Автономное устройство для измерения скорости водного потока в малых водотоках

Устройство относится к области гидрометрии и предназначено для измерения скорости водного потока.
Устройство представляет собой роторный измеритель скорости водного потока, основанный на наличии зависимости между периодом времени доли вращения лопастного винта и скорости водного потока, и предназначено для использования в водотоках малой глубины в автономном режиме эксплуатации.
Под малыми водотоками, согласно [1], подразумеваются реки и водотоки, бассейны которых расположены в одной географической зоне и гидрологический режим которых под воздействием местных факторов может отличаться от свойственного для рек этой географической зоны. Эти водотоки также характеризуются малыми площадью водосбора, средней глубиной, скоростью водного потока и сравнительно быстро протекающими в них (водотоках) процессами. В определенных случаях приходится сталкиваться с необходимостью выполнения измерений скорости водного потока с высокой временной дискретностью в водотоках с настолько малой глубиной, что использование известных или общепринятых средств измерений невозможно.
Так, к примеру, согласно [2], кромки лопастного винта гидрометрической вертушки должны быть равноудалены от водной поверхности и дна на расстояние не менее 2-3 см. Большинство известных гидрометрических вертушек имеют диаметр лопастного винта в диапазоне от 70 мм до 120 мм. При этом ограничения, накладываемые [2], позволяют использовать упомянутые гидрометрические вертушки в водотоках с глубиной от 110 мм и от 160 мм, в зависимости от диаметра лопастного винта. Длительная работа без технического обслуживания таких средств измерений также невозможна. Так, согласно требованиям [3], количество масла в масляной камере таких средств измерений после 4 часов непрерывной работы не должно снижаться ниже установленного показателя. Иными словами, через каждые 4 часа непрерывной работы необходимо инициировать проверку количества масла, что влечет изъятие средства измерений из измеряемой среды и, тем самым, потерю важной измерительной информации. Требования, поставленные в [2], также не позволяют производить детализацию измерительной информации, и направлены на ее усреднение (60-100 и более секунд усреднения). В условиях быстро меняющегося режима течения жидкости, к примеру, в лесных ручьях, такой подход к измерениям не корректен.
При этом все же, роторные измерители скорости водного потока, содержащие в составе датчика скорости водного потока лопастной винт, период времени доли вращения которого зависит от скорости водного потока, являются наиболее распространенными средствами измерений скорости водного потока, что обусловлено простотой их работы, относительной простотой конструкции и возможностью ремонта в условиях, близких к полевым.
Известно устройство измерения скорости водного потока по патенту РФ 2533751. Устройство состоит из корпуса, ходового механизма с осью, на которой размещается лопастной винт. В оси расположен магнитоуправляемый контакт, замыкаемый магнитом, расположенным в лопастном винте. Клеммы, расположенные на корпусе, с одной стороны, подключены к магнитоуправляемому контакту, с другой - к внешнему преобразователю сигналов. Принцип работы устройства основан на преобразовании набегающего водного потока во вращение лопастного винта с частотой оборотов, пропорциональной скорости водного потока.
Недостатком данного и схожих устройств можно считать сравнительно большие размеры, относительно малое время работы между циклами технического обслуживаниями, отсутствие защиты лопастного винта от внешних воздействий. Также устройство не приспособлено к автономному режиму эксплуатации и имеет внешний блок регистрации измерительной информации, отказ от использования которого невозможен.
Также известен малогабаритный измеритель полного вектора скорости водного потока на основе электролитического метода измерения скорости течения (а.с. СССР №1638630). Измеритель содержит датчик скорости в виде вертушки и гидрофлюгер в виде обтекателя, направляющих пластин, уравновешивающих поплавков, карданного подвеса и корпуса, которые закреплены консольно на опоре с одной стороны вертикальной несущей штанги. Электролитическим способом снимают информацию о модуле вектора скорости потока и регистрируют направление вектора скорости.
Электролитический способ предполагает относительное постоянство электрической проводимости воды, что нехарактерно для малых водотоков, особенно в городской черте. Резкие изменения электрической проводимости воды, происходящие за счет внесения в поверхностный сток различных минералов, могут привести к искажению измерительной информации.
Электроды и лопастной винт, находящийся в потоке без защиты, могут быть повреждены.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному устройству, является автономное устройство для регистрации скорости и направления течения жидкости и газа (патент РФ №2503962).
Устройство представляет собой блок, вращающийся в двух плоскостях, что позволяет исключить использование отдельного модуля датчика скорости водного потока. В данном устройстве скорость водного потока определяется, исходя из частоты вращения самого блока. Подобное решение, с одной стороны, частично повышает надежность работы устройства, с другой - снижает его. Вращающийся блок находится в воде, не имея защиты от ударов о грунт или влекомых водным потоком объектов, что может вызвать повреждение корпуса блока и, как следствие, его разгерметизацию. В случае работы в водной среде, это может повлечь за собой повреждение электроники, расположенной внутри блока. Демонтаж и ремонт устройства такого уровня сложности в полевых условиях представляется затруднительным.
Необходимо также отметить, что перенося массу элемента питания и электроники внутрь блока, который используется как датчик скорости, вероятно увеличение начальной скорости его вращения и общее снижение чувствительности, что может повлечь невозможность использования данного устройства в небольших водотоках, где скорости водного потока (как мгновенные, так и усредненные) сравнительно малы.
Полный отказ от контроля процесса измерений со стороны пользователя при эксплуатации данного устройства также невозможен, так как устройство не имеет пассивной или активной системы изменения заглубления датчика скорости водного потока относительно поверхности воды. Это может привести к тому, что в случае снижения уровня воды, датчик скорости водного потока окажется в воздухе. Устройство не имеет заявленного средства определения рабочей среды, что в вышеуказанных условиях, приведет к сильному искажению измерительной информации.
Технический результат заключается в повышении надежности, ремонтопригодности и помехоустойчивости устройства, обеспечении автономности его работы и обеспечении передачи измерительной информации о скорости водного потока в цифровом виде беспроводным способом.
Указанный технический результат достигается тем, что автономное устройство для измерения скорости водного потока в малых водотоках, состоящее из корпуса с боковыми вырезами, съемного стабилизатора направления течения в горизонтальной плоскости, лопастного винта, кабельных линий, соединяющих элемент питания, блок обработки, сохранения и передачи информации и монтажную плату, и отличающееся тем, что корпус устройства имеет цилиндрическую форму, включает тыловую несъемную и фронтальную съемную игловые опоры лопастного винта, камеру, в которой расположена монтажная плата с оптическим датчиком расстояния, и устанавливается на штангу, закрепленную в донной монтажной плите вместе со стойкой для поплавка, расположенного в ее верхней части между ограничителем и донной монтажной плитой и имеющего съемную крышку, под которой расположены элемент питания и блок обработки, сохранения и передачи информации, состоящий из микроконтроллера, постоянного запоминающего устройства и средства радиопередачи.
При изучении известных технических решений в данной области техники совокупность признаков, отличающих заявляемый объект, не была выявлена. Данное решение отличается от известных.
Представленный на фигуре чертеж поясняет суть предлагаемого технического решения.
На фиг. приведена функциональная схема автономного устройства для измерения скорости водного потока в малых водотоках
Предлагаемое устройство (см. фиг.) состоит из цилиндрического корпуса 1, включающего тыловую несъемную игловую опору 2, фронтальную съемную игловую опору 3; камеру 4, стойку для поплавка 5; съемный стабилизатор направления течения в горизонтальной плоскости 6. В камере 4 расположена монтажная плата 7 с оптическим датчиком расстояния 8, сориентированным на ребро лопастного винта 9, установленного в опорах 2 и 3. На штангу 10, закрепленную в донной монтажной плите 11, устанавливается корпус 1 со стойкой для поплавка 5. При этом, высота стойки для поплавка и длина штанги подбираются, исходя из уровенного режима водотока. Поплавок 12, расположенный в верхней части стойки для поплавка 5, обеспечивает постоянное заглубление лопастного винта 9. Поплавок 12 имеет съемную крышку 13, под которой расположены элемент питания 14 и блок обработки, сохранения и передачи информации 15. Блок обработки, сохранения и передачи информации 15 состоит из микроконтроллера, постоянного запоминающего устройства и средства радиопередачи (на чертеже не показаны). Кабельные линии (на чертеже не показаны) соединяют элемент питания 14, блок обработки, сохранения и передачи информации 15 и монтажную плату 7. В корпусе имеются боковые вырезы 16, расположенные между тыловой несъемной игловой опорой 2 и стойкой для поплавка 5. На штанге 10 над поплавком 12 размещен ограничитель 17, определяющий крайнее верхнее положение поплавка.
Устройство работает следующим образом.
Набегающий поток жидкости, воздействуя на цилиндрический корпус 1 и съемный стабилизатор направления течения в горизонтальной плоскости 6, ориентирует устройство параллельно действующему вектору скорости. Проходящий через цилиндрический корпус 1 водный поток приводит лопастной винт 9 во вращение и выходит из корпуса через боковые вырезы 16. Вращение лопастного винта 9 приводит к постоянному изменению расстояния между чувствительной поверхностью оптического датчика расстояния 8 и поверхностью осевой втулки лопастного винта 9. Микроконтроллер из состава блока обработки, сохранения и передачи информации 15, регистрирует выходной сигнал оптического датчика расстояния 8, определяет моменты времени предельного сокращения расстояния между чувствительной поверхностью оптического датчика расстояния 8 и поверхностью осевой втулки лопастного винта 9 и вычисляет разницу между этими моментами времени.
Полученные таким образом периоды времени передаются в постоянное запоминающее устройство из состава блока обработки, сохранения и передачи информации 15. По внешней команде или заложенному расписанию работы, микроконтроллер производит обработку и передачу информации с постоянного запоминающего устройства средствами радиопередачи.
При повышении или понижении уровня воды, поплавок 12 перемещает цилиндрический корпус 1 так, что сохраняется заглубление лопастного винта 9. Диапазон хода цилиндрического корпуса с поплавком 12 ограничен снизу донной монтажной плитой 11, сверху - ограничителем 17, закрепленным на штанге и расположенным выше поплавка 12. Ограничитель 17 должен быть установлен на высоту, зависящую от предполагаемого максимального уровня воды в водотоке. Донная монтажная плита 11 ограничивает движения цилиндрического корпуса 1 с поплавком 12 таким образом, что не позволяет корпусу лечь на дно водотока, что, совместно с цилиндрической формой корпуса, обеспечивает защиту лопастного винта 9. Применение такого конструктивного решения исключает необходимость использования дополнительных средств измерения заглубления лопастного винта.
Размещение элемента питания 14 и блока обработки, сохранения и передачи информации 15 в поплавке 12 под съемной крышкой 13 позволяет упростить обслуживание и ремонт устройства по сравнению с устройствами, схожие компоненты которых расположены в корпусе, всегда находящемся под водой, и повысить отказоустойчивость при неплотном прилегании съемной крышки к поплавку, что обеспечивает автономность эксплуатации, а также повышает надежность и ремонтопригодность устройства в целом.
Автономность устройства также обеспечена наличием встроенного в него элемента питания 14 и возможностью производить процесс регистрации, сохранения и передачи информации в цифровом виде на протяжении длительного периода времени. Современные элементы питания и различные электронные компоненты из состава блока 15 позволяют размещать подготовленное к работе устройство в измерительной среде на период в 1 месяц и более.
Беспроводная передача измерительной информации в цифровом виде реализована посредством использования микроконтроллера, преобразующего измерительную информацию в цифровой вид и передающего эту информацию по беспроводному каналу посредством средств радиопередачи из состава блока 15.
Повышение надежности, ремонтопригодности и помехоустойчивости устройства достигаются путем использования донной монтажной плиты 11 совместно с цилиндрическим корпусом 1, внутри которого устанавливается лопастной винт 9 с оптическим датчиком расстояния 8, тем самым защищающий размещенные внутри узлы от ударов при эксплуатации и транспортировке.
Оптический датчик расстояния 8, в свою очередь, не восприимчив к электромагнитным помехам, имеет надежность, большую, чем у механических и электролитических датчиков, и не имеет механических элементов, способных к износу. В сравнении с электролитическим способом регистрации оборотов лопастного винта, оптический способ не зависит от значения удельного сопротивления воды, что важно при проведении измерений скорости водного потока на малых водотоках, расположенных на урбанизированной территории, а также территориях, поверхностный сток с которых привносит в русловой поток химические соединения, изменяющие удельное электрическое сопротивление воды. Оптические же характеристики воды в малых водотоках относительно постоянны.
Повышение надежности и ремонтопригодности устройства также достигается использованием способа установки лопастного винта 9 в игловых опорах 2 и 3 без подшипников, исключающего необходимость периодической смазки и упрощающего замену лопастного винта в случае износа или поломки.
Устройство не предполагает жесткого закрепления на штанге или тросе и, напротив, перемещается в вертикальном направлении согласно изменению уровня воды в водотоке, что обеспечивается посредством использования поплавка 12. Лопастной винт 9, оптический датчик расстояния 8 и игловые опоры 2 и 3 не имеют подшипниковой группы, так как области трения образованы торцами лопастного винта и кончиками игл, с малым радиусом закругления. При этом частично функцию снижения трения берет на себя вода, попадающая в области трения.
Оба описанных решения позволяют обеспечить длительное нахождение датчика указанных конструктивных элементов в среде измерений без вмешательства пользователя посредством практического исключения необходимости их обслуживания и сохранения расстояния между поверхностью водного потока и указанными конструктивными элементами (постоянного заглубления), что придает устройству достаточную степень автономности.
Микроконтроллер из состава блока 15 позволяет увеличить объем измерительной информации и ее детализацию за счет регистрации периода времени доли каждого оборота лопастного винта и последующего преобразования его в скорость водного потока. Это позволяет получать временные ряды мгновенных скоростей водного потока, пригодные для последующей статистической обработки. Известные роторные измерители скорости водного потока, как правило, не позволяют достичь подобной детализации измерительной информации, так как производят усреднение измерительной информации за временные периоды, близкие к 100 секундам, с целью компенсации пульсаций скорости водного потока, что для малых водотоков неприемлемо. Объем выборок, получаемых устройствами, способными производить усреднение за меньшее время, ограничен временем непрерывной работы или низкой отказоустойчивостью.
Устройство может быть реализовано в следующих размерах.
Лопастной винт диаметром 20 мм, внешний радиус цилиндрического корпуса 28 мм, длина цилиндрического корпуса со стабилизатором направления течения 106 мм, диаметр поплавка 85 мм, высота 18 мм. Высота штанги и габаритные размеры донной монтажной плиты подбираются, исходя из уровенного режима водотока и вида грунта на дне. Минимальное расстояние между чувствительной поверхностью датчика 8 и ребром лопасти - 2 мм.
Источники использованной литературы
1. ГОСТ 17.1.1.02-77 «Охрана природы (ССОП). Гидросфера. Классификация водных объектов».
2. МИ 1759-87 «Государственная система обеспечения единства измерений. Расход воды на реках и каналах. Методика выполнения измерений методом «скорость-площадь»».
3. ГОСТ 15126-80 «Средства измерений скорости течения воды. Вертушки гидрометрические речные. Общие технические требования».