Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ систем и средств водоучета, применяемых на мелиоративных системах 8
1.1 Мелиоративные системы как объект применения средств водоучета и водоизмерения 8
1.2 Народно-хозяйственные проблемы орошения и рационального использования водных ресурсов на базе совершенствования методов водоучета 10
1.2.1 Современное состояние водных ресурсов и их динамика 10
1.2.2 Прогнозная оценка потребности в водных ресурсах, предотвращении и ликвидации последствий вредного воздействия вод 13
1.2.3 Эффективность орошения 13
1.2.4 Техническое и технологическое обеспечение орошаемого земледелия, рациональное использование водных ресурсов, пути их совершенствования 16
1.3 Проблемы автоматизации отрасли 20
1.3.1 Анализ современного состояния водоучета и водоизмерения на мелиоративных системах 21
1.4 Анализ существующих методов и средств измерения расхода и скорости воды в открытых каналах оросительных систем 25
1.4.1 Методы прямого и косвенного измерения расходов и объемов воды для открытых русел 27
1.4.2 Методы измерения скорости воды в открытых каналах мелиоративных систем 30
1.5 Технические требования, предъявляемые к средствам измерения
расхода воды с учетом новых условий водопользования 36
1.5.1 Конструктивные типы гидрометрических сооружений и особенности их эксплуатации 38
2. Анализ существующих технологических решений и обоснование целесообразности разработки способа определения расхода воды с помощью ультразвука 41
2.1 Теоретическое обоснование метода измерения расхода воды с помощью ультразвука 41
2.1.1 Ультразвук. Особенности применения 41
2.1.2 Ультразвуковые способы измерения скорости потока 43
2.2 Сравнительный анализ существующей и предлагаемой методики обработки результатов измерений по методу «скорость-площадь» 48
2.2.1 Модель расхода 48
2.2.2 Существующая методика обработки результатов измерений. Аналитический метод 52
2.2.3 Предлагаемая методика 55
2.2.4 О точности измерения расходов воды гидрометрической вертушкой 62
2.2.5 О точности предлагаемой методики обработки результатов 64
3. Разработка конструкции и обоснование технико- технологических параметров приборного обеспечения измерения расходов воды в открытых каналах с помощью ультразвука 68
3.1 Предлагаемая конструкция расходомера 68
3.2 Элементы конструкции расходомера 72
3.3 Расчет частоты излучателя для измерения заданного диапазона скоростей при допустимой погрешности 74
3.4 Техническая реализация предложенной методики 77
3.4.1 Определение параметров сплайна одной переменной 79
3.4.2 Определение параметров сплайна двух переменных 82
3.5 Программное обеспечение вычисления расхода воды в открытых каналах с использованием сплайн-интерполяции 85
4. Лабораторные и полевые исследования эффективности работы приборного обеспечения и усовершенствованной методики измерения расхода воды на реально существующих оросительных системах 89
4.1 Методика проведения полевых исследований 89
4.2 Технологический регламент измерения расхода воды в открытых каналах оросительных систем с помощью разработанного расходомера 94
4.3 Исследование предлагаемой методики 95
4.4 Результаты испытаний 98
5. Экономический эффект 104
5.1 Расчет экономического эффекта от сокращения затрат на проведение градуировки 104
5.2 Расчет экономического эффекта от экономии оросительной воды и электроэнергии 105
Предложения производству 111
Выводы 112
Список использованной литературы 114
Приложения 128
- Современное состояние водных ресурсов и их динамика
- Ультразвуковые способы измерения скорости потока
- Элементы конструкции расходомера
- Технологический регламент измерения расхода воды в открытых каналах оросительных систем с помощью разработанного расходомера
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время существующая практика водопользования остро ставит проблему учета воды на оросительных каналах. Из необходимых по ЮФО 13 тыс. шт. постов водоучёта в настоящее время функционирует порядка 3,5 тыс. шт. и далеко не все из них оборудованы современными средствами измерения расхода воды и соответствующим программным обеспечением. Зачастую для этих целей используются устаревшие расходомеры, соответствующие уровню развития науки и техники для 70-80 гг. прошлого века.
Применение в практике водоучёта зарубежных аналогов весьма проблематично по причине их высокой стоимости, необходимости привлечения специализированного персонала и создания сервисных центров.
В связи с этим возрастает роль разработок приборов нового поколения и способов измерений расходов воды с применением современных технологий, позволяющих осуществить полную автоматизацию процессов.
Цель работы - разработать способ и техническое обеспечение для измерения расхода воды открытых оросительных каналах с использованием ультразвука по методу «скорость-площадь».
Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать литературные источники по существу проблемы и определить достоинства и недостатки способов и приборного обеспечения средств для измерения расходов воды в открытых каналах;
разработать способ измерения расхода воды при помощи расходомера, действующего по методу «скорость-площадь»;
разработать техническое обеспечение для измерения расхода воды в открытых потоках с помощью ультразвука и провести сравнительную оценку точности существующих расходомеров в сравнении с предлагаемым;
дать экономическое обоснование нового способа измерения расхода воды и технического обеспечения для его реализации в открытых каналах различной пропускной способности.
Научная новизна работы:
- способ измерения расхода воды в открытых каналах оросительных сис
тем с помощью ультразвука;
-усовершенствованная технология измерений по методу «скорость-площадь» на основе использования современных технических средств;
- техническое и программное обеспечение автоматизации измерительно
го процесса с использованием ПК.
Основные положения, выносимые на защиту:
способ измерения расхода воды в открытых оросительных каналах с использованием ультразвука по методу «скорость-площадь»;
конструктивные решения расходомера, работающего по методу «скорость-площадь»;
-программное обеспечение автоматизации измерительного процесса, реализующее предлагаемый способ;
- показатели эксплуатационной и экономической эффективности приме
нения способа и технического обеспечения измерения расхода воды с помощью
ультразвука в натурных условиях.
Практическая ценность работы. Разработанный способ и техническое обеспечение для измерения расхода воды позволяет существенно повысить точность измерения расхода воды в открытых каналах гидромелиоративных систем, резко уменьшить временные и денежные затраты на проведение работ.
Личный вклад автора: разработка способа измерения расхода воды в открытых каналах оросительных систем с помощью ультразвука; разработка и создание приборного обеспечения, работающего по предложенной автором технологии; разработка и отладка программного обеспечения.
Внедрение расходомера, работающего по авторскому способу, осуществлено в Аксайской оросительной системе Ростовской области на облицованном участке канала АС-Р-3.
7 Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на аспирантских конференциях и конференциях молодых ученых, проводимых в ФГНУ «РосНИИПМ» в 2005-2008 гг.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе одна в перечне журналов и изданий, определенных Высшей аттестационной комиссией.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 127 страницах, содержит 35 рисунков, 19 таблиц и состоит из введения, 5 глав, выводов, предложений производству и приложений. Список литературы включает 147 источников, в том числе 16 иностранных.
Современное состояние водных ресурсов и их динамика
В соответствии с Водным кодексом Российской Федерации почти 100% водных объектов находятся в государственной, в том числе около 95% - в федеральной собственности. На федеральном уровне государственное управление в области использования и охраны водных ресурсов осуществляют Правительство Российской Федерации и специально уполномоченный государственный орган, функции которого возложены на Министерство природных ресурсов российской Федерации [97].
В свою очередь на водных объектах имеется большое количество различных водохозяйственных сооружений, которые находятся на балансе предприятий различных форм собственности, но в основном входят в систему Мин-сельхоза России, Минтранса России и др.
Водообеспечение населения и объектов экономики, предотвращение деградации водных объектов и поддержание надлежащего количества воды в них, защита от вредного воздействия вод возможны лишь с помощью гидротехнических систем и сооружений, требующих трудоемких и дорогостоящих мероприятий по строительству, содержанию и эксплуатации.
В последнее время существенно ухудшилось техническое состояние гидроузлов и береговой зоны водохранилищ. Подавляющее большинство гидротехнических сооружений нуждается в ремонте, а свыше 400 гидротехнических сооружений находятся в аварийном состоянии [97, 93].
Серьезной проблемой является дефицит и ухудшение качества воды поверхностных водных объектов, в том числе малых рек, которое в большинстве случаев не отвечает нормативным требованиям и оценивается как неудовлетворительное практически для всех видов водопользования. Например, в настоящее время в бассейне реки Дон о гмечается нехватка водных ресурсов, особенно в маловодные годы, и связанные с этим ограничения водопользования для нужд орошаемого земледелия, водного транспорта и рыбного хозяйства, значительное загрязнение водных объектов сточными водами, истощение и деградация малых рек [93], выражающаяся в их заилении, загрязнении, засорении, обрушении берегов. Сток малых рек, особенно в европейской части России снизился более чем наполовину. В результате происходит разрушение водных экосистем, что делает эти реки непригодными для использования.
Нарастает технологическое и техническое отставание водного хозяйства, в частности, в изучении и контроле качества вод, подготовке питьевой воды, обработке и утилизации осадков, образующихся при очистке природных и сточных вод. Прекращена разработка необходимых для устойчивого водообес печения перспективных схем использования и охраны вод [97]. Наиболее водоемкими отраслями хозяйства остаются энергетика, черная и цветная металлургия, машиностроение, целлюлозно-бумажная, топливная, химическая, "пищевая промышленность, а также жилищно-коммунальное и сельское хозяйство (табл. 1) [42J. Таблица 1. Структура водопотреблення РФ (по данным Государственного доклада «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2004 г.») Отрасль хозяйства Доля от общего водопотреблення производственные нужды 59,1% хозяйственно-питьевые нужды 20,7% орошение 12,6% сельскохозяйственное водоснабжение 1,3% прочие нужды 6,3% Значительные объемы забранной воды теряются в процессе промышленного производства вследствие несовершенства технологий и утечек в системах водоснабжения. В целом эти потери составляют в последние годы 9 - 10% от забора воды. В коммунальном хозяйстве из-за изношенности водопроводных сетей и несовершенства запорной арматуры теряется в среднем более 20% подаваемой потребителям воды. Весьма велики потери в орошаемом земледелии. Хотя орошение составляет только восьмую часть всего водозабора страны (табл. 1), потери при транспортировке в нем формируют более половины всей потерянной воды.
Общий объем безвозвратного водопотреблення и потерь составляет около 25 - 30% от забора воды из природных источников.
Значительное ухудшение состояния водных объектов и гидротехнических сооружений, потери при транспортировке и углубление тенденций расточительного водопользования, неоправданные сбросы, недоиспользование забран 13 ных вод отмечалось еще в 1998 году на заседании Правительства российской
Перспективы социально-экономического развития страны, включая решение национальной задачи удвоения внутреннего валового продукта, и ожидаемая модернизация основных секторов экономики — промышленности, агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства предполагают рост потребности в водных ресурсах. По нашему мнению такой рост возможен только при условии рационализации водопользования и снижения удельной водоемкости, иначе ожидаемый рост потребности в водных ресурсах может вызвать обострение региональных проблем водообеспечения населения, объектов экономики в бассейнах рек Волга, Дон, Кубань, Терек, Урал, Азовского и Каспийского морей и ряде других регионов [93]. Это требует принятия мер по развитию водохозяйственного комплекса, повышению его качественного уровня.
В условиях недостаточного увлажнения, что полностью относится к Южному региону России, орошение является одним из основных факторов устойчивого производства продуктов сельского хозяйства. Прежде всего это относится к основным продовольственным культурам, таким как озимая пшеница, кукуруза, соя, картофель и овощи. Велика роль орошения и в сфере отрасли кормопроизводства и особенно многолетних бобовых трав.
Так, например, по данным И.Н. Ильинской [50] урожайность зеленой массы люцерны на богаре в среднем за годы исследований составила 40 т/га, при орошении 70,8 т/га. Чрезвычайно высока эффективность орошения сои. В опытах Г.Т. Балакая [11] урожайность зерна сои без орошения (Ростовская ООМС) составляла 1,23 т/га, на орошении - 2,14 т/га. Аналогичные результаты были получены И.П. Кружилиным и В.И. Сахновой [69], В.Ф. Барановым и А.И. Лебединским [14]. Не менее существенны различия урожайности картофеля. На орошении его урожайность (Тыктин Н.В., 1984) устойчиво колебалась в пределах 163,0 ц/га, в то время как на богаре не превышала 107,9 ц/га.
Очень высокая отзывчивость на орошение растений кукурузы. По данным М. Thorne [142] при недостатке влаги в фазу выметывания кукуруза на богаре снижает урожайносіь по сравнению с орошаемой на 40%. Особенно высока эффективность орошения в том случае, когда представляется возможность наиболее точно контролировать водный режим растений (Negle; Choudhury, Federer; Choudhury, Idso) [144, 134, 135], что достигается в условиях жесткого контроля расхода воды.
Наряду со способами орошения (Bahlmann А.) [132] эффективность орошения определяется и наличием современных приборов по учету расхода- водных ресурсов. Однако, обеспечивая высокую урожайность сельскохозяйственных к\льтур, орошение имеет и негативные стороны. В частности при отсутствии надежных средств водоучета и обусловленные этим переполивы создают реальные предпосылки ухудшения физических и водно-физических свойств почвы (Шалашова О.Ю., Скуратов Н.С.) [123, 107]. По этой причине в Ставропольском крае более 20% орошаемых земель подвергается ирригационной эрозии (Фокин Б.П.) [87].
Наряду с совершенствованием технологий возделывания сельскохозяйственных культур, увеличением обьемов внесения органических и минеральных удобрений, выведением все более урожайных сортов, решение проблемы обеспечения продовольственной независимости страны не может быть решено без интенсивного использования орошаемых земель. Это подтверждается значительно большей продуктивностью орошаемого гектара и, что не менее важно, гарантированной устойчивостью урожаев. Элементарный сравнительный анализ урожайности основных зерновых культур в Ростовской области за период с 1981 по 1989 гг убедительно подтверждает результаты исследований многих авторов.
Ультразвуковые способы измерения скорости потока
Существует два метода измерения скорости потока жидкости с помощью ультразвука: «время-импульсный» и по эффекту Доплера. Эти методы в на 44 стоящее время применяются в основном только для измерения расхода жидкостей и газов, проходящих в трубах [24]. По сравнению с традиционными расходомерами для труб (трубки Венту-ри, ротаметры, турбинные или лопастные) ультразвуковые расходомеры обладают следующими важными преимуществами: не вносят искажения в водный поток не требуют сооружений изменяющих давление или уровень; не имеют движущихся частей (низкая стоимость обслуживания); могут использоваться в агрессивных средах; портативные модели с накладными датчиками позволяют проводить полевые исследования и диагностику.
При критике ультразвуковых расходомеров часто утверждается, что на показания прибора влияют такие параметры как температура, соленость воды. Действительно эти параметры меняют скорость распространения ультразвука в среде, и, следовательно, должны влиять на измерения. Однако при надлежащем учете этих величин, их влияние можно компенсировать и относительная погрешность измерений останется равной 1-2 % [70, 104, 116].
Рассмотрим оба метода измерения скорости потока воды с помощью ультразвука на примере расходомеров для труб. Ультразвуковой расходомер, работа которого основана на измерении времени переноса ультразвукового импульса, устроен следующим образом (рис. 7). Пара или несколько пар приемопередатчиков встроены в стенку трубы один выше другого по течению. Время прохождения акустических волн от первого датчика до второго (по потоку) Т\ меньше чем время, требуемое тем же волнам чтобы пройти от второго датчика к первому (против потока) То.
Доплеровские расходомеры названы в честь австрийского физика и математика К. Доплера (1803-1853), который в 1842 году предсказал, что частота принимаемого звукового сигнала зависит от движения источника или наблюдателя относительно среды. Чтобы использовать эффект Доплера для измерения расхода жидкости, последняя должна содержать элементы, отражающие звуковые волны, например, взвешенные частицы или пузырьки воздуха. Движение этих элементов изменяет частоту луча отраженного на ультразвуковой приемник. Смещение частоты линейно зависит от скорости частиц в потоке, и, таким образом, может использоваться для получения сигнала пропорционального скорости потока [140].
Расходомеры, работа которых основана на эффекте Доплера, в соответствии с измеренным смещением частоты вычисляют скорость потока (рис. 8). Излучатель передает ультразвуковой сигнал в среду под некоторым углом 0 к вектору скорости потока, отраженный от включений в жидкость, сигнал с измененной частотой попадает на приемник.
Для нормальной работы ультразвукового расходомера, работающего на эффекте Доплера при частоте излучателя 200 - 400 кГц необходимо наличие в жидкости взвешенных твердых частиц или пузырьков воздуха размером не менее 100 мкм с содержанием не менее 0,1%, чем меньше размеры включений — тем выше требуется частота. 2.2 Сравнительный анализ существующей и предлагаемой методики обработки результатов измерений по методу «скорость-площадь»
В целях сравнительной оценки изучаемых методик необходимо рассмотреть модель расхода по методу «скорость-площадь» [21]. Рассмотрим поперечное сечение потока (рис. 9). Скорости течения в различных точках сечения неодинаковы: наибольшие скорости у поверхности в середине потока, а у берегов и дна они меньше. Соответственно этому различны и расходы воды через элементарные площадки в различных частях поперечного сечения. Скорости в различных точках могут иметь различные направления.
Чтобы определить расход воды через элементарную площадку, необходимо площадь этой площадки умножить на скорость течения. Модель расхода: ОВЕ - живое сечение, OMDNB - эпюра поверхностных скоростей, CDE - эпюра скоростей на вертикали, MNK - изотаха. Из сказанного видно, что определение расхода воды методом «скорость-площадь» сводится к определению указанного выше интеграла. Однако такой способ неприменим ввиду того, что не известен вид функции и=/(х,у). На практике при определении расхода поступают так: измеряют площадь поперечного сечения потока и скорости течения на вертикалях, затем производят вычисление расхода по приближенной формуле, в которой интегрирование заменяется суммированием. Способ вычисления расхода, основанный на применении формулы (4) с указанным выше упрощением, называется аналитическим. Остановимся на некоторых свойствах модели расхода. Если рассечь модель расхода вертикальными плоскостями, перпендикулярными плоскости живого сечения (рис. 11), то площади сечений будут представлять собой эпюры распределения скоростей на вертикалях и равняться расходам на вертикалях - элементарным расходам q=nh [21].
Наиболее употребителен аналитический способ. Он характеризуется относительной простотой вычислений и меньшей затратой времени. При правильном распределении скоростей течения по живому сечению он дает удовлетворительную точность. В практике аналитический способ принят как основной и регламентируется методикой выполнения измерений МВИ 05-90 (Гидромелиоративные каналы с фиксированным руслом. Методика выполнения измерений расхода воды методом «скорость-площадь») [75].
Графический способ применяется при вычислении расходов измеренных детальным способом. Как и метод вычисления расхода по изотахам, он дает бо-. лее точные результаты, поэтому применяется в тех случаях, когда нужна повышенная точность вычисления, а кроме того, в сложных ситуациях, например при неправильном распределении скоростей течения. Получение более точных результатов графическим методом по сравнению с аналитическим является следствием того, что построение эпюр скоростей на вертикалях, средних скоростей и расходов, а также линий изотах позволяет точнее отобразить распределение этих элементов в русле [72]. Это связано, прежде всего, с тем, что оператор, выполняющий построения эпюр, проводит гладкие кривые, придавая им естественные очертания близкие к действительным, опираясь на здравый смысл и опыт. Кроме того, наглядность всех построений дает возможность выявить ошибки как полевых измерений, так и возникающих при обработке исходных данных.
Элементы конструкции расходомера
Основным элементом разрабатываемого прибора для измерения расхода является микропроцессор (тактовая частота 20 МГц), работающий по заложенной программе. Для настройки и ввода всех необходимых параметров служит клавиатура, а показания прибора и другая информация отображаются па дисплее. Микропроцессор генерирует частоту, близкую к резонансной для датчика, сигнал усиливается и подается на ультразвуковой излучатель. Отраженный от мелких частиц в потоке воды сигнал со смещенной частотой попадает на принимающий ультразвуковой датчик, усиливается и подается на микропроцессор. Микропроцессор подсчитывает частоту принятого сигнала, обрабатывает полученные данные (отбрасывает промахи, усредняет пульсации) и вычисляет скорость потока в зоне измерения.
Сигналы на излучатель, от приемника и для управления шаговыми двигателями, передаются по кабелю связи от вторичного блока, расположенного на берегу канала. Управляя с помощью шаговых электродвигателей положением датчиков, микропроцессор определяет скорость потока в нескольких точках, а также выполняет замеры глубин на вертикалях (их координаты выбираются по методике выполнения измерений МВИ 05 90). Это позволяет полностью автоматизировать процесс получения данных о распределении скоростей по площади сечения потока, необходимых для вычисления расхода воды в канале по методу «скорость-площадь».
Таким образом, исходными данными для расчета параметров прибора являются диапазон скоростей водного потока от 0,01 до 15 м/с, относительная погрешность измерения не более 5%. Следовательно, абсолютная погрешность при минимальной скорости составляет 0,0005 м/с
Подставляя значения необходимой точности определения скорости AV, частоты излучателя/=200000 Гц и меняя значение угла 9 от 30 до 60 получим при скоростях звука в воде от 1400 м/с при 0С до 1530 м/с при 40С значение требуемой точности измерения смещения частоты An в пределах 0,07...0,12 Гц. Таким образом, измерение смещения частоты с абсолютной погрешностью Д/=0,05 Гц обеспечит требуемую точность.
Подобно тому, как при определении скорости потока с помощью гидрометрической вертушки (измеряется время некоторого определенного числа оборотов винта), измерение принимаемой частоты с помощь микропроцессора реализуется следующим образом. Как известно, частота есть отношение количества колебаний ко времени, за которые они произошли. Микропроцессор подсчитывает количество машинных циклов п (длительность которых при рабочей частоте 20 МГц составляет ДГ=2 10"7 с) проходящих за время приема N периодов принимаемой частоты. Рабочая частота микроконтроллера стабилизирована кварцевым резонатором на 20 МГц. Погрешность стабилизации ничтожно мала в широком диапазоне температур.
Таким образом, измерение скорости происходит следующим образом. Микроконтроллер принимает сформированный приемником сигнал и отсчитывает в нем 80000 периодов, одновременно подсчитывая количество машинных циклов прошедших за время приема. Затем по формуле (14) вычисляется значение принятой частоты. Из значения принятой частоты вычитается значение излучаемой частоты — вычисляется доплеровскос смещение. Полученное значение вместе с другими заданными параметрами подставляется в формулу (3) и вычисляется скорость потока. Чтобы учесть пульсацию скорости, эта процедура повторяется несколько раз и если полученные значения скорости отличаются незначительно, то вычисляется среднее значение скорости в данной точке, которое затем используется для вычисления расхода.
Техническая реализация предложенной методики предполагает обработку достаточно больших объемов информации, использование трудоемких вычислительных операций, которые могут быть реализованы лишь с использованием современных компьютерных средств. Поэтому неотъемлемой частью дальнейших исследований явилась разработка программных средств, реализующих предложенный метод.
Для этого нами была разработана программа для ПК, реализующая предлагаемую методику математической обработки. Следует особенно подчеркнуть, что разработанная автором программа может использоваться независимо от прибора. Это значительно увеличивает ее достоинство, так как дает возможность конечным пользователям, часто не имеющим возможности приобретения дорогостоящих приборов, повысить точность измерения расхода воды, применяя в качестве измерителей скорости уже используемые для этих целей гидрометрические вертушки.
Технологический регламент измерения расхода воды в открытых каналах оросительных систем с помощью разработанного расходомера
При проведении измерений по методу «скорость-площадь» в открытых каналах оросительных систем при выборе измерительного участка должны быть учтены следующие требования [75]: - Участок канала должен быть облицованным, прямолинейным, с постоянной формой поперечного прямоугольного, трапецеидального или параболического поперечного сечения, допускающей отклонения от средних геометрических размеров (ширины, строительной высоты русла, величины заложения откосов) не более ± 2,0 %, с постоянным уклоном дна. - Участок канала должен быть удален от гидротехнических сооружений и других источников сбойности потока на расстояние, исключающее появление в створах измерений волновых явлений, и составляющее не менее 10 ширин канала по верху. - На участке канала должна быть исключена возможность зарастания и систематического заиления русла слоем толщиной более 2 % от нормальной глубины потока. - Участок канала должен быть доступен для проведения измерений, подъезда автотранспорта для перевозки обслуживающего персонала и оборудования и обеспечивать возможность подвода линии энергоснабжения и связи. - Измерительный учас го к канала должен быть оборудован средствами переправы. По результатам проведенных лабораторных и полевых исследований, технологическая схема проведения измерений разработанным расходомером состояла в следующем:
На участке канала выбирается место установки расходомера, отвечающее требованиям описанным выше. Производится замер геометрических параметров канала, после чего устанавливается и настраивается расходомер. Установка расходомера заключается в закреплении и натяжке тросов между берегами канала перпендикулярно его основному направлению, освобождению передвижной площадки от транспортировочных стопоров и подключении кабеля от площадки с датчиками к вторичному блоку. Площадка с датчиками должна быть расположена по течению канала. После подключения питания к вторичному блоку, его включения и успешного завершения инициализации и самотестирования микроконтроллера на экране вторичного блока появляется надпись «ГОТОВ». Нажатием кнопки «ПУСК» расходомер переводится в режим автоматического измерения расхода, как описывается в главе 3. После завершения измерений глубин и скоростей вдоль сечения потока производится вычисление расхода по усовершенствованной методике с применением сплайн-интерполяции. Результаты вычислений отображаются на дисплее расходомера.
Чтобы сопоставить результаты и оценить точность по двум методам (предлагаемому и существующему) приведем сравнительные результаты расчетов по реальным измерениям в условиях реально существующих водных объектов. В таблице 11 представлены результаты измерений скоростей течения воды в экспериментальном гидравлическом лотке с прямоугольным поперечным сечением шириной 0,25 м, произведенные с помощью гидрометрической вертушки ГР-55. Таблица 11 - Скорости течения воды в экспериментальном гидравлическом лотке. Номер вертикали Расстояние от постоянного начала, м Глубина вертикали,м Глубина опускания Скорость в точке,м/с Средняя скорость на вертикали, м/с в долях в м 1 0,08 0,25 0,2 0,05 0,45 0,30 0,6 0,15 0,28 0,8 0,20 0,18 2 0,17 0,25 0,2 0,05 0,50 0,31 0,6 0,15 0,25 0,8 0,20 0,22 Применяя формулу (7) для определения расхода воды Qa по принятому аналитическому методу к данным, приведенным в таблице, получим Оа= 0,9-0.3-0,08-0,25 + — — 0,09-0,25 + 0,9-0,31 -0,08-0,25 = 0,0176 м3/с. Используя предлагаемую методику обработки результатов измерения с использованием бикубической сплайн-интерполяции по формуле (13), получим значение расхода ?с=0,0195 м /с. Все расчеты производятся в специально разработанной программе для ПК, которая производит обработку данных согласно предлагаемой методике.
В результате вычисления расхода воды графическим методом получено значение расхода равное 45 м/с [72]. При подстановке исходных данных в разработанную программу было получено значение расхода равное 45,05 м3/с. Та 98 ким образом видно, что предложенная методика дает результаты близкие к графическому методу (разница составляет 0,1%), в то время как в результате вычислений по основному способу измерения расхода получаем 43,35 (погрешность относительно графического метода 3,7%). При этом вычисления по предлагаемой методике с использованием специализированной программы для ПК требует гораздо меньших трудозатрат, так как не производится никаких дополнительных графических построений и измерений, все необходимые вычисления производятся автоматически.
Таким образом, практическое применение предлагаемой методики обработки результатов измерений по методу «скорость-площадь» подтвердило теоретические предположения и показало превосходство над принятой за основную как на лабораторных лотках, так и на небольших реках.
