Поплавковые измерители уровня моря.

Поплавковые измерители колебаний уровня моря довольно просты по своему устройству и надежны в эксплуатации. Чувствительным элементом в данных приборах является поплавок. Их инструментальные ошибки составляют 1-3 см. Работа прибора основана на принципе механической передачи изменений положения поплавка относительно нуля отсчета, вызываемых колебаниями уровня, на регистрирующее устройство, т.е. изменения уровня моря передаются поплавку, соединенному с противовесом с помощью троса или цепи, перекинутых через поплавочное колесо.

Условие равновесия всей этой системы в статическом режиме будет (по Г. Н. Мору): F₂=F₁-F₃, где F₁- сила тяжести поплавка; F₂- сила. тяжести груза противовеса; F₃- подъемная сила поплавка при его погружении: на глубину Н.

Подъемная сила поплавка постоянного сечения при чистой открытой поверхности: F₃=αSH, где α- удельный вес поверхностного слоя воды; S- площадь сечения поплавка. Учитывая, что S=πd²/4, получим: F₃=αHπd²/4, где d- диаметр рабочей части поплавка. При колебаниях уровня моря поплавок следит за ними только при наличии равновесия системы. Так, при падении уровня: F₂<(F₁-F₃)+ΔF₃, а при повышении: F₂>(F₁-F₃)-ΔF₃, где ΔF₃- приращение подъёмной силы поплавка. Здесь важным фактором является соблюдение неравенств при крайних значениях диапазона измерений: ΔF₃=αΔHπd²/4, где ΔH=ΔH’+ΔH”‑ суммарное приращение глубины погружения поплавка; ΔH’ и ΔH”‑ приращение глубин погружения поплавка при падении и повышении уровня соответственно. Другими словами, движение поплавка начнется при высоте уровня выше или ниже начального на ΔH.

Сила тяжести поплавка в пределах F₂=(F₁-F₃)±ΔF₃ меняется из-за приращения его глубины погружения, что автоматически регулируется подъемной силой поплавка. Очевидно, что изменение глубины погружения поплавка является источником погрешности в измерении колебаний уровня. Приращение глубины погружения поплавка не является постоянной величиной, а зависит от многих факторов. Для уменьшения ΔH необходимо уменьшить ΔF₃ или увеличить d, что наиболее эффективно. В общем виде: ΔH=f(F₁^’, F₂^’,ΔF₂,F_тр,Δl), где F₁^’, F₂^’- сила тяжести левой и правой части троса соответственно; ΔF₂- подъемная сила части троса и груза противовеса в воде; F_тр- сила трения в узлах системы; Δl- линейное термическое расширение части троса с подвешенным поплавком.

Опыт эксплуатации и результаты расчетов поплавковых измерителей позволяют сделать вывод, что оптимальная высота рабочей части поплавка h должна быть более или равна ΔH_max, а точность измерений в основном зависит от внешнего диаметра поплавка, т.е. от приращения его подъемной силы F₃, а также от амплитуды колебаний уровня и может быть доведена до ±1 см. Сила тяжести груза противовеса должна быть равна максимальному приращению подъемной силы поплавка, т.е. F₂= ΔF_3max при соблюдении условия равновесия и неравенств системы. Поплавковому измерителю свойственна асимметрическая погрешность, которая зависит от подбора (расчета) элементов прибора.

Основным назначением поплавковых самописцев уровня моря является измерение и запись колебаний уровня. Из выпускаемых нашей промышленностью поплавковых мареографов (СУМ, «Валдай*, ГР-38) наиболее надежным для морских условий является

СУМ, разработанный в ГГИ в 1948 г. по модели мареографа, созданного в 1900 г. механиком ГГО К. К. Рорданцем. Изготовляются три модели СУМ, отличающиеся диапазоном измерений (табл. 5.2).

Прибор состоит из поплавковой системы, передающего механизма и регистратора (два последних блока монтируются на массивной чугунной плите). Поплавковая система (рис. 5.6) состоит из пустого цилиндрического поплавка (8) с грузом (9), соединенных с противовесом (1) латунной цепью (7), которая переброшена через поплавковое колесо. Передающий механизм состоит из поплавкового колеса с 60 зубцами (шаг 1 см), системы шестеренок, диска с индексом (6), зубчатой рейки (г5) с колонкой (4) с сантиметровыми делениями. Регистратор СУМ состоит из часового механизма, надетого на его корпус барабана (2) и рычага (3) с пером, который укреплен на зубчатой рейке.

Вертикальные перемещения поплавка с помощью цепи передаются поплавковому колесу и через систему шестеренок перемещают зубчатую рейку вместе с пером. Перо вычерчивает кривую колебаний уровня на диаграммной ленте, закрепленной на вращающемся: барабане. Отсчет значений уровня по СУМ можно произвести по положению индекса на диске, по положению пластинки на колонке и по положению конца пера на ленте.

В береговой и геодезической службе США используется также переносной поплавковый мареограф, отличающийся небольшими размерами и более простой методикой установки, но, правда, имеющий меньшую точность измерений. Прибор в кожухе с поплавком диаметром 8 см устанавливается на верхнем конце трубы диаметром 10 см. Труба в своей нижней части оборудована соединительной муфтой с коническим окончанием с резьбовым отверстием, в которое вставляется втулка с отверстиями диаметром 1,25; 1,6 и 1,9 мм, предназначенными для гашения короткопериодных волновых колебаний. Труба с прибором с помощью соединительной муфты крепится на забитой в грунт трубе такого же диаметра и также имеющей отверстия для поступления воды. Поступающая информация о колебаниях уровня моря регистрируется на восковой бумаге. Прибор снабжен часовым механизмом с восьмисуточным заводом. Предусмотрена возможность подбора шестеренок для изменения масштаба записи на ленте.

Как правило, поплавковые мареографы устанавливаются над специальным колодцем, связанным с морем и защищающим поплавок от воздействия короткопериодных волн и. обмерзания. В зависимости от местных условий используются различные способы установки поплавковых мареографов в колодцах: на берегу в будке над колодцем, соединенным с морем подводящей трубой (рис. 5.7); непосредственно в море (у обрывистого берега, откоса, набережной); на некотором удалении от берега на специальном сооружении. При применении двух последних способов колодец сооружают обычно из бетонных колец на некотором удалении от берега, под ним возводят будку, которая соединяется с берегом мостиком. Для проникновения воды в колодец в его стенках на высоте 30—40 см вод дном высверливается несколько отверстий.

Диаметр колодца определяется размерами поплавковой системы. Диаметры подводящих труб и размеры отверстий в стенках колодца, от которых зависит степень фильтрации высокочастотной составляющей, необходимо подбирать с учетом требований к наблюдениям за уровнем и характером колебаний в месте наблюдений. Чаще всего используется труба диаметром 15—20 см, но, например, но Гогланде диаметр трубы составляет 4 см, а в Кронштадте — 50 см. Поэтому при необходимости диаметр отверстия регулируется специальной задвижкой. Длина трубы обычно от нескольких метров до 50 м.

При измерениях уровня поплавковыми мареографами возникают ошибки, вызванные погрешностями самого прибора и искажением волновых колебаний схемой установки прибора. По данным А. М. Димаксяна, максимальное значение погрешности мареографа (с учетом влияния температуры среды, но без учета погрешностей записи, люфта механизма и плотности воды) с диапазоном измерений уровня 12 м колеблется от -3,6 до 2,4 см.

Основным условием различных систем установки мареографов является быстрая передача поплавку колебаний уровня с одновременным исключением короткопериодных колебаний. С учетом этого рассчитан и масштаб времени на ленте самописца: 1 мм — 5 мин. Следовательно, колебания с периодом менее 5 мин будут на ленте сливаться. Для отфильтровывания таких колебаний размеры входных отверстий в колодце или диаметр подводящей трубы подбираются таким образом, чтобы они соответствовали наибольшему периоду исключаемых волн.

По данным А. Л. Бсндаренко, в колодце мареографа происходит завышение уровня во время волнения. Степень этого завышения зависит от высоты и периода воли, диаметров колодца и входных отверстий, а также от длины и диаметра подводящей трубы. При высоте ветровых волн 2—3 м средний уровень в колодце будет отличаться от действительного на 5—7 см. Кроме того, в колодце с подводящей трубой возникают резонансные колебания, что также искажает результаты измерений. Результаты исследований А. Р, Халливела и И.. Г. Перри показали, что уровень в колодце может существенно отличаться от действительного при наличии больших скоростей течения и изменений солености в месте измерений во время прилива.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод, что для повышения точности измерений автоматическая запись колебаний уровня на ленте самописца должна сопровождаться выполнением контрольных измерений по рейке, хотя по своей сущности она является более грубым прибором, имеющим свои ошибки.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: