Лекція 12. Автоматизація водорозподілу на відкритих зрошувальних системах. Методи керування водорозподілом. Вимірювання рівня води. Вимірювання витрати.

Для підвищення точності вимірювань будують також спеціальні водомірні споруди: мірні водозливи з тонкою стінкою, водомірні пороги і лотки. Витрата через ці споруди залежить тільки від напору. Рівень над гребенем водозливу або біля входу в лоток вимірюють рівнемірами, градуйованими в одиницях витрати. Похибка вимірювання залежить від похибки рівнеміра і похибки градуювання.

 

Метод заснований на вимірюванні перепаду тиску, створюваного яким-небудь звужуючим пристроєм (діафрагмою, соплом або витратомірною трубкою), установленим на шляху руху води (рис.12.10). При русі води в трубопроводі 1 через діафрагму 2 внаслідок переходу частини потенційної енергії тиску

 

Рис. 12.10. Витратомір зі змінним перепадом тиску.

у кінетичну середня швидкість потоку у звуженому перетині підвищується. В результаті тиск   після діафрагми стає меншим тиску   перед діафрагмою. Перепад тиску   вимірює дифманометр 3 і за допомогою індукційного перетворювача 4 перетворюється в електричну напругу, яку можна використовувати як для реєстрації, так і для керування.

Перепад тиску   зв'язаний з витратою залежністю

 , /12.6/

де   – коефіцієнт витрати і площа перетину звужуючого пристрою. Похибка вимірювання таких витратомірів складає 1...2%.

 

Рис. 12.11. Схема вимірювання витрати води водомірною спорудою.

Для створення перепаду тиску у відкритих руслах використовують водомірні трубчасті споруди. На рис. 12.11 показана схема вимірювання витрати водомірною спорудою. При русі води між входом у трубу 1 і отвором 9 створюється перепад тиску  , внаслідок чого змінюються рівні в поплавкових камерах 3 і 7, з'єднаних з верхнім б'єфом трубкою 2 і з трубою отвором 9. Поплавки 8 переміщуються відповідно до рівнів води в камерах і зумовлюють пропорційну зміну кутів повороту барабанів 4 і 6. Барабани з'єднані з механічним диференціалом, вихідний вал якого повертається на кут, пропорційний різниці рівнів  . Вал диференціала через механічні передачі з'єднаний з покажчиком перепаду рівнів, покажчиком витрати і кулачками сигналізації граничних значень перепаду рівнів. Два кінці вихідного вала вимірювального блоку 5 виведені назовні для з'єднання з давачем• телевимірювання і регулятором витрати. За рахунок зміни шестеренних передач давач дозволяє вимірювати перепади рівнів 0,16...1,6 м при коливанні рівня у верхньому б'єфі споруди до 2,5 м. Основна похибка вимірювання складає ±2,5%.

Водомірну споруду можна доповнити приладом, який буде реєструвати й інтегрувати витрату води. Для живлення приладу необхідна напруга 127 або 220 В змінного струму.

 

Індукційні витратоміри використовують для миттєвого та сумарного вимірювання витрат води й електропровідних рідин у заповнених трубопроводах. Принцип їх дії заснований на явищі електромагнітної індукції. Індукційний витратомір (рис. 12.12) складається з труби 1 з немагнітної нержавіючої сталі, внутрішня поверхня якої покрита електроізоляційним матеріалом 3, електромагнітів 4, електродів 2, вимірювального блока 5 і джерела живлення 6.

При русі рідини в магнітному полі в ній як у провіднику, що рухається, індукується електрорушійна сила

 , /12.7/

де В – електромагнітна індукція між полюсами,   – віддаль між електродами, рівна внутрішньому діаметру труби d, м;   – швидкість руху рідини, м/с.

Оскільки  , то /12.7/ можна представити у виді

 . /12.8/

Формула /12.8/ показує, що витрата пропорційна електрорушійній силі Е, оскільки  .

За допомогою електродів, ізольованих від труби й утоплених у рівень з ізоляційним шаром, знімається е.р.с., яке у вимірювальному блоці посилюється і перетворюється в уніфікований струмовий сигнал 0...5 мА.

Промисловість випускає кілька модифікацій індукційних витратомірів. Витратомір ІВ-51 застосовують на водоводах

 

Рис. 12.12. Принципова схема індукційного витратоміра.

діаметром 0,01...0,3 м і з середньою швидкістю руху води 1,25...10 м/с. Основна похибка складає ±1%. Витратомір 4ІВ використовують на водоводах діаметром 0,4...1,0 м при витратах 800 ... 4000 м3/с. Вимірювальний блок забезпечує вимірювання миттєвої і сумарної витрати, а також запис на діаграму. Похибка вимірювання ±1,5%. Витратомір ІВ-56 застосовують на водоводах діаметром 0,5...3,6 м. Основна похибка ±4%.

Основні переваги індукційних витратомірів – відсутність втрати напору, нечутливість до наявності у воді піску і мулу, можливість їх використання в якості вимірювальних пристроїв в системах автоматичного керування помповими станціями. Недолік – необхідність періодично видаляти з поверхні електродів відкладення, зумовлені електролізом мінералізованої води. Відкладення збільшують електричний опір, що спричиняє збільшення похибки.

 

Принцип роботи витратомірів заснований на зміні швидкості ультразвуку в середовищі, що рухається. З двох сторін трубопроводу, в якому рухається вода, під кутом   встановлюють п'єзоелектричні давачі (рис. 12.13), що перетворять електричні імпульси в акустичні і навпаки.

 

Рис. 12.13. Структурна схема акустичного витратоміра.

Вимірювання швидкості води відбувається у такий спосіб. Електричний імпульс з формувача Ф1 надходить на давач Д1, який перетворює його в акустичний сигнал. Цей сигнал проходить через воду і приймається давачем Д2 через час

 . /12.9/

Прийнятий акустичний сигнал перетворюється в електричний, посилюється у вимірювально-керуючому блоці ВКБ і знову через Ф1 надходить на давач Д1. У результаті виникає автоциркуляція імпульсів в контурі, показаному на рис. 12.13 стрілками, з частотою

 . /12.10/

Аналогічно відбувається автоциркуляція імпульсів і в контурі, показаному пунктирними стрілками. При цьому давач Д2 забезпечує випромінювання, а давач Д1 прийняття акустичних імпульсів. Частота циркуляції імпульсів у цьому контурі

 . /12.11/

Вимірювально-керуючий блок керує роботою контурів та виділяє збільшену в 100 разів різницеву частоту:

 . /12.12/

 

Підставивши в /12.12/   і  , одержимо

 . /12.13/

При     і . /12.14/

Імпульси частотою   надходять на частотно-аналоговий перетворювач (ЧАП) з уніфікованим токовим сигналом 0...5 мА і на електричний лічильник (ЕІ), що фіксує кількість води, яка протікає через витратомір.

Ультразвукові витратоміри випускаються на витрати 0,1...10 м3/с і умовні діаметри труб 0,4; 0,6; 0,8 і 1,0 м. Допускається установка витратомірів на трубопроводах великих діаметрів через конічні патрубки за умови, що перед ними прямолінійна ділянка труби довжиною не менше п'яти діаметрів і після – довжиною не менше трьох діаметрів.

Лічильники води

Розглянуті витратоміри, крім акустичного, показують миттєву витрату. При автоматизації краплинного зрошення, дощувальних машин і інших об'єктів необхідно контролювати кількість води.

 

Рис. 12.14. Структурна схема рахункової приставки С-1М.

Якщо витратоміри мають токовий вихід 0...5 мА, то для вимірювання кількості води підключають до витратоміра рахункову приставку типу С-1М, яка є дискретним інтегратором. Вона складається з джерела живлення ДЖ, перетворювача постійного струму в частоту імпульсів АЧП, подільника імпульсів ПІ електромеханічного лічильника ЛІ (рис. 12.14). Основна похибка лічильника складає ±0,25%. Напруга живлення 220 В. Споживана потужність 25 ВА.