Измерение расхода воды

В мелиорации применяются приборы и устройства для измерения расхода воды в закрытых трубопроводах и открытых каналах.

Для измерения расходов воды в закрытых трубопроводах применяются расходомеры постоянного и переменного перепада, а также индукционные.

Принцип действия расходомеров постоянного перепада основан на восприятии динамического давления потока, действующего на чувствительный элемент.

Ротаметр с электрическим преобразователем показан на рисунке 6.3. Он состоит из двух основных частей — ротаметрической и электрической, собранных в одном корпусе 1. Основным элементом ротаметрической части является конический поплавок 2, перемещающийся внутри кольцевой диафрагмы 3 в вертикальном направлении. Электрическая часть состоит из индуктивных катушек 4 с плунжером 5, жестко связанным с поплавком, и представляет собой дифференциально-трансформаторный преобразователь. Электрическая часть ротаметра снаружи защищена кожухом 6. Ротаметры устанавливаются в вертикальном «участке трубопровода.

Рис. 6.3. Ротаметр с дифференциально-транс форматорным преобразователем:

1 — корпус; 2 — конический поплавок; 3 — кольцевая диафрагма; 4 — катушка индуктивности; 5 — плунжер; 6 — кожух.

Поток воды поступает в трубку снизу вверх и, увлекая за собой поплавок, перемещает его вверх. При этом увеличивается зазор между поплавком и стенкой Кольцевой диафрагмы, в результате чего уменьшается скорость воды в зазоре и возрастает давление над поплавком. В равновесном состоянии при любом положении поплавка разность давлений, действующих на него с обеих сторон, остается постоянной и определяется силой, необходимой для его уравновешивания.

Перемещение поплавка передается плунжеру и преобразуется дифференциально-трансформаторным элементом в напряжении переменного тока, которое изменяется по величине к фазе функционально расходу.

Достоинствами ротаметров являются равномерность шкалы, большой диапазон измерения 10:1, малая и постоянная потеря давления, постоянство погрешности во всем диапазоне.

Ротаметры с электрическим выходом типа РЭ выпускаются промышленностью на диаметры условного прохода от 6 до 100 мм и расходы 25—1600 л/ч.

Измерение расхода методом переменного перепада предусматривает установку в трубопроводе сужающего устройства. Вследствие неразрывности потока в месте установки сужающего устройства скорость его возрастает, что вызвано частичным переходом потенциальной энергии давления в кинетическую энергию движения. В результате статическое давление потока непосредственно после сужающего устройства становится меньше статического давления до него. Изменение давления потока при прохождении им сужающего устройства служит мерой измерения скорости потока, а значит, и величины его расхода.

В качестве сужающего устройства при измерении расходов воды методом переменного перепада давления используются диафрагмы, сопла и сопла Вентури.

Диафрагма (рис. 6.4, а) представляет собой плоский диск с круглым концентрическим отверстием, имеющим прямоугольную кромку со стороны входа, и коническую фаску со стороны выхода потока. Для отбора давлений предусмотрены кольцевые камеры или отверстия, просверленные у торцов. Модуль диафрагмы и другие конструктивные размеры (толщина, диаметры отверстий для отбора давлений и т. д.) рассчитываются с учетом величин измеряемого расхода и параметров потока.

Рис.6.5. Схема индукционного расходомера:

1 — труба, 2 — электроды; 3 — электромагнит, 4 — измерительный блок.

В мелиорации наряду с кольцевыми применяются сегментные диафрагмы, которые в меньшей степени подвержены засорению при перекачке загрязненных вод.

В тех случаях, когда необходимо уменьшить потери давления, применяются сопла (рис. 6.4, б) и сопла Вентури (рис 6.4, в). Основным их преимуществом является малая потеря давления (в 3 — 4 раза меньше по сравнению с диафрагмами), что позволяет применять их на низконапорных трубопроводах. Кроме того, сопла свободно пропускают наносы и мало чувствительны к ним при измерениях. К недостаткам относится их громоздкость.

Широко используют для измерения расхода воды и других электропроводных жидкостей индукционные расходомеры. Принцип их действия основан на измерении ЭДС, индуктирующейся в потоке жидкости под действием внешнего магнитного поля.

На рисунке 6.6 показана схема индукционного расходомера. Он состоит из трубы 1 из немагнитного материала (нержавеющей стали Х18Н10Т), внутренняя поверхность которой футерована изоляцией; двух электродов 2, расположенных диаметрально противоположно на изоляционном слое; электромагнита 3, обмотка которого питается постоянным током, и измерительного блока 4.

Согласно закону электромагнитной индукции при движении проводника длиной l перпендикулярно вектору магнитной индукции В со скоростью v на его концах возникает ЭДС, величина которой:

Е = Blv.

Для движущейся по трубопроводу электропроводной жидкости при постоянной магнитной индукции В а полном заполнении трубы, диаметр которой определяет значение l, создаваемая ЭДС будет пропорциональна скорости жидкости v, а значит и расходу.

Промышленностью выпускаются несколько модификаций индукционных расходомеров. Индукционные расходомеры типа ИР-51 изготовляются на диаметры условного прохода 10—300 мм и расходы от 0,32 до 2500 м3/ч. Расходомеры типа ЧРИ применяются на трубопроводах с условными диаметрами 400, 600 и 800 мм и расходами до 5000 м³/ч.

Измерительные блоки расходомеров имеют процентную шкалу и унифицированный выход по постоянному току. К нему может подключаться счетная приставка типа С-1 для определения суммарного количества измеряемой среды за любой промежуток времени.

Индукционные расходомеры 5РИ выпускаются с унифицированным пневматическим выходом. Пневмопреобразователь встраивается непосредственно во вторичный прибор. Эти приборы могут устанавливаться на насосных станциях, где имеются компрессорные установки.

Рис.6.6. Индукционный расходомер ИР-5Р:

1 — преобразователь; 2 — водяной поток; 3 — штанга; 4 — рабочий трубопровод; 5 — фланец; 6 — клеммная коробка; 7 — рукоятка.

Достоинства индукционных расходомеров: они не создают дополнительных сопротивлений протеканию жидкости, позволяют измерять расход загрязненных жидкостей в широких пределах изменения расходов, обладают высокой точностью во всем измеряемом диапазоне (основная погрешность не превышает 1—1,5%).

К недостаткам относится сравнительно большая масса преобразователя. Так, преобразователь на диаметр условного прохода 300 мм имеет массу около 300 кг.

Этого лишены индукционные расходомеры ИР-56 (рис. 6.6). Их конструктивной особенностью является расположение преобразователя 1 всредине рабочего трубопровода 4. Крепится преобразователь к трубопроводу с помощью фланца 5. Преобразователь закреплен на стальной металлической штанге 3 и регулируется внутри трубопровода рукояткой 7. Два электрода (на рисунке не показаны) располагаются на боковых поверхностях преобразователя. Исследуемый водяной поток, входящий в зону измерения, представляет собой сферу 5, охватывающую преобразователь. Подключают его ко вторичному измерительному прибору с помощью клеммной коробки 6. Такая конструкция позволяет уменьшить габариты и массу преобразователя и, что особенно важно, измерять расход в трубопроводах большого диаметра (до 3,6 м).

При измерениях в открытых каналах расход зависит от скорости потока и его сечения. В общем случае методы и приборы измерения расходов в открытых руслах предусматривают контроль указанных параметров и реализацию операции умножения «скорость на сечение». Но выполнение этого достаточно сложно в полевых условиях. Поэтому при измерениях чаще всего исключают один из контролируемых параметров, а расход определяют по значениям второго. Влияние неконтролируемого параметра учитывают методом тарирования или расчетным путем по известным аналитическим зависимостям. Различают измерения расходов на нерегулируемых участках русел и на регулируемых перегораживающих сооружениях, водосливах.

На нерегулируемых участках каналов в качестве контролируемого параметра принимают уровень воды, а на регулируемых — скорость водяного потока. На нерегулируемых участках измерения выполняются с использованием специальных водомерных сооружений и без них.

При отсутствии специальных водомерных сооружений используется метод тарирования. Он основан на использовании (установленной предварительными измерениями) зависимости расхода от уровня воды Q = f(H). Метод применяется для открытых русел вне зоны подпорного действия перегораживающих сооружений и для нерегулируемых гидротехнических сооружений — быстротоков, перепадов, глухих перегораживающих сооружений и т. д.

Для повышения точности строятся специальные сооружения — водосливы, водомерные лотки и пороги, позволяющие снизить погрешность измерений до 2—3%. Тип водомерного сооружения выбирается в зависимости от расхода: при расходах до 0,5 м³/с применяются водосливы с тонкой стенкой трапецеидальной или треугольной формы и острым заложением откосов; при расходах до 7 м³/с— водомерные лотки; до 30 м³/см — водомерные пороги.

Водомерные сооружения не требуют экспериментальной тарировки, а зависимость Q=f(H) определяется по аналитическим зависимостям, учитывающим геометрические размеры сооружения.

На регулируемых гидротехнических сооружениях для измерения расхода используются водомерные приставки и трубчатые водомеры с сужающими устройствами (ТВС). Принцип измерения основан на контроле скорости водяного потока при постоянном сечении и аналогичен измерениям в закрытых трубопроводах.

Водомерные приставки представляют собой трубы круглого или прямоугольного сечения длиной L_np, в полтора — три раза превышающей диаметр или высоту трубы. Приставка устанавливается перед регулирующим щитом. Величина расхода определяется по измеряемому перепаду давлений z_пр, между верхним бьефом и водомерным сечением, удаленным от выхода на расстояние l =0,3—1,5 диаметра или высоты приставки:

где μ_пр — коэффициент расхода приставки;

ω_пр — площадь ее сечения;

z_пр — перепад давлений;

g — ускорение свободного падения.

Коэффициент расхода μ_пр зависит от конструкции и геометрических размеров приставки.

Водомерные приставки используют для измерений расходов до 20 м³/с в диапазоне перепадов 1 - 6. Ошибка измерений не превышает ±5%. Их достоинством является работа в широком диапазоне изменения перепадов от 2 до 60 см, нечувствительность к изменению режима нижнего бьефа.

Для измерений расходов до 2 м'/с применяют трубчатые водомеры с сужающими устройствами (ТВС). Сужающие устройства выполняются в виде конусной насадки, кольца или сегментной диафрагмы.

Диапазон измерений уровня ТВС составляет 1—4, погрешность измерений не превышает ±5%. Для измерения уровня используются самописцы и уровнемеры с преобразующими устройствами для дистанционной передачи.

К недостаткам ТВС относится создание дополнительных сопротивлений водяному потоку.

На сооружениях, оборудованных автоматическими затворами-регуляторами, учет воды ведется на основании контроля положения затвора и выполнения операции умножения «сечение на время» с введением поправок на скорость потока. В этом случае не требуется специальных водомерных сооружений.

Большой интерес представляет внедрение в мелиорацию ультразвукового метода измерений, основанного на зависимости величины смещения ультразвуковых колебаний от скорости водяного потока. Достоинством этого метода является его бесконтактность, что не создает препятствий протеканию жидкости.

Измерение влажности

Объектом измерения влажности в сельскохозяйственном производстве являются воздух и почва. В закрытых помещениях (насосных станциях, диспетчерских пунктах и т. д.) влажность, наряду с температурой, влияет на комфортные условия, работоспособность и общее состояние людей; условия работы оборудования, аппаратуры и приборов, а содержание влаги в приземном воздухе — на характер и интенсивность биохимических процессов в растениях, косвенно характеризует влагообеспеченность выращиваемых культур.

Важное значение имеет измерение влажности почвы, которая является основным параметром при создании автоматических систем управления влажностным режимом почв на мелиорированных землях.

Для дистанционного измерения и записи относительной влажности используется автоматический электронный психрометр типа ПЭ. Как преобразователи используются термометры сопротивления, один из которых смачивается водой из специального резервуара. Термометры размещены в каналах, через которые с помощью вентилятора прокачивается исследуемый воздух. В качестве вторичного прибора используется автоматический электронный мост. Разность сопротивлений термометров пропорциональна психрометрической разности, что позволяет проградуировать шкалу моста непосредственно в единицах относительной влажности.

Измеритель относительной влажности воздуха типа УДРОВ работает на гигрометрическом методе измерений. Первичный преобразователь в приборе — влагочувствительная пленка, сопротивление которой меняется с изменением влажности окружающей среды. Как измерительный прибор используется электронный автоматический мост.

Для измерения влажности почвы применяются прямые и косвенные методы. Из прямых наиболее распространен термостатно-весовой метод. Он является основным при контрольно-испытательных измерениях и тарировании влагомеров, принцип действия которых основан на косвенных методах измерения. Однако этот метод трудоемок, предусматривает отбор проб и их сушку в течение длительного времени (до 24 ч и более).

Косвенные методы измерений предусматривают оценку влажности почвы по изменению различных ее свойств. Наиболее широко используют тензиометрический, кондуктометрический, емкостный и нейтронный методы,

Тензиометрический метод измеряет всасывающее давление почвы, зависящее от влажности. Рассмотрим устройство и принцип действия выпускаемого серийно тензиометра типа AM20-II. Он состоит из закрытого трубчатого сосуда 2 с пористым наконечником 1. Трубчатый сосуд соединен с измерительной чашкой 3, одна из стенок которой выполнена в виде мембраны 4. В центре ее закреплен штифт 7, связанный через механическую передачу со съемным микрометрическим индикатором перемещения 6. Трубчатый сосуд заполняется кипяченой или дистиллированной водой, после чего герметично закрывается пробкой 5. Прибор устанавливается в предварительно пробуренную скважину глубиной до 1 м, соответствующую исследуемому слою почвы.-

Рис 6.7. Почвенный тензиометр: 1 — пористый наконечник; 2 — трубчатый сосуд; 3 — измерительная чаша; 4 — мембрана; 5 — проба; 6 — микрометрический индикатор перемещения; 7 — штифт.

За счет всасывающей силы вода через стенки пористого наконечника всасывается в почву и внутри трубчатого сосуда, создается разрежение, вызывающее прогиб мембраны. По показаниям индикатора прогиба мембраны определяют всасывающую силу, а при соответствующей тарировке и влажность почвы. Прибор пригоден для измерения влажности почв в диапазоне от полной влагоемкости (ПВ) до 0,7— 0,8 наименьшей влагоемкости. При более низких влажностях, вследствие проникновения воздуха через пористый наконечник в трубчатый сосуд, точность измерений резко снижается и погрешность достигает 5% и более влажности. Для автоматизации используют тензиометры с вакуумметрическими электроконтактными преобразователями, позволяющие получить сигнал о достижении предельно допустимых значений влажности.

Чтобы получить аналоговый выходной сигнал, применяют тен-зиометры с емкостными и ферродинамическими преобразователями, однако в настоящее время они серийно не выпускаются.

Принцип действия кондуктометрических влагомеров основан на измерении электрической проводимости на постоянном и переменном токе низкой частоты, зависящей от влажности почвы.

В кондуктовлагометрии используются методы: непосредственного измерения сопротивления почвы; измерения сопротивления промежуточного тела, помещенного в исследуемую почву. К приборам непосредственного измерения относится влагомер типа «Днестр», который использует зависимость сопротивления почвы и электродвижущей силы поляризации, возникающей на электродах первичного преобразователя в почве, от влажности. Влагомер состоит из зондового контактного преобразователя, вторичного прибора и используется для определения сроков полива. Недостатком является влияние на его показания солевого состава, структуры почвы и переменного характера контакта почва—электроды.

Более стабильные показания обеспечивает метод измерений с использованием промежуточного сорбента. Сущность метода заключается в том, что измеряется сопротивление пористого сорбента, помещенного в почву и находящегося в равновесном по влажности состоянии с почвой. Как сорбент используют гипс, нейлон, стекловату и другие материалы.

Наиболее распространены преобразователи с промежуточными гипсовыми блоками. Их электроды изготовляют из никеля или другого короозионностойкого материала и размещают в гипсовом блоке. Для удобства установки в пробуренную скважину гипсовый блок чаше всего изготовляют в форме цилиндра или усеченного конуса с диаметром основания 25—50 мм. Величина сопротивления между электродами зависит от влажности гипса и при установлении влажностного равновесия характеризует влажность почвы. Для устранения влияния поляризации измерения выполняют на переменном токе частотой 1—2 кГц.

Измерения с применением гипсовых преобразователей позволяют существенно уменьшить влияние неинформативных параметров, в частности,- изменения солевого состава. При движении влаги из почвы в гипсовый блок солевой раствор нейтрализуется гипсом, что ограничивает срок службы преобразователя, который, как правило, не превышает одного летнего сезона. Гипсовые преобразователи имеют и другие недостатки: инерционность, подверженность влиянию гистерезисных явлений.

Емкостный метод основан на измерении параметров первичного преобразователя (электрической емкости и угла диэлектрических потерь), функционально зависящих от влажности. Существенное отличие диэлектрической проницаемости (ДП) воды от ДП других компонентов обеспечивает ощутимую зависимость суммарной диэлектрической проницаемости почвы от ее влажности.

Конструкция емкостных преобразователей влажности зависит от свойств исследуемой среды и условий измерений. Для измерения влажности почв без отбора проб в естественных условиях залегания чаще всего используют преобразователи цилиндрической формы с гребенкообразными и спиралеобразными электродами, которые можно устанавливать в пробуренную скважину практически без нарушения структуры измеряемого слоя почвы.

Чтобы улучшить работу измерительной схемы исключением потерь, вызванных токами прямой проводимости, электроды преобразователей могут покрываться водостойкой изоляцией (фторопластом, слоем эпоксидной смолы и водостойкими лаками).

Во влагомерах с емкостными преобразователями измерения выполняются на частотах от 5*10^-5 до 5*10^-7 Гц. Параметры преобразователя при измерениях характеризуются значением полной проводимости I_э, состоящей из активной и мнимой ωG_э составляющих

где ω — угловая частота переменного тока.

Используются схемы, реагирующие на изменения полной проводимости I_э преобразователя или на одну из ее составляющих. В зависимости от этого различают соответственно методы измерений без и с разделением параметров. Выходная величина влагомера без разделения параметров зависит от емкости и добротности первичного преобразователя и определяется значением его полной проводимости.

Активная составляющая подвергается влиянию мешающих факторов (например, солевого состава почвенного раствора) и ее изменение влияет на показания влагомера. Это относится к существенным недостаткам измерительных схем без разделения параметров.

На рисунке показан влагомер с мостовой измерительной схемой. Его работа основана на измерении емкостной составляющей проводимости преобразователя влажности. Прибор состоит из генератора с кварцевой стабилизацией частоты I, измерительной мостовой схемы II, усилителя III, а также батареи питания и показывающего прибора. Измерения выполняются на частоте 1 мГц.

Напряжение с кварцевого генератора усиливается резонансным усилителем, собранном на транзисторе Т2, и через эммитерный повторитель и трансформатор подается в диагональ питания мостовой схемы, в одно из плеч которой включен преобразователь влажности.

Уравновешивание моста производится конденсаторами C_M1, C_M2. С_М3 и резистором R_в, по минимуму показаний прибора II. Для повышения чувствительности напряжение, снимаемое с измерительной диагонали моста, усиливается двухкаскадным усилителем III. Отсчитывают показания по положению органов настройки уравновешивания мостовой схемы (переключателя П и верньера С_М3). По сравнению с резонансным влагомером прибор в меньшей мере подвергается влиянию температуры, солевого состава почвы и объемного веса. Недостатком влагомера является необходимость ручного уравновешивания моста.

Рассмотренные приборы предназначены для измерения точечною значения влажности в месте установки первичного преобразователя.

В системах автоматического управления поливом требуется информация об интегральном значении влагозапасов по площади в активном слое почвы. Для получения такой информации необходимо использовать зависимость:

где U — влагосодержание в слое почвы толщиной t на площади S; W(t, S) — влажность в контролируемой точке поля.

Интегрирование по глубине слоя почвы достигается выбором длины первичного преобразователя. Усреднение по площади выполняют путем контроля влажности в нескольких характерных точках для данного участка с последующим переносом полученных усредненных результатов на всю площадь. Количество контролируемых точек зависит от рельефа местности, разнородности минерального и механического состава почвы.

Нейтронный метод измерения влажности основан на взаимодействии быстрых нейтронов, испускаемых источником с ядрами атомов водорода почвенной влаги, и регистрации тепловых нейтронов, появляющихся в результате взаимодействия. Так работает нейтронный индикатор влажности почво-грунтов типа НИВ-2. Влагомер устанавливается в предварительно пробуренную вертикальную скважину. Плутониево-бериллиевый источник питания и счетчик располагаются в одном корпусе и экранируются между собой. Плотность потока тепловых нейтронов и интенсивность v-излучения регистрируется счетчиком с кадмиевым экраном. По тарировочной кривой в зависимости от скорости счета определяется влажность почвы. Прибор измеряет объемную влажность в диапазоне 20—40% с точностью до 2% и является влагомером локального влагосодержания с радиусом сферы исследуемой почвы до 30 см.

Для измерений влажности в поверхностном слое почвы без погружения измерителя в скважину используется универсальный нейтронный влагомер НВУ-1. Принцип действия его аналогичен прибору НИВ-2. Диапазон измеряемых влажностей — от 4 до 42% по объему. Прибор НВУ-1 изготовляется также с погруженным измерительным зондом, который устанавливается в скважину и позволяет измерять влажность более низких слоев почвы.

Определение сроков и норм полива при использовании широкозахватной дождевальной техники требует получения оперативной информации об усредненных значениях влагосодержания почвы вдоль фронта полива. С этой целью разработан нейтронный влагомер типа «Крот». Для измерений в почве на глубине 35 и 90 см стационарно прокладываются полиэтиленовые трубы. По ним протягивается измерительный зонд с помощью электропривода или пневмотяги. В зонде смонтированы источник излучений, приемник и запоминающее устройство. После прогонки зонда по трубам считывают данные измерений с запоминающего устройства и по тарировочным графикам или таблицам определяют влагозапасы в исследуемом слое.

Достоинствами нейтронных влагомеров являются широкий диапазон измерений и бесконтактность с измеряемой средой. К недостаткам относится влияние на данные измерений имеющихся в почве аномальных поглотителей медленных нейтронов В, Cl, Li, К, водорода в твердой фазе почвы и особенно в гумусовом горизонте, плотности почвы, а также опасность для биологической среды, что требует применения специальных средств защиты.

Контрольные вопросы по теме 6.

1. Как работает система измерения уровня?

2. Как устроена система контроля уровня?

3. Как работает система измерения давления?

4. Как измеряют расход воды?

5. Как устроен и как работает индукционный датчик расхода?

6. Как измерить влажность почвы?

Поиск по сайту: