Данные о изменении уровня воды нужны для гидрологических, гидрогеологических и других исследований. Для регистрации уровня воды широко используются два основных метода: метод, основанный на измерении положения плавающих на поверхности тел, и метод, основанный на измерении гидростатического давления, зависящего от уровня воды над приемником давления. Для измерения уровня в скважинах, пьезометрах, водосливах и др. часто используют опускаемые электроды, которые при соприкосновении с водой включают сигнальное устройство. При необходимости проводить непрерывную регистрацию уровня самым надежным и простым является гидростатический метод, не требующий специальных сооружений, механических устройств в приборе и обладающий простотой и низкой стоимостью. На рынке появились различные сенсоры (датчики) давления,рассчитанные на различные диапазоны давления и для различных сред, а также автономные цифровые регистраторы. Таким образом, соединив сенсор с регистратором, получаем готовый прибор.
Аппаратура и методика регистрации
Для регистрации уровня использован распространенный метод, основанный на измерении гидростатического давления, зависящего от уровня воды над приемником давления. В основе метода лежит зависимость:
где P – абсолютное давление, действующее на приемную часть датчика на расстоянии H от поверхности воды, Po – атмосферное давление на поверхности воды, ρ – плотность воды, g – ускорение свободного падения. Отсюда основное уравнение гидростатического уровнемера имеет вид:
Основная погрешность гидростатическогоуровнемера зависит от изменения плотности воды вследствие аэрации, мутности и температуры (плотность воды изменяется на 0,5% при изменении температуры от 0 до 30 °С).
Другой составляющей погрешности является погрешность, связанная со скоростным напором на незащищенный датчик давления.
Для регистрации уровня были использованы дифференциальные датчики MPX-12DP фирмы Freescale и 26PC SMT фирмы HONEYWELL измеряющие разность давлений с минимальным порогом чувствительности 1 см водяного столба. На прямой вход воздействует давление воды и атмосферы, а на инверсионный – только атмосферное давление, поэтому атмосферное давление автоматически вычитается. Датчики состоят из двух частей: герметичного корпуса, снабженного штуцерами, позволяющими подсоединять гибкие трубки, и электронным компонентом, регистрирующем деформацию, основанном на тензоэффекте кристалла полупроводника,связанного с мембраной. Датчики выпускаются с термокомпенсацией и с очень малым гистерезисом (0,2 %). Сенсоры формируют выходное напряжение около 40 мВ при нулевом давлении, которое можно компенсировать. При питании датчика автономным источником напряжения из-за увеличения потребляемого тока компенсация не проводилась, а записывалось значение места «0» в период установки датчика, которое при обработке вычиталось.
Для соединения датчика с аккумулятором и регистратором используется 4-жильный телефонный кабель. Для компенсации атмосферного давления инверсионный вход датчика при помощи силиконовой капиллярной трубки выводится вместе с кабелем на поверхность. Для герметизации выводов датчика можно использовать обычный пластилин.
Градуировка датчиков производилась погружением датчика в воду на известную глубину. На рис. 2 приведен градуировочный график для датчика.
Датчик был установлен с июля по декабрь 2011 г. на водомерном посту в нижнем бьефе Иркутской ГЭС, в месте со штатным уровнемером «Валдай». Один раз в течение 2–3 недель проверялась работоспособность и градуировка прибора, списывались результаты на компьютер. Обработка данных состояла в переводе значений, зарегистрированных цифровым регистратором из значений в вольтах градуировки в значения высоты уровня воды в метрах.
Анализ результатов наблюдений
За период наблюдений было получено около 13 000 значений уровня с дискретностью 15 мин. На рис. 3 приведен фрагмент регистрации уровня воды 3–5 августа, когда на ГЭС проводились незначительные сбросы воды,поднимающие уровень на 15–20 см.
Итоговые статистические
данные по уровню воды приведены в табл.
За весь период наблюдений уровень изменялся от 0,05 до 0,43 м. Однако, колебания уровня в пределах нескольких сантиметров проявляются всегда. Природа этих колебаний не ясна. Измерение уровня производилось в трубе, поэтому исключалась динамическая составляющая давления, обусловленная скоростным напором .Единственное объяснение вариаций - турбулентность потока и нагонные ветровые колебания.
На рис. 4 приведен спектр вариаций, рассчитанный программой SPSS.
Из рассмотрения спектральной функции виден сложный характер вариаций начиная с периодов короче 450 мин. Однако в спектре отмечается суточный период (около 96·15 мин). Спектральные составляющие более короткопериодных вариаций, по-видимому, обусловлены турбулентностью потока (тангенс угла наклона спектральной кривой к оси ординат близок к «закону -5/3 Колмогорова – Обухова»).
Для проверки наличия суточного хода были сделаны выборки среднечасовых значений по данным и построен суточный ход уровня (рис. 5). Суточный ход представляет волну с минимумом, приходящимся на период около 3–4 ч и максимумом – в 15–16 ч. Амплитуда суточного хода составляет 12 см. Объяснить наличие суточного хода в нижнем бьефе можно только расходом воды через ГЭС, связанным с суточным потреблением электроэнергии.
Выводы
Испытания гидростатического уровнемера указывают на преимущества гидростатического метода по сравнению с другими методами. Этот метод позволяет измерять уровень в замерзающих водоемах, при этом не требуется строить колодцы. Прибор можно спрятать в береговом откосе.На результатах регистрации не сказывается ветровое волнение, если датчик давления находится на глубине, равной нескольким длинам волн. В то же время прибор можно использовать для регистрации волнения.
Комментариев нет:
Отправить комментарий