Гидрометрические приборы

Гидрометрические приборы

ГИДРОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ, приборы для измерения горизонтов, глубин, скоростей течения и расходов воды и для взятия проб воды. Для автоматической записи горизонтов воды применяются лимниграфы. Они бывают двух типов. В первом особый поплавок, подвешенный на тонкой проволоке к шкиву, передает колебания горизонтов воды перу, чертящему водомерный график на вращающемся барабане; второй основан на изменении гидростатического давления с глубиной погружения. К этому типу относится лимниграф Ришара, который состоит из каучукового резервуара, заключенного в металлическую цилиндрическую оправу с отверстиями для пропуска воды и соединенного очень гибкой медной проволокой с манометром или самопишущим прибором. Давление воды на каучуковый резервуар изменяется пропорционально глубине погружения последнего, а при прикреплении его к определенной точке - пропорционально высоте стояния над ним воды. Этот прибор особенно удобен для замерзающих рек, подмываемых берегов или при очень значительной амплитуде колебаний горизонтов, когда установить поплавковые лимниграфы затруднительно. Из поплавковых лимниграфов наиболее употребительны системы Отта (фиг. 1), Альбрехта, Ганзера, Гаслера, Зейбта-Фюсса, Рорданца. Все они состоят из поплавка, передаточного и пишущего приспособлений, барабана и часового механизма с заводом от 1 суток до 1 месяца. Поплавок обычно устраивают около 15—20 см в диаметре.

Движется он в особой трубе или в шахте (см. Водомерные наблюдения), и его движения передаются постоянно натянутой противовесом проволокой шкиву и от него - через ряд передач перу. Высота барабана колеблется от 14 см (лимниграф Ганзера) до 35—40 см (лимниграф Отта). В зависимости от возможной амплитуды колебаний горизонтов, передаточное отношение устраивают от 1:20 до 1:2. Лимниграфы устанавливают в особой будке.

Поплавковый лимниграф системы Отта

Для водомерных наблюдений в течение непродолжительного времени и при небольших, сравнительно, колебаниях воды употребляются переносные лимниграфы. Малый переносный лимниграф системы Отта (см. фиг. 2) состоит из вращающегося при помощи часового механизма барабана, высотой 30 см, устанавливаемого на конце стальной трубы, диаметром 20 мм и длиной 1,5 м, заостренный конец которой вгоняется в дно реки у места наблюдений.

Малый переносный лимниграф системы Отта

Поплавок цилиндрической формы, диаметром 18 см и высотой 12 см, движется по трубе на двух роликах. К поплавку прикреплена регистрирующая штанга с карандашом. Для защиты от непогоды на барабан надевают парусиновый чехол. Переносной лимниграф Альбрехта позволяет регистрировать колебания горизонтов до 1 м. Барабан с часовым механизмом прикрепляют на консоли к верхнему концу трубы, устанавливаемой у места наблюдения при помощи якорей. Трубу делают, для облегчения ее перевозки, сборной, и вода поступает в нее через боковые отверстия диаметром 1 см.

Для производства промеров употребляют лоты или особые плавучие штанги системы Келлера, изготовляемые фирмой Отта. Последние устроены так, что легко опускаются на дно, оставаясь все время в вертикальном положении. Кроме того, имеется самопишущий прибор - профилограф Гаеша. Действие прибора основано на увеличении гидростатического давления на предмет с глубиной его погружения. В особом решетчатом цилиндре, диаметром 0,5 м, помещен манометр, состоящий из цилиндра, пустотелого поршня и спиральной пружины, стремящейся выдвинуть поршень из цилиндра. К верху цилиндра крепко привязана мембрана из бычьего пузыря; в крышке цилиндра имеются отверстия для доступа воды. Последняя, давя на мембрану с разной, в зависимости от глубины, силой, передвигает поршень с карандашом, который и записывает профиль дна на бумаге, натянутой на находящемся рядом с манометром барабане. Барабан получает движение, пропорциональное длине периметра промеряемого профиля, при посредстве шестерни, сцепляемой с бесконечным винтом, находящимся на оси решетчатого цилиндра. Профилограф чертит профили в масштабе для длины 1:2000 и для глубины 1:200, что при ширине его ленты в 6,5 см позволяет зачерчивать живые сечения глубиной до 13 м.

Для определения скоростей течения воды в настоящее время употребляют почти исключительно вертушки. Они состоят из легко вращающихся на оси лопастей, число оборотов которых зависит от скорости течения воды. Зависимость между скоростью течения v и числом оборотов в единицу времени n, выражаемая обычно в виде уравнения v = a+tn+cn2, д. б. определена заранее на особых тарировочных станциях. Для определения скорости течения в определенной точке устанавливают вертушку, поставив лопасти против течения, нормально к нему, и отмечают продолжительность наблюдения t и число оборотов вертушки N. Частное N/t = n, подставленное в уравнение скорости, дает искомую скорость течения в данной точке. Вертушки делают с горизонтальной или вертикальной осью вращения лопастей; они обычно состоят из воспринимаемой части (лопасти), передаточного механизма (ось вертушки, регистрация оборотов) и установочного приспособления. Ось вертушки устраивают или на шариковом подшипнике и цилиндрическом агатовом подпятнике или на двух конических подпятниках. При чистой воде годятся оба способа укрепления оси, - в мутной же воде шариковые подшипники засоряются скорее, чем конические подпятники; зато последние менее пригодны в тех водах, где проносятся листья, трава и прочее. Лопасти бывают плоские, винтовые, буравчатые или турбинные. Плоские и винтовые лопасти имеют тот недостаток, что удар воды о них происходит слишком резко и к ним пристают листья и мусор. При турбинных лопастях струя воды отклоняется от лопасти постепенно, и весь мусор скользит вдоль лопастей, не приставая к ним. Число крыльев в вертушке колеблется от 2 до 4, величина шага 10—50 см и выбирается с таким расчетом, чтобы при обычных скоростях течения не получалось слишком незначительного числа оборотов. Регистрация оборотов вертушки производится путем замыкания электрического тока через определенное число оборотов вертушки. Слабая электропроводность чистой воды позволяет применять свободное для доступа воды контактное приспособление (фиг. 3), но наличие в воде солей или кислот требует закрытой контактной камеры, т. к. в противном случае замыкание тока может происходить через воду.

Контактное приспособление

С этой целью контактные приспособления помещаются в небольших водолазных колоколах (вертушка Альбрехта), в масляных или магнитных камерах (вертушка Отта). Схематическое изображение закрытого контакта в масляной камере представлено на фиг. 4.

Схематическое изображение закрытого контакта в масляной камере

Вращение лопасти А передается червяком Б зубчатому колесу В с 4 выступающими штифтами (а), срезанными с одной стороны. В зависимости от того, какой стороной проходит штифтик (а) мимо рычажка (б), происходит замыкание или размыкание тока. Переставлением штифтиков (а) можно получить замыкание тока через каждые 25, 50 или 100 оборотов. Рычажок (б) насажен на ось (о), входящую в закрытую масляную камеру. На втором конце оси насажен рычажок (в), повторяющий все движения рычажка (б). Этот рычажок может соприкасаться у точки (е) с зажимом (г), изолированным от корпуса вертушки резиновой кольцевой прокладкой (ж), и таким образом замыкать ток. Другой зажим соединен с корпусом вертушки. При открытых контактах рычажок соприкасается непосредственно с зажимом (г). Магнитное контактное устройство системы Мензинга-Отта заключено в герметически запирающуюся коробку. К заднему концу оси наглухо прикреплен подковообразный магнит. В коробке, под влиянием магнитной индукции, вращается вместе с магнитом якорь с выступом на валу, замыкающий ток при каждом обороте вертушки. Кроме того, при помощи червяка и зубчатки получаются контакты через каждые 20—25 оборотов. Лабораторией гидравлических установок Научно-технического управления ВСНХ СССР изготовляются вертушки с контактным приспособлением инженера Грицука.

Вертушка с контактным приспособлением инженера Грицука

Оно состоит (фиг. 5) из особого эбонитового диска (а), соединенного посредством зубчатого колеса о 25 зубцах с червячным винтом на оси вертушки. В теле диска имеется герметически закрытая полость (б), расположенная эксцентрически, а в ней - небольшое количество ртути. При 25 оборотах вертушки эбонитовый диск делает один оборот вокруг своей оси; тогда ртуть соединяет концы железных винтов, входящих внутрь полости контактной камеры и соединенных с полюсами электрического звонка, и производит замыкание тока. Вторая контактная камера (в), расположенная на оси вблизи головки вертушки, замыкает ток при каждом обороте вертушки.

Помимо числа оборотов вертушки, приходится еще в отдельных случаях отмечать обратное течение, достижение вертушкой дна и, наконец, направление струи (отклонение от нормалей к сечению). Для регистрации обратного течения на руле вертушки устанавливают особый маятник, соприкасающийся при обратном течении с контактом и замыкающий ток. Донный контакт получается при помощи особого диска со стержнем, свободно движущимся в изолированном цилиндрическом отверстии корпуса вертушки или подвешиваемого к ней груза. При достижении диском дна он выдвигает стержень вверх и замыкает ток. Для определения направления струй служит компас, помещаемый в корпусе вертушки, показания которого передаются при помощи очень сложного электромагнитного приспособления.

Вертушки на вертикальной оси (шведская Арвидсона и американская Прайса) вместо лопастей имеют полукруглые или конические чашечки. В акустическом измерителе скоростей Прайса, весящем всего 400 г и потому очень портативном, на вертикальную ось надето крепкое колесико о шести спицах с насаженными на них коническими чашечками, отверстия которых обращены в одну сторону. Верхняя часть оси снабжена червяком, приводящим в движение зубчатое колесо. К зубьям прикреплены иголки, задевающие за молоточек, ударяющий по корпусу воздушной камеры, в которой помещена зубчатка. Звук от ударов передается через гуттаперчевую трубку наблюдателю. Отсчитывая по секундомеру время между ударами, соответствующими (в зависимости от числа зубцов, снабженных иголками) каждому или определенному числу оборотов вертушки, можно определить скорость течения.

Все регистрируемые явления (обороты вертушки, достижение дна, обратное течение, глубина опускания вертушки) передаются электрическим током сигнальным приспособлениям - обычно электрическому звонку. При сложных и точных гидрометрических работах все сигнальные приборы монтируются на особой доске.

Сигнальное устройство

В Германии, например, принято следующее сигнальное устройство (фиг. 6); А - часы с автоматическим выключением электрического тока через 100 и 200 сек.; Б - счетчик оборотов вертушки; В - счетчик глубины погружения вертушки; Г - секундомер; Д - звонок для сигнализации каждых 25 оборотов вертушки; Е - звонок для донного контакта; Ж - звонок, отмечающий прекращение тока часами А; 3 - гальваноскоп для проверки электрической проводки; К - переключатель тока. Иногда включают в сеть самопишущий ленточный хронограф, отмечающий время, число оборотов и глубину погружения вертушки.

При гидрометрических работах вертушки устанавливают: 1) на стоячей штанге, опирающейся на дно реки (фиг. 7),

При гидрометрических работах вертушки устанавливают на стоячей штанге, опирающейся на дно реки

2) на подвесной штанге, удерживаемой особым штангодержателем (фиг. 8),

При гидрометрических работах вертушки устанавливают на подвесной штанге, удерживаемой особым штангодержателем

и 3) на тросе, опускаемом особой лебедкой (фиг. 9). При определении только одних поверхностных скоростей вертушку подвешивают к особому поплавку или же употребляют электрический лаг. Вертушки новейших систем устраивают таким образом, что они м. б. или прикреплены к штанге или подвешены к тросу.

При гидрометрических работах вертушки устанавливают на тросе, опускаемом особой лебедкой

Вертушка со всем необходимым оборудованием и штангой, длиной 3 м, весит 27 кг и стоит 1240 германских марок. Ею можно измерять скорости от 0,03 до 6 м/сек. Все другие приборы, раньше употреблявшиеся для измерения скорости и основанные на измерении высоты подъема воды в коленчатом сосуде, направленном против течения (h = mv2/2g), т. н. трубки Пито, Дорси и др., в настоящее время совершенно вытеснены вертушками. Из новейших попыток конструирования приборов для определения скоростей, основанных на совершенно новых принципах, заслуживает упоминания складной батометр-тахиметр Глушкова. Прибор состоит из гибкого резинового складывающегося баллона емкостью в 900 см3 с трубкой-носком для втекания жидкостей, диаметром 6 мм и длиной 20 см, с небольшой перекладиной для привязывания к штанге. Количество воды, натекающей в прибор, прямо пропорционально времени; количество, натекающее в 1 секунду, зависит от скорости течения. Зная продолжительность наполнения прибора t и количество натекшей за это время воды А, определяют секундный приток q = A/t и из него, по тарировочному уравнению прибора, - скорость v. Прибор прикрепляют к штанге, которую опускают в воду так, чтобы носок прибора составлял с направлением течения угол в 30—60°, затем быстро поворачивают носок против течения и нажимают секундомер. Продержав определенное время (при скорости 1 м/сек - около 50 сек.), поворачивают штангу на 120° и останавливают секундомер. Приборы для взятия проб воды см. Батометр, приборы для непосредственного измерения расходов воды - см. Гидрометрия.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 5 - 1929 г.