Измерение расходов воды с использованием физических эффектов

Для измерения скоростей течения (а значит, и расходов воды) могут быть использованы различные физические эффекты: Доплера, ультразвуковые и электромагнитная индукция.

Доплеровский метод измерения скоростей течения реализуется в двух вариантах: с использованием оптических квантовых генераторов и радиолокатора.

При лазерных измерениях источником информации о скорости потока служат спектральные характеристики света. Если поток, движущийся со скоростью v, просвечивается когерентным монохроматическим излучением с частотой ω₀ и волновым вектором А_о, а рассеянное излучение при частоте ω_i наблюдается в направлении волнового вектора A_s, то значение v устанавливается непосредственно по разности частот и векторов

v = (ω_i — ω₀)/(A_s — A₀).

Рассеяние света создается частицами взвесей, которые содержатся в потоке или вводятся в него. Лазерные установки пока нашли применение в трубопроводах и лабораторных лотках (рис. 2 а).

Радиолокационный вариант эффекта Доплера положен в основу измерителя поверхностных скоростей течения ГР-117, разработанного в ГГИ Г. А. Юфитом. Прибор состоит из блока радиоаппаратуры, рупорной антенны, блоков анализа характеристик радиоволн, прямых и отраженных от неоднородностей на поверхности потока — турбулентных возмущений и ветровых волн (рис. 2 б).

Для определения скорости течения в установке использована зависимость

где λ— длина радиоволны, составляющая 3,2 см.

Измерения производятся с гидрометрического мостика, люльки или с берега. Минимальное значение измеряемой скорости составляет 0,4 м/с, максимальное 15 м/с, индикация результата измерения - цифровая. Радиолокационный измеритель испытан в полевых условиях. В ближайшей перспективе первые партии прибора будут выпущены для производственного использования.

Ультразвуковой (акустический) метод заключается в посылке импульсов ультразвука по косому галсу в направлении течения и против него с регистрацией двух временных интервалов — соответственно Т₁ и Т₂. Ультразвуковое зондирование может производиться в различных направлениях в плане и поперечном сечении потока, но для определенности принимается горизонтальное положение ультразвукового луча, а угол, который он должен составлять с динамической осью, равным 30—60°.

Рис.2. Варианты измерения скоростей потока с использованием эффекта Доплера.

а – лазерная установка: 1 – фотоприемник, 2 – трубопровод, 3 – разделительная пластина, 4 – источник света, 5 – зеркало, б – радиолокационный измеритель скоростей течения: 1 – радиоблок, 2 – рупорная антенна, 3 – установочная тренога, 4 – настил моста.

Для выполнения измерений необходимо выбирать прямолинейный участок с устойчивым и свободным от растительности руслом. В потоке не должно содержаться пузырьков воздуха, рассеивающих ультразвук.

Преобразователи-приемники акустических (ультразвуковых) сигналов устанавливаются на свайных опорах или непосредственно на береговых откосах (рис. 3 а). Опорные конструкции должны допускать возможность перемещения преобразователей при колебаниях уровня без нарушения их взаимной ориентировки.

Для определения скорости потока принимаются расчетные формулы, не содержащие в явном виде скорость звука в воде, что исключает необходимость в аппаратуре для ее измерения (как известно, скорость звука не остается постоянной и зависит от температуры и минерализации воды).

Ультразвуковые системы для измерения скорости течения делятся на кабельные или бескабельные соответственно тому, имеется или отсутствует кабель, связывающий приемно-передающие устройства на противоположных берегах.

Кабельный вариант (рис. 3 б) функционирует следующим образом. В начальный момент времени производится одновременное излучение ультразвуковых импульсов в точках I и II. Ультразвуковые импульсы распространяются в потоке по траектории, составляющей угол а с направлением течения. Одновременно с запуском передающих устройств 2 запускается измеритель временных интервалов 3, который останавливается после приема импульсов на противоположных берегах.

Специальный электронный блок автоматически вычисляет осредненную по измерительному галсу скорость потока

В бескабельном варианте используется акустический канал связи с блоком переизлучения ультразвуковых импульсов. Принцип измерения остается тем же, хотя общая его схема становится более сложной.

Методика и принципиальные схемы ультразвуковых измерений расходов воды на реках разработаны А.И. Затыльниковым (ГГИ). На этой основе в ЦКБ ГМП создан комплекс АИР, выпускаемый малыми сериями.

Существуют две разновидности моделей расхода воды, измеренного ультразвуковым методом.

1. Послойная интеграция скоростей, при которой осуществляется горизонтальная дискретизация модели расхода воды

где β — коэффициент, учитывающий полноту зондирования и особенности скоростной структуры во фрагменте, к которому относится осредненная скорость v_s; f_s — площадь фрагмента по направлению ультразвукового луча.

Рис.3. Принципиальная схема измерения расходов воды гидроакустической установкой.

а – установка измерительных преобразователей на свайных опорах, б – блок-схема кабельного варианта.

2. Из-за технических трудностей послойное измерение скоростей течения ультразвуком не получило распространения. В большинстве действующих установок зондирование потока производится на одном уровне. В этом случае для определенности должен зондироваться поверхностный слой и математическая модель приобретает вид

 (9)

где F₃ — площадь водного сечения в плоскости ультразвукового зондирования; k_B — коэффициент перехода от осредненной по ширине потока поверхностной скорости течения к средней.

Величина k_B, не идентичная коэффициенту перехода от осредненной по сечению поверхностной скорости к средней, изучена мало и должна определяться в каждом створе по данным специальных методических исследований. Вместе с тем физически ясно, что k_B зависит от тех же факторов, что и К, который достаточно исследован и может быть оценен. Связь коэффициентов К и k_B получена И.Ф. Карасёвым

Из формулы следует, что:

Косоструйность потока создает систематические погрешности ультразвуковой интеграции скоростей, но, в отличие от вертушечных измерений, эти погрешности получают разные знаки, и скорость течения оказывается завышенной, если фактическое направление струй отклоняется на угол φ внутрь острого угла α, и заниженной — в обратном случае. Для компенсации этих погрешностей международный стандарт ИСО 748—73 рекомендует вводить поправочные коэффициенты у < 1 в первом случае и у > 1 во втором. Значения этих коэффициентов определяются из простых тригонометрических соотношений и составляют у = 1 ± (0,04 + 0,08) для φ до 4° при α = 30⁰ - 50°.

Комплекс организованных ГГИ сравнительных измерений расходов воды р. Луги показал, что ультразвуковой метод дает ту же точность, что и при непрерывной интеграции скоростей потока вертушкой с движущегося судна.

Метод электромагнитной индукции основан на эффекте возникновения электродвижущей силы в потоке воды, протекающей в магнитном поле, которое создается искусственно посредством уложенных на дно витков кабеля (рис. 4). Средняя скорость течения пропорциональна разности потенциалов на концах измерительной цепи

где φ — константа, зависящая от проводимости воды, грунтов дна и характеристик электромагнитного контура (определяется посредством градуировочных экспериментов); В — ширина реки; H — напряженность поля.

Для определения расхода воды служит формула

где h – средняя глубина потока.

Рис.4. Комплекс для измерения расхода воды методом электромагнитной индукции(Англия).

1 – ячейка для измерения проводимости воды, 2 – измеритель проводимости дна, 3 – сигнальные зонды, 4 – кабель для передачи сигналов, 5 – павильон для хранения оборудования, 6 – катушка, создающая магнитное поле.