Способ и устройство для измерения поверхностной скорости водотока
Изобретение относится к гидрометрии и гидрологии уровневого режима реки и может быть использовано при экологическом мониторинге рек и их прибрежных ландшафтов, в частности при определении отметок урезов воды свободной поверхности реки, уклона реки с построением ее продольного профиля и поперечного профиля живого сечения по характерным траекториям водотоков, например, вдоль динамической оси водного потока. Ходовую часть устройства опускают на поверхность водотока до касания нижней частью лопастей, включают стробоскоп, ориентируя лучи мелькающего света на лопасти, и, регулируя частотой мелькания света, измеряют скорость чередования лопастей, а затем вычисляют скорость движения воды на поверхности водотока по формуле v=tf, где v - скорость воды, м/с, t - шаг лопастей, м, f - частота мелькания света, Гц, при этом шаг лопастей определяют из выражения t=πD/Z, где D - наружный диаметр ходовой части, м, Z - число лопастей ходовой части. Технический результат - повышение точности определения скорости воды на поверхности водотока (реки, озера или другого водного объекта) и оперативности проведения гидрометрических измерений. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к гидрометрии и гидрологии уровневого режима реки и может быть использовано при экологическом мониторинге рек и их прибрежных ландшафтов, в частности при определении отметок урезов воды свободной поверхности реки, уклона реки с построением ее продольного профиля и поперечного профиля живого сечения по характерным траекториям водотоков, например, вдоль динамической оси водного потока.
Известен способ измерения скорости вращения различных тел, основанный на стробоскопическом методе (см. справочник: БСЭ. - М.: Советская энциклопедия, 1976. Т.24, с.571-572).
Недостатком этого способа является неприменимость измерения числа оборотов на лопастях ходовой части гидрометрической вертушки.
Устройство в виде стробоскопа (стробоскопического прибора) содержит контрольно-измерительную часть для наблюдения быстрых периодических движений, основанных на стробоскопическом эффекте.
Известен так же способ измерения скорости течения воды на поверхности водотока, включающий опускание гидрометрической вертушки на глубину 10 см от поверхности воды, измерение скорости вращения ходовой части вертушки, вычисление скорости течения воды по числу оборотов вращения ходовой части (см. книгу: Дилов В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия. - М.: Гидометеоиздат, 1977. - С.116-119).
Недостатком этого способа является то, что он не позволяет измерить непосредственно скорости на поверхности, так как требуется опускать вертушку на некоторую глубину.
Устройство в виде гидрометрической вертушки содержит ходовую часть с лопастями (см. там же, с.118), которое имеет значительное трение в механизме, а сама конструкция громоздка. При этом винтовые лопасти не позволяют измерять малые скорости водотока.
В итоге возникает техническое противоречие между малой скоростью вращения ходовой части гидрометрической вертушки и необходимостью быстрых периодических движений для стробоскопа.
Технический результат - повышение точности определения скорости воды на поверхности водотока (реки, озера или другого водного объекта) и оперативности проведения гидрометрических измерений.
Этот технический результат достигается тем, что ходовую часть устройства опускают на поверхность водотока до касания частью лопастей, включают стробоскоп, ориентируя лучи мелькающего света на лопасти, и, регулируя частотой мелькания света, измеряют скорость чередования лопастей, а затем вычисляют скорость движения воды на поверхности водотока по формуле v=tf, где v - скорость воды, м/с, t - шаг лопастей, м, f - частота мелькания света, Гц. При этом шаг лопастей на самовращающемся цилиндре определяется из выражения t=πD/Z, где D - наружный диаметр цилиндра с лопастями, м, Z - число лопастей на периферии самовращающегося цилиндра.
Устройство для поверхностного измерения скорости водотока содержит ходовую часть в виде лопастного самовращающегося цилиндра, на периферии которого сверху и сбоку установлен стробоскоп, а на корпусе устройства выполнено смотровое окно для наблюдения за движением лопастей ходовой части при стробоскопическом освещении.
В нижней части корпус устройства выполнен с сегментной фаской для возможности опускания части лопастей на поверхность водотока.
Смотровое окно выполнено сверху для удобства наблюдения.
Для увеличения частоты при измерении малых скоростей водотока между самовращающимся лопастным цилиндром и стробоскопом может быть установлен мультипликатор с дополнительным лопастным цилиндром.
Устройство может быть снабжено стабилизатором направления (по аналогии с гидрометрической вертушкой), закрепленным на корпусе. А также мультипликатором с дополнительной цилиндрической вертушкой.
При измерении высоких скоростей воды может быть устройство выполнено с редуктором, снижающим частоту вращения дополнительной цилиндрической вертушки.
Сущность технического решения заключается в том, что чередование лопастей при их большом числе происходит быстро, что улавливается освещением стробоскопа. При этом цилиндр установлен с возможностью самовращения и имеет меньший коэффициент трения в подшипниках по сравнению с винтовыми лопастями крылатки существующих гидрометрических вертушек.
Сущность также заключается в возможности измерения водотоков с переменной скоростью поверхностного движения воды, так как стробоскоп легко управляется для совпадения частоты мелькания света с частотой движения лопастей самовращающейся цилиндрической вертушки. Известно, что суда с цилиндрическими лопастными движителями существовали. Давно известны также водяные мельницы с лопастными цилиндрами. Поэтому этот принцип действия, когда вращение цилиндрической вертушки происходит за счет движения воды, является энергетически эффективным.
Положительный эффект достигается тем, что стробоскопическое устройство с цилиндрической вертушкой позволяет быстро и оперативно измерять поверхностные скорости водотока различных типов.
Новизна технического решения заключается в том, что впервые объединяется стробоскопический эффект с гидрометрической вертушкой, содержащей самовращающийся лопастной цилиндр.
Предлагаемое техническое решение, как способ, так и устройство, обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.
На фиг.1 схематично показано устройство для измерения поверхностной скорости водотока, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид спереди; на фиг.3 - взаимное расположение цилиндрической вертушки со стробоскопом и глазом наблюдателя при боковом расположении смотрового окна; на фиг.4 - изображена схема принципа действия устройства с мультипликатором; на фиг.5 - показан вид сбоку на устройство, содержащее верхнее смотровое окно; на фиг.6 - вид сверху на устройство с верхним расположением смотрового окна; на фиг.7 - схема принципа действия устройства с верхним расположением смотрового окна.
Способ измерения скорости течения на поверхности водотока, например, на поверхности реки, включает в себя следующие действия.
Устройство опускают на поверхность водотока до касания воды лопастями 3 цилиндрической вертушки 2, затем включают стробоскоп и, регулируя частоту световых вспышек, определяют частоту перемещения лопастей цилиндрической вертушки. После этого вычисляют скорость движения воды на поверхности водотока по формуле v=tf, где v - скорость воды, м/с, t - шаг лопастей, м, f - частота мелькания света, Гц. При этом шаг лопастей на самовращающемся цилиндре определяется из выражения t=πD/Z, где D - наружный диаметр цилиндра с лопастями, м, Z - число лопастей на периферии самовращающегося цилиндра.
Устройство для измерения поверхностной скорости водотока содержит корпус 1, на котором с возможностью самовращения на подшипниках закреплена цилиндрическая вертушка 2 с лопастями 3. Сбоку на корпусе закреплен стробоскоп 4 с возможностью освещения лопастей в верхней части цилиндрической вертушки. Для наблюдения за мелькающим светом в корпусе выполнено смотровое окно 5, которое, в зависимости от условий применения, может быть расположено сбоку или сверху цилиндрической вертушки. При этом взгляд наблюдателя направлен также сбоку или сверху устройства.
Для измерения малых скоростей цилиндрическая вертушка снабжена сбоку зубчатым колесом 6, сцепленным зубьями с дополнительным цилиндром 7. В этом случае свет от стробоскопа падает на зубья дополнительного цилиндра, вращающегося с большей скоростью, чем основная цилиндрическая вертушка. Однако чаще всего дополнительного мультипликатора не потребуется. Он, как и стабилизатор направления, может быть установлен на автоматически действующих устройствах, передающих автоматически измеренные частоты на далекие расстояния в центральный пункт гидрометрических измерений.
При диаметре по наружной окружности лопастей D=0,1 м, числе лопастей 120 шт., требуется частота мельканий f=vZ/(πD) света, то есть в данном примере f≈382 v Гц. Если учесть, что современные переносные стробоскопы позволяют измерять частоту от 2 Гц и более, то минимально измеряемая поверхностная скорость водотока будет равна vmin=fmin/382, то есть vmin=2/283≈0,005 м/с. Это означает, что новое устройство и способ позволяют регистрировать такие малые скорости водотока, которые не доступны существующим гидрометрическим вертушкам.
Способ измерения скорости течения на поверхности водотока реализуется, например, на поверхности реки, следующим образом.
Пусть измерения на реке выполняют с лодки, которую вначале закрепляют на якорях. Устройство опускают на поверхность водотока до касания воды лопастями 3 цилиндрической вертушки 2, затем включают стробоскоп (электропитание на батарейках) и, регулируя частоту световых вспышек, определяют частоту перемещения лопастей цилиндрической вертушки.
После этого вычисляют скорость движения воды на поверхности водотока по формуле v=tf, где v - скорость воды, м/с, t - шаг лопастей, м, f - частота мелькания света, Гц.
Для примера малогабаритная конструкция устройства пусть имеет параметры: диаметр D=50 мм и число лопастей Z=60 шт. Тогда получим уравнение для тарировки v=0,00262 f. Например, при измеренной стробоскопом с лодки частоте 40 Гц мельканий света получим поверхностную скорость в данной точке реки, равную 0,105 м/с.
Предлагаемое техническое решение позволяет с высокой точностью измерять малые скорости водотока. При этом уменьшаются габариты устройства по сравнению с существующими гидрометрическими вертушками и повышается оперативность измерения поверхностных скоростей в динамическом режиме переменных по скорости водотоков.
1. Способ измерения поверхностной скорости водотока, включающий опускание в воду ходовой части с корпусом устройства, измерение частоты вращения вертушки ходовой части, отличающийся тем, что ходовую часть устройства опускают на поверхность водотока до касания нижней частью лопастей вертушки, а затем включают стробоскоп, ориентируя лучи мелькающего света на лопасти и регулируя частотой мелькания света до совпадения частоты мелькания света с частотой движения лопастей, измеряют частоту чередования лопастей, а затем вычисляют скорость движения воды на поверхности водотока по формуле v=tf, где v - скорость воды, м/с; t - шаг лопастей вертушки, м, f - частота мелькания света, Гц.
2. Устройство для измерения поверхностной скорости водотока, содержащее корпус и ходовую часть в виде вертушки, отличающееся тем, что ходовая часть устройства выполнена в виде самовращающегося цилиндра с лопастями, на корпусе установлен стробоскоп с возможностью освещения лопастей в верхней части вертушки и в корпусе выполнено смотровое окно для наблюдения за движением лопастей цилиндрической вертушки при стробоскопическом освещении, а в нижней части корпуса устройства выполнена сегментная фаска для возможности опускания части лопастей на поверхность водотока.
3. Устройство для измерения поверхностной скорости водотока по п.2, отличающееся тем, что между цилиндрической вертушкой и стробоскопом установлен мультипликатор в виде дополнительной цилиндрической вертушки для увеличения частоты при измерении малых скоростей водотока, причем основная цилиндрическая вертушка снабжена зубчатым колесом для сцепления с дополнительной цилиндрической вертушкой.
4. Устройство для измерения поверхностной скорости водотока по п.2, отличающееся тем, что устройство снабжено стабилизатором направления, прикрепленным к корпусу.
