И продовольствия республики беларусь главное управление образования, науки и кадров

2. Как ведется координирование глубин в гидрометрическом створе?

3. Как выбирается расстояние между промерными вертикалями?
Р а б о т а 9. ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА

ГИДРОМЕТРИЧЕСКОЙ ВЕРТУШКИ
Гидрометрическая вертушка является измерительным прибором, предназначенным для измерения осредненного по времени значения скорости течения воды в различных точках поперечного сечения потока. Принцип действия вертушки основан на вращении лопастного винта под воздействием набегающего потока. Для установления зависимости между скоростью течения воды и скоростью вращения лопастного винта каждая выпускаемая заводом вертушка тарируется, т. е. обеспечивается графиком связи v = f(n). При этом в прямолинейной части графика скорости вращения лопастного винта пропорциональны скорости течения воды. Эта зависимость несколько нарушается в диапазоне малых скоростей, где особенно сказывается влияние трения в подшипниках и контактной группе. Величина трения зависит от особенностей каждой вертушки и не является постоянной.

Гидрометрическая вертушка (рис. 9.1) состоит из корпуса 14, стабилизатора 13, ходовой части с контактным механизмом и лопастным винтом 3, сигнального устройства. Корпус вертушки служит для сочленения частей вертушки, для крепления ее на штанге или вертлюге и для подключения сигнальной цепи. Ось собранной ходовой части вставляется в полость корпуса и закрепляется стопорным винтом 6. Клеммы 8 и 9 служат для крепления проводов сигнальной цепи. В тыльной части корпуса имеется втулка для крепления вертушки на штанге или вертлюге 10 зажимными винтами 11. К тыльной части корпуса при помощи винта 12 крепится стабилизатор. Сбоку втулка имеет фигурное отверстие с указателем для снятия отсчета высоты положения оси вертушки на штанге.

2 – шарикоподшипники; 3 – лопастной винт; 4 – зажимная муфта; 5 – ось;

6 – винт стопорный; 7 – гнездо штепселя; 8 – изолированная клемма; 9 – клемма, соединенная с корпусом; 10 – вертлюг; 11 – зажимные винты; 12 – винт стабилизатора; 13 – стабилизатор; 14 – корпус; 15 – наружная втулка; 16 – внутренняя распорная втулка; 17 – червячная шестерня; 18 – контактный штифт; 19 – контактная пружина; 20 – контактный винт; 21 – токопроводящий стержень.
Стабилизатор вертушки служит для ориентирования прибора навстречу течению. Он состоит из штока и двух симметрично расположенных на конце его профилированных пластин.

Ходовая часть состоит из оси 5 с контактным механизмом, двух радиально-упорных шарикоподшипников 2, внутренней распорной втулки 16, наружной втулки 15, осевой гайки 1. Ходовая часть входит в цилиндрическую полость лопасти и крепится в ней зажимной муфтой 4.

Контактный механизм состоит из червячной шестерни 17, имеющей 20 зубьев, контактного штифта 18, контактной пружины 19, контактного винта 20 для крепления контактной пружины и токопроводящего стержня 21, изолированного от массы и соединяющего контактную пружину с гнездом штепселя 7. Контактный механизм дает одно замыкание электрической цепи за один полный оборот червячной шестерни, что соответствует 20 оборотам лопастного винта.

Электрический ток от отрицательного полюса батареи, состоящей из двух гальванических элементов, подводится к клемме (–) на панели ящика, откуда по проводу подходит к изолированной клемме 8, а затем– к штепсельному гнезду 7, потокопроводящему стержню 21 и контактной пружине 19 на контактный штифт 18 и на шестерню 17, а через нее – на массу корпуса 14 и на массовую клемму 9. Далее с массовой клеммы по второму проводу ток идет на клемму панели, со значком (+), от клеммы (+) через электрический звонок или лампочку накаливания – к положительному полюсу батареи.

Малые скорости течения не приводят лопасть вертушки во вращение. Наименьшая скорость, при которой силовое воздействие потока на лопастной винт равно величине сопротивлений, а лопастной винт вращается неравномерно, называется начальной скоростью вертушки. Для вертушки ГР-21М начальная скорость (винт № 1) составляет 0,04 м/с.

Критическая скорость – это скорость движения воды, при которой и выше которой влияние механических сопротивлений на вращение лопастного винта становится стабильным и незначительным. Верхняя критическая скорость лопастного винта № 2 составляет 8,0 м/с.
Подготовка вертушки к работе
1. Открывается укладочный ящик, вынимается из него корпус вертушки с ходовой частью.

2. Легким поворотом от руки или дутьем на лопастный винт проверяют легкость вращения ходовой части.

3. При работе со штанги корпус вертушки надевают на штангу и закрепляют на ней двумя зажимными винтами.

4. Собирают электрическую сигнальную цепь.

5. До погружения вертушки в воду проверяют надежность работы контактного механизма, сигнальной цепи, а также звуковые и световые сигналы.

Уход за вертушкой
После работы вертушка и принадлежности к ней должны быть протерты сухой тряпкой и только после этого уложены в укладочный ящик. После работы в тот же день в помещении должны быть просушены полость корпуса вертушки и стабилизатор, а затем протерты тканью, слегка смоченной машинным маслом.

Ходовая часть вертушки должна быть разобрана, все детали ее промыты в керосине для удаления грязи, вновь собраны без лопастного винта и в собранном виде тщательно промыты в ванночке с чистым керосином. Отдельно промывается полость лопастного винта. После того как стечет керосин, в полость винта заливается масло, а затем окончательно собирается ходовая часть.

Ремонт вертушки, не касающийся ходовой части и не требующий специального оборудования, может производиться на месте. Другие виды ремонта выполняются в специальных мастерских. Каждая вертушка тарируется через 2 года, если она не имеет явных повреждений.
Задачи лабораторной работы
1. Ознакомиться с классификацией гидрометрических вертушек.

2. Изучить устройство и работу гидрометрических вертушек Ж-3, ГР-21М, ГР-55, ГР-11М.

3. Составить отчет по работе.

Исходные данные: Стенды и комплекты гидрометрических вертушек учебного кабинета по гидрологии.
Порядок выполнения работы
Вначале необходимо ознакомиться с классификацией гидрометрических вертушек. Из существующего многообразия типов и конструкций гидрометрических вертушек современные вертушки различаются по ряду признаков: направлению оси вращения, устройству лопастного винта или ротора, устройству опор и подшипников, способу регистрации числа оборотов ротора, способу опускания вертушки в воду, способности ротора регистрировать проекцию скорости на направление оси вертушки. Затем приступают к изучению устройства и работы гидрометрических вертушек согласно описанию на стендах данных и указаний к лабораторной работе.

В конце составляется краткий отчет, отражающий содержание данной работы.

2. Назовите современные типы отечественных и зарубежных гидрометрических вертушек и дайте им краткую характеристику.

3. Какое оборудование и принадлежности используются для работы с вертушками?

4. Для чего и как производится тарирование вертушек?

Рабочей глубиной на вертикали называется глубина от поверхности воды до дна, а при наличии льда или шуги – от нижней поверхности льда или шуги.

Местные скорости на вертикалях измеряются в 6, 5, 3, 2 или 1 точке в зависимости от величины рабочей глубины на скоростной вертикали, состояния водотока и размеров лопастного винта вертушки. Скорости в точках обозначаются: U_пов, U_дно, U_0,2, и т. д.

При глубине водотока более 1 м скорость течения измеряется в пяти точках: на поверхности, 0,2 h, 0,6 h, 0,8 h (считая от поверхности воды) и на дне. При ледяном покрове или водной растительности добавляется местная точка 0,4 h (на поверхности, 0,2 h, 0,4 h,0,6 h, 0,8 h и на дне). При измерении скорости на поверхности и на дне ось вертушки устанавливают на глубину соответственно 0,15 м от поверхности и от дна, чтобы исключить искажение показаний прибора под влиянием ветра, а также донных неровностей [9].

Для ускорения работ применяется двухточечный способ с измерением скоростей на 0,2 h и 0,8 h. Продолжительность измерения скорости в точке должна быть не менее 100 с.

Существуют два способа измерения местных скоростей:

1. Способ приемов;

2. Способ регистрации общего числа сигналов за время более 100 с.

2. Вычислить местные скорости на скоростной вертикали по данным измерений.

2. С помощью проводов вертушка подсоединяется к системе сигнализации (лампочка или звонок).

3. Сообщается лопастному винту вращательное движение. При правильной сборке вертушки лопастной винт вращается свободно, без посторонних шумов в течение нескольких секунд, постепенно замедляя скорость вращения. При этом должны поступать сигналы (звенеть звонок пли загораться лампочка). Каждый сигнал должен быть непрерывным.

4. Так как измерение местных скоростей производится двухточечным способом, вертушка устанавливается на 0,2 h и 0,8 h (считая от поверхности воды (рис.10.1).

Рис. 10.1. Схема лабораторной установки.

5. В лотке вертушка устанавливается против течения и закрепляются на штанге с помощью двух зажимных винтов.

6. Штанга закрепляется по оси лотка в вертикальном положении.

2. Устанавливается число сигналов в приеме, которое зависит от промежутка времени между сигналами (принимается по табл.10.1) [7].

3. Производится запись времени поступления сигналов по секундомеру.

4. Общая продолжительность измерения скорости должна быть не менее 100 с.

5. Общее число приемов за время измерения принимается четным, обычно не более восьми и не менее двух.

6. Продолжительность первой половины наблюдений не должна отличаться от второй половины более чем на 5 с. Если они отличаются более чем на 5 с, то измерения продолжаются на два, четыре или шесть приемов.

П р и м е р

Продолжительность первой половины периода измерений составляет 59 с. Следовательно, за весь период, т.е. по шести приемам, должна бы получиться продолжительность 59 + 59 = 118 с, получилась же продолжительность 121 с. Разница составляет 3 с, что меньше 5 с. Поэтому в данном случае измерения можно прекратить.

1. По данному способу ведется подсчет общего числа сигналов за 100 с.

2. Измерения прекращают на сигнале по истечении 100 с, при этом пусковой сигнал в счет не входит.
Обработка результатов опытов

1. Определяется общее число оборотов лопастного винта за весь период измерения местной скорости по способу приемов:

где 20 – число оборотов лопастного винта между сигналами;

d – число сигналов за прием;

m – число приемов.

2. Определяется общее число оборотов лопастного винта по способу регистрации общего числа сигналов за время более 100 с:
N = 20 N´, (10.2)

где N´ – общее число сигналов.

3. Вычисляется частота вращения лопастного винта
n = N/t, (10.3)

где t – продолжительность измерения скорости в точке, с.

4. Определяется местная скорость в точках по частоте вращения лопастного винта и тарировочной зависимости, заданной в виде графика v= f(n).

Результаты измерений и вычислений заносятся в табл.10.2 и 10.3 журнала лабораторных работ.

2. Как определяется общее число оборотов лопастного винта по способу приемов и по способу регистрации общего числа сигналов за время более 100 с?

3. От чего зависит число сигналов в приеме?

4. Какой существует контроль при определении числа оборотов по способу приемов?

5. Как определяется местная скорость в точке?

Р а б о т а 11. ВЫЧИСЛЕНИЕ РАСХОДА ВОДЫ

АНАЛИТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ ПО

СКОРОСТЯМ, ИЗМЕРЕННЫМ ВЕРТУШКОЙ
Из существующих способов определения расходов воды наиболее распространенным является способ, основанный на измерении скорости течения воды на отдельных скоростных вертикалях вертушкой и измерении площади водного сечения посредством промеров. К нему относятся детальный, основной и сокращенный способы измерения расхода воды. Данные способы отличаются друг от друга количеством скоростных вертикалей по ширине реки и числом точек на скоростных вертикалях, в которых производят измерение скорости.

При д е т а л ь н о м способе число скоростных вертикалей зависит от ширины реки и назначается через равные промежутки по ширине реки (приложение 14). При свободном от ледяного покрова и водной растительности русле скорость на вертикалях измеряется в пяти точках, при ледяном покрове или водной растительности – в шести точках.

О с н о в н о й способ предусматривает измерение расхода при меньшем количестве скоростных вертикалей (не менее пяти) и точек на вертикале (две-три) при условии, что результаты измерения расходов основным способом будут отличаться от расходов, измеренных детальным способом не более чем на ± 3%.

При с о к р а щ е н н о м способе предусматривается измерение расхода в одной или двух точках на вертикале при свободном русле и двух-трех точках – при ледоставе или заросшем русле. Количество и расположение скоростных вертикалей и точек измерения скоростей на них устанавливается на основании тщательного анализа данных, полученных в результате измерений расходов воды детальным и основным способами [7].

Вычисление расхода воды по скоростям, измеренным вертушкой, может производиться а н а л и т и ч е с к и м и г р а ф и ч е с к и м способами. Наиболее распространен аналитический способ, который принято считать основным.

Графический способ применяется при вычислении расходов, измеренных детальным способом. Он дает более точные результаты и применяется в тех случаях, когда нужна повышенная точность вычислений, а также в сложных условиях, например, при наличии подледной шуги, при широкой пойме с неравномерным распределением скоростей течения и пр.

2. Вычислить расход воды аналитическим способом.

u = an + b, (11.1)

n – частота вращения, с^-1;

а и b – коэффициенты к тарированному уравнению (приложение 16).

2. Вычисляется средняя скорость на вертикали в зависимости от состояния реки и числа точек измерения по следующим формулам:

При открытом, не заросшем водной растительностью русле:

U_в = 0,1 (U_пов + 3U_0,2 + 3U_0,6 + 2U_0,8 + U_дно), (11.2)

U_в = 0,25 (U_0,2 + 2U_0,6 + U_0,8 ), (11.3)

U_в = 0,5 (U_0,2 + U_0,8), (11.4)

U_в = U_0,6 . (11.5)

При заросшем водной растительностью русле и при наличии ледяного покрова формулы будут меть следующий вид:

U_в = 0,1 (U_пов + 2U_0,2 + 2U_0,4 + 2U_0,6 + 2U_0,8 + U_дно), (11.6)

U_в = 0,33 (U_0,15 + U_0,5 + U_0,85 ), (11.7)

U_в = 0,5 (U_0,2 + U_0,8 ), (11.8)

U_в = к  U_0,5 , (11.9)

где U_в – средняя скорость на вертикали, м/c;

U_пов, U_0,2, U_0,4, U_0,6, U_0,8,U_дно – скорости, измеренные на поверхности, на 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 рабочей глубины и у дна, м/c.

В данной работе на каждой вертикали определяется средняя скорость при измерении скорость в пяти точках по зависимости (11.2).

3. По полученным значениям средних скоростей на вертикалях вычисляются средние скорости между двумя смежными скоростными вертикалями:

u_в(n-1), U_вn – средние скорости на вертикалях n – 1 и n.

Для крайних участков водного сечения (т.е. для участков между урезом берега и первой скоростной вертикалью, а также между последней вертикалью и урезом) средняя скорость принимается равной скорости на первой (или последней) вертикали, умноженной на коэффициент К (приложение 15), значение которого устанавливается в зависимости от характера берега [9]:
u_ср.n = u_вn  К. (11.11)
4. Площади, заключенные между скоростными вертикалями _о, ₁, ₂ и т.д., определяются путем суммирования площадей между промерными вертикалями, которые вычисляются обычно как площади трапеций (работа 8):

₁, = f₄ + f₅ + f₆, (11.12)

f_4, f₅, f₆ – площади между промерными вертикалями, м².

5. Частичный расход между двумя скоростными вертикалями вычисляется по формуле

q_{n –1} = U_{cр.(n –1)} _{n –1}. (11.13)

Результаты вычислений заносятся в табл.11.1 журнала лабораторных работ.

2. Как вычисляется средняя скорость на скоростных вертикалях аналитическим способом?

3. От чего зависит коэффициент при вычислении средней скорости для крайних участков водного сечения?

4. Как определяется расход воды аналитическим способом?

Расходы взвешенных наносов в гидрометрических створах измеряют т о ч е ч н ы м (многоточечный, основной, одноточечный), с у м - м а р н ы м и и н т е г р а ц и о н н ы м способами. Выбор способа зависит от таких факторов , как методика измерения расхода воды, тип батометра, продолжительности регулярных наблюдений за наносами, средней мутности в реке состояния водного объекта, рабочей глубины на вертикали.

При интеграционным способе проба берется на каждой скоростной вертикали путем постепенного перемещения батометра от поверхности до дна и обратно. Объем пробы должен быть не менее 5л. Пробы, взятые в меженный период, сливаются в один сосуд, и вычисляется средняя мутность за 5…10 дней. В половодный период мутность определяется по каждой пробе отдельно. Объем проб, взятых при любом способе, должен соответствовать нормам в зависимости от мутности потока: при мутности более 100 г/м³ объем пробы – 1л; 50…100 г/м³ – 2л; 20…50 г/м³ – 5л; менее 20 г/м³ – 10л [9].

Расход взвешенных наносов вычисляется двумя способами – а н а - л и т и ч е с к и м и г р а ф и ч е с к и м. А н а л и т и ч е с к и й способ применяется тогда, когда расход наносов измерялся детальным или сокращенным (двухточечным и одноточечным) способами.

Расход донных наносов измеряется при помощи донных барометров. Вычисление расхода донных наносов также производится аналитическим и графическим способами. Обычно расход донных наносов вычисляется аналитическим способом.