СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВОДНОГО ПОТОКА
WATER FLOW VELOCITY MEASUREMENT METHOD AND DEVICE

Изобретение относится к гидрометрии и может быть использовано при гидрологических работах, связанных с измерением скорости водного потока в открытых водотоках.
Известен способ и устройство для измерения скорости водотока поплавками [1].
Недостатком этого способа является невысокая точность измерения скорости водотока.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ измерения поверхностной скорости водотока [2], включающий опускание в воду ходовой части с корпусом устройства, измерение частоты вращения вертушки ходовой части. 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.
Недостатками способа-прототипа являются низкая точность измерений и малые функциональные возможности.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для измерения поверхностной скорости водотока [2], содержащее корпус и ходовую часть в виде вертушки. 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.
Недостатком устройства-прототипа является малые функциональные возможности.
Задача изобретения - повышение точности измерений, расширение функциональных возможностей.
Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения скорости водного потока, включающем опускание в воду лопастного винта вертушки, измерение частоты вращения лопастного винта, согласно изобретению в результате вращения лопастного винта от набегающего водного потока с помощью магнитоуправляемого контакта и постоянного магнита на клеммах вертушки получают сигнал, определяющий частоту оборотов лопастного винта, передают сигнал во входной формирователь импульсов преобразователя, в котором преобразуют его в электрические импульсы, производят селекцию входных импульсов по амплитуде и длительности, далее передают полученные импульсы на узел микроконтроллера, в котором производят подсчет импульсов, подавление дребезга фронтов импульсов и формирование времени водного потока, при этом параметры, необходимые для измерений, вводят с помощью клавиатуры, фиксирование этапов и результатов измерений производят с помощью индикаторов, а работу вертушки и преобразователя обеспечивают источником питания.
Поставленная задача достигается также тем, что в устройстве для измерения скорости водного потока, содержащем измерительное устройство и вертушку, состоящую из корпуса и ходового механизма, согласно изобретению корпус вертушки выполнен в виде полого металлического цилиндра, на котором размещен ходовой механизм с параболически изогнутым лопастным винтом, расположенным на конце корпуса и закрепленным с помощью стопорного винта на оси ходового механизма, который состоит из двух радиально-упорных подшипников, зажимаемых специальной гайкой между наружной и внутренней распорными втулками, а также муфты зажимной, закрепляющей лопастной винт на ходовом механизме, входящем в полость лопастного винта, при этом в задней части лопастного винта запрессован постоянный магнит, который при прохождении над магнитоуправляемым контактом, расположенным в торце корпуса, замыкает магнитоуправляемый контакт, один вывод которого соединен электрически с корпусом, а другой через контакт-прижим и токопровод - с клеммой сигнальной, к которой подключено положительным полюсом электрическое питание постоянным током, а на клемму корпусную подается постоянное напряжение отрицательного полюса, при этом измерительное устройство выполнено в виде преобразователя, содержащего входной формирователь импульсов, вход которого подключен к клемме сигнальной, а выход соединен с входом узла микроконтроллера, выходы которого соединены с клавиатурой, с индикатором и с источником питания.
Достигаемым техническим результатом в предложенном способе и устройстве является возможность проведения измерений скорости водного потока на любой глубине, а также большая надежность.
На фиг.1 представлена конструкция вертушки устройства измерения скорости водного потока, содержащая корпус 1, ось ходового механизма 2, стопорный винт 3, зажимные винты 4, винт для крепления штанги стабилизатора 5, стабилизатор 6, радиально-упорные подшипники 7, наружная 8 и внутренняя 9 распорные втулки, специальная втулка 10, лопастной винт 11, муфта зажимная 12, контакт-прижим 13, постоянный магнит 14, магнитоуправляемый контакт 15, футляр-изолятор 16, отверстие для выталкивания футляра-изолятора 17, токопровод 18, клемма сигнальная (плюсовая) 19, клемма корпусная (минусовая) 20.
На фиг.2 представлена схема преобразователя, содержащего входной формирователь импульсов 21, вход которого подключен к клемме сигнальной (плюсовой) 19, а выход соединен с входом узла микроконтроллера 22, выходы которого соединены с клавиатурой 23, с индикатором 24 и с источником питания 25.
Принцип работы предлагаемого способа и устройства основан на преобразовании набегающего водного потока во вращение лопастного винта с частотой оборотов, пропорциональной скорости потока. В результате вращения лопастного винта 11 с помощью герметизированного магнитоуправляемого контакта (геркона) 15 и постоянного магнита 14 на клеммах 19, 20 вырабатывается сигнал в виде электрических импульсов с частотой следования, равной частоте оборотов лопастного винта (один импульс за один оборот винта).
При измерении скорости водного потока устройство устанавливается на средство погружения его в воду. В гидрометрической практике для этой цели используется либо штанга, либо гидрометрический груз. При работе со штангой устройство жестко закрепляется двумя зажимными винтами 4 на расстоянии, задаваемом от нижнего опорного конца при определении средней скорости потока по вертикали.
При гидрометрических работах в потоках глубиной меньше 3 м устройство удобно крепить на штанге, при больших глубинах устройство со стабилизатором направления целесообразно подвешивать на тросе с обтекаемым гидрометрическим грузом при помощи карабинов.
Работа преобразователя основана на формировании из выходных сигналов вертушки электрических импульсов, счете их количества, вычисления значения частоты вращения лопастного винта и скорости вращения по индивидуальной функции преобразования (ИФП) вертушки, усредненных за время измерения.
При проведении измерений скорости водного потока и установлении вертушки на средство погружения подключают сигнальный и корпусной провода к клеммам 19, 20 вертушки. Помещают преобразователь в удобном месте на средстве переправы (в лодке, катере, на мостике, в люльке) и погружают вертушку в воду. По миганию светодиода определяют поступление сигнала от вертушки, означающего, что лопастной винт вертушки вращается. Далее начинают измерения, контролируя процесс измерения по индикатору 24. Измерение начинается с приходом первого импульса от вертушки. Сигнал от вертушки передается во входной формирователь импульсов 21 преобразователя, в котором преобразуют его в электрические импульсы, производят селекцию входных импульсов по амплитуде и длительности, далее передают полученные импульсы на узел микроконтроллера 22, в котором производят подсчет импульсов, подавление дребезга фронтов импульсов и формирование времени водного потока, при этом параметры, необходимые для измерений, вводят с помощью клавиатуры 23. После этого начинается отсчет времени на верхнем индикаторе 24, и преобразователь начинает подсчет поступающих импульсов.
Заканчивается измерение при совпадении двух условий:
- продолжительность времени измерения должна быть не менее 60 секунд;
- пришло необходимое количество сигналов от вертушки (измерение заканчивается по приходу очередного импульса).
Преобразователь автоматически увеличивает время измерения (максимальное - 300 сек) до тех пор, пока не выполнится условие:
- количество оборотов, сделанное лопастным винтом вертушки за время измерения, должно быть не менее 15 для однооборотных вертушек или не менее 3 для двадцатиоборотных вертушек.
Остановка времени измерения на индикаторе 24 означает окончание процесса измерения.
Источники информации
1. Дилов В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия. - М.: Гидометеоиздат, 1977. - С.148-151.
2. Патент №2257588 RU, G01P 3/40, опубл. 27.07.2005 г.