2 Гидрологические приборы : устройства и принципы действия.

2 Гидрологические приборы: устройства и принципы действия.

2.1 Гидрологические рейки

Гидрологический пост включает водомерные устройства, по которым производятся измерения уровня воды, и репера, предназначенные для систематического контроля высотного положения этих устройств. Каждый гидрологический пост оборудуется так, чтобы на нем можно было производить наблюдения при самых низких и самых высоких уровнях в течение всего года.

По конструкции водомерные устройства подразделяются на следующие типы:

1) реечные, на которых уровень воды отсчитывают непосредственно по делениям рейки на высоте поверхности воды;

2) свайные, на которых уровень отсчитывают по его превышению над головкой сваи;

3) реечно-свайные - комбинация первых двух типов;

4) передаточные, где положение уровня передается тем или иным способом от датчика к регистрирующей части прибора;

5) автоматические дистанционные уровнемеры, устанавливаемые при автоматизации гидрологических наблюдений на посту.

Выбор того или иного вида водомерного устройства зависит от климатических и местных условий и требований к точности получаемых результатов наблюдений.

Реечные водомерные устройства обычно находят применение на достаточно крутых берегах рек или на стенках гидротехнических сооружений. Они состоят из одной или нескольких вертикальных или наклонных реек.

Постовые водомерные рейки бывают металлические эмалированные, чугунные и деревянные (рис.1). Деревянные рейки недостаточно прочны, масляная краска с них быстро смывается водой, поэтому на постоянных постах рекомендуется устанавливать чугунные рейки, металлические с фарфоровыми вкладышами или металлические эмалированные.

Рис.1. Типы постовых реек:

а-металлическая; б-эмалированная; в -чугунная

На скальных берегах, у мостов и гидротехнических сооружений водомерная рейка прочно прикрепляется в вертикальном положении к обрыву скального берега, к набережной, устою моста, стенке шлюза, плотине. В сооружениях рейку заделывают заподлицо с поверхностью стенки в специально выбранном пазу.
При отсутствии на участке поста мостов и гидротехнических сооружений водомерная рейка укрепляется на специально устанавливаемой свае или кусте из трех-пяти свай, стянутых хомутами. Рейки прикрепляются к свае при помощи хомутов. При умеренной крутизне берегов и малой амплитуде колебания уровня рейку устанавливают в ковше-котловане, который свободно сообщается с рекой и служит успокоителем волн (рис.2). Для предохранения рейки от повреждения ледоходом, бревнами и другими плывущими предметами она должна быть защищена специальным ограждением - ледорезом (рис.2 б).

Рис.2. Водомерное устройство реечного типа:

а- рейка в ковше; б - ограждение постовой рейки ледорезом

Наклонные рейки устанавливают в местах, где имеется искусственное крепление береговых откосов. Эти рейки лучше защищены от ударов льдин и других плывущих предметов, а при больших скоростях течения они более удобны для производства отсчетов уровня, чем вертикально установленные рейки, где отсчет может искажаться влиянием подпора от набега воды на сваю с рейкой. Наклонные рейки размечаются специалистами станции. Схема установки наклонной рейки приведена на рис.3.

Рис.3. Схема установки наклонной рейки:

1 - упор из каменной наброски; 2 - болты; 3 - подготовка из щебня; 4 - бетонная подготовка; 5 - рейка

Длина рейки должна превышать амплитуду колебания уровня примерно на 0,5-1 м с тем, чтобы оставался запас ниже низшего и выше высшего наблюденных уровней. При использовании нескольких реек желательно, чтобы нулевые деления смежных реек были смещены по высоте на целое число метров.

Нуль каждой рейки является нулем наблюдения, отметка которого обычно известна, так как все постовые устройства нивелируются. Нуль наблюдений - горизонтальная плоскость, совпадающая с нулевым делением водомерной рейки. Ее превышение над нулем графика называется приводкой.
Водомерное устройство свайного типа (рис.4) наиболее удобно для равнинных рек со значительной амплитудой колебаний уровней воды. Водомерные сваи устанавливают в одном створе, перпендикулярном течению реки. Общее количество свай зависит от амплитуды колебаний уровня воды и угла наклона берегового откоса.

Рис.4. Водомерное устройство свайного типа

Головка верхней сваи должна быть расположена на 0,25-0,5 м выше наивысшего наблюденного (рассчитанного) уровня воды в реке, а головка нижней сваи - на 0,25-0,5 м ниже наинизшего уровня. Разность отметок головок соседних свай должна составлять 0,4-0,8 м, а превышение головки сваи над поверхностью земли не более 0,10-0,15 м. Горизонтальное расстояние между сваями устанавливается с учетом особенностей берегового откоса и удобства подхода к сваям для производства наблюдений. Общее количество свай, необходимых для устройства поста, и их размещение предварительно определяет специалист станции по поперечному профилю берега, а затем данные проекта переносят на местность.
В настоящее время свайные посты оборудуют стандартными металлическими винтовыми сваями длиной 220 см и диаметром 8 см. Нижняя часть сваи (35 см) имеет винтовую нарезку, а верхняя (15 см) представляет собой головку диаметром 10 см. На головке сваи с двух противоположных сторон сделаны плоские срезы, служащие опорой для ключа, с помощью которого свая завинчивается в грунт. Головка сваи окрашивается белой масляной краской, и на ней черной краской с двух сторон надписывается номер сваи. Сваи поста нумеруются по порядку сверху вниз от ближайшей к реперу сваи, которая получает первый номер.
Временные сваи при отсутствии металлических можно изготовить из дерева прочных, не поддающихся гниению, пород. Для свай берут отрезки бревен диаметром 20-25 см. Длина назначается в зависимости от характера грунта и глубины его промерзания, но не менее 1,5 м. Нижний конец деревянной сваи (комлевой) затесывается на три или четыре грани.
При забивке свай в плотные грунты на заостренный конец надевают стальной башмак. Вся свая обстругивается и для предохранения от гниения осмаливается или слегка обугливается. Во избежание раскалывания и размочаливания при забивке ее в грунт на верхний конец сваи надевают стальное кольцо-бугель.
В торец деревянной сваи забивают железный костыль или большой гвоздь с круглой шляпкой.
Временные сваи могут быть также металлическими из отрезков труб или балок. Головки свай должны быть строго горизонтальны. Основное требование к установке свай - неизменность их высотного положения. Рекомендации о глубине забивки свай даются специалистами гидрологической станции.
Для производства наблюдений за высотой уровня на водомерном устройстве свайного типа применяются переносная металлическая ГР-104 или деревянная рейка, а также рейки с успокоителем ГР-23 (рис.5, 6, 7). Рейка в момент наблюдений ставится вертикально на головку металлической сваи или шляпку костыля, забитого в деревянную сваю.

Рис.5. Переносные водомерные рейки:

а- металлическая ГР-104; б - деревянная

Рис.6. Водомерная рейка с успокоителем

Рис.7. Переносная водомерная рейка с успокоителем ГР-23:

1 - скоба для закрытия отверстий клапанами; 2 - ручка; 3 - отверстие для выхода воздуха и слива воды после измерения уровня; 4 - резервуар из плексигласовых пластин; 5 - отверстие с ниппелем для поступления воды в резервуар

Водомерные устройства реечно-свайного типа устраивают на участках рек с резкими переломами поперечного профиля. Этот тип состоит из рейки в обрывистой части берега и свай в пологой части, расположенных в одном створе.
Наиболее простым водомерным устройством передаточного типа является мостовое. На мосту меткой закрепляется постоянная точка (нуль наблюдений) для отсчета уровня. Высотное положение этой точки определяется нивелированием от ближайшего репера. Наблюдения за колебаниями уровней заключаются в измерении расстояния от точки наблюдения на мосту до поверхности воды (рис.8). Измерения производятся стальной рулеткой или размеченным тросом с грузом на нижнем конце. При небольших расстояниях измерения удобно делать размеченной рейкой.

Рис.8. Схема передаточного поста (метка на мосту):

1 - постоянная точка на ферме моста; 2 - шнур с грузом

Более сложную конструкцию имеют тросовые передаточные устройства. Они устраиваются чаще всего на горных реках, когда берег обрывист, а искусственных сооружений на реке нет. Основной частью водомерного устройства является вынос (стрела). Он изготовляется из бруса прочной породы (дуба, сосны) или стальной трубы и укрепляется на берегу на прочных опорах (рис. 9). Вдоль выноса на береговом его конце поверху неподвижно закрепляется горизонтальная водомерная рейка длиной 1 м, нулевое деление которой обращено в сторону реки. На конце выноса, обращенном к реке, укрепляется блок, а на береговом его конце - вьюшка, на которую наматывается гибкий трос, идущий вдоль рейки через блок к воде. На нижнем конце троса подвешивается цилиндрический груз с заостренным в виде конуса концом массой 2-5 кг. Для отсчета уровня воды трос размечается метками через 1 м на длину, равную амплитуде колебаний уровня. Метровые деления отмечаются кольцами с выбитым номером метра.

Рис.9. Тросовое передаточное устройство:

а- общий вид; б - схематический разрез

Для того чтобы отсчет по рейке давал непосредственно высоту уровня над нулем графика, производят тарирование устройства, которое выполняется специалистом станции.
Точность отсчета уровня 2-3 см; при применении электроконтакта она повышается до 1 см.
Самым распространенным передаточным водомерным устройством является устройство с непрерывной регистрацией уровня при помощи самописцев уровня воды (СУВ).

Установка СУВ состоит из следующих элементов:

- самописца уровня - прибора, измеряющего и регистрирующего изменения высоты уровня воды в реке;

- колодца (называемого поплавковым) для размещения поплавка (датчика) уровнемера и его защиты от внешних воздействий, которые могут нарушить работу самописца;

- соединительного устройства для обеспечения непрерывной связи уровней в реке с поплавком в колодце.

- измерительного павильона для размещения регистрирующей части уровнемера и ее защиты от внешних отрицательных воздействий;

- вспомогательных гидротехнических устройств, предназначенных для защиты установки от заиления, подмыва, разрушения льдом при ледоходе и предотвращения волновых возмущений уровня в поплавковом колодце.

На сети находят применение установки СУВ с двумя или более колодцами. При этом один из них, самый дальний от реки, используется как поплавковый, а остальные, промежуточные, являются отстойниками наносов для предохранения первого от заиления. Наличие промежуточных колодцев способствует также смягчению отрицательного влияния волновых возмущений на работу СУВ.
Установки СУВ в зависимости от месторасположения поплавкового колодца по отношению к урезу в реке в межень разделяют на установки берегового и островного типов. В установке берегового типа поплавковый и промежуточный колодцы, а также значительную часть соединительного устройства сооружают в грунте берега. Установки СУВ островного типа сооружают в руслах рек, в некотором удалении от уреза, соответствующего минимальному уровню воды.
Принцип работы самописца уровня состоит в следующем: поплавок, заключенный в специальном колодце, соединяемом посредством трубы или галереи с рекой, перемещается вместе с уровнем воды. Его перемещения передаточным механизмом передаются регистрирующему устройству, которое непрерывно записывает ход уровня во времени. Наиболее распространенной схемой передачи колебаний уровня (т.е. перемещения поплавка) является его связь посредством троса, перекинутого через блок, с барабаном, насаженным на общую с блоком ось. При помощи такой схемы вертикальные перемещения поплавка преобразуются во вращательные движения барабана вокруг своей оси. На барабан накладывается бумажная лента и запись на ней осуществляется пером, приводимым в движение часовым механизмом; перо перемещается по горизонтали, вдоль образующей барабана. Возможна и другая схема, когда перемещения поплавка передаются непосредственно пишущему устройству (перу), а барабан приводится в движение вокруг вертикальной оси часовым механизмом.
Установку СУВ всегда оборудуют двумя контрольными рейками, одна из которых (внешняя) располагается непосредственно в реке вблизи от места ввода в колодец соединительной трубы, другая (внутренняя) - в поплавковом колодце. Их назначение - обеспечить проверку наличия одинаковой высоты уровня в реке и колодце. Схема установки самописца уровня воды берегового типа приведена на рис.10.

Рис.10. Схема установки самописца берегового типа:

1 - измерительный павильон; 2 - труба; 3 - колодец; 4 - рейка; 5 - столик; 6 - самописец уровня

На реках, где реальна опасность нарушения работы установки СУВ в период высоких половодий и паводков вследствие заиления колодцев, переформирований русла и других причин, дополнительно рекомендуется устанавливать максимальные рейки в створе, а также в 200-500 м выше и ниже по течению от установки СУВ. Назначение максимальных реек - фиксация уровня воды и получение продольного уклона водной поверхности для последующего определения расхода расчетным путем.
При наличии на посту установок СУВ наблюдатель должен перед прохождением половодья или высоких паводков провести ряд подготовительных работ.
1) Поплавковые и отстойные колодцы, соединительные устройства (трубы, галереи, каналы) тщательно очищаются от наносов и мусора. При ручной очистке перекрывается соединительное устройство и из колодца откачивается вода, а затем вручную из приямка (пониженной части) колодца удаляются наносы. При гидравлической очистке после перекрытия соединительного устройства поплавковый (или отстойный) колодец с помощью насоса заполняют водой, затем взмучивают осевшие в приямке наносы и образующуюся смесь удаляют из колодца, быстро открыв соединительное устройство. Эта операция повторяется несколько раз. Для удаления наносов удобно использовать гидроэлеватор (струйный насос).
На спаде паводка или половодья заиление поплавковых колодцев и соединительных устройств происходит наиболее интенсивно. В этот период за ними рекомендуется особо тщательный надзор.

2) Для предохранения соединительной галереи (трубы) от попадания наносов за ней (на расстоянии до 1,0-1,5 м), ниже по течению устраивают шпору из шпунтового ряда или железобетонных плит (рис.11).

Рис.11. Шпора для защиты выхода (устья) соединительного устройства установки СУВ от попадания наносов:

1 - устье соединительного устройства; 2 - Г - образная шпора

3) Устройства для промыва соединительных галерей и удаления наносов из колодца (гидроэлеватор, мотопомпа, стальные канаты и гибкие стержни со щетками-ершами и др.) должны быть проверены и приготовлены для работы.

4) Если вблизи установки СУВ берегового типа возможен подмыв берега высокими водами, рекомендуется иметь в запасе несколько мешков с песком, фашин или бетонных плит на случай необходимости ликвидации размыва.
Установки СУВ, работа которых необходима круглогодично, должны на зиму тщательно утепляться. Для этого поплавковый колодец сверху закрывают крышкой, утепленной войлоком или шлаковатой. В ней оставляют отверстия для пропуска тросов (от поплавка и противовеса) и для опускания в колодец источника тепла. В качестве последних могут быть использованы электрические лампы, бытовые электрообогревательные приборы, керосинки, керогазы, керосиновые фонари. Пол измерительного павильона (будки) и крышку колодца покрывают утепляющим материалом (сухими опилками с небольшой добавкой извести, опавшими сухими листьями, сеном, соломой, шлаковатой и пр.) слоем до 20-30 см. Утепляющий материал укладывают и вокруг измерительного павильона с тем, чтобы уменьшить промерзание грунта вокруг колодца.
Соединительные галереи подлежат утеплению сверху и со стороны реки, в них также устанавливают источник тепла.
При незначительных отрицательных температурах (до -10, -15 °С) для предохранения воды в колодцах установок СУВ от замерзания вместо обогрева наливают минеральное масло слоем примерно в 1-1,5 см (расход масла 7-10 л).

Если наблюдения за уровнем воды в зимнее время производить с помощью самописца нецелесообразно (плавное изменение уровня при небольшой амплитуде), установку СУВ "консервируют". Консервация состоит в проведении следующих работ: самописец уровня демонтируют, очищают от пыли, ржавчины, смазывают и хранят в сухом отапливаемом помещении; соединительное устройство закрывают со стороны русла пробкой (если это труба) или деревянным затвором (если это щелевой лоток); из колодца откачивают воду так, чтобы уровень воды в нем стал ниже отметки входа в колодец соединительной трубы. После освобождения от воды соединительной трубы ее надежно закрывают и со стороны колодца; пол измерительного павильона (будки) и поверхность земли вокруг него в расстоянии не менее 1 м тщательно утепляют.
Работы по консервации установки СУВ малоопытный наблюдатель проводит под руководством техника или другого специалиста станции. При наличии навыка он может проводить их самостоятельно.
Стандартным прибором суточного действия является самописец уровня воды "Валдай". Самописец "Валдай" (модели 1952 г.) имеет четыре масштаба записи уровня (1:1, 1:2, 1:5, 1:10) и регистрирует амплитуду колебания уровня до 6 м. Точность регистрации уровня воды по техническим данным прибора не превышает при указанных масштабах записи соответственно ±3, 5, 7, 10 мм. Толщина штриха записи на ленте 0,3-0,4 мм. Для записи времени имеется два масштаба: 12 мм/ч при скорости вращения барабана 1 оборот за 26 ч и 24 мм/ч при скорости вращения барабана 1 оборот за 13 ч. При масштабе записи 12 мм/ч точность хода часов ±5 мин за сутки или ±1 мм на ленте, при масштабе записи времени 24 мм/ч точность ±3 мин за половину суток или ±1,2 мм на ленте. Описание самописца, подготовка к работе, указания по ремонту и уходу за ним даны в приложении 1.

Из самописцев уровня воды длительного действия наиболее распространен самописец типа ГР-38.. Он имеет три масштаба записи уровней воды (1:5, 1:10, 1:20) и соответственно регистрирует амплитуды колебания уровня в 1,5; 3,0 и 6,0 м. Точность регистрации уровня при масштабе записи 1:5 составляет 0,5 см, при масштабе 1:10 - 1 см, при масштабе 1:20 - 2 см. Для записи времени имеется также три масштаба: 2; 1 и 0,5 мм/ч, что обеспечивает продолжительность наблюдений без смены лент соответственно в течение 8, 16 и 32 суток. Точность хода часового механизма ±5 мин в сутки.
Самописец уровня воды длительного действия типа 501 (производство чехословацкой фирмы "Метра") имеет четыре масштаба записи уровня (1:5, 1:10, 1:20, 1:40) и соответственно регистрирует амплитуду колебаний уровня в 1,25; 2,5; 5,0; 10 м. Точность регистрации уровня при масштабе записи 1:5 составляет 0,5 см, при масштабе 1:10 - 1 см, при масштабе 1:20 - 2 см, при масштабе 1:40 - 4 см. Для записи времени имеется три масштаба (2,5; 5 и 10 мм/ч), что обеспечивает продолжительность наблюдений без смены лент соответственно в течение 8, 4 и 2 суток. Точность хода часового механизма ±5 мин в сутки.
Установка самописцев, их первоначальная регулировка и назначение масштаба записи уровня в зависимости от характера колебаний уровня воды производятся инженером или техником станции, которые подробно инструктируют наблюдателя в отношении порядка ухода за колодцем с соединительной трубой и за самим прибором.
Для определения предельных - высшего и низшего - положений уровня применяются отметчики различных типов. Наиболее распространенными являются простейшие отметчики, регистрирующие только предельно высокие уровни между сроками наблюдений, так называемые максимальные рейки. На каждом посту устанавливаются постоянные максимальные рейки. При отсутствии такой возможности могут устанавливаться в различных местах временные рейки: на подъеме уровня - выше по склону берега, а на спаде - ниже. Для удобства перестановки рейки при изменении уровня воды нижний конец ее имеет винтовую нарезку для завинчивания в грунт (рис.12).

Рис.12. Рейка максимальная ГР-45:

1 - проушины; 2 - рейка; 3 - шток; 4 - винт

Простейшая постоянная максимальная рейка представляет собой прочно забитую в дно реки открытую сверху стальную трубу, в нижней части которой просверливается несколько отверстий диаметром 1 см.

Труба может быть и деревянной в виде дощатого короба внутренним сечением 1515 см; она надежно закрепляется на деревянной свае, причем в нижней части просверливают не менее 10 отверстий диаметром 1 см для того, чтобы уровень воды в трубе быстро следовал за изменением уровня воды в реке.
Показателем наивысшего уровня является стальной стержень определенной длины, опущенный в трубу и обычно покрытый легкосмываемым красителем (например, мелом). Вода, проникающая в трубу через отверстия, смывает краситель. Измеряя высоту смытого слоя, можно определить высоту наивысшего уровня воды между сроками наблюдений. После очередного отсчета максимальную рейку вновь готовят для фиксации наивысшего уровня в следующий срок наблюдений.

2.2 Гидрометрическая вертушка

Технические средства для осуществления гидрологических наблюдении к числу гидрологических приборов,которыми оснащаются осн. гидрологические станции и посты, относятся приборы для измерения уровняводы (водомерные рейки и самописцы уровня воды), скорости и направления течения, расхода воды(поверхностные и глубинные поплавки, гидрометрические вертушки, гидрометрические установки сдистанционным управлением, включающие лебёдку, несущие тросы, груз, пульт управления), температуры воды(различные термометры), толщины шуги и ледяного покрова (шугомерные рейки, ледовые буры);приборы для измерения глубин и различные приспособления для взятия проб на химический анализ или сцелью определения концентрации и состава наносов (батометры).
Каждый из этих приборов имеет множество разновидностей и модификаций. Так, с 1790 г., когда появиласьпервая вертушка, предложено более 200 моделей, но при этом гл. часть всех моделей – рабочее колесо(лопастной винт, ротор), вращающееся в омывающем его потоке воды. Обороты колеса фиксируютсямеханическим счётчиком на корпусе прибора или передаются системой электрической сигнализации наблюдателю

Гидрометрическая вертушка предназначается для измерения скоростей течения реки, как на поверхности, так и на заданной глубине. Вертушки имеют множество модификаций, определенных зависимостью от характера объекта, а также степенью модернизации. Распространена в сети гидрологических станций и постов вертушка ГР-21М.

Устройство гидрометрической вертушки ГР-21М
1 – осевая гайка; 2 – радиально-упорные подшипники; 3 – цилиндрическая полость лопасти; 4- зажимная муфта;
5 – ходовая часть; 6 – стопорный винт; 7 – гнездо штепселя; 8 – изолированная клемма; 9 – соединенная с корпусом клемма; 10 – штанга или вертлюг; 11 – зажимные винты; 12 – винт; 13 – хвостовое оперение (стабилизатор); 14 – корпус;
15 – наружная втулка

Основные узлы и части прибора: корпус (14), лопастной винт (3), стабилизатор направления (13), контактные клеммы (8, 9), муфта крепления (10). Принцип действия. Гидрометрическая вертушка основана на закономерной связи между скоростью вращения лопастного винта вертушки и скоростью наблюдаемого потока. Под влиянием текущей воды лопасть вертушки начинает вращаться. Вместе с лопастью вращается втулка и передает вращение на червячную шестерню. При этом контактный механизм вертушки замыкает электрическую сигнальную цепь через каждый полный оборот червячной шестерни, что соответствует оборотам лопасти вертушки. В момент замыкания цепи срабатывает сигнальное устройство (звенит звонок или загорается сигнальная лампочка). С помощью секундомера определяют время скачка работы вертушки до каждого сигнала. Посчитав общее число оборотов лопасти вертушки и разделив их на время ее работы, определяют скорость вращения лопастного винта (число оборотов).
Для переходов от скорости вращения (V) лопасти вертушки к скорости течения воды используют тарировочную кривую, на которой графически отражена зависимость между скоростью течения и числом оборотов лопастного винта в секунду V = f(h).

За всю историю развития гидрологии, для измерений скоростей течения водных потоков, наибольшее распространение получил метод регистрации скоростей течения, с использованием вращения ротора или, по-другому, лопастного винта. Этот метод и предопределил развитие гидрометрических вертушек, как самых простых и надежных устройств, которые, на протяжении вот уже более двух сотен лет являются основными приборами, благодаря которым определяется скорость течения и измеряется расход воды.

На результатах измерений, полученных с использованием вертушек, практически полностью базируется Государственная система учета вод в России и в других странах мира. Повсеместное распространение гидрометрических вертушек, их непрерывное развитие, постепенно привело к практически полному вытеснению других методов измерений.

Создателем гидрометрической вертушки считают немецкого гидротехника Рейнгарда Вольтмана (1767 – 1837 гг.), впервые применившего такой прибор в 1790 г. для определения скорости течения реки Эльбы.

Вертушка Р. Вольтмана (Рисунок 1.) конструктивно представляла собой крыльчатку состоящую из четырех пластин, наклоненных относительно плоскости вращения и закрепленных на горизонтальной оси вертушки спицами. Закрепленная в открытом корпусе ось вертушки имела червячную передачу и, вращаясь, передвигала шестеренку, которая устанавливалась на шарнирной раме. «Включение» прибора производилось поднятием рамы при помощи троса, вследствие чего происходило сцепление шестерни с осью прибора. На окружность шестерни были нанесены деления, причем, каждый зубец соответствовал одному полному обороту лопастного винта вокруг оси. На раме устанавливался указатель, по которому сумма оборотов определялась как разность начального и конечного отсчетов, показания которых снимались с шестерни. При этом, время измерений фиксировалось при помощи секундомера.

Рисунок 1. Механический счетчик Рейнгарда Вольтмана.

Механический принцип регистрации числа оборотов лопастного винта, очень быстро был заменен на электрическую сигнализацию, замыкающую электрическую цепь через заданное количество оборотов.

Однако, до 1950-х гг. регистрация времени измерения производилась при помощи секундомера. А механический принцип, предложенный Р. Вольтманом, нашел применение в ряде других устройств (например, вертушка Экмана – Мерца (Рисунок 2), измеритель речных струй Лелявского, вертушка морская модернизированная ВМ-М).

Рисунок 2. Механическая вертушка Экмана-Мерца.

Эволюция гидрометрической вертушки шла по ряду направлений модернизации её отдельных составных частей:

1. Модернизация формы и размера ротора (крыльчатки, чашечного устройства, или лопастного винта). Сюда также входит оптимизация компонентного эффекта, а также инерционности и чувствительности.

2. Оптимизация размеров, формы прибора и стабилизатора направления.

3. Совершенствование принципов формирования выходного сигнала.

4. Разработка и оптимизация счетно-регистрирующего устройства.

5. Разработка и оптимизация другого вспомогательного оборудования.

Рассмотрим подробнее каждый из этапов процесса оптимизации размера и формы ротора:

1. Использование крыльчатки - т.е. лопастей, наклоненных под разным углом относительно оси вращения. К устройствам с таким типом ротора относят, например, вертушку Р. Вольтмана, вертушку Экмана – Мерца, и вертушку морскую модернизированную ВМ-М. Однако, от использования роторов данного типа, в настоящее время, полностью отказались.

2. Использование чашечного устройства. На данный момент, чашечные вертушки с вертикальной осью являются главным и основным типом приборов Геологической службы США (USGS – United States Geological Survey). Прототипом чашечных вертушек используемых в USGS является «вертушка Прайса» (1885г.) с вертикальной осью вращения, червячной передачей, и которая закрепляется в подпятниках (Рисунок 3). Эти вертушки работают, благодаря тому, что движущаяся жидкая масса (вода) оказывает наибольшее давление на вогнутые поверхности, чем на выпуклые. Чашки, в количестве от 4 до 6 штук, имеют форму конусов, полушарий или параболоидов, и располагаются вершинами по окружности одна за другой.

Рисунок 3. Вертушка Прайса.

В Советском Союзе, немного измененные вертушки Прайса с электрической сигнализацией начали производить в 1927 г. под маркой ИВХ.

В сравнении с лопастными винтами, преимуществом чашечного устройства является сохранение компонентных свойств при любой косине струй. Недостатком же чашечных приборов является то, что они фиксируют только максимальную скорость потока. Чашечное устройство может быть изготовлено из пластмассы или сплавов металлов: карбида титана или вольфрама.

3. Использование лопастного винта. Этот тип ротора является наиболее распространенным в конструкциях гидрометрических вертушек разных стран. Вертушки с лопастным ротором конструктивно представляют собой обтекаемое тело параболической формы с винтовой поверхностью.

Первый прибор для измерения скорости, с лопастным винтом (ротором), был разработан в 1875 г. в Математико-механическом институте Альберта Отта в городе Кемптен, Германия. В этом же году были разработаны первые европейские стандарты на гидрометрические вертушки, которые во многом определили основные направления развития этих приборов. Следует отметить, что все современные модели вертушек с лопастными винтами изготавливались на основании моделей вертушки А. Отта (Рисунок 4 и Рисунок 5).

Рисунок 4. Вертушка Отта-IV.

Рисунок 5. Вертушка Отта-V.

В конце XIX в., наряду с лопастными вертушками производства фирмы А. Отта, были распространены приборы (Рисунок 6), которые, по принципу действия, были аналогичны вертушкам данной фирмы:

• вертушки Ганзера (Чехия, Словакия, Венгрия, Австрия);

• вертушки Ришара (Франция);

• вертушки Гаскеля и Хоффа (США) - трехлопастные вертушки с винтом, изготовленным из резины;

• вертушки Амслера (Швейцария);

• вертушки Альбрехта (Германия, г. Мюнхен);

Рисунок 6. Вертушки конца XIX в.

Первыми аналогами вертушек А. Отта в России являлись такие приборы, как:

• вертушка «Волга» А.И. Крылова (1918 г.)

• вертушка Грицука (1927 г.)

• вертушка В.И. Владычанского – Н.Е. Жестовского.

Распространение различных типов вертушек в мире определялось, в первую очередь, колониальной принадлежностью тех или иных стран и территорий, а также сложившимися торговыми и научными взаимосвязями между различными государствами.

Поспособу расположения ротора вертушки на оси прибора принято выделять:

- консольные (ось неподвижна) вертушки;

- осевые (ось вращается) вертушки;

По способу расположению оси принято выделять приборы:

- с вертикальной осью;

- с горизонтальной осью.

Рассматривая эволюцию лопастного винта вертушки, необходимо выделить такие важные факторы, повлиявшие на формы и размеры роторов, как, оптимизация компонентного эффекта, инерционность и чувствительность прибора.

Компонентность – это способность гидрометрической вертушки измерять местную скорость водного потока, направленную под углом по отношению к оси вращения лопастного винта или ротора вертушки.

На практике, компонентность выражается либо в величинах погрешности при заданной косине струй, либо в величинах угла, в пределах которого гидрометрическая вертушка способна регистрировать скорость с допустимой погрешностью.

Существует множество факторов, которые определяют компонентность вертушек:

• геометрический шаг лопастного винта (при увеличении шага происходит ухудшение компонентных свойств, однако, при этом повышается чувствительность);

• диаметр лопастного винта (при уменьшении диаметра происходит улучшение компонентных свойств);

• величина угла атаки лопастного винта (т.е. угол, образующийся между вектором скорости потока и вектором нормали к поверхности лопастного винта);

• дисковое отношение (это отношение площади проекции винта на плоскость, перпендикулярную его оси вращения к площади круга);

• угол закрутки (угол разворота лопасти);

• относительный диаметр (отношение диаметра лопастного винта к его гидравлическому шагу);

• относительная срезка лопасти (т.е. угол, образуемый гранями лопастей в привершинной части винта);

• шероховатость поверхности винта (она определяется материалом, из которого изготавливается ротор или покрытием поверхности);

• наличие разного рода струенаправляющих решеток или колец в поле действия лопастного винта.

Огромное количество факторов предопределило многообразие форм лопастных винтов у разных моделей вертушек. Следует упомянуть, что соблюдение вышеприведенных факторов оптимизации компонентности непременно приводит к ухудшению показателей чувствительности и инерционности прибора. Поэтому, каждая модель вертушки с лопастным винтом - это всегда компромисс между оптимальным соотношением компонентности, чувствительности и инерционности. Это также огромная работа по реализации и применению актуальных знаний теоретической базы в области гидромеханики и других, смежных наук.

Эволюция принципов формирования выходного сигнала гидрометрических вертушек также не стояла на месте и в своем развитии прошло следующие этапы:

1. Электрический принцип. Здесь, показатели вращения лопастного винта передаются при помощи червячной передачи на шестерню с электрическим контактом. Ось, при этом, может быть как подвижной (но с червячной передачей), так и неподвижной (однако, должна иметь червячную передачу в корпусе лопастного винта).

Контакт на шестерне замыкается на массу через заданное число оборотов винта (от 2 до 25 оборотов) в зависимости от модели. Главным недостатком данного принципа формирования выходного сигнала является то, что прибором фиксируется скорость, осредненная за период, равный количеству оборотов винта.

2. Электролитический принцип. Здесь, для формирования электрического сигнала, по которому и определяется скорость водного потока, используется свойство электропроводности воды.

Под воздействием водного потока лопастной винт вращается вблизи электрода, изменяя его электрическое сопротивление, и тем самым образует электрические импульсы, частота которых пропорциональна измеряемой скорости водного потока. Таким образом, фиксируется, каждый оборот лопастного винта.

Как правило, вертушки данного типа могут иметь либо неподвижную ось (например, как в микрокомпьютерном расходомере-скоростемере МКРС, измерителе скорости потока ИСП-1, ИСП-1М, ИСП-2 или ИСТ), либо ось, вращающуюся в агатовых подпятниках (например, как в гидрометрической микровертушке ГМЦМ-1 или ГР-96). Основным преимуществом рассматриваемого принципа формирования сигнала является его высокая чувствительность, т.е. способность фиксировать скорости с большим разрешением, по сравнению с 20-оборотными приборами с шестеренно-червячным устройством.

Главным недостатком приборов с электролитическим принципом формирования выходного сигнала является то, что они не приспособлены к работе в сложных условиях. Так, при образовании слоя льда на электродах прибор, попросту, перестает работать. Нормальная работа прибора нарушается, также, в условиях повышенной минерализации воды или при попадании песка на электроды.

Применение однооборотных вертушек привело к разработке счетчиков числа оборотов лопастного винта. Сейчас, в России, как правило, применяется преобразователь сигналов вертушки ПСВ разработки ФГУП «Гидрометприбор». Многие преобразователи могут совмещать в себе не только функции счетчика сигналов, но и секундомера. Такие преобразователи предоставляют информацию о количестве оборотов винта за секунду. На современных устройствах, благодаря введению параметров тарировочной зависимости количества оборотов вертушки в секунду от скорости потока в память преобразователя, позволяет выводить на цифровое табло непосредственно скорость течения.

3. Электромагнитный принцип. Здесь, постоянный магнит, вращается вместе с лопастным винтом, и на каждом обороте замыкает магнитоуправляемый контакт, так называемый геркон, создавая, при этом, электрический импульс. Последовательность этих импульсов прямо пропорциональна скорости вращения винта и, соответственно, скорости течения. Данный принцип аналогичен электролитическому. Вертушки данного типа могутбыть изготовлены в виде вращающейся оси (например, ГР-99) либо неподвижной оси. Принципы регистрации идентичны приведенным в предыдущем пункте.

Итак, подводя итоги, следует уточнить, что, современные гидрологические вертушки обладают рядом особенностей. Которые отличают их от приборов, производимых ранее. Проанализировав технические характеристики и другие данные о современных приборах, можно отметить следующее:

1. В мировой практике, основным типом вертушек являются вертушки с лопастным винтом. Вертушки с чашечным устройством встречаются редко, в основном в США.

2. В настоящее время, минимизированы размеры лопастного до 15–30 мм. Это значительное достижение в гидромеханике в целом, и в практике гидрометрического приборостроения в частности. Минимизация размеров винта позволила с наибольшей точностью замерять местные скорости турбулентных потоков, а это значит, что современные вертушки могут применяться даже в лабораторных условиях.

3. Большинство современных вертушек снабжаются несколькими сменными лопастными винтами, которые предназначаются для измерения различных диапазонов скоростей, обладающих различной компонентностью.

4. Для повышения чувствительности гидрометрических вертушек в современной практике приборостроения используются передовые материалы при изготовлении ротора, такие, как: карбид вольфрама, ударопрочная пластмасса, анодированный алюминий. Данные материалы, помимо механической износоустойчивости, также обладают коррозионной устойчивостью, что позволяет сохранять характеристики шероховатости поверхности винта на протяжение всего срока эксплуатации. Это позволяет сохранить неизменной чувствительность прибора.

5. Минимальная регистрируемая начальная скорость современных вертушек начинается от 0,025м/с, а максимальная не превышает 10м/с. Однако, необходимо учитывать, что это разные модели вертушек, обладающие разными размерами, роторами, и принципами действия.

6. Предельные относительные погрешности измерения скорости течения варьируются у разных моделей от 10 до 1%. Однако, в большинстве моделей погрешность составляет 5-6%.

7. По принципу формирования выходного сигнала самыми распространенными являются вертушки, оборудованные магнитоуправляемым контактом (герконом). Приборы с таким принципом формирования сигнала считаются наиболее прогрессивными, поскольку геркон менее всего подвержен влиянию негативных факторов внешней среды, и, при этом, позволяет фиксировать мгновенные скорости, сохраняя электрический принцип формирования сигнала.

8. Большинство современных вертушек используют автоматические регистрирующие устройства.

2.3 Водомерные посты

Для беспрепятственности судоходства представляются необходимыми постоянные наблюдения за изменениями русла и состоянием воды. Такие наблюдения также необходимы для правильного проектирования в возведении в реке сооружений. Знание переменных условий движения воды в реке также необходимо для проектирования и устройства сооружений в пределах разлива рекии для обсуждения гидрологических свойств ее бассейна.

Наблюдения, делаемые в этих видах, существенно заключаются:

1) в определениях изменений горизонтов (уровней) воды;

2) в промерах живых сечений потока;

3) в измерениях скоростей течения при разных горизонтах воды и исчислениях соответствующих им расходов воды;

4) в определении изменений в поперечных сечениях, продольной профили и плане русла, и

5) в промерах глубины по фарватеру.

Для производства наблюдений над переменными условиями движения воды в реке на ней и учреждаются водомерные посты и водомерные станции.

Водомерные постымогут быть учреждаемы или с целью наблюдения только изменений горизонтов воды, или с целью полного исследования всех гидродинамических факторов потока. Для последней цели водомерные посты должны быть учреждены на всех границах плесов, перекатов и перевалов, а также выше и ниже впадения каждого притока. Но так как это потребовало бы слишком больших расходов, водомерные посты обыкновенно учреждаются с целью наблюдения только изменений горизонтов воды и только в наиболее резких и характерных точках перелома продольного уклона потока в наиболее важных в судоходном и административном отношении местах, у особо важных сооружений и ниже впадения наиболее значительных притоков.

Одновременные наблюдения на такого рода водомерных постах при слабых изменениях речного русла могут дать возможность установить некоторую приблизительную эмпирическую зависимость между изменениями горизонтов и глубин воды в разных участках реки, но наблюдения эти не могут дать понятия об изменениях поверхностных уклонов потока в зависимости от изменений горизонтов воды и вообще не могут служить основанием для каких-либо точных гидрологических заключений. Такая сокращенная система водомерных постов в некоторой степени может быть дополнена учреждением водомерных станций и периодическими исследованиями поперечных сечений русла потока.

Водомерные станутпредставляют собой группу водомерных постов. Они учреждаются в концах наиболее характерных участков реки. Каждая водомерная станция должна состоять из двух или трех водомерных постов, расположенных один от другого в расстоянии около версты в таких местах, где долина имеет возможно меньшую ширину, русло возможно правильные очертания, поток представляется по возможности сжатым, в промежутках между постами не принимает никаких притоков и не отделяет в сторону рукавов. На постах водомерной станции должны производиться одновременные наблюдения изменений горизонтов воды, промеры живых сечений измерения скоростей течения, исчисления расходов воды и уклонов потока между постами. На основании этих наблюдений могут быть определены модули реки в разных местах ее, т. е. средние расходы воды в ней, отношения наименьших меженных и наибольших расходов воды к модулям и выяснена зависимость между расходами воды, возвышениями ее над средним дном и поверхностными уклонами.

Результаты наблюдений гидрометрических станций в связи с наблюдениями на промежуточных водомерных постах и с периодическими исследованиями состояния русла могут дать необходимые данные для решения разных гидротехнических вопросов; в связи с результатами метеорологических наблюдений в бассейне реки могут служить для уяснения гидрологических его свойств. Кроме производства поименованных наблюдений, замечаются и наблюдаются время и горизонты ледостава (замерзания потока) и ледохода, а также случаи, причины и характер образующихся зажоров. Промеры живых сечений и измерения скоростей производятся способами, описанными под соответствующими названиями, причем все горизонтальные и вертикальные измерения относятся к магистрали и реперам. Измерения высоты горизонтов воды производятся посредством водомерных реек (см. это сл.) на всех постах ежедневно и одновременно; во время обыкновенных паводков их делают раза три в день, а при особенно больших и быстрых прибылях воды их делают и через час. Наилучшими часами для наблюдений можно считать 8 часов утра, полдень и 4 часа дня.

Там, где частые изменения высот воды имеют исключительно важное значение, можно устанавливать самопишущие водоизмерительные приборы, как, напр., так называемый мареограф,дающие непрерывное и точное измерение высот. Собираемые данные относительно высот воды для каждой рейки изображают графически кривою в прямоугольных координатах, откладывая в принятом для всех реек однообразном масштабе время по абсциссам и высоты воды по ординатам. Если вместе с наблюдением высот воды производятся и измерения скоростей, то соответственно высотам воды могут быть исчисляемы расходы воды; результаты этих исчислений также полезно изображать графически, принимая за абсциссы высоты воды и откладывая по ординатам расходы. Изменения русла реки в плане, продольных и поперечных профилях определяются относимыми к магистрали и реперам измерениями в поперечных профилях, производимыми периодически и по мере надобности на водомерных постах и в промежутках между ними в особых пунктах реки.

Но, кроме этого, для наблюдения за состоянием русла в местах, подверженных особенно частым изменениям или представляющих особые затруднения для судоходства вообще, как-то: на перекатах, перевалах, порогах и в очень крутых поворотах, учреждаются особые наблюдательные посты. Постовая прислуга промерами с лодок (шестами) определяет ежедневно наименьшие глубины по судовому ходу между постами, сообразно найденным глубинам исправляет обстановку судового хода знаками и сведения о найденных наименьших глубинах сообщает на водомерные посты (см. Фарватер). Все собранные таким образом сведения за несколько лет, приведенные во взаимную связь и систему, дают материал для деления:

1) свойств реки по отношению к питанию ее водою и свойств ее русла;

2) периодов и размеров прибылей и убылей воды в разных участках реки, высоты, времени и характера ледостава и ледохода;

3) зависимость между последовательными изменениями высот воды в разных пунктах по течению рки при убылях и прибылях воды.

4) зависимость между глубинами воды в плесах, на перекатах, перевалах и порогах высотами и расходами воды в вышележащих частях реки;

5) зависимость между уклонами, скоростями, расходами и глубиной воды в разных местах реки.

Возможно точное выяснение всех этих данных имеет очень важное практическое значение, так как только по ним можно определить время и продолжительность годового навигационного периода в реке для судов данных осадки и размеров или, наоборот, определить возможные величины осадки и размеры судов для данных периодов судоходства и по наблюденным высотам воды в верховых частях реки предсказывать в ближайшем будущем изменения в высотах и глубинах воды в нижележащих частях реки.

Наиболее распространенным передаточным водомер­ным устройством является устройство с непрерывной ре­гистрацией уровня при помощи самописцев уровня воды (СУВ). В настоящее время применяются самописцы «Валдай» и ГР-38 (длительного действия). Водомерные посты с самописцами (лимниграфами) применяют на специальных объектах наблюдения. Часто используют самопишущий водомерный пост берегового типа.

Схема установки самописца берегового типа:
1 – будка; 2 – самописец; 3 – столик; 4 – колодец; 5 – поплавок; 6 – соединительная труба

Устройство при измерении уровней воды самописцами включает лимниграфическую будку 1, колодец 4, соединенный трубой 6 с водотоком, и самописец 2, устанавливаемый на столике 3. Колодец устраивают закрытым. Вода в колодце за счет соединительной трубы поддерживается на уровне водотока (реки, ручья и др.). Трубу укладывают ниже минимального горизонта воды в водотоке. Дно колодца располагают несколько глубже нижней плоскости соединительной трубы. Для предохранения от замерзания колодец закрывают плотной двойной крышкой, располагая нижнюю крышку на 0,3-0,5 м от поверхности почвы.

Для регистрации уровней воды можно использовать самописцы, сконструированные Государственным гидрологическим институтом. В настоящее время применяют самописцы типа «Валдай», работающие в режиме записи уровней 12 и 24 ч, и ГР-38 длительного действия. Часовое устройство позволяет вести запись в течение 8, 16 или 32 сут.

Самописец «Валдай» работает следующим образом. Поплавок, перемещаясь при изменении уровня воды в колодце, передает через блок 6 вращение на барабан 7, на котором крепится специальная разграфленная лента. Гиря 8 перемещает с помощью направляющего каната каретку с пером 9. При вращении перемещаемое перо ведет запись изменения уровня воды. Сняв ленту с самописца и обработав ее, устанавливают средний уровень воды за каждый день наблюдений.

Общий вид самописца «Валдай»:
1 - поплавок с грузом; 2, 3 - трос системы поплавок-противовес; 4 - противовес; 5 - крючья; 6 - поплавковый блок; 7 - барабан; 8 - гиря с тросом; 9 - каретка с пepoм; 10 - головка завода механизма часов; 11 -часовой механизм

Рис. 6. Запись суточного хода уровня на летнее самописца «Валдай»: а – запись на ленте при повороте барабана вокруг своей оси более 2 раз; б – развертка этой записи на миллиметровой бумаге.

сцепления с шестерней 23, закрепленной на оси 22. Для получения записи в масштабе 1:5 трос надевается на малый диск поплавкового колеса 4, а вмасштабе 1:10— на большой диск 5. Поплавок при масштабах записи 1:5 и 1:10 навешивается справа от поплавкового коле­са. При установке поплавковой системы на масштаб 1:1 пли 1:5 трос с противовесом-гирей 3 навешивают до­полнительно на оттяжной блок 27, чтобы противовес при ходе поплавка не касался последнего.

Конструкция СУВ «Валдай» допускает производить запись уровня при многократных оборотах поплавкового колеса (барабана) (рис.6).

Дата добавления: 2015-08-29