Мобильная установка для измерения скорости и направления течения воды в открытых водотоках

 

Полезная модель относится к области измерения скорости текучих сред и индикации направления движения водных потоков. Устройство содержит рабочее тело, в качестве которого использован металлический шарик, подвешенный на гибком носителе, причем носитель снабжен меткой и прикреплен к штанге, выполненной с метрической разметкой. Средство определения направления течения, являющееся одновременно средством для визуального измерения отклонения шарика от вертикали, выполнено в виде щита с нанесенной на нем градуированной шкалой и закреплено на штанге с возможностью вращения вокруг нее под действием водного потока. Снижается стоимость устройства за счет упрощения конструкции. 3 илл.

Полезная модель относится к области измерения скорости текучих сред и индикации направления движения водных потоков и может найти применения для измерения скорости течения в небольших реках, ручьях, каналах для последующего вычисления коэффициентов шероховатости, расходов воды и выполнения гидравлических расчетов.

За ближайший аналог принято устройство для определения скорости и направления течения жидкости (RU 2413232, МПК G01Р 5/06, G01V 1/38, 001815/58, G01C 17/32, опубл. 20.09.2010 г.), содержащее последовательно соединенные измерительный блок, приемный блок и блок записи и обработки информации, при этом измерительный блок выполнен в виде герметичного корпуса с лопастями, уравновешивающим поплавком с регулировочным грузом, датчиком скорости и узлом подвеса, закрепленным на снабженном кабельной линией жестком носителе и выполненным с возможностью вращения измерительного блока вокруг вертикальной оси. Корпус снабжен системой обработки и передачи сигналов, содержащей датчик отклонения от направления магнитного поля. Система обработки и передачи сигналов выполнена цифровой, содержит дополнительно датчик отклонения от вертикали, выполненный в виде двухосевого инклинометра, при этом датчик отклонения от направления магнитного поля представляет собой трехосевой электронный компас, а узел подвеса выполнен с возможностью качания вокруг горизонтальной оси.

К недостаткам вышеописанного устройства можно отнести его высокую стоимость, обусловленную сложностью его изготовления из-за необходимости выполнения корпуса герметичным и источника энергии для работы, что ограничивает его использование при проведении предварительных гидравлических расчетов.

Полезная модель решает задачу снижения стоимости устройства для определения скорости и направления течения жидкости за счет упрощения его конструкции вследствие использования визуального способа измерения отклонения рабочего тела от вертикали и применения найденной величины отклонения в расчетах для определения скорости.

Для достижения необходимого технического результата в известном устройстве для измерения скорости и направления течения воды, содержащем рабочее тело, подвешенное с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, средство измерения отклонения от вертикали рабочего тела, средство определения направления течения, предлагается в качестве рабочего тела использовать металлический шарик, подвешенный на гибком носителе, причем носитель снабдить меткой и прикрепить к штанге, выполненной с метрической разметкой, а средство определения направления течения, являющееся одновременно средством для визуального измерения отклонения шарика от вертикали, выполнить в виде щита с нанесенной на нем градуированной шкалой, и закрепить на штанге с возможностью вращения вокруг нее под действием водного потока.

На прилагаемых схемах изображено:

на фиг.1 - предлагаемое устройство в спокойном состоянии;

на фиг.2 - отклонение рабочего тела от вертикали;

на фиг.3 - силы, действующие на рабочее тело, при его отклонении от вертикали.

На схемах приняты следующие обозначения:

1 - свободный уровень воды; 2 - штанга, размеченная на дециметры; 3 - носитель; 4 - щит с нанесенной градуированной шкалой; 5 - метка на носителе; 6 - шарик; 7 - дно водотока, 8 - опора, h - высота поднятия метки на носителе под действием течения; h1 - высота поднятия шарика под действием течения; l - расстояние от точки крепления носителя до метки (радиус вращения метки); l1 - длина носителя; T - сила натяжения носителя; G - сила тяжести шарика в воде; F - сила гидродинамического сопротивления шарика натекающему потоку; - угол отклонения носителя относительно вертикали;

В предлагаемом устройстве (фиг.1) определение скорости и направления течения воды осуществляют следующим образом.

Устройство устанавливается вертикально и закрепляется на дне 7 водотока при помощи опоры 8. Щит 4, который служит средством определения направления течения воды, выполнен с метрической разметкой, в опытном образце применялась дециметровая разметка. Под действием водного потока щит 4, закрепленный на штанге 2 с возможностью вращения вокруг штанги 2, поворачивается и устанавливается параллельно водному потоку, показывая тем самым направление потока подобно флюгеру.

Под действием гидродинамических сил текущей воды, действующих на шарик 6, носитель 3 отклоняется от своего первоначального вертикального положения. Определив по градуированной шкале щита 4 высоту, на которую поднимется метка 5 на носителе 3 относительно горизонтальной плоскости, можно вычислить скорость течения воды.

Устройство предназначено для проведения измерений скорости течения во всем диапазоне реальных скоростей течения равнинных рек от 0,1-1 м/с.В опытном образце диаметр шарика был равен 2 см, в качестве материала для шарика лучше выбрать алюминий, т.к. при большей плотности материала шарика в указанном диапазоне скоростей течения углы отклонения будут малы, что затруднит визуальное измерение. Высота штанги была равна 1,5 м. Методика и пример расчета.

Значение кинематической вязкости при температуре 20°C, =106 м2/с.В диапазоне чисел Рейнольдса Re от 103 до 105 значение коэффициента сопротивления C практически стабильно и можно принять его равным 0,46 (Л.Прандтль Гидроаэромеханика. - М.: Издательство иностранной литературы, 1949. - 529 с).

В диапазоне диаметра шарика от 1 до 3 см и скоростей течения воды от 0,1 до 3 м/с числа Рейнольдса принимают значения от 103 до 10 3.

Рассмотрим равновесие шарика 6 диаметром d, подвешенного на носителе 3, часть которого вместе с шариком 6 погружена в воду (фиг.1). Длина носителя 3 равна l1 , расстояние от точки крепления носителя 3 до метки 5 (радиус вращения метки) l, шарик 6 под действием течения поднимается на высоту h1, метка 5 на носителе под действием течения поднимется на высоту h (фиг.2).

На шарик 6 действует сила натяжения носителя 3 равная Т, сила тяжести шарика 6 в воде равна G и сила гидродинамического сопротивления шарика 6 натекающему потоку жидкости равна F (фиг.3).

Силы, действующие на носитель, не учитываем.

Спроецируем силы, действующие на шарик на оси x и y. Получим

где:

F - сила гидродинамического сопротивления шарика натекающему потоку, H;

T - сила натяжения носителя, H;

- угол отклонения носителя относительно вертикали, градусы;

G - сила тяжести шарика в воде, H;

Из выражений (1), (2) получим

Известна сила гидродинамического сопротивления шарика натекающему потоку жидкости F

где: С - коэффициент сопротивления (Прандтль Л. Гидроаэромеханика. - Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2000, с.260-261);

в - плотность воды, кг/м;

V - скорость течения воды в реке, м/с;

d - диаметр шарика, м;

- 3,14.

Сила тяжести шарика в воде G

где: ш - плотность материала шарика, кг/м;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

в - плотность воды, кг/м3;

d - диаметр шарика, м;

- 3,14.

Из выражений (3)-(5) скорость течения воды в реке V

где: o=(ш/в)- относительная плотность материала шарика.

Согласно схеме на фиг.3:

где: h - высота поднятия шарика под действием течения, м;

l - длина носителя, м.

Из выражений (6)-(7)

где, V - скорость течения воды в реке, м/с;

С - коэффициент сопротивления (Прандтль Л. Гидроаэромеханика. - Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2000, с.260-261);

о=(ш/в) - относительная плотность материала шарика;

d - диаметр шарика, м;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

h - высота поднятия шарика под действием течения, м;

l - длина носителя, м.

Рассмотрим пример расчета для алюминиевого шарика.

Пусть С=0,46, 0=2.7, d=0,02 м, g=9,81 м/с2,l=0,2 м, h=0,07 м. Определим скорость течения воды V.

Подставив заданные значения в выражение (6), получим

Из выражения (9) V=0,414 м/с.

Предлагаемая полезная модель является исключительно простым, а следовательно, очень дешевым мобильным устройством для определения значений скорости течения и направления течения в открытых водотоках. Измерив визуально отклонение рабочего тела от вертикали по предложенной методике легко рассчитывается скорость течения.

Мобильное устройство для измерения скорости и направления течения воды в открытых водотоках, содержащее рабочее тело, подвешенное с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, средство измерения отклонения от вертикали рабочего тела, средство определения направления течения, отличающееся тем, что в качестве рабочего тела использован металлический шарик, подвешенный на гибком носителе, причем носитель снабжен меткой и прикреплен к штанге, выполненной с метрической разметкой, а средство определения направления течения, являющееся одновременно средством для визуального измерения отклонения шарика от вертикали, выполнено в виде щита с нанесенной на нем градуированной шкалой и закреплено на штанге с возможностью вращения вокруг нее под действием водного потока.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к компактным микроэлектромеханичеким устройствам для измерения направления и скорости потока газа или жидкости, и может применяться, например, в системах анемометрии для определения направления и скорости ветра, а также в различных пневматических и гидравлических системах

Полезная модель относится к области измерения параметров потока текучей среды, протекающей по трубопроводу
Наверх