Метод изменения глубин бурного потока воды

Ю. А. Ищенко.

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИН БУРНОГО ПОТОКА ВОДЫ

Метод изменения глубин бурного потока воды Метод мной разработан, обоснован аналитически путём составления рядов Фурье и положен в основу образца автоматического измерителя глубины бурных потоков воды, изготовленного собственноручно, фото ниже (на гидравлическом лотке). Он сам перемещается по направляющим в точку измерения, производит замеры, выдает результат, переходит в соседнюю или заданную любую дальнюю точку, делает то же и т. д. Эффективно применяется в научных исследованиях гидравлических процессов в лаборатории одного из институтов. В производство для тиражирования он не передавался, поэтому промышленность такой интегратор пока не выпускает.

Это - одна из начальных проб себя в самостоятельных научных исследованиях. Будучи аспирантом, я увлекался, помимо основной темы, первичными электрическими датчиками измерительного назначения в области гидравлики. В частности, замечая мимоходом, как другие аспиранты производят трудоёмкие "точные" замеры хаотически колеблющихся уровней воды турбулентных потоков в гидравлических лотках и на русловых площадках, меня заинтересовал вопрос автоматизации таких исследований с целью повышения точности измерений и исключения субъективизма в этом.

Быстро был продуман и собран примитивный, на первый взгляд, электромеханический прибор с принудительно медленно опускаемой моторчиком через редуктор металлической иглой. Последняя жёстко закреплена на вертикальной зубчатой рейке. Рейка своими зубчиками состыкована с выходной шестерней редуктора. Нижний кончик иглы открыт для контакта с водой, а к верхнему припаян провод. Этот провод далее подключён к клемме "Вход" электронного счётчика импульсов, а вторая входная клемма - к "+" батареи. Другой полюс батареи соединён с одним из контактов контактной пары типа релейной. Второй контакт этой пары соединён проводом с металлическим корпусом гидравлического лотка. Одна из шестерёнок редуктора имеет выступ (бугорок) для периодического разъединения контактов пары, причём 10 (или 100, 1000 и т. д.) разъединений приходится на 1 мм хода кончика иглы вниз. Таким образом, в моменты замкнутых контактов пары и нахождения кончика иглы в воде действует последовательная электрическая цепь: вода (электролит), игла, счётчик импульсов, батарея, корпус лотка, вода. В моменты разомкнутых контактов пары ток в цепи отсутствует. Поэтому по всей глубине движения кончика иглы в контакте с водой до дна счётчик фиксирует электрические импульсы, число которых в 10 (или 100, 1000 и т. д.) раз больше, чем глубина потока, выраженная в миллиметрах, т.е. точность замеров составляет 0,1 (или 0,01, 0,001 и т. д.) мм, если не принимать во внимание некоторые искажения этой точности, но они несущественны. Устройство в этом виде совсем не содержит принципиальных отличительных признаков относительно аналогичных известных. Но очень важно, как по-новому работать с таким прибором - в каких режимах взаимодействия иглы и потока должны производиться измерения.

Сначала предполагалось делать многократные точные измерения глубины на интересующей вертикали и вычислять среднюю величину - ввиду хаотической пульсации свободной поверхности бурного потока воды установившегося режима. При этом нужно было обеспечить непрерывность счёта импульсов с первого же касания кончика иглы вершины, подошвы или склона волны. Это достижимо автоматическим замыканием цепи на участке игла-вода в момент первого касания - с помощью вспомогательного реле.

Однако в первых же испытаниях прибора без вспомогательного реле, неожиданно для меня, обнаружилось, что общее число импульсов в их пакетах (сериях) на участке хода иглы от начального касания пульсирующей водной поверхности до дна потока, как будто бы соответствует средней глубине потока, "взятой на глазок" по опущенной в него линейке. Это навело на мысль о наличии определённой закономерности в измерении глубины бурного потока воды путём подсчёта числа импульсов на участках нахождения опускающегося кончика иглы в воде (в пределах амплитуды пульсации он находится то в воде, то в воздухе) и объединения их, т.е. интеграции (это определило название метода с термином "интегральный" - по аналогии с "интегральная схема").

Выявить эту закономерность помог теоретический подход к задаче с помощью составления рядов Фурье (можно, конечно, и по-другому). Задача решалась следующим образом.

Представим себе невероятное, но простое, что свободная поверхность потока, колеблясь с амплитудой А, периодически поднимается и опускается с постоянной скоростью Vп. При опускании в этот поток иглы с постоянной скоростью Vи последняя будет в соответствии с колебаниями свободной поверхности периодически находиться в контакте с потоком, причём с нарастанием времени контакта будут постепенно увеличиваться и отрезки пути иглы, пройденные ею в воде. Как показали мои расчёты, при Vп/Vи>3 сумма отрезков пути, пройденных иглой в контакте с потоком до самой низко расположенной подошвы волны, с возрастанием Vп/Vи асимптотически приближается к значению

dh=A/2=А[1-2Vи/(Vп+Vи)(m+1)+2Vи^2/(Vп^2+Vи^2 )(m+m^2)].

Следовательно, общую глубину потока можно выразить формулой

H=H1+dh=H1+А[1-2Vи/(Vп+Vи)(m+1)+2Vи^2/(Vп^2+Vи^2 )(m+m^2)],

где H1 - глубина потока ниже зоны колебания свободной поверхности;

m=(Vп-Vи)/(2Vи) с округлением до ближайшего целого меньшего числа.

Подставляя в полученную формулу dh различные значения Vп и Vи, и построив график dh=f(Vп,Vи), убеждаемся в том, что он имеет вид затухающего колебательного процесса с асимптотически приближающейся кривой к ординате dh=0,5А. Более глубоко это удобно проанализировать в среде MathCAD, записав приведённое выше уравнение в следующем виде

h(w,v) :=1-2(v/(w+v))(ceil((w-v)/(2v))+1)+2(v^2/((0.001+w^2)+v^2))[ceil((w-v)/(2v))+(ceil((w-v)/(2v)))^2],

где v=Vи, w=Vп, h=A/2, ceil(f(w,v)) - наименьшее целое, не превышающее f(w,v).

Задаваясь диапазонами изменения v и w, например v :=10, w :=0,.1..300; v :=10..15, w :=0,.1..300; v :=10..20,

w :=0,.2..300; v :=10..30, w :=0,.299..600, снимаем с компьютера графики описанного вида (фото вверху, справа).

Таким образом, новизна и сущность метода заключаются в определении суммы отрезков пути, пройденных опускающейся иглой с произвольной скоростью Vи<Vп/3 (заведомо меньшей Vп/3 непритязательно заданной) в контакте с потоком до дна или до какой-либо фиксированной отметки в зоне сплошного потока. При этом не нужен традиционный начальный жёсткий базис отсчёта - "ноль". Важно только, чтобы игла в исходном положении находилась заведомо выше волн потока, а скорость движения иглы и частота импульсов могут быть непостоянными во времени, но должны быть обязательно синхронизированы редуктором. Скорость же подъёма и опускания свободной поверхности при выявленном условии практически никакого значения не имеет. Каждый результат измерения представляет собой средневзвешенную глубину, что очень важно, по продолжительности "стояния" всех наблюдавшихся глубин в периоде данного измерения.

Несмотря на электромеханический принцип реализации метода, он не имеет недостатков, присущих другим известным методам. Мениск, окисление кончика иглы, колебания температуры воды и деталей датчика, их механический износ, колебания частоты и напряжения тока в питающей сети, непостоянство скорости вращения и поступательного перемещения элементов прибора, изменения электрической проводимости и диэлектрической проницаемости воды, её оптических, радиационных и акустических свойств, рН, вкуса и т.д. - всё это здесь практически не оказывает отрицательного воздействия на точность измерения. Не требуется введения поправок в результаты измерения, а поверочные испытания нужны только на соответствие числа импульсов пройденному иглой расстоянию (это делается в сосуде с зеркальной поверхностью воды, т.е. при отсутствии её возмущений). Метод прост, точен, учитывает уклон и кривизну дна - даже песчинки и микрорельеф дна, надёжен, а прибор на его основе - интегратор глубины бурного потока воды - легко автоматизируем на базе современных радиоэлектронных компонентов без каких-либо механических контактов.

Длительное использование интегратора глубины, изготовленного мной на основе этого метода, в исследованиях гидравлического прыжка на лабораторном лотке в одном из институтов подтвердило высокую стабильность результатов замеров глубин прыжка (одинаковые до десятых долей мм на одной и той же вертикали при стационарном расходе воды в потоке) до проявления у оппонентов удивлений: "Почему он показывает в данной точке всё время одно и тоже число импульсов, ведь свободная поверхность пульсирует?" Что я как автор должен им ответить? Могу только порекомендовать приобрести такой точный и неприхотливый прибор.

Предложения заводов и др. предприятий на договорное изготовление интеграторов следует направлять по адресу linza2004@mail.ru , можно позвонить на телефонный номер в городе Волгограде 8-(8442)-35-11-82, сотовый 8-905-399-69-06, научный руководитель проекта "НТП - АСПИРАНТАМ" Юрий Алексеевич Ищенко.

Источник - mirnanowo.narod.ru/modelir/modelirfile.htm

Читайте также на эту тему:

Масару Эмото

Кувшинные фильтры и кассеты-картриджи к ним:

НОВЫЕ ОТВЕТЫ на вопросы о воде и фильтрах:

Обратный осмос и магистральная очистка воды:

English version

Метод изменения глубин бурного потока воды

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИН БУРНОГО ПОТОКА ВОДЫ