Меню

Методы измерения расхода рек

1. ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ МЕТОДОМ «СКОРОСТЬ — ПЛОЩАДЬ» И КЛАССИФИКАЦИЯ ЕГО ВАРИАНТОВ

1.1. Сущность метода и принципы измерения

1.1.1. Метод «скорость — площадь» является разновидностью косвенных измерений расхода воды. При этом в результате наблюдений в фиксированном гидрометрическом створе определяются следующие элементы расхода:

глубины на промерных вертикалях и их удаление от постоянного начала по линии гидрометрического створа, для определения площади водного сечения (с точностью до трех значащих цифр, но не точнее 1 см);

продольные (нормальные к гидрометрическому створу) составляющие средних скоростей течения на вертикалях, на основе которых рассчитываются средние скорости в отсеках между ними (с точностью до трех значащих цифр, но не точнее 1 см/с).

1.1.2. Расход воды вычисляют по его элементам одним из следующих способов (с точностью до трех значащих цифр):

аналитическим, как сумму частных расходов воды, проходящих через отсеки водного сечения потока, ограниченные скоростными вертикалями;

графическим, как площадь эпюры распределения элементарных расходов воды по ширине потока.

1.1.3. При вычислении расхода воды должны определяться также основные гидравлические характеристики потока, используемые при оценке точности измерений и учете речного стока:

уровень воды над нулем поста Н;

площадь водного сечения F ;

средняя и наибольшая скорости течения: v и v н (v = Q / F ); v н является наибольшей из скоростей, измеренных вертушкой;

ширина водного сечения В;

глубины потока: средняя h ср и наибольшая h н ( h ср = F / B ); h н является наибольшей из измеренных на промерных вертикалях.

1.2. Классификация способов измерения

1.2.1. В зависимости от методики определения средних скоростей на вертикали различают интеграционный и точечные способы.

1.2.2. Интеграционный способ основан на измерении средней скорости течения на вертикали вертушкой, равномерно перемещаемой по глубине.

1.2.3. Точечные способы, основанные на определении средней скорости течения на вертикали по результатам измерений в точках, подразделяются на:

основной способ — при измерении скорости течения на вертикали в двух (свободное русло) или трех точках (наличие водной растительности, ледостав);

детальный способ — при измерении скорости течения на вертикали в пяти (свободное) или шести точках (ледостав, водная растительность).

При малых глубинах (см. табл. 5) допускается применение одноточечного способа.

1.2.4. Для основного способа измерений расхода воды в однорукавном русле назначается 8 — 10 скоростных вертикалей.

В случае применения детального способа количество скоростных вертикалей увеличивается в 1,5 — 2 раза. Детальный способ применяется при научно-методических работах по оценке точности и оптимизации процессов измерения расхода воды — для уточнения числа промерных и скоростных вертикалей, а также обоснования возможности перехода к основному способу в данном гидростворе.

Сокращенный способ измерений расхода допускает использование менее восьми скоростных вертикалей при двух-, трехточечном измерении скоростей на вертикалях (аналогично основному способу).

2. УЧАСТОК ГИДРОМЕТРИЧЕСКОГО СТВОРА

2.1. Гидрометрический створ (в дальнейшем — гидроствор) входит в состав гидрологического поста наряду с его устройствами для измерения уровней, температуры воды и других элементов водного режима реки (канала). К участку гидроствора относится часть реки, непосредственно примыкающая к гидроствору на удалении двух — трех ширин русла сверху и снизу по течению.

2.2. Условия измерений расхода воды считаются нормальными, если на участке гидроствора соблюдается прямолинейность русла:

отсутствуют резкие переломы, профиль водного сечения и эпюры распределения скоростей по ширине потока устойчивый;

обеспечен правильный одномодальный, выпуклый профиль распределения скоростей течения по глубине потока;

отсутствует выраженная пульсация скорости течения по значению и направлению, а также значительная систематическая косоструйность потока;

отсутствуют помехи при измерении скоростей течения, глубин, уровня воды и координирования скоростных и промерных вертикалей.

расположение гидроствора на плесовых участках реки;

отсутствие поймы с протоками и рукавами;

отсутствие естественных или искусственных преград;

отсутствие водной растительности в самом гидростворе, а также выше и ниже его на расстоянии до 30 м;

коэффициент вариации скорости (число Кармана Ka ) в среднем по сечению должен быть не более 15 %;

косоструйность течения на гидростворе (отклонение в плане направлений течения в отдельных точках от его среднего значения для сечения в целом) должно быть не более 20°;

мертвые пространства должны иметь четкие границы и составлять не более 10 % от площади водного сечения;

при ледоставе должен отсутствовать многоярусный ледяной покров и незамерзающие полыньи;

зашугованность русла не должна превышать 25 % площади водного сечения;

средняя скорость течения в живом сечении должна быть не менее 0,08 и не более 5 м/с;

при измерении расхода воды вблизи моста участок гидроствора должен быть расположен выше, но в случаях частых скоплений льда и заломов леса — ниже моста (на удалении не менее 3 — 5 ширин русла в обоих случаях).

2.4. Во всех случаях, где это возможно, для приведения участка в соответствие с требованиями п. 2.3 должны производиться работы по упорядочению и канализованию русла.

2.5. Гидроствор должен быть расположен на однорукавном участке реки. При необходимости допускается назначать гидроствор» на участке разветвления русла на рукава и протоки.

3. ГИДРОСТВОРЫ И ИХ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1. Местоположение и направление гидроствора

Это требование считается удовлетворительно выполненным при соблюдении следующих условий:

для беспойменных участков рек — среднее значение отклонения направления течения от нормали к гидроствору (косина струй в плане) на скоростных вертикалях не должна превышать ± 10°;

для пойменных участков рек — средняя косина струй на скоростных вертикалях не должна превышать ± 20°. При расхождении средних направлений течения в основном русле и на пойме более 20° допускается разбивать гидроствор в виде ломаной линии, участки которой соответствуют условию перпендикулярности направлению течений.

3.1.2. В случаях, когда направление гидроствора удовлетворяет указанным требованиям только при определенном наполнении русла, для данных разных фаз водного режима должны оборудоваться гидростворы, удовлетворяющие условиям п. 3.1.1.

3.2. Оборудование гидроствора

3.2.1. Гидроствор должен быть закреплен на местности стальным канатом или гидрометрическим мостиком, или створными знаками. Створные знаки должны быть хорошо видимыми со стороны реки и обеспечивать предельное уклонение судна от линии створа g = 1° (угол g образован линией гидроствора и линией визирования, проходящей через створные знаки и гидрометрическое судно, причем вершина угла g совпадает с положением ближнего к реке створного знака).

3.2.2. В створе устанавливается береговой знак (столб, репер и т.п.), закрепляющий постоянное начало для отсчета расстояний до урезов берегов, промерных и скоростных вертикалей, границ мертвого пространства и водоворотных зон.

3.2.4. При координировании промерных вертикалей геодезическими методами участок дополнительно оборудуется стоянкой угломерного инструмента.

4. ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ

4.1. При каждом измерении расхода воды на гидрологическом посту должен быть измерен соответствующий ему уровень воды.

Правила выполнения измерений уровня воды должны соответствовать требованиям ГОСТ 25855-83.

Время каждого измерения уровня фиксируется.

4.3. При наличии в гидростворе дополнительного уровенного поста (п. 3.2.5) наблюдения за уровнем должны проводиться на обоих постах: основном и дополнительном.

5. КООРДИНИРОВАНИЕ ПРОМЕРНЫХ И СКОРОСТНЫХ ВЕРТИКАЛЕЙ В ГИДРОСТВОРЕ

5.1. Способы координирования вертикалей

5.1.1. Местоположение промерных и скоростных вертикалей в гидростворе определяется расстоянием от постоянного начала.

5.1.2. На гидростворах, оборудованных лодочной, паромной или люлечной переправой с постоянно подвешенным разметочным канатом либо гидрометрическим мостиком, необходимо закреплять положение вертикалей согласно п. 3.2.3.

5.1.3. При наличии прочного ледяного покрова местоположение вертикалей следует определять теодолитным ходом по льду или мерной лентой.

5.1.4. На судоходных реках или при ширине сечения более 300 м местоположение вертикалей должно определяться засечками теодолитом или кипрегелем с берега.

В отдельных случаях (например, в условиях заболоченных или широких пойм и др.) допускается применение косых или веерных створов для закрепления рабочих вертикалей.

5.2. Точность координирования промерных вертикалей в гидростворе

5.2.1. Относительная средняя квадратическая погрешность координирования вертикалей в гидростворе () должна удовлетворять требованию

(5.1)

где s к — абсолютная среднеквадратическая погрешность координирования, м;

B — ширина реки, м.

5.2.2. При назначении мест мензульных (теодолитных) стоянок необходимо, чтобы угол, образуемый направлением гидроствора и лучом визирования, a был не менее 30°.

5.2.3. Длина линий на плане l (см) при мензульной съемке должна удовлетворять условию

(5.2)

где L — длина линии на местности, м.

5.2.4. Абсолютная погрешность координирования s к , обусловленная уклонением судна от гидроствора ( D Х , м), определяется по зависимости

(5.3)

где D X ср — среднее уклонение судна от гидроствора, м (табл. 1);

a cp — среднее значение угла, образованного лучом визирования и направлением гидроствора.

Значение уклонения судна на каждой вертикали определяется расстоянием между створными знаками l c и удалением судна от ближайшего знака L c . Допускаемое расстояние между створными знаками определяется по зависимости D X ср от l с и L c в табл. 1.

при

(5.4)

где δд — допускаемая относительная погрешность определения глубин, обусловленная отклонением вертикали от линии створа, равная 5 %;

ξк — радиус корреляции глубин потока в продольном направлении, м;

С h — коэффициент вариации глубин вдоль потока (методика расчета ξк и С h дана в приложении 2);

h — глубина на вертикали, м;

при

D X д = h . (5.5)

6. ИЗМЕРЕНИЕ ГЛУБИН И ВЫЧИСЛЕНИЕ ПЛОЩАДЕЙ ОТСЕКОВ МЕЖДУ СКОРОСТНЫМИ ВЕРТИКАЛЯМИ

6.1. Требования к точности измерения глубин

6.1.1. Измерения глубин должны производиться по линии гидрометрического створа с соблюдением требований п. 5.2.5.

6.1.2.. Средства измерения должны обеспечивать определение глубины в точке с инструментальной погрешностью не более 2 %. Это требование должно отвечать существующим и вновь разрабатываемым средствам измерения глубин.

гидрометрическая штанга или наметка должны применяться во всех случаях, когда наибольшая глубина в створе не превышает длину инструмента и условия измерений позволяют устойчиво зафиксировать штангу на вертикали и снять отсчет глубины (если указанные требования не выполняются, необходимо использовать промерный канат с гидрометрическим грузом или эхолот);

на каждой промерной вертикали судно должно устанавливаться на якорь или фиксироваться на канатной переправе;

при работе в руслах с илистым дном должны применяться наметки и штанги, снабженные круглым поддоном диаметром 12 — 15 см, препятствующим их погружению в ил;

при промерах штангой на реках со сплошным скальным дном следует применять штангу без конусообразного наконечника.

(6.1)

где h и — измеренная глубина, м;

Z — расстояние от точки подвеса каната до поверхности воды, м;

D — поправка на относ подводной части каната, м, определяемая по табл. 3.

Угол отклонения каната от вертикали, градус

Читайте также:  Верона гордая верона ты островок в реке крови

6.1.6. На мелководных горных реках глубина должна определяться как разность расстояний до дна и поверхности воды, измеряемых штангой или наметкой от перетянутого через реку каната, настила моста и т.п.

6.1.7. При набеге воды на штангу, необходимо использовать свободно перемещающийся по штанге металлический ползунок со стрелкой — указателем поверхности воды вне зоны набега.

6.2. Промеры глубин на гидростворе при измерении расхода воды

6.2.1. Промеры глубин производятся для определения площади водного сечения F и его отсеков f в . При устойчивом русле допускается использовать результаты предшествующих промеров и не производить их при каждом измерении расхода воды. Устойчивость русла оценивается на основании анализа совмещенных профилей поперечного сечения потока по гидроствору, а также по рассеянию точек эмпирической связи F (Н) — зависимости площади водного сечения от уровня воды.

6.2.2 . Если при совмещении поперечных профилей отклонение отдельных точек не превышает ± 5 %, а точки зависимости F (Н) отклоняются от осредняющей их кривой не более чем на ± 3 %, промеры глубин допускается производить не при каждом измерении расхода воды, а один раз в трех — пяти измерениях.

вертикальные деформации русла выражены, но за время измерения расхода воды не превышают допускаемой среднеквадратической погрешности промеров глубин;

русло устойчиво, свободно от ледовых образований, но измерения расхода проводятся эпизодически (один — два раза за период характерной фазы гидрологического режима).

6.2.4. Промеры глубин следует выполнять при каждом измерении расхода воды в два хода, если:

вертикальные деформации русла за время измерения расхода превышают допускаемую среднеквадратическую погрешность промеров глубин;

расход воды измеряется реже трех раз за фазу водности и в живом сечении отмечаются шуга и внутриводный лед;

русло в створе измерений неровное, сложено валунами или с выходами коренных пород.

6.2.5. В случаях, когда выполнение промеров на пойме затруднено, глубины в пойменной части гидроствора должны определяться по профилю, полученному инструментальной съемкой в меженный период с учетом фактических уровней воды.

6.2.6. В первые два — три года работы гидрологического поста промеры глубин должны выполняться в два хода при каждом измерении расхода воды для обоснования последующих измерений, производимых в соответствии с пп. 6.2.2, 6.2.3.

6.3. Количество промерных вертикалей

6.3.1. Количество промерных вертикалей (или засечек местоположения гидрометрического судна при промерах с помощью эхолота) следует назначать в зависимости от формы профиля водного сечения, исходя из требования: относительная среднеквадратическая погрешность измерения площади сечения не должна превышать 2 %.

6.3.2. В основных руслах равнинных и полугорных рек минимальное количество промерных вертикалей nh (min) следует назначать в соответствии с табл. 4 в зависимости от параметра формы русла.

Источник

Измерение расхода жидкости: приборы и методы

Расход – это объем жидкости протекающий в единицу времени через поперечное сечение трубопровода. Измерение расхода жидкости является одной из задач при производственных испытаниях оборудования.

В этой статье мы собрали для Вас все современные методы определения расхода жидкости, а так же приборы для измерения расхода: трубчатые расходомеры, расходомерные шайбы, крыльчатые расходомеры, ультразвуковые и вихревые расходомеры.

Методы измерения расхода жидкости

Наиболее простые и вместе с тем точные методы измерения расхода жидкости являются объемный и массовый (весовой).

В соответствии с методами измерения, единицами расхода жидкости являются:
для объемного способа: м 3 /с, м 3 /ч
для массового способа: кг/c, кг/ч, г/с и т.д.

При объемном способе измерения протекающая в исследуемом потоке(например, в трубе) жидкость поступает в особый, тщательно протарированный сосуд (так называемый мерник), время наполнения которого точно фиксируется по секундомеру.

Если известен объем мерника – V и измеренное время его наполнения – T, то объемный расход будет

При весовом способе взвешиванием находят вес G v = m v*g (где g – ускорение свободного падения) всей жидкости, поступившей в мерник за время T. Затем определяют её массу

и массовый расход

и по ней, зная плотность жидкости (ρ), вычисляют объемный расход

Но объемный и весовой методы измерения расхода жидкости пригодны только при сравнительно небольших значениях расхода жидкости, так как в противном случае размеры мерников получаются довольно громоздкими и, как следствие, замеры очень затруднительными.

Кроме того, этими способами невозможно измерить расход в произвольном сечении, например, длинного трубопровода или канала без нарушения их целостности. Поэтому, за исключением случаев измерения сравнительно небольших расходов жидкостей в коротких трубах и каналах, объемный и весовой способы, как правило, не применяются, а на практике пользуются специальными приборами, которые предварительно тарируются объемным или весовым способом.

Приборы для измерения расхода жидкости

Одним из таких приборов является трубчатый расходомер или расходомер Вентури. Большим достоинством этого расходомера является простота конструкции и отсутствие в нем каких-либо движущихся частей. Трубчатые расходомеры могут быть горизонтальными и вертикальными. Рассмотрим, к примеру, горизонтальный вариант.

Расходомер состоит из двух цилиндрических труб А и В диаметра d 1, соединенных при помощи двух конических участков (патрубков) С и D с цилиндрической вставкой E меньшего диаметра d 2. В сечениях 1-1 и 2-2 расходомера присоединены пьезометрические трубки a и b, разность уровней жидкости h в которых показывает разность давлений в этих сечениях.

Расход жидкости в этом случае определяется по тарировочным кривым, полученным опытным путем и дающим для данного расходомера прямую зависимость между показаниями манометра и измеряемыми расходами жидкости. Пример такой кривой на картинке рядом

Другим широко распространенным прибором для измерения расхода является расходомерная шайба (или диафрагма), обычно выполняемая в виде плоского кольца с круглым отверстием в центре, устанавливаемого между фланцами трубопровода

Края отверстия чаще всего имеют острые входные кромки под углом 45° или закругляются по форме втекающей в отверстие струи жидкости (сопло). Два пьезометра a и b (или дифференциальный манометр) служат для измерения перепада давления до и после диафрагмы. В основе метода положен принцип неразрывности Бернулли.

Расход в этом случае определяется по замеренной разности уровней в трубках. Трубки подсоединяют к датчикам, замеряющим перепад давления. Датчик перепада давления преобразует перепад в электрический сигнал, который отправляется на компьютер.

Расходы могут быть вычислены также в результате измерения скоростей течения жидкости и живых течений потока.

Одним из широко распространенных приборов, применяемых для этой цели является гидрометрическая вертушка. Современный турбинный расходомер устанавливают только на горизонтальном участке трубопровода. Лопасти крыльчатки колеса турбины изготавливают из не магнитного материала.

Вертушка состоит из крыльчатки А, представляющей собой колесо с винтовыми лопастями, насаженное на горизонтальный вал С. Когда она установлена в потоке, крыльчатка под действием протекающей жидкости вращается, причем число её оборотов прямо пропорционально скорости течения. Число импульсов за один оборот крыльчатки равно числу лопастей, а значит частота импульсов пропорциональна расходу.

При вращении лопасти поочередно пересекают магнитное поле, которое наводит электродвижущую силу в катушке в виде импульса. От вертушки вверх выводятся провода В, подающему сигнал к специальному счетчику, автоматически записывающему число оборотов и время.

Приборы для измерения расхода жидкости в этом случае называют турбинными расходомерами

Ультразвуковой метод измерения расхода

Ультразвуковой расходомер работает по принципу использования разницы по времени прохождения ультразвукового сигнала в направлении потока и против него.

Расходомер формирует электрический импульс, поступающий на пьезоэлемент П1, который излучает электромеханические колебания в движущуюся среду. Эти колебания воспринимаются через некоторое время пьезоэлементом П2, преобразуются им в электрический импульс, попадающий в электронное устройство и снова направляемый им на пьезоэлемент П1 и т.д.

Такой контур П1-П2 характеризуется частотой f1 повторений импульсов, прямо пропорциональной расстоянию между пьезоэлементами и обратно пропорциональной разности между скоростью распространения звука в контролируемой среде и скоростью самой среды.

Аналогично электронное устройство подает импульсы в обратном направлении, т.е. от пьезоэлемента П2 к пьезоэлементу П1. Контур П2-П1 характеризуется своей частотой f2 повторений импульсов, прямо пропорциональной расстоянию между пьезоэлементами и обратно пропорциональной сумме скоростей распространения звука в среде и самой среды.

Следующим шагом является определение разности Δf указанных частот, которая пропорциональна расходу среды. Приборы для измерения расхода жидкости называются ультразвуковые расходомеры.

Вихревой метод измерения расхода

В основу работы вихревых расходомеров положена зависимость между расходом и частотой возникновения вихрей за твердым телом (например, металлическим прямоугольным стержнем), которое расположено в потоке жидкости или газа.

Принцип действия преобразователя основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся в потоке жидкости, при обтекании жидкостью специальной призмы, расположенной поперек потока.

В зависимости от конструкции датчика чувствительные тепловые элементы устанавливаются непосредственно в теле датчика или вихревой дорожке.

Если в тело образующее вихри, установить магнит, то он может служить датчиком. Реакция, возникающая при срыве вихрей, заставляет помещённый в поток цилиндр колебаться с частотой вихреобразования. Достоинством вихревых расходомеров является, обеспечение низкой зависимости качества измерений от физико-химических свойств жидкости, состояния трубопровода, распределения скоростей по сечению потока и от точности монтажа первичных преобразователей на трубопроводе. Приборы для измерения расхода жидкости называются вихревые расходомеры.

Прочитайте полную статью по ссылке ниже

Источник

Глава 3 Измерение расходов воды

3.1 Приборы и оборудование.

Для измерения расхода, на практике используется гидрометрическая вертушка ГР-21М, номер вертушки указан на лопастном винте. Лопастные винты бывают № 1 основной – диаметром 12 см и геометрическим шагом 20 см ,№ 2 –неокомпанентный, диаметром 12 см, геометрическим шагом 50 см. Обязательно указываться то на чем опускается вертушка в воду (штанга, трос). Основные части вертушек:

1)Лопастной винт или ротор приводится во вращательное состояние в результате силового воздействия набегающего потока.

2)Оси, на которой вращается лопастной винт или ропот. Ось служит для укрепления лопастного винта, она может быть подвижной, соединенной непосредственно с лопастным винтом.

3)Корпус вертушки. Он служит основой для укрепления и размещения отдельных деталей вертушки, для укрепления вертушки на штанге или тросе. Целесообразной формой корпуса является обтекаемая, создающая наименьшее сопротивление потоку.

4)Счетно-контактный механизм. Он служит для подсчета оборотов лопастных винтов.

5)Хвост или руль. Хвостовое оперение или руль, служит для установки вертушки в потоке по направлению течения, что особенно важно при работе с тросом.

Также для измерения расходов воды используются поплавки. Гидрометрические поплавки считаются самым неточным способом измерения расхода воды. Для нашей реки использовались поверхностные поплавки, которые были сделаны в виде кружков, отпиленных от сухого бревна диаметром 5-15 см и толщиной 2-3 см. не более 4 штук.

Читайте также:  Леса расположенные по обоим берегам реки это охотничьи угодья

3.2. Методы измерения расходов воды.

Расход воды — это объем воды, прошедший через данное поперечное сечение речного потока за 1 с. Для крупных водотоков – рек, каналов, водосбросов гидротехнических сооружений и т.п. – расход воды выражается в кубических метрах в секунду. Расход воды малых водотоков – родников, ручьев, скважин, а также лабораторных лотков выражается в литрах в секунду.

Существуют следующие методы вычисления расходов воды, можно их разделить на две основные группы:

1. Непосредственное измерение расхода.

2. Косвенное измерение расхода.

К непосредственному измерению расхода относиться, так называемый, объемный метод, который основан на измерении расхода, посредством мерных сосудов, подставляемых под струю воды. Так же измеряется время наполнения мерного сосуда. Расход определяется делением объема воды в сосуде на продолжительность наполнения.

Косвенное измерение расхода воды может выполняться различными методами, общей особенностью которых является, то, что в них измеряется не сам расход воды, а отдельные элементы потока, причем величина расхода получается путем вычисления. К таким методам относятся:

а). Определение расхода, с помощью промерных устройств: гидрометрические лотки, водосливы.

б). Метод смешения, который имеет несколько разновидностей (тепловой, электрический и колориметрический).

в). Определение расхода по измеренным скоростям течения и площади поперечного сечения потока, называется метод «скорость-площадь». Этим методом мы пользовались на практике. Площадь поперечного сечения потока находится по результатам промеров глубин, а скорости в отдельных точках живого сечения.

3.3. Измерение расхода гидрометрической вертикали.

Определение расходов воды с применением гидрометрических вертушек производиться методом «скорость-площадь». Для обеспечения достаточной точности измерения расходов необходимо, что бы на выбранном участке наблюдалось плавно изменяющееся движение воды, течение воды как в коренном русле, так и на пойме должно иметь общее направление по всей ширине реки. Скорость течения в межень должна быть не менее 0,15-0,25 м/cек, что бы можно было изменить вертушкой. Желательно, чтобы в перерод половодья и паводков, скорости не превышали 3,0-4,0 м/сек. Зимой участок реки должен быть покрыт сплошным ледяным покровом. На участке не должно быть зон со стоячей водой или обратными течениями. При выборе участка для проведения временных работ, достаточно учитывать удобство расположения в данный период года.

Гидрометрический створ-поперечник через реку, в котором измеряются расходы воды. Положение гидрометрического створа закрепляется на плоскости прочными столбами — реперами.

Гидрометрический створ разбивают перпендикулярно общему направлению реки, ориентируясь на направление берегов, так как для правильного определения расходов, необходимо чтобы поперечное сечение реки по линии створа было расположено нормально к среднему направлению течения. Как правило, на участке измерений устанавливается один гидрометрический створ, совпадающий со створом водомерного поста или находящийся вблизи от него. Однако в некоторых случаях необходимо иметь два, а иногда и три створа. Это связанно с тем, что в различные периоды года может существенно изменяться условия протекания воды.

Определение направления гидрологического створа по средствам вертушки, измеряющей направление течения.

Работы по определению направления створа выполняются в следующей последовательности:

1)на предварительно выбранном и закрепленном створе проводят промеры глубин, после чего сообразуясь с шириной реки и очертаниями профиля створа, назначаются скоростные вертикале в количестве не более 10-12;

2)на всех скоростных вертикалях измеряются скорости и направления течения, в одной точке на глубине 0,6 h от поверхности; полученная величина скорости на вертикали принимается за среднюю скорость на вертикали.

3)вычисляются расходы воды (умножаем скорость реки на площадь водного сечения)* смотреть КГ-3 Расход воды для вертушки ГМЦМ-1

При измерении расходов воды вертушками применяются три способа – детальный, составной и сокращенный, которые различаются по степени подробности измерений скорости в живом сечении.

До провидения измерения расходов воды необходимо проверить исправность гидрометрической вертушки, а так же состояние всего оборудования гидрометрического створа. При измерении расхода воды выполняются следующие работы:

1)описание состояние реки, погоды, водной растительности, состояние русла реки, сплав леса с указанием вида сплава, сила и направление ветра, волнение, мутность воды, наличие ледовых явлений.

2) наблюдение над уровнем воды.

3) промеры глубин на гидростворе.

4)измерение скоростей течения на вертушках.

При измерении скоростей по каждой вертикали, производятся следующие работы:

1) Отличается состояние погоды и реки.

2) Определяется (при значительных изменениях) уровень воды по наблюдениям на водомерном посту для начала и конца работы по вертушкам.

3) Измеряется глубина на вертикали; зимой дополнительно измеряется толщина снега, льда, погруженного льда и шуги.

4) Вычисляется рабочая глубина на вертикали и производится расчет глубин, погружение вертушки в точки измерения скоростей.

5) Измеряются скорости течения в отдельных точках.

Чтобы измерить расход воды вертушкой ГР21-М, нужно опустить ее на 0,6 глубины в центральной промерной вертикали и считать количество звонков. Первые 2-3 сигнала пропускаются без записи. Это нужно, чтобы лопастной винт обрел скорость вращения, соответствующую скорости течения воды. Далее включается секундомер и по истечению ≈ 100 сек. Считаются звонки (один звонок – 20 оборотов). Количество звонков умножается на 20 и этот результат делится на количество секунд, получаем число оборотов в секунду:

По тарировочной таблице определяем скорость:

V= 0,0408+0,3233*(0,2405) 2 = 0,1185 м/с

Q= 0,1185*2,2775= 0,27 м 3 /с

3.4 Измерение расхода воды при помощи поверхностных поплавков.

Кроме гидрометрической вертушки, определение скорости течения можно произвести гидрометрическими поплавками. Метод основан на регистрации скорости плывущего тела-поплавка. При определении скорости поплавками допускается, что скорость течения равна скорости движения поплавка. Для измерения расхода воды поверхностными поплавками выше и ниже гидрометрического створа на равных расстояниях разбивают дополнительно два створа с таким расчетом что бы продолжительность хода поплавков между верхним и нижними створами была не менее 20 сек. При скоростях течения более 2 м.сек продолжительность хода поплавков может быть и меньше, но не менее 10 сек. Расстояние между верхним и нижним створами должно быть измерено с большей точностью – дважды стальной лентой. В ветреную погоду применение поверхностных поплавков ограничено. При измерении скоростей поплавками, полученная в каждом случае, есть наибольшая скорость течения на траектории поплавка, ту скорость принимают за местную скорость в точке пересечения линии створа и траектории поплавка. По разбитым створам под водой натягивают тонкие шнуры. У верхнего створа становится один из членов бригады с секундомером, а в основном и ниже становятся два других члена бригады. Студент пускает поплавок несколько выше верхнего створа, забрасывая его на стрежень реки с берега. В момент прохождения поплавка через верхний створ он включает секундомер и следит за поплавком. В момент прохождения поплавка через гидроствор наблюдатель следит, находится ли поплавок на стрежне реки. В момент прохождения поплавком нижнего створа, наблюдатель делает сигнал (голосом) и студент включает секундомер. Из всех пушенных на стрелке поплавков отбирают три поплавка, показывающую наименьшую продолжительность хода между створами. Крайнее значение продолжительности хода этих трех поплавков не должно отличаться друг от друга не более чем на 10 %. Вычисление расхода измеренного поверхностными поплавками приводится только по наибольшей скорости потока по формуле:

Q=0,53*0,116*2,2775=0,14м 3 /c

Где K-коэффициент перехода от наибольшей поверхности скорости к средней, Vнаиб.- наибольшая поверхностная скорость потока, которая определяется как средняя арифметическое из значений скорости, вычисленных по четырем поплавкам с наименьшей продолжительностью хода. ω — площадь водного сечения потока. При измерении скоростей течения у берегов, где поплавки могут задерживаться прибрежной растительностью и где скорости течения массы, рекомендуется пускать поплавки на более коротком участке, развивая для этой цепи верхний и нижний своры с меньшим расстоянием между ними.

Расход воды равен:

*смотреть в приложении «книжка для измерения расхода воды поплавками»

3.5 Определение расхода воды с использование уравнения Шези.

Формула Шези имеет вид:

V=3,817 =0,1008

По меткам высоких вод определяется максимальный уровень воды. По створу выполняется нивелирование берегов до наивысшего уровня и урезов воды для определения уклона водной поверхности. На основании обработанных данных нивелирования строится профиль поста.

По формуле Маннинга определяется коэффициент «С»:

С= * =3,817

Наибольший расход воды вычисляется по формуле:

Источник



Элементы водного режима и методы наблюдений за ними

Под влиянием ряда причин, о которых будет сказано ниже, изменяются расходы воды в реках, положение уровенной поверхности ее уклоны и скорости течения. Совокупное изменение расходов воды, уровней, уклонов и скоростей течения во времени называется водным режимом, а изменение величин расходов, уровней, уклонов и скоростей в отдельности — элементами водного режима.

Расходом воды (Q) называется то количество воды, которое протекает через данное живое сечение реки в единицу времени. Величина расхода выражается в м 3 /с. Уровень воды (H) — высота поверхности воды (в сантиметрах), отсчитываемая от некоторой постоянной плоскости сравнения.

Наблюдения за колебанием уровня проводятся на водомерных постах (рис. 73) и заключаются в измерении высоты водной поверхности над некоторой постоянной плоскостью, принимаемой за начальную, или нулевую. За такую плоскость обычно принимают плоскость, проходящую через отметку несколько ниже наинизшего уровня воды. Абсолютную или относительную отметку этой плоскости называют нулем графика, в превышениях над которым и даются все уровни.


Рис. 73. Свайный водомерный пост (а) и отсчет уровня воды по переносной рейке (б).

Измерения производятся при помощи водомерной рейки с точностью до 1 см. Рейки бывают двух типов — постоянные и переносные. Постоянные рейки прикрепляются к устоям мостов или к свае, забитой в дно русла у берега. При пологих берегах и больших амплитудах колебаний уровней наблюдения за ними проводятся при помощи переносной рейки. Для этого в русло реки и на пойме забивается ряд расположенных в створе свай.

Отметки головок свай связываются нивелировкой с репером водомерного поста, установленным на берегу, абсолютная или относительная отметка которого известна. Переносной рейкой, устанавливаемой на головке сваи, измеряют уровень воды. Зная отметку головки каждой сваи, можно выразить все измеренные уровни в превышениях над нулевой поверхностью, или нулем графика. Наблюдения на водомерных постах обычно проводятся 2 раза в сутки — в 8 и 20 часов. В период, когда уровни быстро меняются, в течение суток проводятся дополнительные наблюдения через 1, 2, 3 или 6 часов. Для непрерывной регистрации уровней в течение суток применяются самописцы уровней, описание которых можно найти в учебнике гидрометрии (В. Д. Быков и А. В. Васильев). Там же можно ознакомиться с автоматическим режимным регистрирующим (уровень и температуру воды) гидрологическим постом. Переход к автоматизированной системе наблюдений ускоряет получение гидрологической информации и повышает эффективность ее использования.

Читайте также:  Инженер англичанин в угрюм реке

По данным всех измерений вычисляются средние уровни за каждый день и составляются таблицы ежедневных средних уровней за год. В этих таблицах помещаются, кроме того, средние уровни за каждый месяц и за год и выбираются наивысшие и наинизшие уровни за каждый месяц и год.

Средние, наибольшие и наименьшие уровни называются характерными уровнями. Данные наблюдений за уровнями публикуются в СССР в специальных изданиях — гидрологических ежегодниках. В дореволюционный период эти данные публиковались в «Сведениях об уровнях воды на внутренних водных путях России по наблюдениям на водомерных постах».

По данным ежедневных наблюдений за уровнями строятся графики их колебаний, дающие наглядное представление об уровенном режиме за данный год.

Методы измерения скоростей течения рек

Скорости течения рек обычно измеряются либо поплавками, либо гидрометрическими вертушками. В отдельных случаях величина средней скорости для всего живого сечения вычисляется по формуле Шези. Простейшие и наиболее часто употребляемые поплавки изготовляются из дерева. Поплавки сбрасываются в воду на малых реках с берега, на больших — с лодки. По секундомеру определяется время t прохождения поплавка между двумя соседними створами, расстояние l между которыми известно. Поверхностная скорость течения приравнивается скорости движения поплавка

При измерении скоростей вертушка на штанге или тросе опускается в воду на различные глубины так, чтобы ее лопасти были направлены против течения. Лопасти начинают вращаться, и тем быстрее, чем больше скорость течения. Через определенное число оборотов оси вертушки (обычно через 20) при помощи специального приспособления подается световой или звуковой сигнал. По промежутку времени между двумя сигналами определяется число оборотов в секунду.

Вертушки тарируются в специальных лабораториях или на заводах, где они изготовляются, т. е. устанавливается зависимость между числом оборотов лопасти вертушки в секунду (n об/с) и скоростью течения (v м/с). По этой зависимости, зная п, можно определить v. Измерения вертушкой производятся на нескольких вертикалях, в нескольких точках на каждой из них.

Методы определения расходов воды

Расход воды в данном живом сечении может быть определен по формуле

По приведенной формуле расход вычисляется лишь в том случае, если скорость определена по формуле Шези. При измерении скоростей поплавками или вертушкой на отдельных вертикалях определение расхода производится иначе. Пусть в результате измерений известны средние скорости для каждой вертикали. Тогда схема вычисления расхода воды сводится к следующему. Расход воды можно представить в виде объема водяного тела — модели расхода (рис. 76 а), ограниченного плоскостью живого сечения, горизонтальной поверхностью воды и криволинейной поверхностью v = f(H,В), показывающей изменение скорости по глубине и ширине потока. Этот объем, а следовательно, и расход выражается формулой

Так как математически закон изменения v = f(H,В) неизвестен, расход вычисляется приближенно.


Рис. 76 Схема к вычислению расхода воды. а — модель расхода, б — частичный расход.

Модель расхода можно разделить вертикальными плоскостями, перпендикулярными площади живого сечения, на элементарные объемы (рис. 76 б). Общий расход вычисляется как сумма частичных расходов AQ, каждый из которых проходит через часть площади живого сечения wi, заключенную между двумя скоростными вертикалями или между урезом и ближайшей к нему вертикалью.

Таким образом, общий расход Q равен

Средняя скорость для всего живого сечения при известном расходе воды Q вычисляется по формуле v =Q/w .

Для измерения расходов воды применяются и другие методы, например на горных реках используется метод ионного паводка.

Подробные сведения по определению и вычислению расходов воды излагаются в курсе гидрометрии. Между расходами воды и уровнями существует определенная зависимость Q — f(H), известная в гидрологии как кривая расходов воды. Подобная эмпирическая кривая представлена на рис. 77 а.

Она проведена по измеренным расходам воды в реке в период, свободный ото льда. Точки, соответствующие зимним расходам воды, ложатся влево от летней кривой, так как расходы, измеренные при ледоставе Qзим (при одной высоте стояния уровня), меньше летних QЛ. Уменьшение расходов есть следствие увеличения шероховатости русла при ледовых образованиях и уменьшения площади живого сечения. Соотношение между Qзим и Qл, выражаемое переходным коэффициентом

Кривая расходов позволяет определять ежедневные расходы воды реки по извест-ным уровням, наблюдаемым на водомерных постах. Для периода, свободного ото льда, пользование кривой Q = f(H) не вызывает затруднений. Ежедневные расходы при ледоставе или других ледовых образованиях можно определить с помощью той же кривой Q = f(H) и хронологического графика Kзим = f/(T), с которого снимаются значения Кзим на нужную дату:

Существуют и другие способы определения зимних расходов, например по «зимней» кривой расходов, если ее удается построить.

Однозначность кривой расходов воды в ряде случаев нарушается и в период, свободный ото льда. Наиболее часто это наблюдается при неустойчивом русле (намыв, размыв), а также при возникновении переменного подпора, вызванного несовпадением хода уровней данной реки и ее притока, работой гидротехнических сооружений, зарастанием русла водной растительностью и другими явлениями. В каждом из этих случаев выбираются те или иные способы определения ежедневных расходов воды, излагаемые в курсе гидрометрии.

По данным ежедневных расходов воды можно вычислить средние расходы за декаду, месяц, год. Средние, наибольшие и наименьшие расходы за данный год или за ряд лет называются характерными расходами. По данным ежедневных расходов строится календарный (хронологический) график колебаний расходов воды, называемый гидрографом (рис.78).


Рис. 78. Гидрограф.

Источник

Методы измерения расхода жидкости

Расход — количество жидкости, проносимое потоком сквозь живое сечение в единицу времени.

Количеством жидкости можно считать массу, тогда расход называют массовым и измеряют в кг/с, или объем, в этом случае расход называют объемным и измеряют в м 3/c или л/мин.

Если плотность жидкости считать постоянной, то связать массу и объем не составит труда:

  • где m — масса
  • V — объем
  • ρ — плотность

Используя эту зависимость можно легко связать массовый и объемный расходы.

Измерительные приборы позволяют определить массовый или объемный расход. Рассмотрим наиболее известные методы измерения расхода жидкости.

Объемный способ измерения расхода

Поток жидкости направляется в мерную емкость, на которую нанесена шкала.

Фиксируется время за которое жидкость наполнит емкость до некоторой отметки. Зная геометрические размеры емкости можно определить какой объем был заполнен жидкостью и вычислить объемный расход.

Погрешности измерения объемным способом

В связи с тем, что измерения производятся визуально с ручной фиксацией времени, погрешности объемного способа измерения расхода связаны с неточностью измерения времени, величины заполнения емкости (по линейке). Кроме того, объем жидкости зависит от температуры, поэтому нагрев или охлаждение жидкости могут влиять на показания при измерениях.

Весовой способ измерения расхода жидкости

Жидкость поступает в мерную емкость установленную на весах.

Если зафиксировать время, за которое масса жидкости достигнет установленной величины, то можно определить массовый расход.

Погрешность измерения зависит от точности измерения времени наполнения мерной емкости. Масса жидкости от температуры не меняется, поэтому погрешностей, связанных с нагревом или охлаждением, в данном случае, не будет.

Механические способы определения расхода

При механическом способе измерения расхода фиксируется частота вращения подвижного элемента — турбины, крыльчатки и т.п. Для этого одну или несколько лопаток турбины могут быть изготовлены из немагнитного материала, а другие — из магнитного.

Расходомер вытеснительного типа

При данном способе измерения фиксируется время, за которое жидкость заполняет заданный объем вытесняя подвижный элемент. Для этого может быть использован гидроцилиндр, гидромотор.

Рассмотрим данный способ измерения не примере расходомера с вращающимися кулачками.

Жидкость поступает в полость расходомер, воздействует на кулачки, заставляя их вращаться. Зная объем рабочей камеры и частоту вращения кулачков можно легко вычислить расход рабочей жидкости.

Погрешности при измерениях расходомерами вытеснительного типа

Погрешности связаны с трением между подвижными деталями, перетечками жидкости.

Турбинный расходомер

Турбина установлена в цилиндрическом корпусе.

При прохождении потока жидкость турбина будет вращаться, причем чем выше расход тем быстрее будет вращаться турбина. При прохождении лопатки увеличивается индуктивность. С помощью этого фиксируется скорость вращения турбины. Произведя тарировку прибора, можно будет судить о расходе жидкости зная частоту вращения турбины.

К турбинным расходомерам относят и мировертушки.

Погрешности при измерении расхода с помощью турбинного расходомера

Основными факторами влияющими на погрешность измерения в данном случае будут:

  • Силы трения;
  • Инерционность подвижных частей;
  • Стекание жидкости на малых расходах.

Определение расхода по перепаду давления

Потери давления зависят от скорости движения жидкости в трубопроводе, а скорость, в свою очередь зависит от расхода и диаметра трубопровода. Получается, что, зная потери давления на трубопроводе, можно судить о скорости движения жидкости о расходе.

Измерение расхода с помощью диафрагмы

В трубопроводе установлена тонкая пластина с небольшим отверстием — диафрагма. С помощью датчиков давления или манометра фиксируются давление перед диафрагмой и за ней. Определить расход можно по перепаду давления на диафрагме.

Погрешности измерения могут быть связаны с изменением профиля проходного сечения диафрагмы, вызванного зарастанием отверстия или сглаживанием кромок.

Ультразвуковой способ определения расхода

Два ультразвуковых приемника (передатчика) установлены на противоположных поверхностях.

Скорость течения жидкости будет влиять на время прохождения ультразвукового импульса через поток жидкости. Зная диаметр трубы можно вычислить расход жидкости.

Вихревой способ определения расхода жидкости

Вихревой расходомер представляет собой трубу, в которой установлено плохо обтекаемое тело. При обтекании этого объекта жидкостью образуются вихри. Причем частота генерируемых вихрей будет пропорциональна расходу. Для регистрации измерений может использоваться ультразвуковой излучатель с приемником. Вихри, образовавшиеся при обтекании телка, оказывают воздействие на ультразвуковую волну, изменяя ее амплитуду, это фиксируется приемником. Полученные данные могут быть интерпретированы в значение расхода жидкости.

Термоанемометрический способ измерения расхода

Расходомер представляет собой тонкую проволоку помещенную в поток. Через проволоку проходит электрический ток, что вызывает ее нагрев, до величины, которая определяется скоростью теплопотерь.

На величину потерь тепла влияет скорость течения жидкости, а значит и ее расход.

Источник