Гидрометрическая вертушка. История. Этапы развития.

За всю историю развития гидрологии, для измерений скоростей течения водных потоков, наибольшее распространение получил метод регистрации скоростей течения, с использованием вращения ротора или, по-другому, лопастного винта. Этот метод и предопределил развитие гидрометрических вертушек, как самых простых и надежных устройств, которые, на протяжении вот уже более двух сотен лет являются основными приборами, благодаря которым определяется скорость течения и измеряется расход воды.

На результатах измерений, полученных с использованием вертушек, практически полностью базируется Государственная система учета вод в России и в других странах мира. Повсеместное распространение гидрометрических вертушек, их непрерывное развитие, постепенно привело к практически полному вытеснению других методов измерений.

Создателем гидрометрической вертушки считают немецкого гидротехника Рейнгарда Вольтмана (1767 – 1837 гг.), впервые применившего такой прибор в 1790 г. для определения скорости течения реки Эльбы.

Вертушка Р. Вольтмана (Рисунок 1.) конструктивно представляла собой крыльчатку состоящую из четырех пластин, наклоненных относительно плоскости вращения и закрепленных на горизонтальной оси вертушки спицами. Закрепленная в открытом корпусе ось вертушки имела червячную передачу и, вращаясь, передвигала шестеренку, которая устанавливалась на шарнирной раме. «Включение» прибора производилось поднятием рамы при помощи троса, вследствие чего происходило сцепление шестерни с осью прибора. На окружность шестерни были нанесены деления, причем, каждый зубец соответствовал одному полному обороту лопастного винта вокруг оси. На раме устанавливался указатель, по которому сумма оборотов определялась как разность начального и конечного отсчетов, показания которых снимались с шестерни. При этом, время измерений фиксировалось при помощи секундомера.

Рисунок 1. Механический счетчик Рейнгарда Вольтмана.

Механический принцип регистрации числа оборотов лопастного винта, очень быстро был заменен на электрическую сигнализацию, замыкающую электрическую цепь через заданное количество оборотов.

Однако, до 1950-х гг. регистрация времени измерения производилась при помощи секундомера. А механический принцип, предложенный Р. Вольтманом, нашел применение в ряде других устройств (например, вертушка Экмана – Мерца (Рисунок 2), измеритель речных струй Лелявского, вертушка морская модернизированная ВМ-М).

Рисунок 2. Механическая вертушка Экмана-Мерца.

Эволюция гидрометрической вертушки шла по ряду направлений модернизации её отдельных составных частей:

1. Модернизация формы и размера ротора (крыльчатки, чашечного устройства, или лопастного винта). Сюда также входит оптимизация компонентного эффекта, а также инерционности и чувствительности.

2. Оптимизация размеров, формы прибора и стабилизатора направления.

3. Совершенствование принципов формирования выходного сигнала.

4. Разработка и оптимизация счетно-регистрирующего устройства.

5. Разработка и оптимизация другого вспомогательного оборудования.

Рассмотрим подробнее каждый из этапов процесса оптимизации размера и формы ротора:

1. Использование крыльчатки - т.е. лопастей, наклоненных под разным углом относительно оси вращения. К устройствам с таким типом ротора относят, например, вертушку Р. Вольтмана, вертушку Экмана – Мерца, и вертушку морскую модернизированную ВМ-М. Однако, от использования роторов данного типа, в настоящее время, полностью отказались.

2. Использование чашечного устройства. На данный момент, чашечные вертушки с вертикальной осью являются главным и основным типом приборов Геологической службы США (USGS – United States Geological Survey). Прототипом чашечных вертушек используемых в USGS является «вертушка Прайса» (1885г.) с вертикальной осью вращения, червячной передачей, и которая закрепляется в подпятниках (Рисунок 3). Эти вертушки работают, благодаря тому, что движущаяся жидкая масса (вода) оказывает наибольшее давление на вогнутые поверхности, чем на выпуклые. Чашки, в количестве от 4 до 6 штук, имеют форму конусов, полушарий или параболоидов, и располагаются вершинами по окружности одна за другой.

Рисунок 3. Вертушка Прайса.

В Советском Союзе, немного измененные вертушки Прайса с электрической сигнализацией начали производить в 1927 г. под маркой ИВХ.

В сравнении с лопастными винтами, преимуществом чашечного устройства является сохранение компонентных свойств при любой косине струй. Недостатком же чашечных приборов является то, что они фиксируют только максимальную скорость потока. Чашечное устройство может быть изготовлено из пластмассы или сплавов металлов: карбида титана или вольфрама.

3. Использование лопастного винта. Этот тип ротора является наиболее распространенным в конструкциях гидрометрических вертушек разных стран. Вертушки с лопастным ротором конструктивно представляют собой обтекаемое тело параболической формы с винтовой поверхностью.

Первый прибор для измерения скорости, с лопастным винтом (ротором), был разработан в 1875 г. в Математико-механическом институте Альберта Отта в городе Кемптен, Германия. В этом же году были разработаны первые европейские стандарты на гидрометрические вертушки, которые во многом определили основные направления развития этих приборов. Следует отметить, что все современные модели вертушек с лопастными винтами изготавливались на основании моделей вертушки А. Отта (Рисунок 4 и Рисунок 5).

Рисунок 4. Вертушка Отта-IV.

Рисунок 5. Вертушка Отта-V.

В конце XIX в., наряду с лопастными вертушками производства фирмы А. Отта, были распространены приборы (Рисунок 6), которые, по принципу действия, были аналогичны вертушкам данной фирмы:

• вертушки Ганзера (Чехия, Словакия, Венгрия, Австрия);

• вертушки Ришара (Франция);

• вертушки Гаскеля и Хоффа (США) - трехлопастные вертушки с винтом, изготовленным из резины;

• вертушки Амслера (Швейцария);

• вертушки Альбрехта (Германия, г. Мюнхен);

Рисунок 6. Вертушки конца XIX в.

Первыми аналогами вертушек А. Отта в России являлись такие приборы, как:

• вертушка «Волга» А.И. Крылова (1918 г.)

• вертушка Грицука (1927 г.)

• вертушка В.И. Владычанского – Н.Е. Жестовского.

Распространение различных типов вертушек в мире определялось, в первую очередь, колониальной принадлежностью тех или иных стран и территорий, а также сложившимися торговыми и научными взаимосвязями между различными государствами.

По способу расположения ротора вертушки на оси прибора принято выделять:

- консольные (ось неподвижна) вертушки;

- осевые (ось вращается) вертушки;

По способу расположению оси принято выделять приборы:

- с вертикальной осью;

- с горизонтальной осью.

Рассматривая эволюцию лопастного винта вертушки, необходимо выделить такие важные факторы, повлиявшие на формы и размеры роторов, как, оптимизация компонентного эффекта, инерционность и чувствительность прибора.

Компонентность – это способность гидрометрической вертушки измерять местную скорость водного потока, направленную под углом по отношению к оси вращения лопастного винта или ротора вертушки.

На практике, компонентность выражается либо в величинах погрешности при заданной косине струй, либо в величинах угла, в пределах которого гидрометрическая вертушка способна регистрировать скорость с допустимой погрешностью.

Существует множество факторов, которые определяют компонентность вертушек:

• геометрический шаг лопастного винта (при увеличении шага происходит ухудшение компонентных свойств, однако, при этом повышается чувствительность);

• диаметр лопастного винта (при уменьшении диаметра происходит улучшение компонентных свойств);

• величина угла атаки лопастного винта (т.е. угол, образующийся между вектором скорости потока и вектором нормали к поверхности лопастного винта);

• дисковое отношение (это отношение площади проекции винта на плоскость, перпендикулярную его оси вращения к площади круга);

• угол закрутки (угол разворота лопасти);

• относительный диаметр (отношение диаметра лопастного винта к его гидравлическому шагу);

• относительная срезка лопасти (т.е. угол, образуемый гранями лопастей в привершинной части винта);

• шероховатость поверхности винта (она определяется материалом, из которого изготавливается ротор или покрытием поверхности);

• наличие разного рода струенаправляющих решеток или колец в поле действия лопастного винта.

Огромное количество факторов предопределило многообразие форм лопастных винтов у разных моделей вертушек. Следует упомянуть, что соблюдение вышеприведенных факторов оптимизации компонентности непременно приводит к ухудшению показателей чувствительности и инерционности прибора. Поэтому, каждая модель вертушки с лопастным винтом - это всегда компромисс между оптимальным соотношением компонентности, чувствительности и инерционности. Это также огромная работа по реализации и применению актуальных знаний теоретической базы в области гидромеханики и других, смежных наук.

Эволюция принципов формирования выходного сигнала гидрометрических вертушек также не стояла на месте и в своем развитии прошло следующие этапы:

1. Электрический принцип. Здесь, показатели вращения лопастного винта передаются при помощи червячной передачи на шестерню с электрическим контактом. Ось, при этом, может быть как подвижной (но с червячной передачей), так и неподвижной (однако, должна иметь червячную передачу в корпусе лопастного винта).

Контакт на шестерне замыкается на массу через заданное число оборотов винта (от 2 до 25 оборотов) в зависимости от модели. Главным недостатком данного принципа формирования выходного сигнала является то, что прибором фиксируется скорость, осредненная за период, равный количеству оборотов винта.

2. Электролитический принцип. Здесь, для формирования электрического сигнала, по которому и определяется скорость водного потока, используется свойство электропроводности воды.

Под воздействием водного потока лопастной винт вращается вблизи электрода, изменяя его электрическое сопротивление, и тем самым образует электрические импульсы, частота которых пропорциональна измеряемой скорости водного потока. Таким образом, фиксируется, каждый оборот лопастного винта.

Как правило, вертушки данного типа могут иметь либо неподвижную ось (например, как в микрокомпьютерном расходомере-скоростемере МКРС, измерителе скорости потока ИСП-1, ИСП-1М, ИСП-2 или ИСТ), либо ось, вращающуюся в агатовых подпятниках (например, как в гидрометрической микровертушке ГМЦМ-1 или ГР-96). Основным преимуществом рассматриваемого принципа формирования сигнала является его высокая чувствительность, т.е. способность фиксировать скорости с большим разрешением, по сравнению с 20-оборотными приборами с шестеренно-червячным устройством.

Главным недостатком приборов с электролитическим принципом формирования выходного сигнала является то, что они не приспособлены к работе в сложных условиях. Так, при образовании слоя льда на электродах прибор, попросту, перестает работать. Нормальная работа прибора нарушается, также, в условиях повышенной минерализации воды или при попадании песка на электроды.

Применение однооборотных вертушек привело к разработке счетчиков числа оборотов лопастного винта. Сейчас, в России, как правило, применяется преобразователь сигналов вертушки ПСВ разработки ФГУП «Гидрометприбор». Многие преобразователи могут совмещать в себе не только функции счетчика сигналов, но и секундомера. Такие преобразователи предоставляют информацию о количестве оборотов винта за секунду. На современных устройствах, благодаря введению параметров тарировочной зависимости количества оборотов вертушки в секунду от скорости потока в память преобразователя, позволяет выводить на цифровое табло непосредственно скорость течения.

3. Электромагнитный принцип. Здесь, постоянный магнит, вращается вместе с лопастным винтом, и на каждом обороте замыкает магнитоуправляемый контакт, так называемый геркон, создавая, при этом, электрический импульс. Последовательность этих импульсов прямо пропорциональна скорости вращения винта и, соответственно, скорости течения. Данный принцип аналогичен электролитическому. Вертушки данного типа могутбыть изготовлены в виде вращающейся оси (например, ГР-99) либо неподвижной оси. Принципы регистрации идентичны приведенным в предыдущем пункте.

Итак, подводя итоги, следует уточнить, что, современные гидрологические вертушки обладают рядом особенностей. Которые отличают их от приборов, производимых ранее. Проанализировав технические характеристики и другие данные о современных приборах, можно отметить следующее:

1. В мировой практике, основным типом вертушек являются вертушки с лопастным винтом. Вертушки с чашечным устройством встречаются редко, в основном в США.

2. В настоящее время, минимизированы размеры лопастного до 15–30 мм. Это значительное достижение в гидромеханике в целом, и в практике гидрометрического приборостроения в частности. Минимизация размеров винта позволила с наибольшей точностью замерять местные скорости турбулентных потоков, а это значит, что современные вертушки могут применяться даже в лабораторных условиях.

3. Большинство современных вертушек снабжаются несколькими сменными лопастными винтами, которые предназначаются для измерения различных диапазонов скоростей, обладающих различной компонентностью.

4. Для повышения чувствительности гидрометрических вертушек в современной практике приборостроения используются передовые материалы при изготовлении ротора, такие, как: карбид вольфрама, ударопрочная пластмасса, анодированный алюминий. Данные материалы, помимо механической износоустойчивости, также обладают коррозионной устойчивостью, что позволяет сохранять характеристики шероховатости поверхности винта на протяжение всего срока эксплуатации. Это позволяет сохранить неизменной чувствительность прибора.

5. Минимальная регистрируемая начальная скорость современных вертушек начинается от 0,025м/с, а максимальная не превышает 10м/с. Однако, необходимо учитывать, что это разные модели вертушек, обладающие разными размерами, роторами, и принципами действия.

6. Предельные относительные погрешности измерения скорости течения варьируются у разных моделей от 10 до 1%. Однако, в большинстве моделей погрешность составляет 5-6%.

7. По принципу формирования выходного сигнала самыми распространенными являются вертушки, оборудованные магнитоуправляемым контактом (герконом). Приборы с таким принципом формирования сигнала считаются наиболее прогрессивными, поскольку геркон менее всего подвержен влиянию негативных факторов внешней среды, и, при этом, позволяет фиксировать мгновенные скорости, сохраняя электрический принцип формирования сигнала.

8. Большинство современных вертушек используют автоматические регистрирующие устройства.