книги из ГПНТБ / Быков В.Д. Гидрометрия учебник

откуда

Из последней формулы видно, что для определения средней ско­ рости на вертикали требуется измерить глубину вертикали h и рас­ стояние / от вертикали до точки всплытия поплавка.

Скорость вертикального подъема поплавка v\ должна быть определена предварительно для каждого поплавка путем испытаний в стоячей воде. Следует иметь в виду, что в турбулентных потоках из-за наличия восходящих и нисходящих токов величина v\ не яв­ ляется строго постоянной, как это имеет место в неподвижной воде

рость течения >по линии его движения при условии, что длина его подводной части составляет 0,94ft (h — глубина вертикали). При меньшей длине шеста скорость получается завышенной.

Применение гидрометрических шестов ограничено тем, что срав­ нительно редко встречаются реки с достаточно ровным дном.

П р и м е н е н и е р а д и о а к т и в н о г о и н д и к а т о р а д л я и з м е р е н и я с к о р о с т е й т е ч е н и я . Этот способ основан на том же принципе, что и измерения поплавками: скорость опреде­ ляется по времени прохождения раствором индикатора расстояния от места выпуска до места расположения датчика, регистрирую­ щего присутствие индикатора. В качестве поплавка здесь исполь­ зуется облако раствора индикатора.

Данный способ применяется преимущественно для измерения малых скоростей течения, а также для измерений в потоках, имею­ щих очень малые размеры, т. е. в условиях, в которых вертушечные измерения невозможны. Этим способом можно измерить

149

ростного поля потоков, различных гидравлических явлений, гидро­ технических сооружений и т. д. Эти исследования проводят в гид­ равлических лотках со стеклянными стенками, что позволяет вести •наблюдения за пущенными в воду поплавками как на поверхности потока, так и в толще его.

производят с помощью специальной трубки; каждый шарик выпус­ кается в той точке потока, где это необходимо. Движение шарика в потоке точно воспроизводит траекторию соответствующей струй­ ки. Кроме эмульсионных шариков, применяют шарики из пласти­ ческих веществ с удельным весом, равным удельному весу воды.

Движение шариков регистрируют с помощью фотопли кино­ съемки. Обработка полученных снимков или кинограмм дает воз­ можность определить скорость движения воды на различных уча­ стках потока и направление траекторий струй.

11.4. Гидрометрические трубки

Измерение скорости течения гидрометрическими трубками осно­ вано на определении высоты скоростного напора. Для определения

а. >•

Рис. 11.36. Схема гидрометрической трубки.

зависимости между местной скоростью течения и высотой скорост­ ного напора применим уравнение Д. Бернулли к струйке воды АВ (рис. 11.36)

а 50

Приведенный вывод справедлив для идеальной жидкости. Для реальной жидкости — воды — при турбулентном движении вели­ чина скоростного напора полу­ чается несколько меньшей.

Кроме того, оказывает влияние форма приемной части трубки. Для учета этих факторов вво­ дится поправочный коэффи­ циент, величина которого опре­ деляется путем тарирования. Тогда уравнение (11.29) будет иметь вид

течения требуется измерить высоту скоростного напора, т. е. вы­ соту поднятия уровня в трубке над уровнем воды в потоке.

Приемная часть трубки (рис. 11.37) имеет динамическое отвер­ стие, направленное навстречу скоростному вектору, и статические

отверстия заменены кольцевой щелью. Статические отверстия рас­ полагаются на таком расстоянии от носка трубки, где величина гидродинамического давления на поверхность трубки равна нулю, поэтому вода в эти отверстия попадает под действием только гид­ ростатического давления. Для ослабления влияния пульсации скорости диаметр динамического отверстия должен быть равен 0,5—1,0.

Вертикальная часть трубки имеет два канала, один из которых сообщается с динамическим отверстием 2 приемной трубки J, дру­ гой— со статическими отверстиями 3 (рис. 11.38). В первом из них уровень воды поднимается выше, чем во втором, на высоту

151

скоростного напора. Для удобства отсчетов уровни воды в обеих трубках поднимаются вверх с помощью насоса. Для этого к ним подсоединяют резиновые шланги 4 и 5, посредством которых сое­

вается возможным измерять скорости до 0,1 м/с; 2) 'применение наклонных трубок, по которым производится отсчет, а также другие способы.

Гидрометрические трубки широко используются для измерения •скоростей течения при научных исследованиях, главным образом в лабораторных условиях. Для этой цели имеется большое число различных конструкций трубок со всевозможными усовершенство­ ваниями для установки трубки в потоке, удобства отсчетов и т. д.

При полевых гидрометрических работах трубки в настоящее время не применяются, хотя ранее были созданы образцы трубок для полевых условий. Непопулярность трубок для полевых работ объясняется их непортативностыо, сложностью установки в потоке, невозможностью использования в реках с большим количеством наносов и в зимних условиях.

152

11.5. Определение скорости течения путем регистрации величины силового воздействия потока на тело

Между скоростью течения и величиной давления, оказываемого потоком на находящееся в нем тело, существует зависимость

щадь проекции тела на плоскость, нормальную направлению ско­ рости (мидель).

Из приведенной формулы определяется величина скорости

Таким образом, измерив давление потока на тело, можно опре­ делить и скорость течения.

В приведенной формуле величина со известна. Величина коэф­ фициента Сх, как уже отмечалось, зависит от формы тела и числа Рейнольдса Re

условий обтекания, например: для шара — диаметр и т. п.; v — ки­ нематический коэффициент вязкости воды, величина которого за­ висит от температуры.

Для различных тел, которые могут быть употреблены в качест­ ве приемника давления, как-то: шар, плоская пластинка в виде

органом которого, воспринимающим давление потока, является пло­ ская пластинка. Скорость течения определяется в зависимости от величины отклонения пластинки. Эта зависимость получается пу­ тем тарирования. Пластинка флюгера воспринимает пульсации скорости течения, поэтому отдельное измерение дает величину мгновенной скорости. Для получения достаточного осреднения во времени необходимо брать несколько отсчетов и определять сред­

чить величины мгновенных скоростей, необходимые характеристики пульсации и величины местных скоростей с требуемым периодом осреднения. Гидрометрический флюгер находит применение глав-

153

иым образом при проведении научных исследований в лаборатор­ ных установках, хотя были, и в свое время применялись, образцы •флюгера для полевых измерений (так называемый гидроспидо­ метр) .

В настоящее время большое распространение имеют приборы для измерения скоростей течения, в которых давление потока на чувствительный элемент — приемник давления — определяется элек­ трическими методами. Такие приборы применяются главным обра­ зом в лабораторной гидрометрии, но имеются образцы подобных приборов для измерений в натурных условиях, правда, они пред­ назначены для научных исследований, а не для производственных целей.

.Питание

Схема измерителя скорости, основанного на рассмотренном принципе, состоит из следующих основных элементов:

1) приемника давления, который вводится в поток и располага­ ется в требуемой точке. В качестве приемника давления чаще все­ го применяют шар или диск; последний часто оказывается лучше, так как зависимость коэффициента Сх от числа Рейнольдса для диска выражается прямой линией, в то время как для шара эта зависимость более сложная;

2)датчика, преобразующего измеряемую величину в электри­ ческую; применяют датчики разных типов: тензометрические, ин­ дуктивные и др.;

3)усилителя, служащего для усиления слабого напряжения электрического тока, снимаемого с датчика;

4)осциллографа, служащего для регистрации показаний дат­ чика в виде записи на бумажной ленте или кинопленке;

5)источников питания электрической цепи.

154

На рис. 11.39 показана принципиальная схема измерения скоро­ сти течения рассматриваемым методом. Приемник давления 1, име­ ющий вид шара или диска, вводится в требуемую точку потока; тонкий стержень соединяет приемник давления с упругим элемен­ том— пластинкой 2, жестко заделанной вверху. Для исключения давления на стержень он закрывается обтекателем, не показанным на схеме. Давление потока на шар передается упругому элементу: чем больше скорость, тем больше деформация пластинки. На пла­ стинку наклеивается тензометрический датчик1 , состоящий из не­ скольких витков проволоки диаметром 0,02—0,03 мм, помещенных между тонкими слоями бумаги. Сопротивление такого датчика обычно порядка 200 ом. При изгибе пластинки проволочки дат­ чика деформируются — растягиваются или сжимаются, в резуль­ тате чего изменяется электрическое сопротивление датчика, что вы­ зывает разбаланс измерительного моста Уитстона 3. Далее сигнал поступает в усилитель 4, а затем на осциллограф 5, где осущест­ вляется запись процесса.

Все подобные приборы требуют предварительной тарировки.

11.6. Измерение скоростей течения приборами, основанными на принципе теплообмена

Между телом, введенным в поток, и водной средой устанавли­ вается теплообмен, интенсивность которого зависит от скорости те­ чения; эта зависимость положена в основу действия рассматри­ ваемых приборов.

Впервые эта зависимость была использована для прибора, из­ меряющего скорость ветра (термоанемометр Кинга, 1913 г.). За­ тем принцип теплообмена был использован для измерения скоро­ сти течения воды. Рабочим органом употребляемого для этой цели прибора — термогидрометра — была тонкая платиновая проволока, по которой пропускался электрический ток, нагревающий прово­ локу. В потоке проволока охлаждается в зависимости от скорости течения, вследствие чего изменяется ее сопротивление электриче­ скому току. Измеритель скорости присоединяется к одному из плеч измерительного моста, в диагональ которого включается регистри­ рующий прибор; по нему определяется скорость течения. Прибор предварительно должен тарироваться.

Описанная схема термогидрометра теперь не применяется ввиду существенных недостатков: платиновая проволока требует частой тарировки, обладает недостаточной механической прочностью.

В современных термогндрометрах вместо проволоки применя­ ется, например, платиновая пленка, наносимая в виде очень тон­ кого слоя платины на стеклянное или кварцевое основание в виде клина. Такой клиновой пленочный зонд, как его называют, отлича­ ется большой механической прочностью и лучшими характеристи-

1 Тензометр — прибор для измерения деформации элемента, воспринимаю­ щего воздействие какой-либо силы.

155

сполупроводниковым

виях. В натурных условиях их используют только при проведении научных исследований.

11.7. Определение скоростей течения по объему воды, вошедшей в прибор, и продолжительности наблюдения

Сущность метода заключается в том, что измеряется время за­ полнения движущейся водой некоторого объема внутри введен­ ного в поток прибора; объем вошедшей воды также измеряется. Приборы, используемые при таких измерениях, требуют предвари­ тельной тарировки, в результате которой получают зависимость

В. Г. Глушкова (рис. 11.41), состоящий из плоско складывающе­ гося резинового баллона и металлической трубки. При измерении скорости прибор устанавливается в точке наблюдения на штанге сначала трубкой по течению, а в момент включения секундомера поворачивается трубкой навстречу потоку. Выждав время, доста­ точное для наполнения баллона прибора на 'Д—3 А его объема, батометр поворачивают трубкой по течению, останавливают секун­ домер и вынимают прибор из воды. Измеряют объем вошедшей воды, полученную величину делят на время выдержки. По полу-

1156

ченному объему воды, вошедшей в секунду, пользуясь тарировочной кривой (рис. 11.42), определяют скорость течения. Батометртахиметр одновременно может использоваться для взятия проб воды на мутность.

и М/С

распространения ультразвуковой волны по течению и против тече­

вверхнем створе (рис. 11.43/). Но можно создать только один

Рис. 11.43. Схемы расположения зву­ ковых каналов.

звуковой канал, при этом пьезоэлементы попеременно выполняют функции излучателя и приемника. В применяемых в настоящее

157

время ультразвуковых измерителях скоростей и расходов жидко­

Время распространения ультразвуковой волны по схеме б: по течению

где с — скорость распространения ультразвука в воде, берется из таблиц или графиков в зависимости от температуры и солености воды; и — скорость течения, средняя на длине /.

Из приведенных уравнений получаем формулы для определения скорости течения воды:

устройства для измерения импульсным методом времени распро­ странения ультразвуковой волны. Генератор импульсов ГИ выра­ батывает короткий импульс затухающих колебаний, возбуждаю­ щий пьезоэлемент И, который при этом излучает импульс ультра­ звуковых колебаний. За время t ультразвуковой импульс достигает приемного пьезоэлемента Я, преобразуется им в импульс высоко­ частотного напряжения и поступает в усилитель У. Усиленный им­ пульс подается на вертикально отклоняющие пластины электрон­ нолучевой трубки ЭЛТ. Одновременно с возбуждением излуча-

158