CC BY
22Информационно-измерительный комплекс для экспериментальных исследований квазипериодических явлений в открытых водных
потоках
Илларионов А.В.(Щ@геЬи.ги ) Российский Государственный Гидрометеорологический университет
Современные задачи экспериментальной гидравлики требуют синхронных долговременных и высокоточных измерений основных гидравлических характеристик потока. Такая необходимость возникает при изучении неустановившегося движения, турбулентности, при решении задач стохастической гидравлики и изучении колебательных явлений в потоках (в том числе автоколебаний). Для решения подобных задач в РГГМУ разработан информационно-измерительный комплекс (ИИК), обеспечивающий измерение и регистрацию уровня водной поверхности Н, скорости V и уклона потока I.
В состав ИИК входят уровнемер, измеритель скорости (микровертушка), уклономер-дифманометр и устройство сбора и обработки информации. Последнее обеспечивает работу с девятью датчиками и передачу измерительной информации в ЭВМ. Структурная схема ИИК показана на рисунке 1.
Н - модуль уровнемера; I - модуль уклономера; V - модуль измерителя скорости потока; КОМ - коммутатор; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; МП - микропроцессор. Рисунок 1 - Структурная схема информационно-измерительного комплекса Система работает следующим образом. При включении питания происходит инициализация СОМ-порта компьютера сигналом, поступающим от микропроцессора.
После прохождения процедуры тестирования программы пользователю предоставляется возможность выбора режима работы и интервала дискретизации. Далее начинается циклический опрос измерительных каналов и трансляция информации в память компьютера. Процесс поступления данных может отображаться графически на экране дисплея в реальном масштабе времени. После завершения работы программы информация сохраняется в текстовом файле с расширением *.НЕХ.
При необходимости возможен автономный режим работы с записью информации во внутреннюю энергонезависимую память прибора и последующей ее трансляцией в компьютер. Управление режимами работы может осуществляться как с клавиатуры ЭВМ, так и с пульта прибора.
Основные технические характеристики комплекса:
• примененный процессор обеспечивает управление коммутатором и трансляцию измерительной информации в компьютер с помощью последовательного интерфейса Я8-232 со скоростью 115 кбит/сек; число аналоговых входов - 8; число частотных входов - 1; разрядность АЦП - 10; уровень входного сигнала +2 В;
энергонезависимая память 16 ячеек по 960 отсчетов; частота опроса измерительных каналов 0.1 - 6 сек;
предусмотрено отображение состояния устройства и текущего значения измерительной информации на встроенном алфавитно-цифровом дисплее; точность измерения уровня 1 %; точность измерения скорости 3 %; точность измерения уклона 10 %; напряжение питания +6 В; потребляемая мощность 0.5 Вт.
Измерение уровня водной поверхности
При разработке данного комплекса автором были изготовлены и опробованы приборы, основанные на емкостном, акустическом и гидростатическом принципах измерения уровня. Исследования показали, что наиболее оптимальным для решения подобных задач является гидростатический способ.
Емкостной уровнемер, основанный на регистрации емкости датчика, погруженного в воду, имеет существенный недостаток - взаимосвязь полного сопротивления
измерительной цепи и электропроводности воды, которая также может меняться в зависимости от минерализации и температуры последней. Это обстоятельство требует индивидуальной градуировки уровнемера на каждом новом объекте исследования.
Принцип действия акустического уровнемера основан на измерении времени прохождения ультразвукового импульса, излученного антенной, расположенной на дне, и отразившегося от поверхности воды. Недостатками этого способа являются:
• зависимость скорости распространения ультразвука в воде от температуры;
• невозможность установить антенну прямо под поверхностью движущегося
потока вследствие наличия микроволн, искажающих отражение импульса;
• практическая невозможность применения метода во взвесенесущих потоках
из-за быстрого заиления антенны.
Наиболее перспективным, на наш взгляд, является пневматический, а именно, барботажный уровнемер.
Такой уровнемер содержит тонкую барботажную трубку, погруженную в контролируемую жидкость (воду). В трубку нагнетается воздух, выходящий из конца трубки в виде пузырьков. Уровень определяют по противодавлению нагнетаемого воздуха.
Для устранения погрешности, обусловленной изменением плотности контролируемой среды, применяют две барботажные трубки, погруженные в жидкость на различную глубину. Тогда давления в первой и второй трубках равны Р1 = Н , Р2 = Н2р соответственно (здесь р - плотность воды, g - ускорение силы тяжести). При этом перепад давления в трубках равен АР = (Н1 - Н2 )р = АНр [5]. Величина уровня при таком способе измерения может быть найдена из выражения
р = —н , (1)
АН
Н = АНР. (2)
АР
Причем в данном случае показания прибора не будут зависеть от плотности среды. Однако применительно к конкретной измерительной задаче (измерение уровня воды, движущейся по замкнутому циклу в лаборатории), конструкцию уровнемера можно упростить, оставив только одну барботажную трубку. Это связано с тем, что изменение
температуры воды в закрытом помещении не превышает ±10 0С, при этом колебания ее плотности могут варьироваться в пределах ±0.1 %.
Главным условием обеспечения высокой точности измерений уровня барботажным способом является поддержание избыточного высокостабильного давления. Для обеспечения этого требования применена пневматическая схема питания уровнемера воздухом, представленная на рисунке 2.
Пульсации давления, вызванные нестабильностью работы компрессора, интегрируются первым ресивером Я] и через трубопровод, снабженный сбросным клапаном и двумя кранами К1 и К2, подаются в ресивер Я2, где происходит окончательная стабилизация давления, подаваемого в барботажную трубку.
Я],Я2 - ресиверы; СК - сбросной клапан; К1,К2 - краны;
1 - мембрана; 2 - подмембранная камера.
Рисунок 2 - Барботажный уровнемер со стабилизационной схемой
С помощью кранов К1 и К2 система может быть отрегулирована на различные избыточные давления при минимальных пульсациях последних. Сбросной клапан СК компенсирует влияние изменений атмосферного давления на показания прибора, так как пневмосистема в данном случае открыта для действия атмосферного давления с "двух сторон".
В данном случае давление в барботажной трубке будет равно
pgH + PA = Ри + PA ,
(3)
где Н - уровень заглубления барботажной трубки, м; РА - атмосферное давление, Па; РИ - избыточное давление в системе, Па.
Величина уровня может быть рассчитана по измеренному давлению РИ:
Р
H = Рии Pg
(4)
В конструкции уровнемера, разработанного для проведения экспериментов, был применен высокоточный датчик относительного давления фирмы "Motorola" MPX2010D. Точность измерения давления таким датчиком в диапазоне 0 - 100 кПа составляет 1 %; вариацией плотности воды ввиду ее очень малого значения можно пренебречь. В этом случае точность измерения уровня определится вышеприведенной точностью измерения давления.
Градуировочная характеристика уровнемера имеет линейный характер: H = a + bP.
Измерение скорости потока
Для измерения скорости потока в состав ИИК могут входить различные датчики: гидрометрические вертушки, трубки Пито, снабженные дифференциальным манометром, тепловые анемометры, а также любые датчики с аналоговым или частотным входом. Хорошие результаты были получены автором при использовании модифицированного варианта вертушки ГР-96.
Усовершенствование диска прерывателя предложено автором с целью повышения точности измерения частоты импульсов при малых скоростях и небольших временах интегрирования. Основная идея модификации состоит в увеличении числа радиальных прорезей в диске-прерывателе (количестве генерируемых импульсов за один оборот). Действительно, погрешность измерения частоты, в силу дискретности процесса измерения, увеличивается при уменьшении числа импульсов, поступивших на счетчик за измерительный интервал времени. Рассмотрим данный процесс подробнее. Пусть за интервал времени To на счетчик поступило N импульсов, тогда согласно временной диаграмме, представленной на рисунке 3, можно написать
где Тх - искомый период, сек;
Т0 - измерительный интервал, сек;
At = А1Н + AtK - погрешность дискретности;
А^ - погрешность начала счета;
AtK - погрешность конца счета;
N - поступившее число импульсов.
Известно, что закон распределения величины At треугольный, тогда согласно [4]
Г* = Л N 2, (6)
где у* - относительное среднеквадратическое отклонение частоты.
и, В
Рисунок 3 - Временная диаграмма поступления импульсов t, сек
Погрешностью задания измерительного интервала Т0 пренебрегаем, так как современная электроника может обеспечивать точность Т0 ~ 10-6 -10-9. Несложный расчет показывает, что в наихудшем случае: Т0 = 1 сек и а = 1 об/с, N = 2п (в случае диска-прерывателя с двумя прорезями), у^ - 0.08, а при диске с восемью прорезями
Ух - 0.02.
Однако в реальных условиях измерений частота вращения ротора в несколько раз выше и погрешность дискретизации становится незначительной, особенно при увеличении измерительного интервала.
Структурная схема преобразователя частоты вращения ротора вертушки в электрические импульсы показана на рисунке 4.
Работает устройство следующим образом. Генератор Г вырабатывает переменное напряжение и, которое модулируется частотой вращения вертушки. Промодулированный сигнал поступает на полосовой фильтр ПФ, настроенный на частоту генератора. Далее отфильтрованный сигнал усиливается до необходимого уровня усилителем УН и после амплитудного детектирования АД поступает на формирователь импульсов ФИ и затем на ЭВМ.
Рисунок 4 - Структурная схема преобразователя частоты вращения
ротора вертушки
Градуировочная зависимость микровертушки описывается выражением:
V = 0.0062N + 0.0369, (7)
где V - скорость, м/с;
N - число импульсов за одну секунду.
Измерение уклона водной поверхности
Самый надежный и дешевый способ измерения уклона водной поверхности -определение перепада уровней с помощью водомерных устройств при известном расстоянии между ними. В условиях лаборатории такими устройствами являются шпиценмасштабы, основным недостатком которых является невозможность автоматизации измерений. Если на естественных водотоках вопрос автоматизации может быть решен путем регистрации уровней в измерительных створах с помощью самописцев, то в лаборатории, где перепады уровней на измерительной базе могут быть менее 1 мм, такой подход невозможен. Для лабораторных исследований целесообразно использовать дифференциальные манометры (рисунок 5), обеспечивающие измерение малых перепадов давления (уровня).
к
к2
Рисунок 5 - Схема измерения уклона свободной поверхности воды по разности гидростатических давлений при длине базы Ь
Выведем основное уравнение гидростатического уклономера [2]. Из рисунка 5 видно, что мембрана дифференциального манометра испытывает давление
р = у Н -у Н
(8)
где у и у - удельные веса воды в левой и правой трубках над поверхностью воды в водотоке;
Н и Н - уровни воды в левой и правой трубках относительно линии 00, проходящей через центр площади мембраны.
Для левой трубки равновесие жидкости имеет место при условии
Р0 +гА = Рт +п Н + Н1 1+4к
где у1 - удельный вес воды в потоке в месте установки левого приемника давления; У1 - удельный вес воды в погруженной в воду части левой трубки;
p0 и pT - давления воздуха соответственно на поверхности воды в водотоке и трубках;
AH - перепад уровней на длине базы L. Аналогично для правой трубки можно написать
Po +Г2 h2 = Pт +/[ Н + Нг1 + г2 0 h2 + , • (10)
Подставляя H и H из уравнения (9) и (10) в уравнение (8), можно получить
p = г н2-+(Гг-г[1)К-(/2-г2К (г1-г + г -г2). (11)
Заметим, что последним слагаемым в выражении (11) можно пренебречь, поскольку его величина второго порядка малости по сравнению с другими членами. Если
7\ =72 = у\=У2 = 7 = У = Гг, (12)
то
p = у{И2 -Н)=уИ. (13)
Таким образом, перепад давлений пропорционален разности уровней воды в месте установки приемников давления и может быть непосредственно использован для измерения уклона. Существенным обстоятельством является то, что значения заглублений приемников давления h| и не входят в основное уравнение и, следовательно, не требуются их фиксация и нивелирование. Метрологические и динамические характеристики уклономеров подобного типа подробно рассмотрены в работах [1, 2].
Прибор, основанный на этом принципе, был изготовлен автором и применялся при выполнении экспериментальных работ. Погрешности прибора, связанные с вариациями мутности, температуры, плотности в местах установки приемников давления, не проявляются в силу замкнутости системы водооборота гидравлической лаборатории РГГМУ.
Динамические характеристики уклономера в первом приближении могут быть оценены на основании результатов, полученных в работе [3]. Постоянные времени не превышают 1 сек, а динамическая погрешность на частоте 0.02 Гц составляет не более 1 %.
Однако необходимо отметить одну весьма существенную эксплуатационную погрешность. В процессе испытаний прибора было обнаружено выделение воздуха, растворенного в воде, и его накопление в камерах и гидравлической системе. В результате этого в подводящих трубках возникали воздушные пробки, которые препятствовали нормальной работе уклономера. Для устранения этого явления гидравлическая система прибора заполнялась обезгаженной водой, что дало положительный эффект.
Градуировка прибора проводилась с помощью искусственно создаваемого перепада гидростатического давления. Градуировочная зависимость, полученная таким способом для конкретного уклономера, имеет вид J = а + ЬАР.
Создание вышеописанного автоматизированного информационно-измерительного комплекса позволяет вплотную подойти к решению целого ряда сложных задач по регистрации гидравлических характеристик как в условиях жесткого русла, так и в потоках с деформируемым дном. Среди них можно выделить следующие:
• возможность постановки обширной серии измерений в режиме активного эксперимента в широком диапазоне гидравлических параметров;
• возможность синхронных долговременных наблюдений за целым рядом важных гидравлических характеристик (скоростью, уровнем и уклоном);
• возможность проведения измерений в условиях автономного режима работы. Это особенно важно при натурных исследованиях на открытых водных потоках, когда отсутствует сетевое энергопитание. Кроме того, возможность непосредственного анализа данных с помощью персонального компьютера, а также возможность быстрой передачи полученных данных другим пользователям является одной из важных особенностей данного комплекса.
1. А.с. 777515 СССР. Устройство для определения уклона свободной поверхности водотоков/ЛГМИ; Авт. изобрет. И.А. Арбузов, В.В. Коваленко. - Заявл. 20.08.76, № 2397375/18-10; опубл. в Б.И., 1980, № 41. МКИ О 01Ь 7/18 УДК 532.11 (088.8).
2. Арбузов И.А., Коваленко В.В. К автоматическому измерению продольного уклона свободной поверхности водотоков//Вопросы гидрологического приборостроения. -Л., 1977. - С. 232 - 238.
3. Арбузов И.А., Коваленко В.В. Исследование динамических свойств гидрометрической трубки//Межвузовский сборник. - 1976. - Вып. 59. - С. 45 - 53.
4. Дворяшин Б.В., Кузнецов Л.И. Радиотехнические измерения. - М.: Сов. Радио, 1978. - 360 с.
5. Можегов Н.А. Автоматические средства измерений объема, уровня и пористости материалов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 118 с
