Материал: Характеристика приборов и методов измерения расходов воды

где hs - средняя глубина в отсеке между скоростными вертикалями; Ps весовой коэффициент: Ps = 0,5 для прибрежных отсеков (s = 1; s = N) ; Ps - 0,5 для всех остальных отсеков (1<s<N).

Значения а0 устанавливаются по характерным фазам режима на основе специальных многоточечных (детальных) измерений. Вместе с тем а0 вполне допустимо вычислять непосредственно по данным каждого конкретного измерения элементов расхода воды.

                                                                            (5)

где Nb - количество скоростных вертикалей.

Достоинство интерполяционно-гидравлической модели расхода воды по сравнению с моделью состоит в том, что она практически исключает систематическую погрешность - занижение расхода воды при сокращении числа скоростных вертикалей. Такой эффект достигается тем, что интерполяция средних скоростей на вертикалях vi(j) по ширине отсека между ними ведется с учетом распределения глубин. Отметим, что этим интерполяционно-гидравлическая модель превосходит и графический способ обработки расхода воды, в котором средние скорости на вертикалях интерполируются линейно.

При использовании интерполяционно-гидравлической модели достаточно измерять скорости всего на трех-четырех вертикалях, размещенных на равных расстояниях.

В качестве репрезентативной скорости принимается максимальная скорость в поперечном сечении потока или в точке стержневой вертикали на глубине 0,2h. При этом по данным предшествующих многоточечных измерений строится зависимость vcp=f(uмакс) или vcp=f(u0,2h), которая может аналитически быть представлена в виде уравнений регрессии:

                                                                            (6)

Координата точки с максимальной скоростью течения не остается постоянной, а теснота связи нередко оказывается недостаточной (рассеяние достигает 15%). Такая неопределенность не дает основания рассматривать uмакс как заведомо репрезентативный элемент для определения средней скорости потока. В связи с этим, заслуживает внимания предложение Е.П. Буравлева использовать в качестве репрезентативных средние скорости на вертикалях в прибрежных частях потока, расположенных на расстояниях 0,2В и 0,8В (считая от одного из урезов воды) [14].

Расчетное уравнение регрессии в таком случае приобретает вид

                                                            (7)

Точность определения расхода воды по репрезентативным элементам неодинакова для различных фаз гидрологического режима. Если рассматривать отдельно взятый створ, то анализ показывает, что использование репрезентативных элементов приводит к достаточно надежным результатам лишь при относительно небольших расходах Q/Qмакс>0.25, где Qмакс - средний многолетний максимальный расход воды. Этим критериальным соотношением можно руководствоваться при организации измерений.

В каналах, где сохраняется призматичность и устойчивость формы русла, для определения vcp достаточно использовать одну репрезентативную вертикаль. По исследованиям А.А. Осиповича и В.П. Рагуновича (ЦНИИКИВР), эта вертикаль расположена на расстоянии 0,2b от уреза воды в канале (b - полуширина канала по дну - см.рис. 1). Отклонение местных скоростей течения на этой вертикали от средней для всего потока находится в пределах 2-3%.

Для ускорения измерений средних скоростей на вертикалях служат установки - интегратор ГР-101 и полуавтоматическая штанга с батареей микровертушек, разработанная М.И. Бирицким (ЦНИИКИВР) [6].

2.6.2 Интеграционные измерения с движущегося судна

Интеграция скоростей течения с движущегося судна может производится:

а) вертушкой (или другим преобразователем скорости), закрепленной на определенном (постоянном) горизонте (горизонтальная интеграция);

б) Вертушкой, перемещаемой зигзагообразно от поверхности до дна потока и обратно в течение всего времени движения судна по створу.

Зигзагообразная интеграция в связи с техническими трудностями не получила распространения, поэтому ниже рассматривается только горизонтальная.

Рис.2.1 Принципиальная схема интеграционного измерения расхода воды с движущегося судна: а - геометрические элементы схемы, б - сложение векторов скоростей

Горизонтальная интеграция скоростей обычно производится в поверхностном слое, так как коэффициенты перехода от поверхностей к средней скорости течения потока наиболее изучены. Принципиальная схема интеграционного измерения показана на рис.2.1, а один из вариантов приборного комплекса, разработанного в ГГИ. Непосредственно измеряются:

а) глубина h по створу (их регистрирует эхолот),

б) результирующая скорость up - векторная сумма поверхностоной скорости течения uп и скорости движения судна uc,

в) угол α между осью вертушки и линией гидроствора. Если все эти элементы отнести к элементарному отсеку потока s шириной, равной расстоянию, которое судно проходит по створу за достаточно короткий интервал времени ∆t:

то можно получить фиктивный частичный расход в этом отсеке

Затем значения qфs умножаются на коэффициент К, обеспечивающий переход от фиктивного расхода к действительному. Этот коэффициент должен быть заранее известен для данного створа по результатам специальных наблюдений. Действительные значения qs в специальном вычислительном блоке последовательно суммируются (интегрируются) по мере движения судна вдоль гидроствора от одного берега к другому за время Т, что позволяет получить полный расход воды

                                                                       (8)

При косоструйном течении растет uп и us становится более сложным и требует учета угла косоструйности αк, который заранее не известен. Однако если угол косоструйности не слишком велик (менее 200), можно использовать ту же формулу (8). Для компенсации возникающих при этом погрешностей интеграцию скоростей рекомендуется производить дважды (от одного берега к другому и обратно), а в качестве результата измерений принимать полусумму полученных значений.

Одно из главных метрологических преимуществ горизонтальной интеграции скоростей течения состоит в том, что она устраняет погрешность интерполяции средних скоростей на вертикалях, а при вертикальной дискретизации модели расхода воды эта погрешность является основной[7].

Выражение (8) относится к случаю, когда интеграция скоростей течения производится в поверхностном слое при незаглубленном измерителе скорости (z=0). Если же на реке наблюдается заметное волнение, появляется плывущий мусор или ледяные образования, приходится опускать измеритель ниже поверхности воды на глубину z. Измеряемый при этом расход Qz окажется не равным фиктивному расходу Qп. Соответствующий поправочный коэффициент определяется по зависимости, полученной И. Ф. Карасевым:

где β = (bл+bп)/B - непрозондированная часть ширины русла (см. рис.1); φ = hмакс /hcp - коэффициент полноты сечения; m = 24,0 м0,5/с - эмпирический коэффициент Базена.

Переход к действительному расходу совершается по соотношению

Точность интеграционного измерения скорости течения существенно зависит от скорости перемещения судна по створу uc: при ее увеличении возникают погрешности измерения не только из-за малости времени интеграции Т, но и из-за уменьшения uп/uc. Чтобы не допустить чрезмерного возрастания рассматриваемой погрешности, скорость перемещения судна uc должна быть ограничена некоторым достаточно малым значением, при котором еще сохраняется устойчивость судна на курсе. Опыт показывает, что эта скорость близка к поверхностной скорости потока uп.

2.6.3 Измерение расходов воды с использованием физических эффектов

Для измерения скоростей течения (а значит, и расходов воды) могут быть использованы различные физические эффекты: Доплера, ультразвуковые и электромагнитная индукция.

Доплеровский метод измерения скоростей течения реализуется в двух вариантах: с использованием оптических квантовых генераторов и радиолокатора.

При лазерных измерениях источником информации о скорости потока служат спектральные характеристики света. Если поток, движущийся со скоростью v, просвечивается когерентным монохроматическим излучением с частотой ω0 и волновым вектором Ао, а рассеянное излучение при частоте ωi наблюдается в направлении волнового вектора As, то значение v устанавливается непосредственно по разности частот и векторов

= (ωi - ω0)/(As - A0)

Рассеяние света создается частицами взвесей, которые содержатся в потоке или вводятся в него. Лазерные установки пока нашли применение в трубопроводах и лабораторных лотках (

Радиолокационный вариант эффекта Доплера положен в основу измерителя поверхностных скоростей течения ГР-117, разработанного в ГГИ Г. А. Юфитом. Прибор состоит из блока радиоаппаратуры, рупорной антенны, блоков анализа характеристик радиоволн, прямых и отраженных от неоднородностей на поверхности потока - турбулентных возмущений и ветровых волн (рис. 2 б).

Для определения скорости течения в установке использована зависимость

где λ- длина радиоволны, составляющая 3,2 см.

Измерения производятся с гидрометрического мостика, люльки или с берега. Минимальное значение измеряемой скорости составляет 0,4 м/с, максимальное 15 м/с, индикация результата измерения - цифровая. Радиолокационный измеритель испытан в полевых условиях. В ближайшей перспективе первые партии прибора будут выпущены для производственного использования[6].

Ультразвуковой (акустический) метод заключается в посылке импульсов ультразвука по косому галсу в направлении течения и против него с регистрацией двух временных интервалов - соответственно Т1 и Т2. Ультразвуковое зондирование может производиться в различных направлениях в плане и поперечном сечении потока, но для определенности принимается горизонтальное положение ультразвукового луча, а угол, который он должен составлять с динамической осью, равным 30-60°.

Рис.2.2 Варианты измерения скоростей потока с использованием эффекта Доплера: а - лазерная установка: 1 - фотоприемник, 2 - трубопровод, 3 - разделительная пластина, 4 - источник света, 5 - зеркало, б радиолокационный измеритель скоростей течения: 1 - радиоблок, 2 - рупорная антенна, 3 - установочная тренога, 4 - настил моста

Для выполнения измерений необходимо выбирать прямолинейный участок с устойчивым и свободным от растительности руслом. В потоке не должно содержаться пузырьков воздуха, рассеивающих ультразвук.

Преобразователи-приемники акустических (ультразвуковых) сигналов устанавливаются на свайных опорах или непосредственно на береговых откосах (рис. 2.3а). Опорные конструкции должны допускать возможность перемещения преобразователей при колебаниях уровня без нарушения их взаимной ориентировки.

Для определения скорости потока принимаются расчетные формулы, не содержащие в явном виде скорость звука в воде, что исключает необходимость в аппаратуре для ее измерения (как известно, скорость звука не остается постоянной и зависит от температуры и минерализации воды) [6].

Ультразвуковые системы для измерения скорости течения делятся на кабельные или бескабельные соответственно тому, имеется или отсутствует кабель, связывающий приемно-передающие устройства на противоположных берегах.

Кабельный вариант (рис. 2.3 б) функционирует следующим образом. В начальный момент времени производится одновременное излучение ультразвуковых импульсов в точках I и II. Ультразвуковые импульсы распространяются в потоке по траектории, составляющей угол а с направлением течения. Одновременно с запуском передающих устройств 2 запускается измеритель временных интервалов 3, который останавливается после приема импульсов на противоположных берегах.

Специальный электронный блок автоматически вычисляет осредненную по измерительному галсу скорость потока

В бескабельном варианте используется акустический канал связи с блоком переизлучения ультразвуковых импульсов. Принцип измерения остается тем же, хотя общая его схема становится более сложной.

Методика и принципиальные схемы ультразвуковых измерений расходов воды на реках разработаны А.И. Затыльниковым (ГГИ). На этой основе в ЦКБ ГМП создан комплекс АИР, выпускаемый малыми сериями.

Существуют две разновидности моделей расхода воды, измеренного ультразвуковым методом.

. Послойная интеграция скоростей, при которой осуществляется горизонтальная дискретизация модели расхода воды

где β - коэффициент, учитывающий полноту зондирования и особенности скоростной структуры во фрагменте, к которому относится осредненная скорость vs; fs - площадь фрагмента по направлению ультразвукового луча.

Рис.2.3.а Принципиальная схема измерения расходов воды гидроакустической установкой: а - установка измерительных преобразователей на свайных опорах, б - блок-схема кабельного варианта

. Из-за технических трудностей послойное измерение скоростей течения ультразвуком не получило распространения. В большинстве действующих установок зондирование потока производится на одном уровне. В этом случае для определенности должен зондироваться поверхностный слой и математическая модель приобретает вид

                                                                      (9)

где F3 - площадь водного сечения в плоскости ультразвукового зондирования; kB - коэффициент перехода от осредненной по ширине потока поверхностной скорости течения к средней[10].

Величина kB, не идентичная коэффициенту перехода от осредненной по сечению поверхностной скорости к средней, изучена мало и должна определяться в каждом створе по данным специальных методических исследований. Вместе с тем физически ясно, что kB зависит от тех же факторов, что и К, который достаточно исследован и может быть оценен. Связь коэффициентов К и kB получена И.Ф. Карасёвым

Из формулы следует, что: