением u = kΓ n,

(1)

где u - скорость движения воды; n - число оборотов лопастного винта в секунду; kГ - геометрический шаг лопастного винта, равный шагу винтовой линии, совпадающей с внешней кромкой лопасти; геометрический шаг лопастного винта определяется параметрами винтовой поверхности, образующей данный винт. Практически зависимость числа оборотов винта в секунду от скорости получается более сложной из-за наличия сопротивлений гидравлических и механических. Гидравлические сопротивления вызываются трением воды о поверхность лопастного винта, вихреобразованием у острых краев лопасти, а также нарушением скоростного поля потока и связанным с ним подпором от вводимого в воду прибора. Механические сопротивления вызываются трением в механизме вертушки. Зависимость (1) для реальных условий работы гидрометрической вертушки принимает сложный вид. Это связано в первую очередь с трудностью точного учета влияния указанных выше сопротивлений. Из многочисленных полуэмпирических уравнений выделяют, в основном, уравнение М Шмидта u = an + bn 2 + c ,

где a,b,c - параметры.

21

(2)

Данное уравнение вполне удовлетворительно отражает зависимость между скоростью и числом оборотов лопастного винта в реальных условиях работы вертушки. Графически это уравнение выражается гиперболой. При n = 0 - u = c = u 0 - начальной скорости вертушки. Н а ч а л ь н о й с к о р о с т ь ю называется такая скорость, при которой силовое воздействие потока на лопастный винт равно сопротивлению, при этом лопастный винт начинает вращаться неравномерно; при дальнейшем увеличении скорости вращение становится равномерным. Тогда уравнение (2) можно записать в виде u = an + bn 2 + u 02 .

(3)

При больших скоростях течения, когда можно принимать, что u0 существенно меньше и, уравнение (3) можно записать так:

(

)

u = a + b n = kn.

(4)

Здесь k имеет другое значение, чем в формуле (1), так как последнее уравнение отражает работу вертушки в реальных условиях. Поэтому будем называть этот коэффициент k гидравлическим шагом. Гидравлический шаг больше геометрического, так как в связи с наличием сопротивлений лопастный винт в водном потоке делает меньше оборотов в единицу времени при одной и той же скорости по сравнению с теоретическим числом оборотов. Гидравлический шаг определяется опытным путем при тарировании вертушек. Параметры a и b, входящие в приведенные уравнения определяются по следующим формулам[9]: a = k (0.99 − β ), (5) b = (kβ ) , 2

(6)

где β - параметр, определяемый по формуле В.Г.Железнякова[27], β = 6.9u 0 − 0.06 +

(2.3u 0 − 0.55)2 + 0.00058 .

(7)

Уравнение (3) отражает наличие на кривой зависимости u=f(n) двух участков: криволинейного и прямолинейного. Точку на кривой u=f(n), соответствующую переходу кривой в прямую, будем называть к р и т и ч е с к о й т о ч к о й . Скорость и число оборотов в секунду, соответствующие этой точке, также будем называть критическими. Прямолинейная зависимость u = kn сохраняется до некоторого предела, различного для разных вертушек. Затем линейность зависи22

Материалы взяты с сайта www.hydraulics.at.ua

мости нарушается: при некоторой скорости кривая отклоняется вверх. Скорость течения, соответствующую этой точке, в которой происходит поворот кривой вверх, будем называть в е р х н е й к р и т и ч е с к о й с к о р о с т ь ю (uвк). Установлено, что значение верхней критической скорости зависит от размеров канала (ширины и глубины), в котором испытывается вертушка, и от параметров лопастного винта (диаметра, геометрического шага и др.). Кроме того, значение верхней критической скорости зависит также от глубины погружения вертушки, что было установлено при испытаниях вертушки с чашечным ротором и вертикальной осью в большом буксировочном канале (по исследованиям А. В. Васильева). Следует иметь в виду, что зависимость u =f(n) при u>uвк изучена еще недостаточно. Ориентировочно верхнюю критическою скорость можно принимать (по данным Н. П. Бурцева): для вертушки Ж-3 - 5 м/с (то же для ВЖМ-3 и ГР-55), для вертушек ГР-21 и ГР-21М - 8 м/с (лопастный винт №1). Причинами отклонения кривой u = f(n) от прямолинейного направления при больших скоростях течения считают возникновение кавитации и интенсивное вихреобразование у ротора вертушки. Нижним пределом применения вертушек следует считать скорость, большую, чем начальная скорость. При малых скоростях погрешности измерения могут достигать значительных величин из-за относительно большого влияния механических и гидравлических сопротивлений. Нижним пределом применения гидрометрических вертушек считают скорость, равную удвоенной начальной скорости для данной вертушки. Как уже указывалось, лопастный винт начинает вращаться, когда силовое воздействие потока начнет превышать сопротивления. При дальнейшем увеличении скорости потока часть энергии будет затрачиваться на преодоление сопротивлений. В этом случае действительное число оборотов лопастного винта в единицу времени будет меньше теоретического. Это отставание называется скольжением лопастного винта; обозначим его ∆n . Тогда можно написать ∆n = n − n D ,

где n =

u - теоретическое число оборотов винта в секунду; nD - дейkΓ

ствительное число оборотов винта в секунду. В дальнейшем будем иметь дело с относительным скольжением винта, которое выражается зависимостью

23

S=

n − nD 100%. . n

Если скорость течения меньше начальной скорости вертушки, то относительное скольжение равно 100%, т. е. лопастный винт не вращается. При достижении критического значения скорости потока относительное скольжение лопастного винта становится постоянной величиной различной для разных вертушек. По исследованиям П. Н. Бурцева, для вертушки Ж-3 относительное скольжение винта становится постоянным при скорости потока около 0,6 м/с и составляет 1,5 - 2,0%, для вертушки ГР-21 - соответственно 0,5 м/с и 7-8%. При непараллельности их относительное скольжение увеличивается при возрастании угла отклонения. Так, по данным Бурцева, при угле отклонения 40° относительное скольжение винта может достигать 30 - 35%. Увеличение относительного скольжения винта вызывается главным образом радиальным давлением потока. Инерционностью вертушки называется способность лопастного винта следовать за изменениями скорости течения. Чем меньше инерционность лопастного винта или ротора вертушки, тем быстрее изменяется число оборотов при изменении скорости. Поэтому для регистрации пульсации скорости течения необходимо применять вертушки, обладающие малой инерционностью. Лопастные винты существующих вертушек обладают различной инерционностью; размер последней зависит от момента инерции винта. Наименьшим моментом инерции обладают лопастные винты вертушек ГР-55 и ГР-99. Они являются малоинерционными, вследствие чего их наиболее целесообразно применять в потоках с большой турбулентностью и при необходимости регистрации пульсации скорости. В последнем случае лучше применять вертушку ГР-99 с контактом через один оборот и записывать ее показания на хронографе. Лопастные винты вертушек ГР-21 и ГР-21М обладают относительно большой инерционностью, вследствие чего сглаживают пульсации скорости, поэтому применение их для регистрации пульсации скорости неэффективно. Зато применение их целесообразно в потоках с небольшой турбулентностью (равнинные реки). Компонентные свойства гидрометрических вертушек. Гидрометрическая вертушка должна обладать весьма важным качеством - измерять составляющую скоростного вектора по направлению оси вертушки при косоструйном течении. При измерении расхода воды на гидрометрических створах вертушки располагаются

24

(на штангах) так, чтобы ось вертушки была перпендикулярна направлению створа. Гидрометрическая вертушка, способная измерять проекцию скоростного вектора (компонент вектора), называется компонентвертушкой. Идеальная компонент-вертушка, ось которой направлена по нормали к створу, должна будет в этом случае регистрировать проекцию скоростного вектора u H = u cos α .

Применяемые в настоящее время гидрометрические вертушки не являются в полной мере компонентными. В косоструйном потоке они занижают значение проекции скоростного вектора. Ниже приведены результаты исследований компонентности основных типов гидрометрических вертушек выполненных в ГГИ[8] Таблица 1

Основные параметры и характеристики гидрометрических вертушек Тип вертушки Ж-З ВЖМ-3 ГР-21 ГР-21М ГР-55 ГР-11 ГР-11М ГР-99

Диаметр Геометрич. лопастного шаг, мм винта, мм № 1 120 № 2 120 № 1 120 № 2 120 № 1 120 № 2 120 № 1 120 № 2 120 № 1 70 № 2 70 № 1 60 № 2 60 № 1 70 № 2 70 80

250 500 200 500 200 500 200 500 110 200 110 200 110 200 130

Верхняя КомпонентНачальная критическая ность при скорость, скорость, м/ с α = 40° в % м/с 0,04 5,0 0-25 0,06 5,0 25-45 0,04 5,0 0-25 0,06 5,0 20-45 0,04 8,0 0-5 0,06 ~5,0 20-45 0,04 8,0 0-5 0,06 ~5,0 20-45 0,05 5,0 0-5 0,06 5,0 0-10 0,06 5,0 0-5 0,10 5,0 0-10 0,05 8,0 0-5 0,08 8,0 0-10 0,06 5,0 0-5

Из приведенных в таблице вертушек в настоящее время рекомендуются к применению на государственной гидрологической сети и в проектно-изыскательских организациях ГР-21, ГР-21М, ГР-55 и ГР-99.

25

Вертушки ГР-21 и ГР-21М характеризуются большой добротностью и износоустойчивостью, отличаются хорошими показателями компонентности (лопастный винт № 1). Но в то же время их лопастные винты имеют относительно большие моменты инерции, вследствие чего менее пригодны для измерений в потоках с большой турбулентностью (по сравнению с ГР-55 и ГР-99). Оптимальные условия их применения - равнинные реки. Вертушки ГР-55 и ГР-99 имеют более легкие лопастные винты, обладающие относительно малым моментом инерции и в то же время хорошими компонентными свойствами. Поэтому они пригодны для измерений в потоках с большой турбулентностью: на горных реках, в водоводах гидротехнических сооружений, в нижних бьефах. Они не менее эффективны и в условиях малой турбулентности, в частности на равнинных реках.

1.7. Тарирование гидрометрических вертушек Тарированием называется определение зависимости между скоростью течения и числом оборотов лопастного винта в секунду, производимое опытным путем. Тарированию подвергаются все вновь изготовленные вертушки, в результате для каждой составляется тарировочное свидетельство, являющееся необходимым документом вертушки. В процессе эксплуатации вертушек детали их механизмов изнашиваются, в связи с чем постепенно изменяются механические сопротивления, а, следовательно, нарушаются данные первоначального тарирования. Кроме того, в процессе работы возможны повреждения отдельных частей вертушки и в первую очередь лопастного винта. При этом также изменяются тарировочные данные. В указанных случаях должно проводиться повторное тарирование. В практике работ Гидрометслужбы установлены следующие сроки повторного тарирования вертушек, находящихся в условиях нормальной эксплуатации, независимо от количества проведенных измерений: вертушки с масляной камерой ГР-21, ГР-21М, ГР-55 -один раз в два года. В случае явных повреждений вертушки сразу должны отправляться в ремонт и на тарирование. Тарирование вертушек производится в неподвижной воде путем буксировки их с различными скоростями. Такой метод тарирования является общепринятым, хотя при этом вертушка работает в условиях, отличных от условий ее работы в турбулентном потоке. Силовое воздействие набегающего потока при турбулентном режиме отлича26

ется от воздействия неподвижной водной среды на перемещающуюся вертушку: в первом случае давление потока на лопастный винт больше, чем во втором. Как отмечается в учебниках по гидрометрии [9, 49], эта разница мала, и практически считается допустимым тарировать вертушки не в турбулентном потоке, а путем буксировки их в неподвижной воде. Расхождения между результатами тарирования в потоке и неподвижной воде находятся в пределах принятых в гидрометрии погрешностей. Кроме того, тарирование в проточной воде вносит некоторую неопределенность, так как потоки обладают различной степенью турбулентности. Утверждение о том, что расхождение между результатами тарирования в потоке и неподвижной воде находятся в пределах принятых в гидрометрии погрешностей, спорно и авторы книги его не разделяют. В частности, Г.В.Железняков [27, стр.100] отмечает, что осредненная местная скорость потока, регистрируемая вертушкой всегда больше действительной скорости. Можно предположить, что данные тарировки в неподвижной воде можно использовать для измерения скоростей потока, если уровень турбулентности в потоке не превышает 10%. Более подробно данный вопрос рассмотрен авторами книги в разделе «Гидромеханический анализ работы лопастного винта». Тарирование вертушек производят в специальных каналах и бассейнах, которые называются тарировочными. Их устройство бывает различным: прямолинейные, круговые, кольцевые и т. д. Лучшими принято считать прямолинейные каналы. Для достижения достаточной точности тарирования эти каналы должны отвечать определенным требованиям. Длина канала определяется в соответствии с наибольшей скоростью, с которой должна двигаться тележка с вертушкой, с учетом участков разгона и торможения. На точность тарирования оказывает влияние размер поперечного сечения канала, при этом ширина оказывает большее влияние, чем глубина. Исследованиями установлено, что изменение ширины перестает влиять на результаты тарирования при ширине около 3 м. Однако для практических целей с учетом требуемой точности измерений скорости считается допустимым делать тарировочные каналы меньшей ширины. На точность тарирования оказывает влияние расположение вертушки относительно поверхности воды, стенок и дна канала. Близость вертушки к стенкам и ко дну вносит погрешности в результаты; опытным путем определено, что прибор должен находиться в середи-

27

не канала, на расстоянии не менее 60 см от поверхности, от дна и от стенок. Прямолинейные тарировочные каналы имеют прямоугольное поперечное сечение. Дно и стенки делаются бетонными, гладкими. Вдоль стенок прокладывается рельсовый путь, по которому двигается буксировочная тележка. Для повышения точности тарирования необходимо, чтобы рельсовый путь обеспечивал исключительно плавный ход тележки. Для этого рельсы укладывают весьма тщательно, стыки сваривают и зашлифовывают; горизонтальность поверхностей рельсов проверяется нивелировкой, а расстояние между ними - шаблоном. Движение тележки осуществляется с различными скоростями с помощью электродвигателя. Для определения скорости применяется тахометр (специально для целей тарирования тахометр сконструирован С. К. Пукенисом); с помощью тахометра можно правильно назначать задаваемые скорости тарирования. Тарируемая вертушка укрепляется на тележке с помощью штанги или, если это нужно, на тросе. Для регистрации пройденного расстояния вдоль рельсового пути устраиваются специальные выступы, служащие для замыкания контактов при движении тележки; расстояние между ними принимается 0,5-2,0 м. При каждом замыкании регистрируются отметки пути и, следовательно, пройденное расстояние. Данные тарирования автоматически записываются на ленте хронографа. Синхронно регистрируются сигналы вертушки, отметки времени (секунды) и отметки пути. Обработка хронограммы позволяет получить скорость перемещения вертушки l t

u=

(где l - путь, пройденный вертушкой; t - время, за которое пройден путь) и число оборотов лопастного винта в секунду n=

N t

(где N - общее число оборотов лопастного винта за время t). Для каждого заезда устанавливаются различные скорости, начиная от наименьших скоростей, для определения начальной скорости вертушки. Начальную скорость обычно определяют так. Тележку передвигают со скоростью, при которой лопастный винт начинает равномерно вращаться; затем скорость уменьшают до значения, при котором лопастный винт вращается неравномерно, с перебоями. Эта скорость и принимается за начальную скорость вертушки. Обычно

28

начальную скорость определяют дважды: в начале и в конце тарирования; за окончательный результат принимают среднее значение. Всего делают 12-15 заездов, при этом учитывают, что участок тарировочной кривой до критической скорости, т. е. криволинейный, должен быть освещен подробнее. Рекомендуются следующие скорости заездов: 0,06; 0,08; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25; 0,50; 1,00; 1,50; 2,00; 2,50 м/с. Чаще всего ограничиваются скоростью 2,5 м/с, так как этого достаточно для измерений на равнинных реках, тем более, что кривая может быть экстраполирована на прямолинейном участке вверх до скоростей примерно 5 м/с. В необходимых случаях производят тарирование до больших скоростей. Тарировочные каналы имеются в разных городах. Например, тарировочной канал тбилисского завода «Гидрометприбор» имеет длину 80 м, ширину 2 м и глубину 2 м. Рабочий участок канала, на котором производится тарирование, около 40 м, так как для разгона и торможения тележки при больших скоростях необходимо около 20 м. Аналогичный тарировочной канал, только с иными рабочими размерами имеется в г.Аксае Ростовской области. Тарировочный канал ГГИ расположен в закрытом помещении и представляет собой железобетонный лоток длиной 150 м, шириной 4 м и глубиной 3,2 м. Канал имеет хорошо оборудованную тарировочную тележку, двигающуюся по рельсовому пути с заданной равномерной скоростью в диапазоне от 0,01 - 0,02 до 6,00 м/с. В г. Каунасе тарировочная станция сделана на пруду. Вдоль берега устроена эстакада на бетонных опорах длиной 73 м с рельсовым путем, по которому движется тележка. Штанга с вертушкой укрепляется на консоли; подъем, опускание и повороты штанги механизированы и автоматизированы. Тележка может двигаться со скоростью от 0,03 до 4,00 м/с. Вдоль эстакады имеются две линии замыкателей контактов: для малых скоростей через 0,5 м и для больших скоростей через 2,0 м. Разгон тележки незначителен, заданная скорость устанавливается почти с места. Для торможения при скорости 2-3 м/с нужно расстояние 5 м (при сухих рельсах). За скоростью движения тележки тарировщик может следить по тахометру конструкции Пукеииса. В г.Новочеркасске (НГМА) тарировочная установка выполнена в виде круглорадиального конфузора, в головной части которого установлен бак постоянного напора.. В горизонтальной призматической части конфузора устанавливается гидрометрическая вертушка. Скорость в тарировочной установке меняется путем изменения расхода воды, пропускаемого через установку. Устанавливая перед входом в 29

конфузор различного типа турбуленизирующие решетки можно моделировать влияние уровней турбулентности на показания гидрометрической вертушки. В США большинство вертушек тарируется в бюро стандартов, тарировочной канал которого имеет длину 121,9 м, ширину 1,83 м и глубину 1,83 м; канал оборудован совершенными устройствами для регистрации сигналов вертушки, времени и пути. Тарирование может производиться в круговых и кольцевых бассейнах. Первые из них представляют собой заполненный водой цилиндрический бассейн. При тарировании вертушка опускается в воду на штанге, укрепленной на горизонтальной стреле, вращающейся вокруг оси, расположенной в центре бассейна. В настоящее время тарирование в таких бассейнах почти не производят. Кольцевой бассейн состоит из двух концентрически расположенных цилиндров, пространство между которыми заполнено водой. В центре бассейна на фундаменте укреплена карусель с несколькими штангодержателями, на которых закрепляются штанги с тарируемыми и образцовыми вертушками. Карусель вращается с различными скоростями с помощью электродвигателя. Минимальные размеры бассейна для обеспечения требуемой точности тарирования: диаметр наружного цилиндра 5,0 м, внутреннего 3,0 м, высота цилиндров 1,3 м, глубина воды 1,0 м. Тарирование в кольцевых бассейнах производится методом сравнения, т. е. путем сравнения показаний испытываемой вертушки с показаниями образцовой вертушки (эталона), которая предварительно подвергается тщательной поверке и тарированию в прямолинейном канале. В кольцевых бассейнах при движении вертушек возникает попутный поток, кроме того, направление оси вертушки не совпадает с направлением движения, так как вертушка направлена по касательной; все это не позволяет вести непосредственное тарирование. В этом случае следует применять указанный выше прием. Тарирование методом сравнения производится также в лотке системы В. А. Урываева, в котором вода циркулирует по замкнутому трубопроводу. Для обеспечения равномерного движения воды в рабочей, верхней части лотка в нем устроены направляющие лопатки и решетки. Тарируемые и образцовые вертушки устанавливаются в рабочей части лотка через герметично закрываемые люки. Сигналы вертушек записываются на хронографе. Для более точного определения начальных скоростей вертушек в воду пускается краска; наблюдая в

30

смотровое окно, можно при встрече красочного облачка с лопастным винтом легко заметить его первые подвижки. К недостаткам лотка Урываева следует отнести то, что результаты тарирования зависят от расположения тарируемой вертушки относительно образцовой (слева или справа). В институте гидротехники и мелиорации (г.Киев) тарировочная установка выполнена в виде успокоительного бака постоянного напора в боковой стенке которого установлена круглоцилиндрическая затопленная насадка, профиль которой подобран из учета условий безотрывного протекания потока. Данная установка предназначена для тарировки только лабораторных микровертушек. Обработка результатов тарирования вертушек может производиться графическим и аналитическим способами. Данные тарирования представляют собой таблицу парных значений скоростей и соответствующих чисел оборотов лопастного винта в секунду. В настоящее время применяется преимущественно графический способ ввиду его простоты и наглядности. Он заключается в том, что по данным тарировочной таблицы вычерчивается кривая u = f(n). На оси абсцисс откладывают число оборотов в секунду, а по оси ординат - соответствующие скорости в м/с. Нижняя ее часть, соответствующая малым скоростям, вычерчивается дополнительно в более крупном масштабе. При тщательном тарировании и исправной вертушке точки ложатся очень правильно, и по ним без затруднений проводится линия. Разброс точек может получиться или в результате недостатков тарирования, или при неисправности вертушки; такие данные бракуются. Аналитический способ обработки заключается в подборе уравнений тарировочной кривой. Как было сказано ранее, тарировочная кривая разделяется на криволинейный и прямолинейный участки. Криволинейный участок аналитически описывается уравнением (3) u = an + bn 2 + u 02 ,

где a и b - параметры, определяемые по формулам (5) и (6); u0 - начальная скорость вертушки по данным тарирования. Прямолинейный участок выражается уравнением прямой (4), проходящей через начало координат, u = kn , где k - гидравлический шаг лопастного винта; n - число оборотов в секунду.

31

Подбор уравнений начинают с определения коэффициента β по формуле (7). По найденному значению β можно определить критическую скорость, соответствующую переходу криволинейного участка кривой в прямолинейный; для этого пользуются эмпирической формулой Г. В. Железнякова. u0

u k = 7 .1

β

.

Зная uk, можно по тарировочной таблице отобрать значения скоростей, больших uk, относящиеся к прямолинейному участку, и соответствующее им значение числа оборотов в секунду. По этим данным определяют гидравлический шаг по формуле k=

∑u , ∑n

где Σu - сумма значений скоростей, больших uk; Σn - сумма значений числа оборотов при u>uk. Находят уравнение прямолинейного участка, подставляя полученное значение k в уравнение u = kn. Для нахождения уравнения криволинейного участка определяют значения входящих в него параметров α и β по приведенным ранее формулам. Сделать это не трудно, так как входящие в них значения k и β известны. Заметим, что гидравлический шаг равен тангенсу угла наклона прямолинейного участка тарировочной кривой к оси абсцисс. Тарировочная кривая является официальным документом вертушки. Для практических целей, например при измерении скоростей в полевых условиях, составляют специальную таблицу для определения скоростей по числу оборотов в секунду. Это удобно в работе и способствует сохранению тарировочной кривой. Таблица составляется на основе тарировочной кривой: основные значения берут непосредственно с кривой, а промежуточные значения определяют путем прямолинейной интерполяции.

1.8. Измерение расходов воды с помощью гидрометрических вертушек Выбор участка реки. Основные требования к участку реки для измерения расхода воды совпадают с требованиями, предъявляемыми к участку для водомерных наблюдений, но имеются и дополнительные требования.

32

Для обеспечения достаточной точности измерения расхода необходимо, чтобы на выбранном участке наблюдалось равномерное движение воды. Как в коренном русле, так и на пойме течение воды должно иметь общее направление по всей ширине. Скорости течения в межень не должны быть менее 0,15…0,25 м/с, чтобы их можно было измерять вертушкой с достаточной точностью. В периоды половодий и паводков желательно, чтобы скорости течения не превышали 3,0…4,0 м/с. На участке водотока не должно быть зон со стоячей водой или обратными течениями. Зимой на участке должен образовываться сплошной ледяной покров, без полыней, или же река не должна замерзать вовсе. Кроме того, по возможности надо выбирать участок, где в зимний период не образуется шуга, скапливающаяся под ледяным покровом. Следует обращать внимание на то, чтобы на участке не наблюдалось неустановившееся движение воды от расположенных выше гидротехнических сооружений, а также чтобы участок не находился в условиях переменного подпора от сооружений, расположенных ниже по течению. В реальных условиях трудно найти участок реки, где бы выполнялись все эти условия, но во всех случаях необходимо стремиться к возможно более полному соответствию участка перечисленным требованиям. При выборе участка для проведения временных работ достаточно, чтобы участок был удобным для выполнения измерений в данном сезоне года. Определение направления гидрометрического створа. Гидрометрическим створом называется поперечник через реку, в котором измеряются расходы воды. Для правильного определения расходов воды требуется на выбранном участке реки назначить направление гидрометрического створа так, чтобы поперечное сечение потока по линии створа было расположено нормально к среднему направлению течения. В первом приближении этому условию удовлетворяет створ, разбитый на глаз перпендикулярно общему направлению реки, ориентируясь на направления берегов. В экспедиционных условиях разбивка гидрометрического створа, служащего для разовых определений расходов на прямолинейных участках рек шириной приблизительно до 100 метров с видимо параллельно струйным течением, может производиться глазомерно. Направление створа, предназначенного для систематических измерений, должно быть определено более точно. 33

На реках, имеющих широкую пойму, направление меженного створа (в основном русле) может не совпадать с общим направлением течения на пойме, образуя с ним некоторый угол. При угле менее 10° можно назначать одно направление створа для русла и для поймы; при угле более 10° направление створа назначают в виде ломаной линии, каждый отрезок которой перпендикулярен направлению течения пересекаемой им части русла. На участках, имеющих русло, расчлененное на протоки, створы разбиваются отдельно в основном русле и в протоках, при этом полный расход определяется как сумма частичных расходов. Как правило, на участке измерений стараются назначить один гидрометрический створ, совпадающий со створом водомерного поста или находящийся вблизи него. Однако в некоторых случаях возникает необходимость иметь два, а иногда и три створа. Это связано с тем, что в различные периоды года могут существенно изменяться условия протекания воды: период половодья, при развитии водной растительности, при возникновении ледяных образований и т.п. Каждый створ в этом случае назначается с соблюдением указанных выше условий, а также с учетом того, чтобы между створами не было изменения стока, например, впадения притоков, водозаборных сооружений и пр. Если гидрометрический створ будет удален от створа основного водомерного поста, то необходимо устроить водомерный пост при гидрометрическом створе. За нуль графика поста на створе желательно принимать ту же отметку, что и на основном водомерном посту. Ввиду того, что условия протекания воды могут со временем изменяться, необходимо проверять правильность направления гидрометрического створа. На реках с устойчивым руслом изменение направления или перенос створа производится сразу же, как только гидрометрический створ перестает удовлетворять требованиям достаточно точного измерения расхода. Следует иметь в виду, что с изменением уровня воды изменяется косоструйность течения, причем эти изменения бывают различны в разных местах потока. В основном русле изменения косоструйности обычно меньше, а при выходе воды на пойму - больше, особенно на пойменных участках. Выбирать направление створа рекомендуется из условия, чтобы косина струй не превышала 30° по отношению к нормали к направлению створа. Если косина струй на отдельных вертикалях больше, то целесообразно выбрать новый створ. 34

При измерении скоростей течения на вертикалях компонентными вертушками (ГР-99, ГР-21, ГР-55) на штанге вертушку располагают нормально к линии створа, при этом косина струй учитывается автоматически соответственно компонентности применяемой вертушки. При применении для измерения скоростей вертушек, на тросе необходимо измерять также угол между осью вертушки и нормалью к линии створа, при этом проекция скорости определяется умножением измеренной скорости на косинус угла. Не останавливаясь здесь на способах определения углов, укажем, что в подобных случаях лучше всего применять измеритель течений ГР-42, позволяющий одновременно измерять скорость и угол. Косина струй менее 10°, как правило, не учитывается, так как при этом ошибка измерения расхода не превысит 1,5%. Назначение и закрепление скоростных вертикалей на створе. Количество скоростных вертикалей и распределение их по створу назначается в зависимости от ширины реки и очертания линии дна. Выбор способа измерения. При измерении расхода воды применяют следующие способы: детальный, основной, сокращенный и ускоренный. Детальный способ предусматривает многоточечное измерение скоростей на большом числе вертикалей. Он применяется для изучения особенностей скоростного поля потока и на вновь открываемых створах в первые два-три года. При детальном способе расстояния между скоростными вертикалями назначаются через равные промежутки по ширине реки (табл. 2.) Таблица 2

Зависимость расстояний между скоростными вертикалями от ширины реки Ширина реки, м Менее 20 20 - 30 30 - 40 40- 60 60-80 80 -100

Расстояние между вертикалями, м 0,5 - 2,0 2,0 3,0 4,0 6,0 8,0

Ширина реки, м 100 – 200 200 – 300 300 – 500 500 – 800 Более 800

Расстояние между вертикалями, м 10 20 30 40 50

При наличии резких переломов профиля дна скоростные вертикали необходимо приурочивать к этим переломам. На пойме реки 35

при спокойном рельефе вертикали располагают реже, чем в основном русле, но в русло образных понижениях поймы, где могут быть обособленные потоки, скоростные вертикали располагают через одну две промерные вертикали. Основной способ предусматривает измерение расхода при возможно меньшем количестве скоростных вертикалей (но не менее пяти) и точек на вертикали (две-три) при условии, что результаты измерения расходов основным способом будут отличаться от расходов, измеренных детальным способом, на более чем на ±3%. Количество скоростных вертикалей и их распределение по створу устанавливается на основании анализа 20-30 расходов, измеренных детальным способом в разные сезоны года при различных уровнях. Для анализа строят для каждого расхода эпюры распределения средних скоростей на вертикалях по ширине реки. На основании анализа эпюр намечают сокращенное число вертикалей с таким расчетом, чтобы построенные по ним эпюры распределения средних скоростей по ширине реки не отличались существенно от эпюр, построенных по всем вертикалям. В результате анализа количество скоростных вертикалей уменьшается примерно вдвое по сравнению с предварительно установленным их числом. Сокращенный способ предусматривает определение расхода при одной или двух точках на вертикали при свободном русле и двух-трех точках при ледоставе или заросшем русле. Количество и расположение скоростных вертикалей и точек измерения скоростей на них устанавливается на основании тщательного анализа данных, полученных в результате измерений расходов воды детальным и основным способами. Применение сокращенного способа целесообразно на реках с устойчивым руслом, когда необходимы частые и быстрые измерения расходов при неустановившемся движении воды. Если в последующем будет обнаружено изменение формы поперечного профиля или же изменение формы эпюры распределения скоростей по ширине реки, то необходимо провести повторное исследование и при необходимости изменить расположение и количество скоростных вертикалей. Ускоренное измерение расхода применяется в случаях, когда необходимо произвести измерения как можно быстрее: при резких колебаниях уровня (более 10 см в час), интенсивной деформации русла. Такие явления обычно наблюдаются при прохождении паводков. При этом продолжительность измерения скорости в точке сокращает36

ся до 30 с. При малых скоростях течения, когда сигналы поступают реже, чем через 30 с, выдержка вертушки в точке ограничивается временем между двумя сигналами. Ускоренное измерение можно применять при детальном, основном и сокращенном способах. Способ закрепления положения скоростных вертикалей на створе зависит от ширины реки и оборудования створа Продолжительность наблюдений в точках на вертикали. В результате наблюдений необходимо получить для каждой точки величину местной скорости, следовательно, продолжительность измерения должна быть в каждой точке достаточной для осреднения во времени пульсационных изменений скорости. Амплитуда пульсационных изменений скорости связана со степенью турбулентности потока: на бурных горных реках она выше, чем на спокойных равнинных реках. В каждом случае пульсация увеличивается от середины потока к берегам и от поверхности ко дну. Поэтому для получения величины местной скорости с достаточным осреднением во времени при малой степени турбулентности потока требуется меньшая продолжительность наблюдения, чем при большой степени турбулентности. Продолжительность измерения t0 местных скоростей и зависит от величины пульсационной скорости ∆u = u − u . Измеренная за некоторый промежуток времени скорость тем ближе к действительной осредненной местной скорости u , чем больше продолжительность ее измерения. Разные измерители скорости по-разному ее осредняют. Чтобы определить оптимальное время t0, при котором скорость u находят с необходимой точностью, измерения проводили главным образом гидрометрическими вертушками с различной продолжительностью и в различных условиях. Подсчитанные средние относительные пульсационные скорости ∆u u и были приняты за ошибку измерения скорости u. При этом скорость измеряли в течение различных ограниченных промежутков t (10, 20, 30 сек и более), а u усредняли за длительное время (10 и более мин). В результате установлено, что ∆u u убывает с увеличением t, возрастает по мере приближения к границам потока (дну и берегам, нижней поверхности льда и пр.) и убывает с увеличением скорости u. Таким образом и были установлены нормы измерения местных скоростей течения воды. За стандартную величину принято t=100 сек. Рекомендованы измерения: 1) с регистрацией времени поступления отдельных сигналов вертушки и 2) с регистрацией только об37

щего времени t0. Первый способ дает возможность проследить влияние пульсации скорости и одновременно решить вопрос о желательности увеличения t0 в ходе измерений. Расхождение во времени за

первый и второй полупериоды t 0 2 измерений допускается не более 5 сек. В каждом полупериоде должно быть одинаковое число оборотов лопастного винта. Следует иметь в виду, что при большой турбулентности (горные реки) и при измерении скоростей у дна (в особенности размываемого) выдержка t0 = 100 сек. недостаточна для измерения скоростей с точностью 2%. Увеличение выдержки t0 может достигать 10 мин. Ускоренное измерение местных скоростей имеет практическое значение при изучении неустановившегося движения воды в нижних бьефах плотин (попусковые волны), при измерении расходов воды во время паводка с быстрым подъемом и спадом уровней и пр. И.В.Карасев и И.Г.Шумков[36] считают, что оптимальная продолжительность времени измерения в турбулентном потоке зависит от заданной точности измерения скорости в точке. Считая, что пульсационная погрешность осреднения скорости может быть выражена следующей зависимостью σΠ ≈ σu 2

τK T

,

где σ u - корень квадратный из относительной дисперсии скорости; τк время корреляции. Отсюда задавшись допустимой погрешностью σ Π = ∆ доп можно найти необходимую продолжительность измерения  σ T ≥ 2  ∆ доп

2

  τ K . 

Для равнинных рек σп ≈ 8…12%, τк ≈10…15 сек [36]. Тогда при ∆=3…5% продолжительность измерения составить от 52 до 480 сек. Учитывая, что в Наставлениях [46] рекомендованное время измерения составляет 100 сек, то расхождение достигает 5 раз. Следует отметить, что величина параметра τк, в свою очередь, зависит от разрешающей способности первичного прибора, так и о разрешающей способности вторичной аппаратуры, то реальное время измерении может колебаться в очень широком диапазоне. Вопрос о выборе времени измерения осредненных скоростей турбулентного потока рассматривается ниже (см. раздел «Гидромеханический анализ работы лопастного винта»). 38

1.9. Особенности измерения скорости течения воды в мелиоративных каналах В практике эксплуатации гидромелиоративных каналов чаще всего приходиться решать следующие задачи: − определение расхода води проходящего на данном участке канала; − определение расхода води непосредственно за водорегулирующим гидротехническим сооружением, с целью тарировка сооружения. Если первая задача достаточно традиционная и может быть выполнена в соответствии с требованиями, изложенными в Наставлении [46], то вторая задача бывает трудно реализуемой. Суть данной задачи заключена в следующем: необходимо установить взаимосвязь между параметрами водорегулирующего сооружения (уровнем воды в верхнем и нижнем бьефе сооружения, степень открытия затвора) с величиной пропускаемого расхода. Первая проблема возникает с определением местоположения гидрометрического створа. Створ должен быть расположен в отводящем канале за водорегулирующим сооружением. Однако при его выборе перед гидрометристом возникают две противостоящие задачи: − с одной стороны створ желательно расположить как можно ближе к водорегулирующему сооружению, что бы до минимума уменьшить потери воды на участке от сооружения до гидрометрического створа, особенно потери на фильтрацию; − с другой стороны створ необходимо отнести как можно дальше от сооружения, так поток в нижнем бьефе водорегулирующего сооружения, обладает высокой турбулентностью, которая существенно влияет на показания гидрометрической вертушки. Вторая проблема, возникающая перед гидрометристом – выбор оптимального времени измерения. Как пишет Г.В.Железняков[27]: «Продолжительность измерения местных скоростей зависит от величины пульсации скорости. За стандартное значение… принято t = 100 сек (при измерении скоростей вертушкой). При большой турбулентности и при измерении скоростей у дна выдержка 100 сек. недостаточна. Увеличение выдержки может достигать 10 мин». При проведении гидрометрических работ замер скоростей по сечению необходимо проводить за минимально короткое время, так как на магистральном канале во время замера может произойти под-

39

ключение (отключение) потребителя воды, что изменить все расходные характеристики, как в основном, так и отводном каналах.

40

2. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ЛОПАСТНОГО ВИНТА ГИДРОМЕТРИЧЕСКОЙ ВЕРТУШЕК 2.1. Вступление Для любого типа вертушек тарировочный график связи между скоростью потока и частотой вращения ротора вертушки сохраняет линейный характер в широком диапазоне изменения скоростей, что является одним из основных достоинств этого датчика. Однако, как отмечает М.А.Великанов [11], вертушка обладает рядом недостатков, к которым он относит следующие: 1. Большие размеры и форму, способствующую нарушению скоростной структуры потока в сравнительно большом объеме. Отсчет может быть дан лишь через каждый оборот вертушки (в крайнем случае, через пол оборота), а поэтому результат измерения является сглаженным с периодом равным времени одного оборота вертушки. В связи с этим такие датчики можно отнести к датчикам дискретного типа. 2. Сравнительно большая инерционность вертушки. Несмотря на перечисленные недостатки, М.А.Великанов отмечает, что "...вертушка все же не может быть в настоящее время выведена из практики в отношении измерения пульсаций скоростей, и в особенности для рек, мы лучшего измерительного прибора не имеем и едва ли скоро будем иметь, а во-вторых, простота конструкции прибора, а, следовательно, и ухода и обращения с ним, а. главное, полная определенность тарировки... сохраняют ценность этого прибора иногда даже и в лабораторной практике" [11, стр.141-142] . Это утверждение М. А. Великанова не потеряло актуальности и в настоящее время.

2.2. Измерение скорости низко турбулентного водного потока В реальных условиях водный поток обладает достаточно высоким уровнем турбулентности. Как было отмечено, с возрастанием 41

скорости течения воды относительный уровень турбулентности понижается и, к примеру, на быстротоках, влиянием турбулентности на показания гидрометрических приборов можно пренебречь. Однако на естественных водотоках и мелиоративных каналах скорости течения относительно невелики, поэтому пренебрежение влиянием турбулентности на работу гидрометрических приборов может привести к существенным ошибкам. Рассмотрим работу ротора гидрометрической вертушки в реальных условиях. Исходное тарировочное уравнение вертушки при установившемся движении можно получить путем решения уравнения моментов, имеющего вид: M B = MC + M K + MT ,

где

MB МC=KCρn2 MK=KKn2 МT KC и KK Н.Н.Алтай [1] дующего вида:

(8)

- вращающий момент лопастного винта; - момент гидравлического сопротивления; - момент трения скольжения; - момент трения покоя; - коэффициенты пропорциональности. для величины MB предложил зависимость сле-

M B = 0.5C x irρS sin 2 ϕ cos ϕ (u − kn ) , 2

где

(9)

ϕ

- угол наклона лопасти по отношению к потоку (угол атаки при неподвижной лопасти); r - расстояние от центра давления до оси вращения. Совместное решение (8) и (9) с расшифровкой значений моментов MK, MT и MC приводит к получению зависимости: u = k Γ n + bn 2 + C ,

где b=

C=

( 10)

2(K C ρ + K K ) C x ρirS sin 2 ϕ cos ϕ ,

2M T C x ρirS sin 2 ϕ cos ϕ

При n = 0 − u = u0 = C , 42

(11)

тогда u = k Γ n + bn 2 + u 02 .

При u0 близком к нулю

(

)

u = k Γ n + bn = k Γ + b n = kn,

т.е. скорость движения принимается прямо пропорциональной частоте вращения, что подтверждается данными тарировки для вертушек различного типа при выполнении условия, что

uкн < u < uкк

Анализ факторов, влияющих на снижение значения начальной скорости вращения, можно выполнить по уравнению (11). Очевидно, что С → 0 При C x ρirS sin 2 ϕ cos ϕ → ∞. Рассмотрим влияние угла ϕ на величину С, а, следовательно, и на величину скорости u 0 . Для этого продифференцируем выражение sin 2 ϕ cos ϕ : ∂ (sin 2 ϕ cos ϕ ) = 2 cos 2 ϕ sin ϕ − sin 3 ϕ ∂ϕ Приравняв полученную зависимость к нулю, получим, что ϕ = 0 54.7 , что хорошо совпадает со значением оптимального угла, найденным экспериментально Г.В.Железняковым [24]. Из других членов, входящих в уравнение (12), очевидно, можно корректировать только величину Cx, т.к. увеличение параметров r и S ведет к увеличению инерционности лопастного винта вертушки, и, как следствие, снижению надежности результатов измерения осредненных скоростей. Повышение значения коэффициента сопротивления Сx без изменения диаметра лопастного винта и угла ϕ можно, по всей видимости, только одним путем – увеличить потери энергии при прохождении потока в площади круга, сметаемого лопастным винтом за вычетом площади ступицы. Увеличить потери энергии в пределах лопастного винта можно двумя способами: − увеличением шероховатости рабочей поверхности винта, в результате чего возрастут силы трения и, как следствие, возрастет величина Сх;

43

− расщеплением струйки потока гребенчатым расщепителем, закрепленным на концевой части лопасти. При этом значительно возрастают потери энергии, а, следовательно, и величина Сх. Следовательно, повышение чувствительно вертушки без увеличения ее размеров можно добиться путем увеличения коэффициента сопротивления Сх и установки лопастей под оптимальным углом. Второй важной характеристикой вертушки является компонентность - способность измерять проекцию скорости потока относительно вертушки. Эта величина обычно характеризуется величиной погрешности (при α= 40°). Исследования Г. В. Железнякова [24] и П.Н. Бурцева [8], показали, что при стремлении дискового отношения к единице, компонентность вертушки уменьшается до 10 %. Однако, как отмечает П.Н.Бурцев [7], оптимальное значение дискового отношения существенно зависит от конструктивных особенностей лопастного винта. По данным Г.В.Железнякова [24] погрешность показаний вертушки достигает максимального значения при угле косины порядка 45°, что совпадает с данными П.Н.Бурцева. Позднее Г.В.Железняков отмечает [25, 26], что для компонентных вертушек должно иметь место и оптимальное отношение диаметра лопастного винта к его гидравлическому шагу, которое обеспечивает минимальную начальную скорость u0 . Отношение D k можно записать следующим образом: D D , = k kΓ + b

где параметр b определяется по формуле (11). Как уже отмечалось, повышение чувствительности вертушки обеспечивается выполнением условия C x ρirS sin 2 ϕ cosϕ → ∞ . Очевидно, чтобы уменьшить параметр компонентности необходимо стремиться выполнить условие b → 0 , т.е. при неизменных геометрических размерах необходимо стремиться к увеличению отношения D k . И действительно, согласно данным, приведенным в [8], компонентность вертушки снижается при увеличении дискового отношения до 1,0, причем необходимо стремиться к увеличению гидравлического шага вертушки, однако, при этом необходимо учитывать уменьше-

44

ние численного значения максимального значения критической скорости u KK .

2.3. Измерение скорости турбулентного водного потока Измерение вертушкой скоростей нестационарных течении вообще, и турбулентного потока в частности, вызывает необходимость оценки способности лопастного винта (ротора) вертушки изменять свою скорость вращения соответственно изменению скорости потока. При оценке инерционных характеристик лопастного винта вертушки обычно применяют уравнение Г.Х.Сабинина [52], полученное при следующем допущении, что средний момент гидродинамических сил пропорционален квадрату скорости потока и скольжению, равному относительному отклонению мгновенного значения скорости вращения ротора ϖ от установившегося потока ϖ 0 , соответствующего данной скорости потока. Тогда J

dϖ  kϖ = Ku 2 1 − Γ  , dt  2πu 

(12)

где К - коэффициент пропорциональности. Данную зависимость часто приводят к виду: Lc

du = u (u − u ) , dt

(13)

где u - измеренная скорость потока, u - истинная скорость потока. Путь синхронизации Lc при этом записывается так: 2πJ LC =

Kk Γ

.

Для оценки погрешностей Шренк [54] использовал коэффициент приемника K Π , равный KΠ =

ρu 0Tr 4 βλ 0 4J

,

(14)

который связан с путем синхронизации LC следующим соотношением: KΠ =

uT . 2πLC

(15)

45

Железняков Г.В.[24] отмечает, что необходимым условием работы вертушки является условие LC 1 < , u ϖ

т.е. время синхронизации вертушки должно быть меньше периода пульсации. Очевидно, чем меньше время синхронизации t c =

L u

, тем выше

разрешающая способность датчика. С учетом зависимостей (14) и (15) несложно получить, что tC =

2J , ρu 0 r 4 βλ 0

(16)

или tC =

2πJ . Ku 0 k

(17)

Из полученных зависимостей видно, что разрешающая способность датчика возрастает с увеличением гидравлического шага вертушки и уменьшением момента инерции, причем с увеличением скорости потока уменьшается время синхронизации. Учитывая, что плотность потока ρ входит в знаменатель уравнения (16) можно заключить, что условия аэрированных водных потоков являются худшими для работы вертушек, чем обычные водные потоки. Измерение осредненной скорости водного потока требует также учета влияния пульсации на работу вертушки. Этот вопрос неоднократно освещался в литературе [1, 7, 8, 24, 25 и др.] В результате исследований было установлено, что повышение уровня турбулентности завышает показание датчика. С увеличением массы датчика и его инерции погрешность измерения осредненных скоростей турбулизированного потока возрастает. Алтай Н.Н. [1], анализируя работу вертушки в пульсирующем потоке, отмечает, что: − в турбулентном потоке влияние сопротивления потока ослабевает, скорость движения ротора возрастает. Турбулентность ведет к снижению численных значений параметров b и C в уравнении (10);

46

− в пульсирующем потоке при наличии сопротивлений разгон вертушки совершается быстрее, чем торможение, что обуславливает завышение вертушками средней скорости потока. Сопротивления, замедляя движение ротора, способствуют росту положительного и уменьшению отрицательного вращающего моментов, в результате чего ротор несимметрично реагирует на пульсации. Выводы Н.Н.Алтая хорошо согласуются с данными Д.Я.Суражского и В.П.Харитонова [54], рассматривающих работу вертушек в гармоническом пульсирующем потоке. В работе [54] отмечается, что среднее значение скорости потока оказывается завышенным, причем величина завышения является функцией КV и КП, где КV - относительный стандарт турбулентных пульсаций. Было отмечено также, что влияние параметра Kп, зависящего от периода колебания, радиуса винта, момента инерции и т.д., на экстремальные значения показаний прибора пренебрежимо мало при Kп > 2 независимо от величины KV. Следовательно, при измерении в потоке актуальных скоростей (1% обеспеченности) необходимо стремиться к увеличению параметра Кп, а следовательно, к уменьшению пути синхронизации LC . Очевидно, достаточным условием (с некоторым запасом) будет: tc =

Lc T 1 1 ; ≈ ≈ ≈ u 8π ϖ c 2πf c

1 T = fc 4

или fc =

Ku0 K Γ ≤ f max 4π 2 J .

На основе краткого анализа можно сформулировать требования, предъявляемые к вертушкам, предназначенным для измерения скоростной структуры турбулентных потоков: − повышение чувствительности вертушек необходимо обеспечивать путем оптимальной установки угла атаки лопасти вертушки и повышения потерь энергии при взаимодействии струек жидкости с рабочей поверхностью лопасти. Однако одновременно при этом снижается компонентность вертушки; − для уменьшения компонентности необходимо увеличивать дисковое отношение за счет увеличения длины гидравлического шага; − для увеличения чувствительности ротора вертушки к мгновенным изменениям скорости необходимо увеличить длину гид47

равлического шага и уменьшить диаметр ротора, что, в свою очередь, уменьшает и момент инерции. При этом уменьшается и погрешность измерения осредненных местных скоростей турбулизированного потока.

2.4. Оценка длительности процесса измерения кинематических характеристик потока Осредненная скорость в точке u и стандарт турбулентных пульсаций кV определялись по соотношению 1 n K n 1 u = ∑ ui = ∑ n i =1 n i =1 Li , n n n 1 1 2 ( − ( − ) u u ∑ L ∑ L )2 ∑ i kV = i =1 = i =1 i i n=1 i 2 1 ( n − 1)u ( n − 1)∑ i =1 Li .

Точность характеристик случайного процесса, как известно, зависит от продолжительности регистрации процесса. Период измерения влияет на величину характеристик турбулентности, полученных в результате статистической обработки. Анализ работ Л.В.Лукащука [41], А.Ф.Дмитриева [18, 19], В.И.Гайдученко [12], В.В.Луценко [42], а так же ряда других авторов, показал, что при использовании в качестве первичного преобразователя тензометрических датчиков, продолжительность времени регистрации колебалась в относительно узком диапазоне и составляла 20...50 сек. А.К.Хапаева [56], рассматривая влияние продолжительности времени измерения на величину дисперсии реализации, установила, что при непрерывной обработке аналогового сигнала при Т > 20 сек разница между отдельными значениями дисперсии не превышает 5%. Д.И.Гринвальд [15], анализируя работы исследователей, использующих в качестве первичного преобразователя скорости микровертушки различных типов (А.В.Огиевский, В.Н.Гончаров, В.П.Петров и др.), а также на основе собственных исследований, установил, что при дискретной обработке реализации минимальное время измерения должно быть не менее 180...200 сек. Такое расхождение рекомендаций по определению продолжительности регистрации изучаемого процесса, проставило в необходимость выполнить дополнительный исследования методологического характера по определению минимального времени реализации, которое может быть определено по графику стабилизации среднеквадра48

тичного отклонения скорости σ. Турбулентный характер естественных русловых потоков позволяет считать, что значения мгновенных продольных составляющих скорости потока распределены относительно значение осредненной скорости (при достаточной длины ряда осреднения) случайно. Случайный процесс, характеризующийся функцией распределения, можно представить посредством преобразования Фурье в виде суммы гармонических функций. Основной несущей функцией в большинстве случаев является синусоида. Поэтому для выявления общих закономерностей случайный процесс в первом приближении может быть смоделирован синусоидой. Считая, что осредненная скорость по времени постоянна, а переменная компонента изменяется по выражению y = A sin(2πft) вид случайного процесса u = f(t) можно описать функцией xi = Asin(2πf∆t)+B, где А – амплитуда колебательного процесса, которая моделирует значение пульсационной добавки скорости; В – постоянная, эквивалентная осредненной средней скорости; ∆t – интервал квантования, моделирующий время измерения мгновенной скорости. Для датчиков динамического типа величина ∆t должна быть меньше постоянной времени датчика, а для датчиков дискретного типа (к ним относятся микровертушки) величина ∆t обратно пропорциональна модулю измеряемой актуальной скорости. Моделирование случайного процесса синусоидой удобно и потому, что значение дисперсии для нее определено T

A A2 σ = lim ∫ sin(2πft )dt = T →∞ T 2 o 2

. Поскольку определяется дисперсия переменной компоненты (имеющей значение мощности турбулентных пульсаций на единицу квантования времени), численное значение, соответствующее постоянной компоненте, при расчете вычиталось. Согласно Никитину И.К.[47], генеральная частота спектра связана со средней скоростью потока следующей зависимостью f =

u cp hcp

,

поэтому, приняв скорость течения потока равным 0.3-0.5 м/сек, а глубину потока hср= 2 м, получим значение генеральной частоты 1 гц. 49

Моделирование изменения относительного уровня турбулентности осуществлялось изменением соотношения параметров А и В. В работе [3, 4 и др.] для оценки степени турбулентности потока предлагается параметр М, представляющий собой отношение актуальной скорости заданной обеспеченности ua к осредненной местной скорости u M =

ua u .

Отсюда очевидно, что для моделируемого процесса M = 1+

A B.

Сходимость алгоритма оценивалась по длине выборки моделируемого процесса: N

T = ∑ ∆t

. Результаты расчета представлены ниже (Рис. 3). 0

Рис. 3. Стабилизация дисперсии от времени в зависимости от уровня турбулентных пульсаций

50

Как следует из приведенных графиков, независимо от уровня относительной турбулентности, стабилизация дисперсии пульсаций скорости может быть получена для детерминированного процесса за 10-15 секунд. Можно утверждать, что при замене детерминированного процесса случайным время сходимости заметно уменьшится. Кривые стабилизации дисперсии показывают также, что, несмотря на значительное изменение относительного уровня турбулентных пульсаций (в 3 раза и более), время стабилизации дисперсии остается практически постоянным, равным 10 – 14 сек. При изменении относительного уровня турбулентности от 0.1 до 1.0 секунд стабилизация характеристик временной функции наблюдается при длине выборки от 700 до 1000 членов Для экспериментальной проверки выполненного теоретического исследования были взяты опытные данные [57] . На графике (Рис. 4) приведены экспериментальные кривые σ=f(t), где величина σ измерялась за донным гидравлическим прыжком, по которым видно, что время стабилизации величины σ составляет 90...120 секунд, что несколько меньше значений, приведенных Д.И.Гринвальдом.

Рис. 4. График стабилизации среднеквадратичного отклонения скорости σ.

Учитывая, что используемая автоматизированная измерительная система, за 1сек фиксирует на хронограмме 5 – 6, имеем ряд наблюдений длиной порядка 600-700 членов, что достаточно близко совпадает с данными теоретических исследований.

51

2.5. Оценка погрешности измерения скоростей потока микровертушками При оценке погрешности результатов измерения микровертушкой необходимо учитывать влияние следующих факторов: 1. Инерции датчика; 2. Пространственного и временного осреднения; 3. Дискретности отсчета. При оценке статистических характеристик работу микровертушки в качестве приемного элемента обычно описывают дифференциальным уравнением в форме (13): Lc

du = u (u − u ) dt

При постоянной скорости обтекаемого потока u (t ) = u уравнение (13) может быть переписано так (в первом приближении):

При

∂u =0 u =u ∂t

Тогда u = mf + a;

L 1 ∂u u − u ; τ0 = c = .= u f ∂t τ0

m=

HΓ i

.

При динамических измерениях нестационарность потока и инерционность микровертушки искажают истинное значение скорости. Во втором приближении решение уравнения (13) оказывается нелинейным за счет вторых моментов пульсации скорости. Обусловленная нелинейностью систематическая ошибка измерения средней скорости равна δu = −

∞  τ  1  −  D (τ )dτ , exp 2 Lc ∫0  τ0 

D(τ) - структурная функция. Заменяя структурную функцию корреляционной и принимая, что она имеет экспоненциальную форму, можно получить, что

где

δu =

где

σ

2 u 2

(u )

  1 − 1 L   1+ L 0 

  ,   

L - Эйлеров продольный масштаб турбулентности; L0=uτ0. 52

Очевидно, что при LÆ0 δuÆ0, следовательно, при измерении осредненных скоростей в турбулентном потоке необходимо работать с микровертушками с наибольшим гидравлическим шагом и минимальным моментом инерции. Выходная информация при работе с дискретными датчиками типа микровертушки представляет собой дискретный ряд, каждый член которого пропорционален величине мгновенной скорости за период сглаживания τ = Тi. Изменение стандарта турбулентных пульсаций Ku с дискретностью отсчетов зависит от протяженности времени сглаживания. При τ Æ0 KuτÆKu ; при τ Æ ∞ KuτÆ 0, где Kuτ - стандарт пульсации, рассчитанный по сглаженным за период τ скоростям; Ku - стандарт пульсаций при τ = 0. По Джонсону искажение стандарта пульсаций за счет дискретности отсчетов связано с импульсом корреляционной функцией взаимодействия. При r (t ) = exp(− ατ ), где α = u L

 K uτ   Ku

  

2

  τ   1 − exp −    Tx   , = 2Tx 1 − τ     Tx  

(18)

где Tx - интегральный временной масштаб турбулентности. Из уравнения (18) очевидно, что увеличение интервала квантования ведет к занижению дисперсии. Представляя пульсационную компоненту показания прибора в виде 1∞  η u ′(t ) = ∫ exp − u ′(t − η )dη T

0

 T

Б.А.Фидман получил выражение для спектра измеренных пульсаций скорости Sv(ω) через спектр истинных пульсаций Su(ω). sin 2

ωl

sin 2

ωd

sin 2

ωτ

SV (ω ) 1 2u 2u 2 , = 2 2 2 2 S u (ω ) 1 + ω τ 0  ωl   ωd   ωτ  2        2u   2u   2 

где

ω - круговая частота спектральной компоненты; l и d - длина и поперечный размер ротора вертушки.

53

(19)

Из уравнения (19) можно заключить, что в искажение спектра истинного значения одинаковый вклад вносят длина ротора, его диаметр и продолжительность сглаживания. Учитывая, что в уравнении (19) Sv(ω)ÆSu(ω) при 1+ω2τ2Æ0 при ω = Consnt необходимо стремиться к уменьшению постоянной времени прибора τ0. При выборе интервала измерения среднего значения скорости турбулентного потока необходимо учитывать, что дисперсия среднего значения осредненной скорости σ u2 , представленной непрерывной случайной стационарной функцией u(t) зависит от вида корреляционной функции R(τ) и величины интервала осреднения T: 2T  τ 2 σ T = ∫ R(τ )1 − dt . T

0



T

Очевидно, что при T Æ ∞ σ ∞2 Æ0. Величина дисперсии среднего значения, вычисленного в интервале [0; Te], где Тe - значение Т , отвечающее экстремальному значению σT (по И.М.Шендеровичу), может иметь минимальное значение лишь для тех значений явлений, корреляционная функция которых в точке Te больше среднего значения корреляционной функции, определенной на этом же интервале, т.е. R(τ ) < R (Te ) Для процесса, характеризуемого корреляционной функцией вида R(τ ) = R0 exp(− α τ ) данное неравенство не выполняется. В этом случае имеет место монотонное уменьшение дисперсии с увеличением интервала времени наблюдения. Для процессов, характеризуемых корреляционной функцией вида R(τ ) = R0 exp(− α τ )cos βτ на интервалах усреднения, близких к значениям T, для которых cosβτ≈0 дисперсия может принимать минимальное значение. После преобразования и решения неравенства относительно величины Te можно получить, что 2π Te = , β

54

при 2 ≤ β, следовательно, интервал усреднения зависит только от периодичности корреляционной функции и не зависит от степени затухания.

55

3. АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ЛОПАСТНОГО ВИНТА ВЕРТУШЕК 3.1. Приборы для измерения скорости потока При измерении скоростной структуры турбулизированного потока необходимо стремиться к миниатюризации датчиков, т.е. переходить от вертушек к микровертушкам. При этом приходится менять и конструкцию счетного механизма. Наиболее простая схема счетного механизма реализована в микровертушке А.И.Херхеулидзе, разработанной в ТНИИСГЭИ им. А.В.Винтера. Микровертушки Херхеулидзе (типа Х-6) имеют два контакта на несущей рамке, причем один из них от рамки изолирован. В момент прохождения лопасти микровертушки между контактами резко меняется значение сопротивления между ними. Если к контактам микровертушки приложить постоянное напряжение, то в момент прохождения допасти вблизи контакта будет меняться сила тока в цепи, которую можно зафиксировать с помощью шлейфового осцилографа. По осциллограмме можно определить число оборотов микровертушки и, следовательно, вычислить осредненную скорость потока. Указанный способ определения скорости потока резистивными микровертушками является подобным, т.к. вызывает необходимость в трудоемкой обработке осциллограмм. Для упрощения операции по подсчету числа импульсов микровертушки был предложен ряд конструктивных решений. А.М.Зражевский [33] предложил заменить шлейфовый осцилограф транзисторным усилителем тока с последующим счетом усиленных импульсов транзисторным частотомером. Недостатком данной схемы является необходимость питания микровертушки постоянным током, в результате чего контакты микровертушки забивается продуктами электролиза. Дудукал B.C., Дудукал Д.А. [22, 21] е целью избежать засорения микровертушки продуктами электролиза включили микровертушку в диагональ мостовой измерительной схемы, которая состоит из вторичной обмотки со средней точкой трансформаторного преобразователя, потенциометров и датчика (Рис. 5., Рис. 7).

Рис. 6. Счетчик оборотов к микровертушке Херхеулидзе.

Рис. 7. Счетчик оборотов к микровертушке Бурцева

При вращении микровертушки, питаемой переменным напряжением, периодически меняется сопротивление датчика, что приводит к разбалансировке мостовой измерительной схемы. Напряжение разбаланса усиливается, детектируется и подается через тригер на вход электромеханического счетчика МЭС-54. Однако, следует отметить, что вследствие фазовой неcсимметрии импульсов обеих половинок обмоток мост в приведенных схемах не может быть полностью сбалансирован, поэтому при малом уровне сигнала, соизмеримом с величиной разбаланса моста, счетчики перестают работать. Более совершенным является конструкция электронного счетчика, приведенного в [20] (Рис. 8).

57

Рис. 8. Измеритель скорости воды конструкции В.С.Дудукал, Д.А.Дудукал

В данной конструкции датчик включается в коллекторную цепь автогенератора. При приближении ротора к катушке датчика в автогенераторе возникают колебания. При отходе лопасти ротора от катушки датчика наблюдается срыв колебаний автогенератора. Таким образом, при вращении ротора микровертушки возникают высокочастотные амплитудно-модулированные колебания со 100 % глубиной модуляции. Частота их следования определяется скоростью вращения ротора микровертушки. Усиленные импульсы детектируются и поступают на вход счетчика типа МЭС-54 или транзисторного конденсаторного частотомера. Недостатком данного решения является необходимость расположения обмотки автогенератора непосредственно возле лопасти микровертушки, что вносит дополнительные возмущения в поток, которые искажают, в свою очередь, показания датчика. Кроме того, чтобы вертушка являлась причиной возникновения высокочастотных колебаний необходимо, чтобы лопасти микровертушки были выполнены из металла либо на хвостовой части вертушки был укреплен металлический хвостовик, что увеличивает массу ротора, а, следовательно, и ее инерционность. В.В.Камолкин и Ю.Б.Мельницкий [34] применили индуктивный датчик, аналогичный описанному в [20] (рис.9. 3.4) и отличающийся более совершенным преобразователем, который представляет собой усилитель постоянного тока с транзисторным частотомером. Недостатки предложенного конструктивного решения те же, что и у конструкции, приведенной в [20].

58

Рис. 9. Прибор для измерения скорости водного потока конструкции В.В.Камолкина и Ю.Б.Мельницкого

Наиболее совершенной является конструкция электронного блока, разработанного И.С.Егоровым и Б. Е. Никитиным [23]. В основу конструкции положен также транзисторный усилитель постоянного тока с электронным частотомером, но в отличие от решения А.М.Зражевского [33], они питают микровертушку переменным напряжением с частотой 16.20 кГц. Модулированный сигнал микровертушки поступает на вход детектора и пассивного фильтра низких частот и далее на вход усилителя. Эта схема была опробована в лаборатории инженерной гидравлики. Как показали испытания, данный прибор обладает высокой чувствительностью, что позволяет использовать его в комплекте с резистивными микровертушками различных размеров. Однако в процессе испытаний было отмечено, что в ряде случаев прибор воспринимает и промышленные помехи от работающего электросилового оборудования, что вызывало существенную погрешность при измерении относительно малых скоростей потока. Снижение чувствительности прибора вызывало завал частотной характеристики по низким частотам, что затрудняло его применение при измерении малых скоростей потока. В [51] приводится конструктивное решение, аналогичное решению, приведенному в [33]. Отличие только в конечном каскадепреобразователе - "частота - напряжение". В [5 и др] приводится описание ряда приборов для счета импульсов микровертушек, однако, отсутствие принципиальных схем затрудняет анализ работы этих конструкций.

59

Выполненный обзор позволяет сформулировать требования, предъявляемые к аппаратуре, используемой для счета импульсов микровертушек: − питание микровертушек резистивного типа следует осуществлять переменным напряжением, чтобы исключить засорение рабочих контактов продуктами электролиза; − необходимо исключить завал частотной характеристики на низких частотах, т.к. в противном случае прибор начинает воспринимать промышленные помехи частотой 50 гц; − выходной каскад следует реализовать таким образом, чтобы обеспечить регистрацию не только средней частоты вращения, но и ее девиацию, по которой можно судить и о мгновенных скоростях водного потока. Дополнительным условием было определено отсутствие в принципиальной схеме прибора «моточных» элементов (катушек индуктивности, дросселей, согласующих трансформаторов и т.д.) с целью снижения трудоемкости при сборке аппаратуры.

3.2. Расчет электронного блока для измерения скорости водного потока Электронный блок состоит из следующих функциональных узлов: - генератор; - усилитель; - формирователь; - интегратор. Разброс параметров транзисторов и микросхем, применяемых при разработке аппаратуры, не позволяет выполнить строгий расчет функциональных узлов. Теория импульсных цепей дает возможность ориентировочного подбора параметров функциональных узлов с последующим уточнением на макетном стенде. Электронный блок был реализован на операционных усилителях (ОУ). Цепи коррекции для ОУ в работе не приводятся, так как они индивидуальны для каждого типа ОУ. Примеры расчета даны для ОУ 140-й серии.

3.3. Генератор Генератор предназначен для питания микровертушки переменным напряжением с целью защиты от засорения контакта микровертушки продуктами электролиза, появление которых неизбежно при использовании постоянного тока. 60

В качестве генератора переменного напряжения использован электронный усилитель с положительной обратной связью. К таким устройствам относятся так называемые релаксационные генераторы - мультивибраторы, работающие в автоколебательном режиме (Рис. 10).

Рис. 10. Принципиальная схема релаксационного генератора на ОС

В данной схеме положительная обратная связь реализуется благодаря резистивной связи между выходом и неинвертирующим входом ОУ. Согласно [13] мультивибратор генерирует напряжение прямоугольной форма, причем период автоколебания будет равен  2R4  T = 2 R1C1 ln1 +  R5  

Принимая R4 = 12к; R5 = 10 к; R2 = 20к и C1= 91п, имеем T=517*10-8 сек, тогда f = 193 кгц. Выбор задающих значений цепи R1C1вызван тем, что высокую частоту легко отделить от полезного сигнала. Установка резисторов R1 и R3 вызвана необходимостью уменьшить величину напряжения на инвертируемом и неинвертируемых входах микросхемы. Нагрузкой мультивибратора является микровертушка резистивного типа, величина сопротивления которой в зависимости от типа вертушки колеблется от десятков до сотен ком. Ротор микровертушки, вращаясь, модулирует переменное напряжение, которое подается на стандартный демодулятор с детектированием сигнала и выделением постоянной составляющей. Конденсатор C4 предназначен для задержки постоянной составляющей входного сигнала. Его емкость подсчитывается по соотношению: C4 =

1 2πfR 4

где f - нижняя частота работы усилителя. При f = I гц и R7=2*106 ом С4= 0,1 мкф. 61

3.4. Усилитель Усилитель предназначен для усиления выделенного сигнала от микровертушки до уровня, достаточного для работы со стандартными усилительными приборами. Учитывая, что сигнал от резистивной микровертушки весьма слаб (порядка 10-100мв в зависимости от типа вертушки), коэффициент усиления усилителя должен быть порядка 105 . Реализовать такое усиление на микросхеме типа 140-й серии не представляется возможным, поэтому была использована схема управляемого источника "напряжение-ток" с положительным коэффициентом управления, который обладает сравнительно низким входным сопротивлением, величина которого определяется значением резистора R9 . В [35] отмечается, что в проводниках с "низким" сопротивлением практически не наводятся "паразитные" частоты от внешних источников помех, поэтому использование усилителя с низким входным сопротивлением делает его сравнительно нечувствительным к внешним помехам (Рис. 11).

Рис. 11. Схема усилителя

Коэффициент усиления двух каскадно соединенных усилителей определяется по соотношению KV =

R10 + R11 R16 + R15 × R9 R13

Параллельно резисторам R11 и R15 в цепь обратной связи включена цепочка RС, которая уменьшает коэффициент усиления при частотах f больших F0, равных F0 =

1 1 = 2πR10C 5 2πR16C 6

причем коэффициент усиления убывает со скоростью 6 дБ на октаву. Поэтому подбор резисторов усилителя необходимо выполнять с учетом работы корректирующих цепочек, 62

Принимаем значение f = 350..400 гц. Тогда после подбора пар значений RС выбираем R10≈R16≈620к, R11≈R16≈180к и R9≈R13≈3к, тогда коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот будет 0,7*105, что близко к заданному значению. Значение сопротивлений R8 и R14, предназначенных для ослабления синфазных составляющих, определяется по выражению: 1 1 1 1 , = + + R8 R 9 R10 R11

отсюда R8 = 2,94 кoм, принимаем R8 ≈ 3 ком, т.е. r8R9 и R13≈R14. Для дополнительной фильтрации рабочих частот использованы дополнительно фильтры низких частот первого порядка, реализованные на конденсаторах С8 и CI2. Величина сопротивления в цепочке фильтра RC принималась равной выходному сопротивлению каскада усилителя, которое равно: RB =

R B0 , R8 KV 1+ R10 + R11 0

где индекс (о) отвечает значению операционного усилителя с незамкнутой обратной связью, учитывая, что для ОС 140 серии RB≈4*102ом, при F0≈( 0,5..1,0)*103 гц - С8 можно принять порядка 0,25 мкф.

3.5. Формирователь Как показало макетное испытание усилителя на выходе формируется сигнал, форма которого близка к прямоугольной, причем амплитуда выходного сигнала определяется степенью насыщения МС, что нежелательно, т.к. величина ограничения зависела бы от характеристик самого усилителя и от температуры. Ограничить амплитуду можно с помощью стабилитронов или кремниевых диодов, включенных в цепь обратной связи или установкой стабилитронов в входной цепи. Однако при этом не исключается прохождение сигнала на выход усилителя, уровень которого ниже уровня ограничителя, поэтому на выходе усилителя поставлен тригер, используемый в качестве порогового устройства, у которого пороговое напряжение определяется по соотношению

R 20 ± E , где Е±. - выходной уровень напряжения, тоR19

гда при R20=10 ком и R19=12 ком - uпор+ =2,4 в; uпор- =2,0 в.

63

Рис. 12. Схема формирователя выходного сигнала

Запуск тригера производится короткими импульсами, сформированными дифференцирующей цепочкой СІ4R.I8, параметры которой подбираются из условия, что fдиф ≈ 0,1f.

3.6. Интегратор Для точного измерения значения частоты выходного сигнала целесообразно применять высокоточные частотомеры типа 43-32; 43-33; 43-34; Ф 5035; Ф 5041 и т.д., которые не только измеряют частоту и период входного сигнала, но и обеспечивают регистрацию выходного сигнала в коде 8-4-2-1, позволяющим дальнейшую статистическую обработку на ЭЦВМ. Для приближенного измерения частоты выходного сигнала может быть использован простой электромеханический интегратор.

Рис. 13. Схема RC-интегратора

Постоянная времени интегратора определяется величиной |электролитического конденсатора и совокупностью сопротивлений, включая и сопротивление измерителя. Переменный резистор служит для подстройки шкалы измерения. Величина показания прибора прямо пропорциональна частоте выходного сигнала. 64

Принципиальная схема прибора приведена на рис.13.

Рис. 14. Принципиальная схема электронного блока для частоты вращения ротора гидрометрической вертушки резистивного типа

Для работы прибора с микровертушкам индуктивного типа его можно дополнить простой платой, которая монтируется непосредственно на штанге и заливается эпоксидной смолой.

Рис. 15. Схема генератора-датчика

Плата собирается на транзисторе Т1 типа КГЗІ5 и питается непосредственно от блока питания прибора. Катушка индуктивности L1 наматывается на ферритовое кольцо d = З мм с зазором. Намотка производится проводом ПЭВ-0,05 120180 витков. При включенной в цепь коллектора катушке транзистор 65

работает в режиме генерации. Лопасть вертушки, проходя через зазор, модулирует переменное напряжение. Фильтр низких частот C1R1 (В опробованном варианте при СЗ=ЗЗН; С2=1Н; С1-ЗЗН и R1=91к) пропускает низкочастотный сигнал, который можно подавать на разделительный конденсатор второго каскада усилителя С8.

3.7. Методика измерения осредненных и актуальных скоростей При измерении осредненных скоростей водного потока целесообразно собирать измерительную схему из трех приборов: датчикмикровертушка, электронный блок и цифровой частотомер. При измерении осредненных скоростей сигнал с выхода электронного блока подается на вход электронного частотомера, работающего в режиме "измерение частоты". Время счета задается электронным частотомером. Для частотомеров типа Ф 5035, Ф 5041 оно может составлять I сек; 10 сек и 100 сек. Оптимальным, как правило, является время осреднения 10 секунд. Контроль за работой микровертушки производится визуально по стрелке микроамперметра, включенного в цепь RC - интегратора измерительного блока. Величина тока, проходящего через микроамперметр, прямо пропорциональна частоте вращения ротора микровертушки, что позволяет приближенно оценивать стабильность работы микровертушки. При зашкаливании стрелки микроамперметра необходимо переключить диапазон измерения. Переключатель расположен на верхней крышке прибора. При измерении актуальных скоростей водного потока может быть реализовано несколько блок-схем: Измерение осредненных скоростей: комплект измерительной аппаратуры состоит из первичного датчика и электронного блока для измерения частоты вращения ротора гидрометрической вертушки резистивного типа (рис.14). В лабораторных условиях данный комплект дополняется цифровым частотомером - периодомером. Измерение осредненных и актуальных скоростей: начальный комплект измерительной аппаратуры дополняется устройством сопряжения (см.параграф 5.3) и персональным компьютером. В полевых условиях питание компьютера может осуществляться от аккумулятора автомобиля с помощью преобразователя напряжения фирмы

66

Genius G-12-030. Подробно приемы работы с указанным комплектом аппаратуры см раздел 5. Первые три элемента во всех вариантах блок схемы остаются неизменными: датчик, электронный блок, электронный частотомер. В зависимости от схемного решения первые три элемента дополняются следующим образом. 1. Преобразовать код-аналог (например типа Ф708-І) быстродействующий самописец (типа Н 327, Н 338 и т.д.). 2. Быстродействующее печатающее устройство (типа Щ 6800к). 3. Транскриптор (типа ) и перфоратор (типа ПД--160). Частотомер включается в режим работы "измерение периода", тогда величина актуальной скорости будет определяться по выражению

ua =

k T( ctr )

=

1000k , T( mc )

где k - тарировочный коэффициент, который берется по тарировочному графику u=ϕ(f); Т = 1/f - период частоты вращения. Информация в виде двоично-десятичного кода с выхода частотомера, работающего как периодомер, поступает по первой схеме на вход преобразователя код-аналог, который преобразует закодированную информацию в напряжение постоянного тока и далее на вход быстродействующего самописца. По второй и третьей схеме информация представляется в коде 84-2-1, зарегистрированной на перфоленте (II схема) или на бумажной ленте (III схема). Консервацию информации по измерению актуальных скоростей водного потока, особенно в натурных условиях, можно производить с помощью бытового магнитофона; при этом отпадает необходимость в использовании электронного частотомера.

67

Блок-схема комплектуется следующим образом: датчик, электронный блок, магнитофон. Магнитофон через преобразующее устройство подключается к выходу электронного блока и в режиме запись регистрирует выходную информацию. В качестве преобразующего устройства может быть использована обычная дифференцирующая цепочка (Рис. 16).

Рис. 16. Схема дифференцирующего устройства

Однако, лучшие результаты дает использование ждущего мультивибратора, выполненного, например, на операционном усилителе.

Рис. 17. Схема ждущего мультивибратора Применение преобразующего устройства» реализованного на микросхеме, позволяет применять в качестве регистрирующего устройства быстродействующий самописец. Выходная информация при этом будет иметь вид:

68

Рис. 18. Образец записи на материальный носитель

Тогда n

1 , i =1 Ti K ua = , Ti

u = K∑

n 1 1 u ′ = u a − u = K  − ∑  Ti i =1 Ti

  

Пересчет линейных размеров к временным параметрам производится из очевидного соотношения Ti =

где

li t i l = i , S i u 3 AΠ

li - расстояние между соседними штрихами хронограммы; Si - расстояние между сигналами отметки времени; ti - время, соответствующее расстоянию Si; uзап - скорость лентопротяжки.

69

4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ДАТЧИКОВ ДИСКРЕТНОГО ТИПА 4.1. Описание конструкции роторов микровертушек Было изготовлено четыре микровертушки, чертежи роторов которых приведены ниже (

Рис. 19). На рис.19 для сравнения дан чертеж известной микровертушки Х-6 конструкции Херхеулидзе.

Рис. 19. Шнековые микророторы: 1-№3; 2-№4 С целью возможного анализа влияния на работу микровертушки соотношения их геометрических размеров, микровертушки различались значительно. 70

Таблица 3.

Геометрические характеристики экспериментальных микровертушек Микровертушка Длина/Диаметр Дисковое отношение Угол закрутки Относительная срезка лопасти Относительный диаметр

№3 1,280 0.83

№4 0,778 0.87

№5 0,722 0.31

№6 0,860 0.68

Х-6 1,200 0.48

167° 0.57

185° 0.78

90° 0.11

135° 0.34

125° 0.20

0.84

1.25

2.77

1.55

1.20

4.2. Компонентность микровертутиек Под компонентностью вертушки, микровертушки в том числе, подразумевается способность измерять составляющую (компоненту) главного вектора скорости, если направление вектора не совпадает с осью вращения вертушки. Оценку степени компонентности производят обычно по следующему соотношению   uизм 100% ∆n = 1 − 0  cos 40 u гл   ,

где

uизм - величина скорости, измеренная при отклонении главного вектора скорости uгл от направления оси вращения на 40 . С целью оценки степени компонентности роторов экспериментальных микровертушек были построены диаграммы направленности (Рис.4.4; 4,5).

Микровертушка №3

Микровертушка №4

71

Микровертушка №5

Микровертушка №6

Микровертушка Х-6 Рис. 20. Диаграммы направленности роторов микровертушек

Численные значения векторов скорости определялись следующим образом: − микровертушка помещалась в спокойный (Re>2500; Fr<1) слаботурбулентный установившийся поток со средней скоростью движения 0,267 м/с, таким образом, чтобы направление оси вращения микровертушки совпадало с направлением движения жидкости. После измерения численного значения главного вектора скорости микровертушка поворачивалась в горизонтальной плоскости и производилось измерение скорости; − угол направления изменялся в диапазоне от 0 до ± 90°. Разворот микровертушек в обе стороны от направления вектора скорости был вызван необходимостью изучения влияния направления закрутки лопасти на ее компонентность. Из рассмотрения приведенных на рис.4.4 и 4.5 данных следует, что наименьшей компонентностью для рассмотренных типов вертушек обладает вертушка № 5, несмотря на то, что она обладает наименьшим дисковым отношением, которое, согласно данным П.Н.Бурцева [8], является одним из основных факторов, влияющих на компонентность.

72

В работе [8] отмечается, что компонентность уменьшается при увеличении дискового отношения. Этот факт применительно к рассматриваемым микровертушкам не подтвердился. Необходимо отметить однако, что вертушка № 5 имеет наибольший относительный диаметр лопастного винта. Из исследований, выполненных Г.В.Железняковым [24] и П.Н.Бурцевым [8], видно, что при увеличении относительного диаметра лопастного винта уменьшается компонентность, что вполне согласуется с приведенными данными, Таким образом, можно отметить, что для микровертущек определяющим фактором при оценке компонентности является не ведичина дискового отношения, относительный диаметр лопастного винта. Необходимо обратить внимание, что широкораспространенные микровертушки типа Х-6 (вертушка Херхеулидзе) характеризуются неравномерностью диаграммы направленности и значительной некомпонентностью. Это, по всей видимости, вызвано тем, что при не высоком значении дискового отношения (~ 0,48) величина относительного диаметра сравнительно мала (~1,2).

4.3. Тарировка микровертушек Статическая тарировка микровертушек была осуществлена в Аксайском тарировочном бассейне Ростовского управления гидрометслужбы. По данным тарировке было подсчитано отношение

D , которое k

составило для микровертушки № 3 - 1,32 при k = 5,3 мм микровертушки № 4 - 1,60 при k = 6,6 мм микровертушки № 5 - 1,55 при k = 5,8 мм микровертушки № 6 - 1,52 при k = 4,6 мм Согласно анализу, выполненному в главе П, было установлено, что максимальной чувствительностью к мгновенным изменениям скорости обладают вертушки с минимальным отношением

D , при k

этом должна уменьшаться и погрешность измерения осредненных местных скоростей. Следовательно, при измерении актуальных скоростей предпочтительней пользоваться микровертушкой № 3, а при измерении со73

ставляющих актуальных скоростей - микровертушко й № 5, т.к. она обладает лучшей компонентностью по сравнению с вертушкой № 3. Дополнительно был рассмотрен вопрос о влиянии способа тарировки на значения тарировочных характеристик вертушки. В литературе [7]отмечалось, что вертушка в реальном потоке дает завышение числа оборотов по сравнению с данными тарировки в стоячей воде. На тарировочном стенде НИС НГМА была проведена дополнительная тарировка микровертушек № 4 и № 5 (Рис.4.6 и 4.7) Сравнительный тарировочный график для шнекового ротора микровертушки (.2) приведен на.

Рис. 21. Сравнительный тарировочный график шнекового ротора: 

Аксайский бассейн;

ο - тарировочный стенд НИМИ

Тарировка осуществлялась в круглорадиальном конфузоре. Вертушка устанавливалась неподвижно по оси конфузора. Скорость воды в конфузоре регулировалась специальной задвижкой за успокоительным выравнивающим устройством. Данные тарировки в виде точек нанесены на соответствующие графики. Из сопоставительного анализа видно, что при малых скоростях движения жидкости расхождение в результатах тарировки мало. Однако, с увеличением скорости движения эта разница возрастает и при скоростях порядка 0,5…0.6 м/с достигает 20%. (При U = 0,5 м

50 − 42 f1 − f 2 100 = 100% = 19% ). 42 f2

74

Аналогичные неудовлетворительные результаты были получены и для других видов щнековых роторов, в том числе и для ротора вертушки Херхеулидзе Х-6. В связи с этим был изготовлен микроротор пропеллерного типа со следующими параметрами (Рис. 22):

Рис. 22. Схема пропеллерного микроротора (размер в мм)

диаметр микроротора - 5 мм; число лопастей - 4; ширина лопасти микроротора - 4 мм; вес микроротора - 40 мг; нижний предел измеряемых скоростей - 0.04..0.05 м/сек, верхний - 3.5 м/сек. Ниже приведен тарировочный график пропеллерного микроротора (Рис. 23)

Рис. 23. Тарировочный график

Таким образом, остается в настоящее время открытым вопрос, как использовать данные тарировки, полученные в стоячей воде, для измерения скорости реальной движущейся жидкости.

75

5. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ АКТУАЛЬНЫХ СКОРОСТЕЙ 5.1. Введение В задачах гидрометрических исследований и, в частности, при градуировки водорегулирующих гидротехнических сооружений, возникает необходимость измерения расходов непосредственно в полевых условиях. Существует ряд упрощенных методик для решения этой задачи, однако они не позволяют достигнуть желаемой точности в свете современных требований задач водоучета и водоизмерения. Основной метод определения расхода воды – «скорость-площадь» связан с измерением осредненных скоростей течения во многих точках поперечного сечения потока и большим объемом вычислений по обработке опытных данных. Для быстрой и качественной обработки результатов измерения скоростей желательно применение средств вычислительной техники. Решить эту задачу возможно, объединив вторичные приборы измерения скоростей течения воды, имеющие на выходе прямоугольный сигнал в уровнях ТТЛ, с аппаратной частью персонального компьютера типа IBM. При использовании соответствующего программного обеспечения, аппаратный комплекс должен решать следующие задачи: − производить измерение осредненных скоростей течения потока с автоматическим выбором времени измерения; − реализовать методику «скорость-площадь» для определения расходов воды в полевых условиях; − оперативно производить (тарировочные) градуировочные работы на водорегулирующих сооружениях; − по результатам измерений определять численные значения различных кинематических характеристик водного потока; − производить обработку измеренных данных непосредственно на объекте исследований параллельно с процессом измерений. Данная система позволяет на порядок сократить трудовые, временные и финансовые затраты, а также оперативно ликвидировать дефицит информации непосредственно на объекте исследований, ко76

торый, в случае применения традиционных средств измерения, выявляется на этапе камеральной обработки опытных данных. Для того, чтобы соединить измеритель скорости с компьютером, необходим специальный модуль – устройство сопряжения (УС). Существует ряд соображений в пользу того, чтобы выполнить самостоятельно разработку оригинального УС, несмотря на определенные трудности в этом направлении, например: − если стоит задача сопряжения компьютера с уникальным внешним устройством, то вполне вероятно на рынке может не оказаться подходящих сопрягающих модулей; − стандартные сопрягающие устройства очень часто проектируются исходя из условия максимальной универсализации (а, следовательно, большого объема выпуска), что нередко приводит их к довольно высокой стоимости по сравнению с узкоспециализированными УС. Это послужило основанием для разработки оригинальных сопрягающих устройств (УС)

5.2. Методы подключения устройств сопряжения К персональному компьютеру типа IBM PC устройства сопряжения (УС) могут быть подключены тремя путями, соответствующими трем типам стандартных внешних интерфейсов, средства которых входят в базовую конфигурацию компьютера; − через системную магистраль или шину, канал (эти термины равнозначны); − через параллельный интерфейс Centronics; − через последовательный интерфейс RS-232C. Каждый из трех указанных методов подключения имеет свои преимущества и недостатки. Выбор одного из них - важный шаг в самом начале разработки УС. Конечно же, здесь не рассматривается задача подключения к персональному компьютеру внешних устройств, имеющих стандартные интерфейсы Centronics и RS-232C (в этом случае УС представляет собой самый обычный, соответствующим образом распаянный кабель). Ниже (Таблица 4) приведено сравнение трех методов подключения по шести параметрам, которые надо учитывать при выборе метода.

77

Таблица 4

Сравнение методов подключения устройств сопряжения Скорость обмена Длина и тип линии связи Дополнительн ый конструктив Внешний источник питания Формат данных и их разрядность Количество УС подключаемых к компьютеру

Системная магистраль ISA Высокая (до 5 Мбайт/с) Встроенные УС (линия связи отсутствует) Не нужен

Интерфейс Centronics Середняя (до 100 Кбайт/с) До 10 м, многопроводн ый кабель Нужен

Интерфейс RS-232C Низкая До 15 м, одиночный провод нужен

Не нужен

Нужен

нужен

Параллельный 8, 16 разрядов

Параллельный 8 разрядов

Последовательный

До 6 разрядов

1

1

Из таблицы видно, что выбор системной магистрали обеспечивает наибольшую скорость обмена При этом не требуется ни отдельного конструктива (плата УС устанавливается в корпус компьютера), ни дополнительного источника питания (используется тот, который есть в компьютере). В тоже время одноплатное исполнение ограничивает сложность УС, а соседство с быстродействующими и мощными цифровыми узлами компьютера приводит к высокому уровню электромагнитных помех и наводок по цепям питания. Выбор Centronics или Rs-232C позволяет расположить УС (при чем УС любой сложности) на большом расстоянии от компьютера Но при этом достигается гораздо меньшая скорость обмена, а также требуется внешний конструктив и дополнительный источник питания, что существенно увеличивает стоимость системы При разработке УС необходимо в первую очередь сформулировать требования, предъявляемые к нему, проанализировать функции, которые компьютер должен выполнять с помощью данного УС. В общем случае эти функции могут быть реализованы как аппаратурой УС, так и программным обеспечением компьютера. В свою очередь УС может включать в себя: процессор, однокристальный контроллер, микропрограммный автомат или жесткую логику.

78

5.3. Варианты устройств сопряжения Функции, выполняемые УС, можно разделить на две группы. К первой группе относятся интерфейсные функции, то есть те, которые обеспечивают обмен с выбранным интерфейсом компьютера (ISA Centronics, RS-232C или какие-нибудь еще). Вторую группу образуют операционные или основные функции, ради которых, и создается УС. В соответствии с этими двумя группами функций, в аппаратной структуре УС можно так же выделить две части: интерфейсную и операционную. При этом подходы в разработке этих двух частей имеют принципиальные отличия. Операционные части разных УС могут быть самыми разнообразными, а интерфейсные части практически не зависят от операционных функций и определяются протоколом выбранного стандартного интерфейса Пример интерфейсной части для самого распространенного интерфейса ISA приведен ниже (Рис. 24).

Рис. 24. Интерфейсная часть устройства сопряжения 79

Одной из основных интерфейсных функций, выполняемых УС, работающими в режиме программного обмена, является селектирование или дешифрация адреса. Эту функцию выполняет узел, называемый селектором адреса, который должен вырабатывать сигналы, соответствующие выставлению на шине адреса магистрали кода адреса, принадлежащему данному УС, или какого либо адреса из пространства адресов данного УС. Селектор адреса выполнен на ППЗУ КР556РТ4 и дешифраторах КР1533ИД7. При этом свободный адресный вход ППЗУ используется для переключения селектируемых адресов. Входные данные буферируются с помощью КР1533АП5. В адресном пространстве устройств ввода-вывода компьютера наше УС занимает зону в 3 адреса, два из которых используются для чтения-записи, а один - для записи слова состояния. Проинвертированный сигнал RESET DRV задает начальную конфигурацию внешних линий (все на прием). Измерение скоростей течения гидрометрическими вертушками сводится к измерению частоты следования электрических импульсов от вторичного прибора, поэтому в операционной части УС следует реализовать измеритель частоты. В основе подобных схем лежат счетчики, считающие импульсы образцовой и измеряемой частоты Цифровое измерение частоты в общем случае сводится к подсчету количеств импульсов входного и образцового сигналов. Частоту входного сигнала вычисляют по формуле: F=

где

fM N

f - частота опорного тактового генератора, М - количество периодов входного сигнала; N - количество периодов опорного сигнала. Ниже (Рис. 25) поясняются принципы определения частоты сиг-

нала.

Рис. 25. Определение частоты сигнала при помощи опорного генератора

При этом, так как относительная погрешность измерения обратно пропорциональна N, то, выбирая N или М, можно определить аппаратную погрешность измерения. Для получения необходимой точ-

80

ности количество разрядов разрабатываемо измерителя следует выбрать равным 16. Операционная часть включает в себя тактовый, генератор два счетчика (для тактового сигнала и входного сигнала) и схему управления. Функциональная схема УС показана ниже (Рис. 26).

Рис. 26. Функциональная схема устройства сопряжения

Работа измерителя частоты начинается с записи числа (65536 М) в счетчик Сч. 1. При этом устанавливается триггер ТІ, разрешая запись единицы в триггер Т2, и сбрасывает счетчик Сч.2 После прихода первого входного импульса устанавливается триггер Т2, разрешая работу счетчиков Сч. 1. и Сч.2 . Этим обеспечивается привязка процесса измерения к входному сигналу Отсчитав М входных импульсов, Сч.1. перебрасывает триггер ТЗ и сбрасывает ТІ и Т2. Окончание процесса измерения инициализирует сигнал ИЗМ. Возникновение этого сигнала следует отслеживать программно, и после его появления необходимо считать данные из счетчика d.2., и затем вычислить частоту входного сигналы. При необходимости цикл измерения повторяется. Интерфейс RS-232C предназначен для передачи данных в последовательном коде, имеет сложный протокол обмена и мало пригоден для решения нашей задачи.

81

Особый интерес представляет интерфейс Centronics. Основным назначением этого интерфейса (аналог ИРПР-М) является подключение к компьютеру принтеров различных типов. Поэтому распределение контактов разъема, назначение сигналов, программные средства управления интерфейсом ориентированы именно на эти цели. В тоже время с помощью данного интерфейса можно подключать к компьютеру и другие внешние устройства, имеющие разъем Centronics, а также специально разработанные УС. Основным достоинством использования Centronics для подключения УС по сравнению с ISA является значительно меньший риск вывести компьютер из строя. Главный недостаток этого подхода - значительно меньшая скорость обмена Назначение 36 контактов разъема Centronics приведено ниже (Таблица 5.) Таблица 5.

Назначение контактов разъемов Centronics Контакт разъема компьютера 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18....25 .

Линия (сигнал) -STROBE DO Dl D2 D3 D4 D5 D6 D7 -ASK BUSY PE SLCT -AUTO FD -ERROR -INIT -SLCT IN GND

Ввод/Вывод ВЫВОД ВЫВОД ВЫВОД ВЫВОД ВЫВОД ВЫВОД ВЫВОД ВЫВОД ВЫВОД ВВОД ВВОД ВВОД ВВОД ВЫВОД ВВОД ВЫВОД ВЫВОД ВЫВОД

Все сигналы интерфейса Centronics можно разделить на четыре группы: 1 - восьмиразрядная шина данных для записи из компьютера (сигналы DO... D7) ; 82

2 - четырехразрядная шина управления для записи из компьютера (сигналы -STROBE, -AUTO FD, -IMT, и -SELECT IN); 3 - пятиразрядная шина состояния для чтения в компьютер (сигналы ASС, BUSY, PE, SLCT и -ERROR); 4 - шина " земли " (GND). Простейший анализ набора сигналов позволяет выделить основную проблему, возникающую при сопряжении с интерфейсом Centronics. Поскольку шина данных является однонаправленной, что позволяет использовать ее только на вывод, для ввода данных необходимо использовать сигналы из пятиразрядной шины состояния. Обработку же сигналов, возможно, производить только на программном уровне.

5.4. Устройство сопряжения для вторичных приборов гидрометрических вертушек. Схема устройства сопряжения приведена ниже (Рис. 27). Предполагается сигнал на выходе вторичного прибора имеет стандартные уровни ТТЛ. Сигнал от вторичного прибора через резистор R1 поступает на транзисторный ключ VI, который имитирует контакт «конец бумаги»

Рис. 1.5. Рис. 27. Схема устройства сопряжения.

5.5. Разработка программного обеспечения низкого уровня Для персонального компьютера семейства IBM PC существует две возможности программирования параллельного порта - обра83

щение к физическим адресам регистров порта (нижний уровень) или вызов программного прерывания 17h (верхний уровень). При этом в обоих случаях может использоваться как язык ассемблера» так и один из языков высокого уровня. Однако в связи с тем, что в нашей звонче мы имеем дело процессами, протекающими в реальном масштабе времени, то для достижения максимальной точности измерений необходимо использовать нижний уровень адресации и язык низкого уровня - язык ассемблера Параллельный порт имеет три адреса в пространстве адресов устройств ввода-вывода компьютера: BASE - регистр данных, BASE-1-1 - регистр состояния, BASE+2 - регистр управления. Здесь «BASE» - первый адрес порта. Формирование и прием сигналов интерфейса Centronics производится путем записи и чтения выделенных для него портов ввода-вывода В компьютере может быть использовано до трех интерфейсов Centronics с базовыми адресами 378h, 278h и 3BCh (обычно назначается адрес 378h). Для подключения вторичного прибора была использована линия РЕ (контакт 12 интерфейса Centronics). В гидравлических изысканиях при измерении кинематических характеристик требуется определять либо осредненные скорости, при этом необходимо измерять частоту следования импульсов от миковертушки, либо мгновенные скорости, при этом измеряют периоды следования импульсов. Скорости рассчитываются по формулам: u = kf ; u =

k t

(20)

где: u - осредненная скорость; u – актуальная (мгновенная) скорость; k - тарировочный коэффициент вертушки; f - частота импульсов; t - период импульсов. В компьютере IBM PC из операционных систем можно получить доступ к системному таймеру, однако, он мало пригоден для измерения частот и тем более периодов импульсов от вертушки, так как частота обновления системного таймера составляет 18.2 гц а измеряемые частоты находятся в диапазоне 0 - 1000 гц, Среди функций ПЗУ BIOS имеется функция ожидания события: прерывание

Int 15h 84

код вызова

83h (131)

Запрашивает установку семафора после истечения заданного интервала времени либо отменяет предыдущий запрос. При вызове. Если запрос на ожидание события АН=83h AL=00h СХ DX= время в микросекундах ES:BX= сегмент: относительный адрес семафора Если отмена ожидания события AH=83hh AL=00h При возврате. Если при вызове AL=00h и функция выполнена успешно Флаг переноса сброшен Если при выюве AL=00h и функция не выполнена (ожидание события уже активно) Флаг переноса установлен Если при вызове AL=01h Ничего не возвращается Замечания. Возврат из функции осуществляется немедленно. Если функция выполнилась успешно, бит 7 байта семафора устанавливается после истечения заданного интервала Сброс семафора перед вызовом этой функции лежит на вызывающей программе. Фактическая продолжительность ожидания события всегда является целым число, кратным 976 мкс. Для реализации этой функции используются прерывания от КМОП- микросхемы даты - времени. Использование этой функции позволяет получить программируемые аппаратно-независимые отметки времени с более высоким временным разрешением, чем с помощью функции MS-DOS (InT21h с кодом вызова 2СН), возвращающей время в единицах сотых долей секунды Эта функция не поддерживается на машинах PS/2 моделей 25 и 30. Использование этой функции позволило разработать программы, для измерения осредненных скоростей. Блок-схема программы представлена на соответствующих рисунках: рисунке 2.4, а сама программа на рисунке 2.5.

85

Материалы взяты с сайта www.hydraulics.at.ua

Рис. 28. Блок – схема программы измерения осредненных скоростей

; © Абраменко П. И. 1999 г. ; Допускается свободное использование и копирование в ; некоммерческих целях. .model tpascal .data extrn sem:byte .code os proc far s:word, m:word public os m5: mov dx, 379h in al,dx and ax,20h 86

m6:

m1:

m3:

m7: os

jnz jmp mov mov mov mov mov mov mov mov int mov mov in and jz mov and jnz inc mov in and jz jmp mov ret endp end

m6 m5 dx, @data es, dx cx, s dx, m bx, offset sem ah, 83h al, 00h sem, al 15h bx, 0000h dx, 379h al, dx ax, 20h m1 al, sem al, 80h m7 bx dx,379h al, dx ax, 20h m1 m3 ax, bx

Рис. 29 Программа измерения осредненных скоростей

В программу передается время измерения, затем в начале программы ожидается передний фронт импульса входного сигнала (переход от 0 к 1), и только после этого включается отсчет времени, такая последовательность действий необходима для синхронизации часов с входным сигналом. Далее в программе при каждом появлении переднего фронта входного сигнала к счетчику прибавляется 1. после истечения времени измерения значение этого счетчика, содержащее количество периодов входного сигнала, передается в основную программу. Имея значения времени измерения и количества поступивших 87

импульсов можно вычислить среднюю частоту входного сигнала по формуле: f =

M T

где: М- количество периодов входного сигнала; Т- время измерения. Затем по формуле (8) вычисляется значение осредненной скорости. Программа измерения осредненной скорости написана на языке ассемблера и имеет соглашения со средой Pascal. Обращение из программы на Паскале имеет вид: var i:longint,j:integer,sem:byte; ………. j:=w(i); где: і - время измерения в микросекундах; j - количество поступивших периодов; sem - служебная переменная.

Рис. 30. Блок-схема программы измерения мгновенных скоростей 88

per

per intt

intt pr

m1: m2:

; © АбраменкоП.И. 1999г. ; Допускается свободное использование и копирование ; в некоммерческих целях. .model tpascal .data extrn c: word .code public per, pr proc far push ds mov dx, offset intt mov ax, seg intt mov ds, ax mov ah,25h mov al,1ch int 21h pop ds ret endp proc far push ax push ds mov ax, seg c mov ds, ax inc с pop ds pop ax iret endp proc far mov al, 00010000b out 43h, al mov ax,0 mov c,ax mov dx,379h in al, dx and ax,20h jnz m1 in al, dx and ax, 20h 89

jz mov out mov out mov out m3: in and jnz m4: in and jz m10: mov out mov out in mov in mov mov mov mov sub mov mov dec dec ret pr endp end

m2 al, 00111100b 43h, al ax, 0ffffh 40h,al al, ah 40h, al al, dx ax, 20h m3 al, dx ax, 20h m4 al, 00010000b 43h, al аl, 00111100b 43h, al al, 40h ah, al al, 40h dx, ax ah,dl al,dh dx, 0ffffh dx, ax ax, dx dx,c dx dx

Рис. 31. Программа измерения мгновенных скоростей

Программа представленная на рис. 2 3. использует аппаратный таймер компьютера, который позволяет получить временные отсчеты с высоким разрешением (в отличие от программного таймера).

90

Для получения объектного кода этих программ необходимо заключить их в файлы с расширением asm и выполнить инструкции следующего вида: Tasm <имя файла>. Пример обращения к программе приведенной на рис. 2.3. смотри в разделе 3. (программа измерения периода).

5.6. Разработка программного обеспечения высокого уровня. На рис. 2.4 приведена программа измерения осредненных скоростей, которая дает пример обращения к подпрограмме функции OS приведенной в разделе 2.1. Данная программа производит серию измерений осредненной скорости в течение заданного времени до тех пор, пока относительная погрешность не станет менее 0,1. Вывод результатов осуществляется в файл O106.txt, который должен быть заранее создан в текущем каталоге. < © Абраменко П.И. 1999г. {Программа измерения осредненных скоростей} { Допускается свободное использование и копирование в не коммерческих целях.} Program UOS; var s, uo, uo1, uos, k, t, f:real; i:longint; sem:byte; j,n,nt:integer; f1:text; {$F+} function os(k:longint):integer; external; {$L osobl.obj} {имя файла объектного модуля функции os} {$F-} begin k:=0.0193; {тарировочный коэффициент вертушки} Write('Введи номер точки '); readln(nt); write('Введи время измерения сек '); readln(t); n:=0; i:=round(t*1000000);{nepeвод времени в мкс} uos:=1.; uo:=10.; 91

uo1:=0.00001; s:=0.; assign(output,'o106.txt'); append(output); while abs(uo1-uo)/uos>0.01 do begin j:=os(i); f:=(j/t)*0.999497;{поправочный коэффициент} uos:=k*f; s:=s+uos; n:=n+1; uo1:=uo; uo:=s/n; end; writeln('Точка номер ',nt); writeln('uos= ',uos:7:3,' ',uo:7:3, 't= ', n*t:7:2); close(output); end. Рис. 32. Рис. 2.4. Программа измерения осредненных скоростей

5.7.

Настройка программного обеспечения.

Настройка программного обеспечения под конкретный компьютер обусловлена тем, что частотозадающие элементы и быстродействие различаются как для равных моделей компьютеров, так и в пределах одной модели. Сущность настройки программного обеспечения состоит в том, чтобы установить зависимости, для перевода частот и периодов, измеренных в некоторых единицах компьютера» в единицы стандартной системы мер, соответственно в герцы и секунды. Процедура настройки состоит в следующем: 1. На измерительный вход компьютера (устройство сопряжения) подают сигнал от образцового генератора; 2. Для рада значений входных частот или периодов, в необходимом диапазоне, производят измерения этих величин программно-аппаратным комплексом. 3. Методом наименьших квадратов получают зависимости, корректирующие измеряемые величины. В результате выполнения этой процедуры получают зависимости вида f = f0 +

k1 n T

(3.1) (3.2)

∆t = ∆t 0 + k 2 ∆t ′

92

где

f n Т

- скорректированное значение частоты; - количество поступивших импульсов; - время измерения частоты; ∆t - скорректированное значение периода; ∆t ′ - измеренное значение периода; k1, k2 - поправочные коэффициенты; f0, ∆t 0 - начальные смещения частоты и периода, обусловленные конечностью быстродействия компьютера При настройке нашего комплекса значения f0 и ∆t 0 оказались пренебрежительно малыми. Значение k1 - составило 9 9.99497-10-7 , k2 - составило 1/1193180. При этом теоретическое значение k1 = 10-6 [16], k2=1/1193180 [17]. Настройку программного обеспечения можно произвести при помощи программ приведенных на рис. 3.1. {Программа измерения частоты} program funk; var t,f:real; i:longint; sem:byte; j:integer; {$F+} function os(k:longint):jnteger; external; {$L osob1.obj} {$F-} begin write('Введи время измерения'); readln(t); i:=round(t*1000000); while i=i do begin j:=os(i); f:=j/t; writeln(f:7:1); end; end. {Программа измерения периода} program рr7; var c,v:integer;r: longint; r1: real; {$f+} function per: integer; external; function pr: longint; external; {$L pre.obj}

93

($f-} begin v:=per; {обязательная строка} while v=v do begin r:=pr; {обращение к функции измерения периода} r1:=r; writeln(r1:8:6); end; end. Рис. 3.1. Рис. 33. Программы измерения частоты и периода

94

6. РАСЧЕТ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБУЛЕНТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ СКОРОСТИ 6.1. Расчет статистических характеристик при переменном интервале квантования При пробных испытаниях в лабораторных условиях измерительно-вычислительного комплекса, разработанного нами, для гидрометрических изысканий, было выявлено искажение статистических характеристик турбулентных пульсаций скорости. Значения осредненных скоростей измерялись двумя различными программами. Одна программа использовала системные часы, с помощью которых задавалось временное окно и подсчитывалось количество импульсов поступивших от вертушки. Значение осредненной скорости в этом случае рассчитывалось по формуле: kn (1) u= T

где

u - осредненная скорость, k – тарировочный коэффициент вертушки, п - количество поступивших импульсов, Т - время измерения. Другая программа использовала аппаратный таймер и измеряла длительности периодов импульсов, поступавших от вертушки, которые являются оценкой мгновенной скорости. С некоторыми допущениями можно записать, что: k (2) u = i

∆t

где: ui - мгновенная скорость, k - коэффициент вертушки, ∆t - период следования импульсов. Значение осредненной скорости в этом случае мы попытались вычислить по формуле: n

u =

∑u i =1

n

i

(3)

,

где: ui - мгновенные скорости, вычисленные по формуле (2) 95

п - количество измеренных импульсов. При сравнении полученных значений осредненных скоростей, оказалось, что при использовании второго способа они выше, чем рассчитанные по формуле (1). Завышение осредненной скорости было тем больше, чем выше был уровень турбулентных пульсаций. Анализируя сложившуюся ситуацию, мы пришли к выводу, что это связано с тем, что гидрометрическая вертушка является датчиком частотного типа с переменным интервалом квантования, а формула (3) предполагает постоянные интервалы между отсчетами. Очевидно, в этом случае при расчете осредненной скорости следует использовать наиболее общую зависимость: 1T u = ∫ u (t )dt T 0

(4)

или переходя к дискретной функции скорости, получим: u=

1 n ∑ ui ∆ti T T

(5)

где: n

T = ∑ ∆t i

,

(6)

i =1

учитывая формулу (2), получим: u=

n

1

∑k =

n

∑ ∆t

i =1

i

i =1

kn

(7)

n

∑ ∆i

i

i =1

Таким образом, при расчете осредненных скоростей нельзя пользоваться формулой (3), а следует пользоваться формулой (7). При расчете центральных статистических моментов пульсаций скорости используется формула: n

M m = ∑ (ui − u ) Pi m

i =1

где m - номер статистического момента, Р, - вероятность появления скорости u. Вероятность Р, можно оценить по формуле: Pi =

∆ti n

∆ti ∑ i =1

и тогда окончательно:

96

Mm =

1

∑ (u

n

∑ ∆t i =1

− u ) ∆t i , m

i

(8)

i

где ui и u рассчитываются по формулам (2) и (7) соответственно. Оценим погрешность, возникающую при вычислении значения осредненной скорости по формуле (3). Обозначим: u ∆ - значение осредненной скорости, вычисленное по формуле(3); u -значение осредненной скорости, вычисленное по формуле (7). Тогда относительная погрешность составит δu =

u∆ − u

=

u

u∆ u

− 1,

(9)

с учетом выражений (3) и (7) n

δu =

1 k∑ i =1 ∆t

n

∑ ∆t i =1

n

1

i

−1 =

nkn

∑ ∆t ∑ ∆t i i =1 2

i

n

−1.

(10)

Теперь определим отношение дисперсии пульсаций скорости к квадрату осредненной скорости: n

σ = ∑ (ui − u ) 2

i =1

2

 k kn = ∑  − n ∆t ∆t ∑ ∆ti i =1  i i ∆t i

n

2

  = 

i =1

  n  k2 kkn k 2n2 =∑ 2 −2 + n 2 n i = 1 ∆t i  ∆t i ∑ ∆t i  ∑ ∆t  i  i =1   i =1 

97

   ∆t i .  n  ∑ ∆t i  i =1 

(11)

    2 2 2 2 n k n∆ti k n ∆ ti   k ∆ti −2 + ∑ 2 3  2 n i =1  n   n    ∆ti ∑ ∆ti ∆ti  ∑ ∆ti   ∑ ∆t    i =1 σ2  i =1   i =1   = =  2 2 2 k n u   n  ∑ ∆ti   i =1 

2

2   k 2 n∆t k   2 n n     ∆ ∆ t t   ∆ ∆ t t ∑ i i∑  n   i =1  + ∆t  = i =1 = ∑ − 2 n k 2n2 k 2n2 i =1  ∆ti  ∑ 2 2  n  n i =1     ∑ ∆ti    ∑ ∆ti   i =1    i =1   n 1 n 1 t ∆ ∆t ∑ ∑ i ∑ i =1 ∆ti i =1 i =1 ∆t −2 + = n2 n n

n

∑ ∆t

i

∑ ∆t

i

i =1 n i =1

1 n ∆t ∑ ∑ n t ∆ i =1 i i =1 − +1 = = 2 n2 n n

=

1 n ∆t ∑ ∑ t ∆ i =1 i i =1 − 1. n2 n

(12)

Сравнивая выражения (10) и (12) можно записать: δu =

σ2

(13)

u2

Таким образом, относительная погрешность определения осредненной скорости в случае применения формулы (3) равна отношению дисперсии пульсаций скорости к квадрату осредненной скорости. Это подтверждают и экспериментальные данные, представленные на рисунке 1.

98

Рис.1. Рис. 34. Экспериментальные данные относительной погрешности определения осредненной скорости.

1. 2. 3. 4.

Из изложенного материала следует, что: применение формулы (3) для расчета значения осредненной скорости искажает ее значение; погрешность определения осредненной скорости в этом случае носит систематический характер, и ведет к завышению осредненной скорости. другие статистические моменты так же имеют искажения, однако их характер более сложный, чем для осредненной скорости; после применения формул (7) и (8) искажения (вычислительные составляющие погрешностей) статистических характеристик пульсаций скорости были устранены

6.2. Оценка точности программно-аппаратного комплекса, как средства измерения частоты Как говорилось выше, задачи измерения осредненных и мгновенных скоростей сводятся к измерению частоты и длительности периодов импульсов, поступающих от вертушки. Соответственно требуется выяснить, насколько точно наш комплекс измеряет частоты и периоды входных сигналов. Для этих целей вами был устроен испытательный стенд, состоящий из: − компьютера IBM PC 386 SX- 33, 99

− генератора ГЗ - 102» − частотомера 43-36. При помощи генератора ГЗ-102 моделировался сигнал вторичных приборов вертушки, который поступал одновременно на вход образцового частотомера 43-36 и на измерительный вход программно-аппаратного комплекса Контрольные измерения проводились на различных частотах в диапазоне от 20 до 1000 гц. Данные об измерениях приведены в таблице 5.3.

1. 2. 3. 4. 5.

Из полученного материала следует; что: относительная погрешность измерения не превышает 0.18%; наибольшие погрешности имеют место при времени измерения 5с; если рассматривать только данные со временем измерения 10с, то относительная погрешность не превышает 0.07%; абсолютная погрешность носит систематический характер и если ввести соответствующие корректирующие коэффициенты, как показано в разделе 3, можно добиться более высокой точности. точность всех проведенных контрольных измерений является удовлетворительной для гидрометрических изысканий.

100

Таблица 6.

Контрольные измерения частот программно-аппаратным комплексом. Показания частотомере, fч 20,1 30,2 39,9 49,9 59.9 69,6 79.8 90,0 99.7 199,5 200,4 299 301,1 399,7 399,7 499,4 501,0 600,0 600,8 698,4 699,6 800,0 800,1 900,0 901.3 996 1000,0

Показания компьютера fk 20,1 30,2 39,9 49,9 59,9 69,6 79,8 90,0 99,7 199,4 200,3 299,0 300,9 399,6 399,5 499,2 500,7 599,4 600,4 698,0 699,2 799,0 799.6 898,4 900,7 995,6 998,6

Время измерения tизм 10 10 10 10 10 10 10 10 10 5 5 5 10 5 10 5 10 5 10 10 5 5 10 5 10 10 5

Абсолютная Относительна погрешность я D 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0.1 0,0 0,1 0.1 0,0 0.2 0.1 0.2 0.2 0.3 0.6 0.4 0.4 0,4 1,0 0.5 1.6 0.6 0.4 1,4

Преобразователь напряжения фирмы Genius G-12-030

101

d=D/fч 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0000501 0,00049 0 0.00066 0,00025 0,00050 0,00040 0,00059 0,001 0,00066 0,00057 0.00057 0,00125 0,00062 0,00177 0,00066 0,00040 0,0014

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ При разработке и изготовлении роторов микровертушек необходимо учитывать требования, вытекающие из задач, поставленных перед исследователем. Однако, общим являются следующие условия: - необходимо стремиться к уменьшению геометрического диаметра ротора вертушки, что снижает его инерционность; - следует добиваться увеличения гидравлического шага ротора, в результате чего повышается чувствительность микровертушки как к самой осреднение й скорости, так и ее девиации; - увеличение гидравлического шага можно обеспечить путем подбора оптимального угла установки лопастей ротора микровертушки и увеличения коэффициента лобового сопротивления; До настоящего времени остается открытым вопрос о применении данных статической тарировки в стоячей воде при измерении скорости движущейся жидкости. Из всех видов микровертушек предпочтение, по всей видимости, следует отдавать микровертушкам резистивного типа, так как принцип их работы позволяет предельно миниатюризовать конструкцию вертушки. Питание микровертушек резистивного типа наиболее целесообразно осуществлять переменным напряжением, что позволяет избежать засорения рабочих контактов продуктами электролиза. Дальнейшее направление в теории микровертушек и счетной аппаратуры к ним составляет изучение уровня турбулентности на тарировочные характеристики микровертушек и реализация реверса для микровертушек реверсного типа.

102

ЛИТЕРАТУРА 1. Алтай Н.Н. К вопросам теории и практического применения гидрометрических вертушек.//Труды ГГИ. Применение радиоэлектроники, автоматики и телеметрии при гидрологических исследованиях. Вып.215. - Л.:Гидрометеоиздат, 1974.С.51-63. 2. Алтай Н.Н. Об уравнении гидрометрических вертушек и анемометров. В кн.: Ученые записи Башкирского государственного университета. Вып.31, № 3- Уфа, 1968. - С.463-472. 3. Базилевич В.А. Исследование актуальных (максимальных мгновенных) скоростей и их связи с размывающей способностью в равномерном потоке и в нижнем бьефе водосливных плотин: Автореф.дис. ... канд. техн. наук : 05.14.09 / КАДИ. - К., 1962 - 21 с. 4. Беляшевский Н.Н., Пивовар Н.Г., Калантыренко И.Н. Расчеты нижнего бьефа за водосбросными сооружениями на нескальных основаниях. - К.: Наукова думка, 1973. - 292 с. 5. Бирицкий М.И., Неронея Л.С. Новые приборы для измерения скорости воды //Вопросы гидрологического приборостроения: Сб.науч.трудов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977. С. 291 - 292. 6. Бредшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. – М.: Мир.1971.- 277с. 7. Бурцев П.Н. Особенности эксплуатации гидрометрических вертушек в турбулентном потоке. В кн.: Вопросы гидрологического приборостроения. Л.:Гидрометеоиздат, 1977. С.245-251. 8. Бурцев П.Н., Барышникова М.М. Анализ возможностей использования гидрометрических вертушек для работы в турбулентных потоках. //Вопросы учета стока по гидрометрическим данным и гидрологические приборы: Сб.науч.трудов. Вып.172. - Л.:Гидрометеоиздат, 1969. - С. 51-69. 9. Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия.-Л.: Гидрометеоиздат, 1965.- 501 с. (изд.2-е) 10. Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия.-Л.: Гидрометеоиздат, 1977.- 448 с. (изд.4-е) 11. Великанов М.А. Динамика русловых потоков. - М.Л.:Гидрометеоиздат, 1946 – 52 е. 12. Гайдученко В.И. Экспериментальные исследования размывающей способности за прыжком, образующимся в расши103

Материалы

13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.

21.

22.

23. 24. 25. 26.

www.hydraulics.at.ua

ряющемся русле // Гидравлика и гидротехника. К.:Техніка 1968.- Вып.6. - C.58-64. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства: Учебник для вузов.- М.: Радио и связь. 1981. – 224 с. ГОСТ 19179-73.Гидрология суши. Термины и определения М.: Госкомитет стандартов.- 1973. – 34 с. Гринвальд Д.И. Турбулентность русловых потоков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 166 с. Данкан Р. Г.Профессиональная работа в MS-DOS: Пер. с англ -М:Ntop. 1993. -510с.; ил (с. 485-486). Джордейн Р. Справочник программист персональных компьютеров типа IBM PC, XT и AT: Пер. с англ -М: Финансы и статистика, 1992 - 544 с.: ил. (с 63-68). Дмитриев А.Ф., Хлапук Н.Н. Исследование кинематической структуры потока в воронке местного размыва // Гидравлика и гидротехника. - К.: Техніка. - 1978. - Вып. 27. - С. 16-22. Дмитриев А.Ф., Хлапук Н.Н. Кинематическая структура потока в донном гидравлическом прыжке // Русловые процессы и методы их моделирования. - Л.: Энергия, - С.75-82. Дудукал B.C., Дудукал Д.А. Измеритель скорости ветра и воды //Информационные материалы по гидрометеоролоческим приборам и методам наблюдений. Вып. 53.- М.: Гидрометеоиздат, 1972.- С.35-36. Дудукал B.C., Дудукал Д.А. Счетчик оборотов к микровертушке Бурцева. В сб.:Информационные материалы по гидрометеорологическим приборам и методам наблюдений. Вып.52. - М.: Гидрометеоиздат, 1972. - С.14-15. Дудукал B.C., Дудукал Д.А. Счетчик оборотов к микровертушке Херхеулидзе.//Информационные аматериалы по гидрометеорологическим приборам и методам наблюдений. Вып.52. - М.: Гидрометеоиздат, 1972. - С.13-14. Егоров И.О., Никитин Б.Е. Микровертушка с электронным индикатором скорости//Труды координац. совещаний по гидротехнике. Вып.51. - М.,1969. - С.59-63. Железняков Г.В. Исследование работы гидрометрических приборов. - М.:Изд-во АН СССР, 1952. - 238 с. Железняков Г.В. Теоретические основы гидрометрии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968. - 291 с. Железняков Г.В. Теория гидрометрии. - Л.:Гидрометеоиздат, 1976. – 343 с. 104

27. 28. 29. 30. 31. 32. 33.

34.

35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42.

Железняков Г.В. Гидрология и гидрометрия: Учебник для студентов дорожно-строительных вузов.- М.: Высш.школа, 1981. – 264 с. Железняков Г.В. Гидрометрия: Учебник для студентов гидромелиоративных институтов.- М.: «Колос». – 1964.-304 с. Железняков Г.В. Гидрометрия.- М.: «Колос». – 1972.-255 с. Железняков Г.В. Теоретические основы гидрометрии. – Л.: Гидрометеоиздат, 1968. – 291 с. Железняков Г.В., Данилевич Б.Б. Точность гидрологических измерений и расчетов. – Л.: Гидрометоиздат, 1966. – 240 с. Железняков Г.В., Неговская Т.А., Овчаров Е.Е. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока.- М.: Колос, 1984.- 205 с. Зражевский A.M. Прибор для измерения скорости потока//Труды МЭИ. Вопросы гидродинамики энергетических конструкций и автоматических устройств. Вып.85.- М., 1971.- С.89-92. Камолкин В.В., Мельницкий Ю.Б. Прибор для измерения скорости водных и газовых потоков//Методы и средства измерений в гидротехнических исследованиях: Сб.науч.трудов. - М.: Энергия, 1976. -С.48-51. Кар Дж. Проектирование и изготовление электронной аппаратуры. Пер.с англ.- М.: Мир, 1980. – 392 с. Карасев И.Ф., Шумков И.Г. Гидрометрия.- Л.: Гидрометеоиздат, 1985.- 384 с. Катыс Г.П. Системы автоматического контроля поля скоростей и расходов. - М.: Наука, 1965. - 464 с. Кієнчук О.Ф. Методи і засоби обліку води на відкритих каналах зрошувальних систем. - К.: „Урожай”.-1971.-108 с. Ковальчук Ю.Г., Прокопчук А.П., Земба В.А. и др. Средства измерения расхода и количества воды на мелиоративных системах :Каталог справочник.- К: «Хрещатик», 1992.-48 с. Константинов Н.М., Петров Н.А., Высоцкий Л.И. Гидравлика, гидрология,гидрометрия:/Учеб.для вузов:В 2 ч.ЧII. Специальные вопросы. – М.: Высшая школа, 1987 . – 431 с. Лукащук Л.В. Общий размыв русел на мостовых переходах. - М.: Транспорт, 1976. - 121 с. Луценко В.В. Влияние степени открытия затворов на скоростную структуру потока за трубчатыми сооружениями. //Гидравлика и гидротехника. - К.:Техніка. - 1975. - Вып.20.С. 65-68. 105

43. 44. 45.

46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54.

55. 56.

Лучшева А.А. Практическая гидрометрия.- Л.: Гидрометеоиздат,1983.-423 с. Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Пер.с фран.-Л.: Энергия, 1974.- 215 с. Масс У.И., Носков Л.Д., Романенко А.А. Прибор для измерения скорости потока методом тепловых меток //Автоматизация исследований в транспортном строительстве: Труды ЦНИИСа. Вып. 109.-М.: Транспорт, 1979.- С.6167. Наставление по гидрологическим станциям и постам Вып2. Часть 2. Гидрологические наблюдения на постах Изд-ние третье, переработанное.- Л.:Гидрометелиздат.-1975.-264 с. Никитин И.К. Сложные турбулентные течения и процессы теплопереноса. К:, Наукова думка, 1980.- 240 с. Овчаров Е.Е., Захаровская Н.Н. Гидрология и гидрометрия.Л.: Гидрометеоиздат, 1986.- 312 с. Орлова В.В. Гидрометрия. – Л.: Гидрометоиздат, 1974. – 412 с. Пикуш Н.В. Методы и приборы гидрометрии. – Л.: Гидрометиздат. – 1967.- 208 с. Регистрирующее устройство к микровертушке//Информационные материалы Бел НИИ мелиорации и водного хозяйства. - Минск, 1978.-4 с. Сабинян Г.Х. Зависимость показаний анемометров от структуры потока//Журнал геофизики.- 1973.Т.7. Вып.2-3.- С.164176. Смоляков А.В., Ткаченко В.М. Измерение турбулентных пульсаций. - Л.: Энергия,1980.-264 с. Суражский Д.Я., Харитонов В.П. Приближенное аналитическое и машинное решения уравнения движения вращающегося ветро-приемника анемометра в гармоническом пульсирующем потоке. //Труды НИИГМП. Вып.20. - М.:Гидрометеоиздат, 1968.- С.15-20. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая техника: Справочное руководство. Пер.с нем.- М.: Мир, 1982. – 512 с. Хапаева А.К. Гидродинамическое воздействие на дно потока в гидравлическом прыжке и за ним. //Гидравлика высоконапорных водосбросных сооружений. Труды координационных совещаний по гидротехнике. - Л.: Энергия. - 1969. Вып. 52. - С.618-629. 106

57. 58. 59.

60.

61.

Цивин М.Н. Статистический подход к планированию гидравлического эксперимента: Задачи управления двумерными бурными потоками. – Киев: НТУ. 2001. – 122 с. Цивин М.Н. Электронная приставка для измерения скорости водного потока частотными датчиками.//Информационный листок №595-84.-Ростовский ЦНТИ, 1984. - с.4. Цивин М.Н., Абраменко П.И., Новойдарский А.В. Оценка минимальной длительности измерения осредненной местной скорости высокотурбулентного потока. //Гидравлика сооружений оросительных систем и водотоков: Сб. науч.тр. НИМИ. Новочеркасск, 1986. Plate E.I., Bennett J.P. Rotary flow meter as turbulence transducer.//Journal of the Engineering Mechanics Division. Proceedings of the American Society of Civil Engineers. - 1969.- V.95, № EM-6.- p. 1307-1329. Bennett J.P., McQuivey R.S. Comparison of a propeller flowmeter with brot-film anemometer in measiring turbulence in movable – boundary open – cannel flows.//Geological Survey Research.- 1970.- 700B.- p.B254-B262.

107