Датчики тока — ADClab

Датчики тока предназначены для преобразования протекающего через проводник переменного и/или постоянного тока в стандартизованное напряжение или ток, имеют, как правило, линейную зависимость выходного тока или напряжения от измеряемого тока, что позволяет использовать их для последующей регистрации вольтметром самопишущим. Способы измерения тока могут быть как контактные, так и бесконтактные. Различают несколько способов измерения протекающего тока в проводнике. Измеряемый ток может быть постоянным или переменным, в зависимости от этого выбирают метод измерений.

Самый распространённый  универсальный и не дорогой контактный метод- это измерение падения напряжения, возникающего при протекании тока через шунт, заранее известного сопротивления, рассчитанный на максимально возможный ток в цепи. Шунты имеют стандартизованное значение падения напряжения 75 мВ (встречаются западные аналоги со значением 60 мВ), приведённое к максимально допустимому току, обеспечивающему допустимый нагрев шунта, протекающим током, в заданных пределах погрешности, указанной на шунте.

С помощью шунта можно измерять как переменный, так и постоянный ток, схема измерения очень проста:

 

 

Однако необходимо учитывать, что данный контактный способ является не изолированным, т.е. измерительная цепь связана гальванически с проводником, таким образом, непосредственно снимать напряжение с шунта можно, если разности потенциалов в гальванически связанных цепях лежат в пределах допустимых значений для входного диапазона вольтметра самопишущего. С помощью шунтов без дополнительного оборудования возможно измерять токи аккумуляторов или вторичных цепей источников питания, имеющих гальваническую изоляцию от высокого напряжения. Если Вам необходимо использовать шунт для измерений, то необходимо позаботиться о гальванической изоляции измерительной цепи вольтметра самопишущего,

для этого служит усилитель изолирующий УСО-AISO , который обеспечит не только гальваническую изоляцию каждого канала от измерительного прибора, но и позволит усилить напряжение, снимаемое с шунта в 100 раз и привести его к удобному для регистрации вольтметром 7,5 В для максимального тока при единичном коэффициенте усиления, 25 % запаса обеспечит регистрацию выбросов и пульсаций при необходимости.

Измерение тока шунтом до сих пор остаётся максимально точным и надёжным способом, так как  вносит в измерительную цепь минимальное число элементов, влияющих на точность измерений, что обеспечивает широчайшую полосу пропускания и не требует источников питания для обеспечения измерений.

Другой распространённый бесконтактный метод — преобразование тока, протекающего в проводнике, с помощью датчика Холла, названного в честь первооткрывателя эффекта возникновения поперечного электрического поля в полупроводнике или проводнике, помещённом в магнитное поле, Эдвином Гербертом Холлом ещё в 79 году позапрошлого века. 

Данный способ получил широкое использование в наше время за счет существенного распространения и удешевления полупроводниковых компонентов, а так же  гальванической изоляции, присущей данному методу измерений. Датчики, построенные по этому принципу измерений Вы можете посмотреть здесь: Датчики Холла

Другие методы предназначены для измерения переменного тока. Так, один, не менее распространённый метод  контактного измерения переменного тока — трансформатор тока, через первичную обмотку которого протекает  измеряемый ток, а со вторичной обмотки снимается пропорциональное протекающему току напряжение. 

Не менее широко применяются токовые клещи, которые относятся к бесконтактному способу и могут иметь как встроенный датчик Холла, так и работать по индукционному принципу,  когда измеряется только переменный ток, а клещи являются по-сути вторичной обмоткой трансформатора на размыкающемся внешнем магнитопроводе, обхватывающем проводник с измеряемым током. Протекающий в проводнике ток наводит пропорциональное напряжение, которое можно измерить, повторяя вышеуказанный метод токового трансформатора.

Измерение эффективных значений напряжений и токов

Классические измерения значений напряжения (тока) основаны на понятиях «среднее» и «эффективное». Для усреднения значения функции напряжения V во времени берётся чистая площадь функции, рассчитанная за определённый интервал времени, и делится на этот временно́й интервал:

Причём если значение напряжения (тока) является постоянной или периодической величиной, то его среднее значение не зависит от интервала, в течение которого производится измерение. С другой стороны, если функция напряжения (тока) растёт без ограничения во времени, среднее значение зависит от интервала измерения и не обязательно будет постоянным, то есть никакого среднего значения в данном случае не существует. К счастью, на практике в мире электротехники значения напряжений и токов не растут безгранично и, следовательно, имеют определимые средние значения. Это является следствием того факта, что источниками реального напряжения (тока), как правило, являются либо батареи с постоянными или медленно (экспоненциально) затухающими значениями токов/напряжений, либо генераторы, имеющие на выходе сигналы в виде ограниченных синусоидальных функций времени, либо сочетания перечисленного. Синусоидальные функции с постоянной амплитудой имеют чистое нулевое среднее значение за интервалы времени, кратные их периоду. Более того, их средние значения могут быть рассчитаны за бесконечное число интервалов, не равных периоду синусоиды. Эти средние значения также будут равны нулю. Но хотя среднее значение ограниченной синусоидальной функции равно нулю, её так называемое эффективное значение нулю не равно.

В качестве примера приведём электрические водонагреватели, которые прекрасно работают, будучи запитанными от сети переменного тока с синусоидальным напряжением с нулевыми средними значениями.

Эффективное значение

Эффективное значение симметричных периодических функций напряжения (тока) от времени основано на понятии «нагревательная способность». Рассмотрим тестовую установку, показанную на рис. 1.

Сосуд на рисунке изолирован и заполнен некоторой стабильной жидкостью (например, трансформаторным маслом), способной достичь термодинамического равновесия. Если на внутренний нагреватель сосуда подать ток постоянного напряжения

V_x, температура жидкости станет подниматься. В какой-то момент будет достигнуто состояние, при котором электрическая энергия, подаваемая на нагреватель в этом сосуде, будет равна потере энергии (тепла), и жидкость сосуда приобретёт равновесную температуру T_x градусов.

Заменим в этом экспериментальном сценарии источник постоянного напряжения V_x на источник с периодически изменяющимся во времени напряжением. Тогда через некоторое время

T_final снова будет достигнуто тепловое равновесие. Если это условие равновесия устанавливает ту же температуру T_x, которая была достигнута ранее с приложенным напряжением постоянного тока V_x, то можно сказать, что эффективное значение этой изменяющейся во времени функции равно V_x.

Отсюда и определение эффективного значения, которое иллюстрирует формула (2):

Здесь R – сопротивление. Если V(t) – периодическая функция времени с периодом T_p

, а T_final – целое число, умноженное на период (n × T_p), то интеграл по T_final будет просто n-кратным интегралом по T_p. Результаты применения этих соображений приведены в формуле (3):

­Формула (3) показывает, что эффективная эквивалентная теплопроизводительность ограниченной периодической функции напряжения (тока) может быть определена за один период. Это уравнение и есть представление действующего, или среднеквадратического значения электрического тока (Root Mean Square). Отсюда и происходит общеизвестная аббревиатура RMS.

Примеры использования формулы RMS

Прямое применение формулы (3) для распространённых случаев даёт следующие результаты.

Примечание. Приведённые примеры иллюстрируют, что среднеквадратическое значение определяется формой периодической функции. Для вычисления среднеквадратического значения часто ошибочно используется значение пика (гребня) функции напряжения (тока) во времени, делённое на 2. Этот метод может привести к ошибкам, и его определённо следует избегать.

Эффективные значения сложных функций

Чрезвычайно полезным для определения среднеквадратических значений фактом является то, что любая ограниченная во времени периодическая функция может быть выражена в виде суммы некоего постоянного значения и набора синусоид, представляющих гармонический спектр сложного колебания (преобразование Фурье).

где t – текущее время; ω_n=2π/T × n; T – длительность периода периодической функции; A_n, B_n – амплитудные коэффициенты Фурье; A₀ – постоянная составляющая периодического сигнала.
Если этот ряд подставить в интегральное выражение формулы для RMS, получаем следующее:

где F

n – амплитуда n-й гармоники.

Практические соображения

На рис. 2 показаны результирующие кривые, образованные сложением двух синусоид: одной с частотой 60 Гц и второй с частотой 180 Гц. Кривая 1 соответствует нулевому сдвигу фаз между синусоидами, а кривая 2 – сдвигу фаз 90°.

Кривая 1: V(t)=170×sin(377×t)+50×sin(1131×t).
Кривая 2: V(t)=170×sin(377×t)+50×cos(1131×t).

Форма результирующей кривой определяется гармониками фазы и частоты.

В промышленных электросетях часто присутствуют гармоники, влияющие на форму волны и её пиковые значения.
Например, кривая 2 типична для токов намагничивания в трансформаторах и двигателях при частоте 60 Гц. В недорогих устройствах для измерения среднеквадратических значений часто используются выпрямители, которые фиксируют пиковое значение, просто умножаемое затем на 0,707 и отображаемое как среднеквадратическое значение. Очевидно, что в некоторых случаях этот метод может дать ошибочные показания RMS. В этом примере использование формулы V_p/√2 явно даёт неверные результаты:

для кривой 1 получаем: 203 × 0,707 = 144 В, что не является истинным среднеквадратическим значением;

для кривой 2 получаем: 155 × 0,707 = 110 В, что также не является истинным среднеквадратическим значением.

Правильным среднеквадратическим значением для обеих этих составных функций будет следующее:

Таблица 1 иллюстрирует два примера вычислений RMS с использованием индивидуальных коэффициентов Фурье и формулы (5). Первым примером является выпрямленная двухполупериодным выпрямителем синусоида с пиком 1 В. Обратите внимание, что для функции двухполупериодного выпрямления измерительному устройству, необходимому для получения показаний RMS с погрешностью 0,01%, требуется полоса пропускания, захватывающая пятую гармонику, и разрешение 10 мВ.

Другой пример, проиллюстрированный таблицей 1, представляет собой пилообразную функцию напряжения 1 В.

В этом примере измерительному устройству, необходимому для получения показаний RMS с погрешностью 0,3%, требуется полоса пропускания, захватывающая двадцать пятую гармонику, и разрешение 10 мВ.

В целях иллюстрации предположим, что пульсации переменного тока на выходе выпрямителя могут быть аппроксимированы пилообразной функцией.

В табл. 1 показано, что для измерения среднеквадратических пульсаций переменного тока с пиковыми значениями 10 мВ на выходе выпрямленной синусоиды частотой 20 кГц с погрешностью 0,3% измерительное устройство должно иметь полосу пропускания более 500 кГц и разрешение для фиксации уровней напряжения 40 дБ (100 мкВ). Этот пример ясно показывает, что на точность измерения истинного среднеквадратического значения чрезвычайно сильно влияют форма измеряемого сигнала, ширина полосы пропускания и разрешение.

Любое устройство измерения истинного среднеквадратического значения должно быть способно точно реализовать формулу (3). Тонкость этого утверждения состоит в том, что электронная реализация формулы (3) требует, чтобы устройство имело очень широкую полосу пропускания и было способно распознавать малые измеряемые величины.

Пик-коэффициент

Ещё одним показателем качества источника питания, часто используемым для описания периодической временно́й функции напряжения (тока), является пик-коэффициент, или пик-фактор (Crest Factor – CF). Это показатель, характеризующий способность источника питания питать нелинейную нагрузку, потребляющую импульсный ток. Пик-коэффициент для конкретной формы волны определяется как пиковое значение, делённое на среднеквадратическое значение:

Для ранее приведённых типовых случаев RMS можно вычислить и CF:

1. Чистая синусоида: CF=√2
2. Меандр: CF = 1.
3. Несимметричная периодическая импульсная волна со спадами D: CF=1/√D
4. Симметричная периодическая треугольная волна: CF=√3
5. Выпрямленная двухполупериодным выпрямителем синусоида: CF=√2
6. Выпрямленная однополупериодным выпрямителем синусоида: CF=2.

Для рис. 2 получаем:
кривая 1: CF = 1,62;
кривая 2: CF = 1,24.

Измерительные устройства Dataforth RMS

Итак, для качественных измерений среднеквадратических значений требуются измерительные приборы, которые точно реализуют уравнение среднеквадратического значения. Эти устройства должны иметь широкую полосу пропускания и хорошее разрешение для сигналов низкого уровня, что позволяет им поддерживать измерения при высоких значениях пик-коэффициентов. Компания Dataforth разработала два продукта, удовлетворяющих этим требованиям, – True RMS-модули ввода SCM5B33 (рис. 3) и DSCA33 (рис. 4). Оба этих продукта обеспечивают гальваническую изоляцию 1500 В между входом и выходом. SCM5B33 – это съёмный панельный модуль, а DSCA33 – устройство, предназначенное для монтажа на DIN-рейку. Каждый из них обеспечивает один канал входа переменного тока, значение которого преобразуется в истинное среднеквадратическое значение постоянного тока, фильтруется, гальванически развязывается, усиливается и преобразуется в выходной сигнал напряжения или тока.

Модуль SCM5B33

Модуль ввода SCM5B33 True RMS (рис. 5) обеспечивает один канал входа переменного тока, который преобразуется в стандартное выходное напряжение или ток процесса.

Модули SCM5B содержат полностью изолированную со стороны компьютера цепь, на которую может быть подано до ±50 В относительно общего провода (контакт 16). Эта полная изоляция означает, что для правильной работы выхода не требуется никакого соединения между общим входом/выходом и общим питанием. При желании выход модуля можно сделать включённым постоянно, просто подключив контакт разрешения чтения 22 к общему проводу ввода/вывода (контакт 19).

Входной сигнал напряжения или тока с полевой стороны обрабатывается предварительным усилителем и преобразователем среднеквадратических значений на полевой стороне изолирующего барьера. Преобразованный в постоянный ток сигнал затем гальванически развязывается запатентованной схемой и передаётся через трансформаторный изолирующий барьер, подавляющий передачу синфазных пиков и выбросов. Схема на стороне компьютера восстанавливает сигнал и преобразует его к стандартному выходному уровню. Модули питаются от +5 В постоянного тока ±5%.

Для моделей с токовым выходом требуется внешний источник питания с согласованным напряжением от 14 до 48 В постоянного тока. Подключение с последовательной нагрузкой осуществляется между контактом 20 (+) и контактом 19 (–).

Основные характеристики модуля

• Измерение напряжения RMS (0…300 В) или тока (0…5 А).
• Предназначен для стандартной работы с частотами от 45 до 1000 Гц (расширенный диапазон до 20 кГц).
• Совместим со стандартными трансформаторами тока и потенциальными трансформаторами.
• Отраслевые стандарты выхода: 0…1, 0…20, 4…20 мА, 0…5 или 0…10 В постоянного тока.
• Точность ±0,25%, калибруется на производстве.
• Гальваническая изоляция на основе трансформатора 1500 В (среднеквадратическое значение).
• Защита от перегрузки по входу до 480 В макс. (пиковый и постоянный ток) или 10 А RMS непрерывно.
• Сертификаты ANSI/IEEE C37.90.1-1989, CSA, FM.

Модуль DSCA33

Модуль ввода DSCA33 True RMS (рис. 6) по всем основным характеристикам идентичен SCM5B33. Отличие состоит в его конструктиве, оптимизированном для размещения на DIN-рейке.

Модули DSCA33 обладают превосходной стабильностью во времени и не требуют повторной калибровки, однако в ситуациях, когда необходима точная настройка, это можно сделать вручную. Регулировки выполняются с помощью потенциометров, расположенных под этикеткой на передней панели, и не являются интерактивными.

Заключение

Итак, мы увидели, что измерить и рассчитать действующее значение тока или напряжения в условиях нестабильных показателей сетей реального производства не так-то просто: для этого требуется привлечение довольно сложного математического аппарата либо использование готовых качественных измерительных модулей из разряда рассмотренных в этой статье. Второе, разумеется, будет более практичным и простым решением. Что же касается надёжности и качества этих модулей Dataforth, то можно отметить их широкий диапазон рабочих температур –40…+80°C, малую погрешность измерений (класс точности 0,2), как для синусоидальных, так и для несинусоидальных токов, а также соответствие требованиям директивы 2014/34/EU (ATEX) для взрывозащищённого оборудования. ●

Статья подготовлена по материалам компании Dataforth

E-mail: [email protected]

Ток измеряется с помощью прибора, который называется (an) ……………….(A) Амперметр(B) Вольтметр(C) Мостовой измерительный прибор(D) Гальванометр .

Ответить

Проверено

209.1k+ просмотров

Подсказка: Нам нужно определить каждое устройство по одному. Мы помним, что единицей силы тока в системе СИ является Ампер. Нам нужно использовать это, чтобы определить, какой из них измеряет ток. Это должно быть такое устройство, которое не должно вызывать значительного падения напряжения для точных измерений.

Полный ответ:
Определяем амперметр, вольтметр, измеритель-мост и гальванометр один за другим.
Амперметр (от амперметра) — это измерительный прибор, используемый для измерения силы тока в цепи. Электрические токи измеряются в амперах (А), отсюда и название. Амперметр обычно включают последовательно с цепью, в которой измеряется ток. Амперметр обычно имеет низкое сопротивление, чтобы не вызывать значительного падения напряжения в измеряемой цепи.
Вольтметр — это измеритель напряжения. Который измеряет напряжение между двумя узлами. Мы знаем, что единицей разности потенциалов является вольт. Таким образом, это измерительный прибор, который измеряет разность потенциалов между двумя точками.
Основной принцип вольтметра заключается в том, что он должен быть подключен параллельно тому, в котором мы хотим измерить напряжение. Параллельное соединение используется потому, что вольтметр сконструирован таким образом, что имеет очень высокое значение сопротивления. Поэтому, если это высокое сопротивление соединено последовательно, то ток будет почти нулевым, что означает, что цепь разомкнулась.
Измерительный мост, также называемый скользящим проволочным мостом, представляет собой инструмент, работающий по принципу моста Уитстона. Метровый мост используется для нахождения неизвестного сопротивления проводника, как и в мосте Уитстона. Мост Уитстона — это вид электрической цепи, используемой для измерения электрического сопротивления, которое неизвестно, путем уравновешивания двух ветвей мостовой схемы, где одна из ветвей включает неизвестный компонент.
Гальванометр представляет собой электромеханический прибор, используемый для обнаружения и индикации электрического тока. Гальванометр работает как привод, производя вращательное отклонение стрелки в ответ на электрический ток, протекающий через катушку в постоянном магнитном поле.
Устройство, используемое для измерения силы тока, — амперметр.
Следовательно, правильный ответ — Вариант А.

Примечание:
Существует два способа измерения электроэнергии; один измеряет ток, когда используется амперметр, а другой измеряет напряжение, когда используется вольтметр. Оба эти устройства используются в электрических цепях, но основное различие между вольтметром и амперметром заключается в том, что амперметр пригодится для измерения тока, тогда как вольтметр пригодится для измерения напряжения или ЭДС в двух точках электрической цепи.
Основное существенное различие между амперметром и гальванометром заключается в том, что амперметр показывает только величину тока. Принимая во внимание, что гальванометр показывает как направление, так и величину тока.

Недавно обновленные страницы

Большинство эубактериальных антибиотиков получено из биологии ризобий класса 12 NEET_UG

Саламиновые биоинсектициды были извлечены из биологии класса 12 А0003

Канализационные или городские канализационные трубы не должны быть непосредственно очищены от микробов класса 12 по биологии NEET_UG

Очистка сточных вод осуществляется микробами A. B Удобрения класса 12 по биологии NEET_UG

Иммобилизация ферментов – это преобразование активного фермента класса 12 по биологии NEET_UG

Большинство антибиотиков относятся к эубактериям. получен из биологии ризобий класса 12 NEET_UG

Саламиновые биоинсектициды были извлечены из биологии класса А 12 NEET_UG

Какое из следующих утверждений относительно бакуловирусов класса 12 биологии NEET_UG

Sewage or municipal sewer pipes should not be directly class 12 biology NEET_UG

Sewage purification is performed by A Microbes B Fertilisers class 12 biology NEET_UG

Enzyme immobilisation is Aconversion of an active enzyme class 12 biology NEET_UG

Тенденции сомнений

Как измеряется речной сток | Геологическая служба США

 • Школа водных наук ДОМАШНЯЯ СТРАНИЦА  •  Темы поверхностных вод  • 

Введение в гидрометрию Геологической службы США

Геологическая служба США (USGS) начала свою первую гидрометрию в 1889 году на реке Рио-Гранде в Нью-Мексико, чтобы помочь определить, достаточно ли воды для ирригационных целей, чтобы стимулировать новое развитие и западную экспансию. Геологическая служба США управляет более чем 8200 водомерами с непрерывной записью, которые предоставляют информацию о речных потоках для самых разных целей, включая прогнозирование наводнений, управление и распределение воды, инженерное проектирование, исследования, эксплуатацию шлюзов и плотин, а также безопасность и развлечения для отдыха.

 

 

Как измеряется речной сток

Когда вы развлекаетесь, сидя на тихом берегу местной реки, вы можете задать себе один вопрос: «Сколько воды течет в этой реке?» Вы пришли в нужное место для ответа. Геологическая служба США измеряет речной сток на тысячах рек и ручьев в течение многих десятилетий, и, читая этот набор веб-страниц, вы можете узнать, как работает весь процесс измерения речного стока.

Часто во время сильного ливня вы можете услышать объявление по радио, например: «Ожидается, что гребень ручья Пичтри сегодня достигнет высоты 14,5 футов». 14,5 футов, о которых говорит диктор, — это сцена потока. Стадия ручья важна тем, что ее можно использовать (после сложного процесса, описанного ниже) для расчета речного стока или того, сколько воды течет в ручье в любой момент времени.

Уровень течения (также называемый уровнем уровня или уровнем воды) — это высота поверхности воды в футах над установленной высотой, при которой уровень равен нулю. Нулевой уровень произвольный, но часто близок к руслу. Вы можете получить представление о том, что такое стадия потока, взглянув на изображение обычного измерительного прибора , который используется для визуального считывания стадии потока. Калибр отмечен с интервалом 1/100 и 1/10 фута.

Streamgaging обычно включает 3 этапа:

1. Измерение уровня русла — получение непрерывной записи уровня воды — высоты поверхности воды в месте вдоль ручья или реки
2. Измерение расхода — получение периодических измерений расхода (количество вода, проходящая место вдоль ручья)
3. Отношение уровень-расход — определяющее естественное, но часто меняющееся соотношение между уровнем и расходом; использование отношения уровень-расход для преобразования непрерывно измеряемого уровня в оценки речного стока или расхода

 

Измерение ступени водотока

Большинство гидрометров Геологической службы США (USGS) измеряют ступень и состоят из конструкции, в которой размещены инструменты, используемые для измерения, хранения и передачи информации об ступени водотока. Стадию, иногда называемую измерительной высотой, можно измерить различными методами. Одним из распространенных подходов является использование успокоительного колодца на берегу реки или прикрепленного к опоре моста. Вода из реки входит и выходит из успокоительного колодца по подводным трубам, благодаря чему поверхность воды в успокоительном колодце находится на той же высоте, что и поверхность воды в реке. Затем уровень измеряется внутри успокоительного колодца с помощью поплавка или датчика давления, оптического или акустического датчика. Измеренное значение ступени сохраняется в электронном регистраторе данных через регулярные промежутки времени, обычно каждые 15 минут.

На некоторых водомерных участках установка успокоительного колодца нецелесообразна или нерентабельна. В качестве альтернативы стадия может быть определена путем измерения давления, необходимого для поддержания небольшого потока газа через трубку и барботажа в фиксированном месте под водой в потоке. Измеряемое давление напрямую связано с высотой воды над выходным отверстием трубы в потоке. По мере увеличения глубины воды над выходным отверстием трубки требуется большее давление, чтобы протолкнуть пузырьки газа через трубку.

Водомеры, эксплуатируемые Геологической службой США, обеспечивают измерения уровня с точностью до ближайших 0,01 фута или 0,2 процента уровня, в зависимости от того, что больше. Уровень на водомере должен измеряться относительно постоянной контрольной отметки, известной как исходная точка. Иногда водосборные сооружения повреждаются наводнениями или со временем могут оседать. Чтобы поддерживать точность и гарантировать, что уровень измеряется выше постоянной контрольной отметки, отметки сооружений водосборных сооружений и связанные с ними измерения уровня регулярно измеряются относительно постоянных реперных отметок вблизи водосборного щита.

Хотя для некоторых целей уровень является ценной информацией, большинство пользователей данных водомеров интересуются речным стоком или расходом — количеством воды, протекающей в ручье или реке, обычно выражаемой в кубических футах в секунду или галлонах в день. Однако нецелесообразно непрерывно измерять расход с помощью расходомера. К счастью, существует тесная связь между уровнем реки и стоком, и в результате непрерывная запись речного стока может быть определена на основе непрерывной записи уровня. Для определения стока с яруса необходимо определить взаимосвязь между ярусом и расходом путем измерения стока в широком диапазоне стадий реки.

 

Измерение расхода

Расход – это объем воды, стекающей по течению или реке в единицу времени, обычно выражаемый в кубических футах в секунду или галлонах в день. Как правило, речной сток рассчитывается путем умножения площади воды в поперечном сечении русла на среднюю скорость воды в этом поперечном сечении:

расход = площадь x скорость

Геологическая служба США использует множество методов и типов. оборудования для измерения скорости и площади поперечного сечения, включая следующий измеритель течения и акустический доплеровский профилировщик течения.

Источники/использование: общественное достояние.

Схема поперечного сечения канала с подразделами. Наиболее распространенный метод, используемый Геологической службой США для измерения скорости, — это измеритель скорости течения. Тем не менее, различное передовое оборудование также может использоваться для определения уровня и измерения речного потока. В самом простом методе вертушка вращается по течению реки или ручья. Текучемер используется для измерения скорости воды в заданных точках (подразделах) вдоль размеченной линии, подвесной канатной дороги или моста через реку или ручей. Глубина воды также измеряется в каждой точке. Эти измерения скорости и глубины используются для расчета общего объема воды, протекающей мимо линии в течение определенного интервала времени. Обычно реку или ручей измеряют в 25–30 точках, регулярно расположенных поперек реки или ручья.

 

Измеритель тока

Одним из методов, который десятилетиями использовался Геологической службой США для измерения расхода, является метод механического амперметра. В этом методе поперечное сечение русла потока делится на множество вертикальных участков. В каждом подразделе площадь получается путем измерения ширины и глубины участка, а скорость воды определяется с помощью вертушки. Расход в каждом подразделе рассчитывается путем умножения площади подраздела на измеренную скорость. Общий расход затем рассчитывается путем суммирования расхода каждого подраздела.

Персонал Геологической службы США использует множество типов оборудования и методов для проведения измерений течений из-за широкого диапазона условий течения на всей территории Соединенных Штатов. Ширина участка обычно измеряется с помощью троса, стальной ленты или аналогичного оборудования. Глубина участка измеряется с помощью болотной удочки, если позволяют условия, или путем подвешивания зондирующего груза на калиброванном тросе и системе катушек с моста, канатной дороги или лодки или через отверстие, просверленное во льду.

Источники/использование: общественное достояние.

Разработан в начале 1900-х годов и много раз модифицировался до 1930 года. Приобретен у компании W. & L. E. Gurley Company, Трой, Нью-Йорк. измеряется с помощью амперметра. Наиболее распространенным измерителем течений, используемым Геологической службой США, является измеритель течений Price AA. Текучемер Price AA имеет колесо из шести металлических чашек, вращающихся вокруг вертикальной оси. Электронный сигнал передается счетчиком при каждом обороте, что позволяет подсчитывать обороты и измерять время. Поскольку скорость вращения чашек напрямую связана со скоростью воды, для определения скорости воды используются рассчитанные по времени обороты. Измеритель Price AA предназначен для крепления к болотной удочке для измерения на мелководье или для установки непосредственно над грузом, подвешенным на системе троса и катушки, для измерения в быстрой или глубокой воде. На мелководье можно использовать измеритель течений Pygmy Price. Это версия измерителя Price AA в масштабе две пятых, предназначенная для крепления к болотной удочке. Третий механический вертушка, также являющийся разновидностью вертушки Price AA, используется для измерения скорости воды подо льдом. Его размеры позволяют легко пролезть в небольшое отверстие во льду, а полимерное рабочее колесо препятствует налипанию льда и слякоти.

Акустический доплеровский измеритель тока

Источники/использование: общественное достояние.

Специалисты-гидрологи Геологической службы США используют акустический доплеровский профилировщик течений для измерения стока реки Бойсе в Мемориальном парке ветеранов Бойсе в рамках исследования баланса массы фосфора.

В последние годы достижения в области технологий позволили Геологической службе США проводить измерения расхода с помощью акустического доплеровского профилометра тока (ADCP). ADCP использует принципы эффекта Доплера для измерения скорости воды. Эффект Доплера — это явление, которое мы испытываем, когда проезжаем мимо автомобиля или поезда, который гудит в свой гудок. По мере того, как проезжает машина или поезд, кажется, что звук гудка падает по частоте.

ADCP использует эффект Доплера для определения скорости воды, посылая звуковой импульс в воду и измеряя изменение частоты этого звукового импульса, отраженного обратно в ADCP отложениями или другими твердыми частицами, переносимыми в воде. Изменение частоты, или доплеровский сдвиг, измеряемое ADCP, преобразуется в скорость воды. Звук передается в воду от преобразователя на дно реки и принимает обратные сигналы по всей глубине. ADCP также использует акустику для измерения глубины воды, измеряя время прохождения звукового импульса до дна реки позади ADCP.

Для измерения расхода ADCP монтируется на лодку или малое плавсредство (схема выше) так, чтобы его акустические лучи были направлены в воду с поверхности воды. Затем ADCP направляется по поверхности реки для получения измерений скорости и глубины поперек русла. Возможность отслеживания дна реки с помощью акустических лучей ADCP или глобальной системы позиционирования (GPS) используется для отслеживания продвижения ADCP по каналу и обеспечения измерений ширины канала. Используя измерения глубины и ширины для расчета площади и измерения скорости, расход рассчитывается с помощью ADCP, используя расход = площадь х скорость, аналогично обычному методу флюгера. Акустические измерители скорости также были разработаны для измерения переходов вброд (рисунок слева).

ADCP доказал свою эффективность в нескольких отношениях. Использование ADCP сократило время, необходимое для измерения расхода. ADCP позволяет проводить измерения расхода в некоторых условиях затопления, что ранее было невозможно. Наконец, ADCP обеспечивает подробный профиль скорости и направления воды для большей части поперечного сечения, а не только в точках с помощью механического измерителя течения; это повышает точность измерения расхода.

 

Зависимость уровень-расход

Водомеры постоянно измеряют уровень, как указано в разделе «Измерение уровня». Эта непрерывная запись уровня преобразуется в речной сток путем применения отношения уровень-расход (также называемого рейтингом). Зависимости уровень-расход вырабатываются для гидрометрических постов путем физического измерения расхода реки с помощью механического вертела или ADCP в широком диапазоне уровней, для каждого измерения расхода имеется соответствующее измерение уровня. гидрометры каждые 6-8 недель, обеспечивая регулярное измерение диапазона уровня и расхода на водомере. Особые усилия прилагаются для измерения чрезвычайно высоких и низких уровней и расхода, поскольку эти измерения проводятся реже. Соотношение уровень-расход зависит от форма, размер, уклон и шероховатость русла у водозабора и различна для каждого водозабора. 0003

Источники/использование: общественное достояние.

Пример соотношения уровня и расхода USGS. Непрерывная запись уровня преобразуется в речной поток с применением математической оценочной кривой. Рейтинговая кривая (рис. 3) представляет собой графическое представление зависимости между уровнем и расходом воды для данной реки или ручья. Компьютеры Геологической службы США используют эти рейтинговые кривые для конкретных участков для преобразования данных об уровне воды в информацию о стоке реки.

Разработка точной зависимости уровень-расход требует многочисленных измерений расхода во всех диапазонах уровня и речного расхода. Кроме того, эти отношения должны постоянно проверяться по текущим измерениям расхода, поскольку русла водотоков постоянно меняются. Изменения в руслах рек часто вызываются эрозией или отложением русловых материалов, сезонным ростом растительности, мусором или льдом. Новые измерения расхода, нанесенные на существующий график зависимости между уровнем и расходом, покажут это, и рейтинг можно будет скорректировать, чтобы обеспечить правильную оценку расхода для измеренного уровня.

Преобразование информации об уровне русла в информацию о стоке

Большинство водомеров Геологической службы США передают данные об уровне русла через спутник на компьютеры Геологической службы США, где данные об уровне используются для оценки стока с использованием разработанного отношения уровень-расход (рейтинг). Информация о стадии регулярно просматривается и проверяется, чтобы гарантировать точность расчетного расхода. Кроме того, в Геологической службе США действуют процессы контроля качества, чтобы гарантировать, что информация о речных стоках, сообщаемая по всей стране, имеет сопоставимое качество, а также получена и проанализирована с использованием согласованных методов.

Большая часть информации об уровне воды и речных потоках, производимая Геологической службой США, доступна в режиме онлайн почти в реальном времени через Национальную информационную систему по водным ресурсам (NWIS) Web . В дополнение к данным о водомерах в режиме реального времени веб-сайт NWIS также предоставляет доступ к ежедневным расходам и годовым максимальным расходам за отчетный период для всех действующих и снятых с учета водомеров, эксплуатируемых Геологической службой США.