Меню

Методы измерения расхода рек



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 м3/c или л/мин.

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

m= ρV

  • 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

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.

Читайте также:  Жан габриэль косс цвет четвертое измерение

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.

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.

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

Читайте также:  Единица измерения сельского хозяйства

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).

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.

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.

Читайте также:  Метод ультразвуковых измерений расходомера

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