1 РАЗРАБОТАН Государственным гидрологическим институтом (ГГИ) Росгидромета

2 РАЗРАБОТЧИКИ Д.А. Коновалов, канд. физ.-мат. наук (руководитель темы); Н.И. Зайцев, канд. техн. наук; Ю.Б. Вахрамеев, М.Е. Вычегжанина

3 ОДОБРЕН Центральной комиссией Росгидромета по приборам и методам получения и обработки информации о состоянии природной среды (ЦКПМ). Протокол N 2 от 15 мая 1997 года

4 УТВЕРЖДЕН Руководителем Росгидромета 24.12.97

5 ЗАРЕГИСТРИРОВАН ЦКБ ГМП за N РД 52.08.12-97 от 18.02.98

6 ВЗАМЕН РД 52.08.12-84

Настоящие методические указания распространяются на вертушки гидрометрические речные типа ГР-21М ТУ 25-0888.008-84, ГР-55 ТУ 25-04.1628-77, ГР-99 ТУ 25-0888.009-84 (далее - вертушки) и устанавливают методы и средства их первичной и периодической поверок (далее - поверки) в прямолинейном градуировочном бассейне.

Методические указания являются обязательными для всех организаций Росгидромета.

В настоящих методических указаниях использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 8.009-84 ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений;

ГОСТ 2874-82 Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством;

ГОСТ 12069-90 Меры длины штриховые брусковые. Технические условия.

При проведении поверки вертушек должны быть выполнены операции, указанные в табл. 1. Выполняемые операции при первичной и периодической поверках полностью совпадают.

При проведении операции в процессе поверки вертушек должны быть применены следующие средства измерений и регистрации:

а) прямолинейный градуировочный бассейн (ПГБ), аттестованный по методике [1] (приложение И):

б) многоканальный блок регистрации сигналов (далее - блок регистрации) от датчиков скорости вращения лопастных винтов вертушек и датчика пути (число каналов зависит от числа одновременно поверяемых вертушек в ПГБ), прошедший аттестацию в установленном порядке;

в) прибор быстродействующий самопишущий (далее - самописец):

г) штриховая мера длины класса точности 5 по ГОСТ 12069;

д) частотомер-хронометр:

е) термометр:

ж) средство измерения влажности воздуха:

и) источник питания постоянного напряжения:

5.1 При поверке вертушек должны быть соблюдены правила по технике безопасности, предусмотренные инструкцией по эксплуатации ПГБ.

5.2 К проведению измерений при поверке и (или) обработке результатов допускаются лица, которым предоставлено право поверки гидрологических приборов и которые ознакомлены с нормативной документацией на средства и объект поверки.

6.1 При проведении поверки должны соблюдаться условия, указанные в табл. 2.

6.2 Перед проведением поверки вертушки и используемые средства поверки должны быть подготовлены согласно инструкциям по их эксплуатации.

При проведении внешнего осмотра вертушек должно быть установлено:

а) соответствие вертушек нормативной документации на них;

б) отсутствие дефектов, механических повреждений и следов коррозии на деталях вертушки, которые могут повлиять на метрологические характеристики.

Вертушки типа ГР-21М и ГР-55 соединяют линией связи с самописцем по схеме, приведенной в приложении А, и проверяют работу контактного устройства вертушек, вращая лопастной винт и получив не менее пяти четких сигналов на диаграммной ленте.

Вертушки типа ГР-99 соединяют линией связи с электромеханическими счетчиками согласно схеме (см. приложение А) и проверяют работу контактного устройства вертушки совместно с регистрирующей аппаратурой путем вращения лопастного винта до получения на электромеханическом счетчике не менее 20 сигналов, визуально контролируя движение стрелки счетчика.

7.3.1 Вертушки устанавливают в ПГБ на штангах градуировочной тележки в соответствии с требованиями инструкции по эксплуатации ПГБ.

7.3.2 Определение индивидуальной функции преобразования вертушки (ИФП) производят при следующих заданных значениях скорости перемещения градуировочной тележки ПГБ (далее - тележка): 0,06; 0,07; 0,08; 0,10; 0,15; 0,20; 0,30; 0,50 м/с и далее через 0,5 м/с до 2,5 м/с (или до верхнего предела диапазона измерения скорости в ПГБ, но не менее 2,5 м/с), причем первая (начальная) измерительная точка для вертушек ГР-21М соответствует 0,06 м/с, ГР-99 - 0,07 м/с, ГР-55 - 0,08 м/с.

7.3.3 Допускаемые отклонения задания скорости движения тележки должны быть не более +/- 10%.

7.3.4 При переходе с одной заданной скорости движения тележки к другой должно быть выдержано время, в течение которого вода в бассейне успокаивается, в соответствии с инструкцией по эксплуатации ПГБ.

7.3.5 На каждой заданной скорости движения тележки производят измерение частоты оборотов лопастного винта вертушки и действительной скорости движения тележки . Результаты заносят в таблицу по форме приложения Б. Результаты вычислений округляют следующим образом:

- до четырех значащих цифр, если первая значащая цифра меньше 5;

- до трех - если первая значащая цифра равна или больше 5.

7.3.6 Измерения производят на блоке регистрации сигналов от датчиков вращения лопастных винтов вертушек и датчика пути тележки.

Структурная схема блока регистрации, принцип измерения и порядок первичной обработки информации приведены в приложении В.

7.3.7 Допустимо производить измерения на самописце.

Схема подключения датчиков вращения лопастных винтов вертушек и датчика пути тележки к входам измерительных каналов самописца, а также первичная обработка измерительной графической информации приведены в приложении А.

7.3.8 ИФП определяют по результатам одного измерения в каждой заданной точке диапазона скоростей.

7.3.9 По результатам измерений определяют ИФП вертушки:

где V - скорость водного потока, измеренная вертушкой, м/с;

a и b - коэффициенты ИФП;

n - частота оборотов лопастного винта вертушки, об/с.

7.3.10 ИФП вертушки определяют в диапазоне скоростей в соответствии с условиями 7.3.2. Допустимо использовать кусочно-линейную аппроксимацию.

7.3.11 ИФП рассчитывают методом наименьших квадратов по методике, приведенной в приложении Г.

7.4.1 Относительную основную погрешность вертушки , %, в заданной точке диапазона измерения скорости в соответствии с требованиями ГОСТ 8.009 определяют по формуле

где - скорость потока по ИФП вертушки, м/с;

- скорость тележки, м/с;

i - номер заданной точки скорости движения тележки в диапазоне измерения.

7.4.2 Вертушку считают прошедшей поверку с положительным результатом, если по всему скоростному диапазону удовлетворяют условию

где - пределы допустимой относительной основной погрешности, %.

Значение определяют по следующим формулам:

- для лопастного винта диаметром 120 мм

- для лопастного винта диаметром 70 мм

где V - скорость потока, м/с.

7.5.1 Результаты поверки оформляют в виде протокола согласно приложению Д. К протоколу прилагают результаты измерений, оформленные согласно приложению Б.

7.5.2 При выполнении условия пункта 7.4.2 на вертушку выдают свидетельство о поверке сроком на 2 года (приложение Е).

7.5.3 При отрицательных результатах поверки на вертушку выдают извещение о ее непригодности к применению (приложение Ж).

А.1.1 В процессе получения исходной измерительной информации для определения ИФП вертушек на самописце, например Н 338-6П ТУ 25-04-2368-75, имеющем шесть измерительных каналов (что позволяет вести наблюдения одновременно по четырем вертушкам), регистрируются следующие параметры:

- число сигналов , выработанное вертушкой на рабочем (измерительном) участке ПГБ, за интервал времени ;

- путь , равный длине рабочего участка и пройденный тележкой за время .

По этим параметрам определяют скорость движения тележки на рабочем участке и частоту оборотов лопастного винта каждой вертушки.

А.1.2 Выходы датчиков вращения лопастных винтов вертушек и датчика пути тележки подключают ко входам 1 - 5 самописца через источник питания (ИП) постоянного напряжения при помощи резисторов R1 - R5 по схеме, изображенной на рисунке А.1. В схеме на вход самописца 5 предусмотрено подключение датчиков пути разных типов:

- магнитоконтактного (например, на герконе);

- неконтактного (например, оптического), вырабатывающего на выходе усилителя самописца сигнал в виде электрических импульсов.

В последнем случае выход 5 резистора R5 отключается от схемы соединения.

Для регистрации текущего времени используется вход 6 самописца, на который поступают электрические импульсы частотой 10 Гц, снимаемые с выхода генератора калиброванных частот, например, частотомера-хронометра Ф 599 ТУ 25-04-1176-70.

А.1.3 Измерительную информацию регистрируют на трех скоростях движения диаграммной ленты в зависимости от скорости движения тележки:

Запись включается при следующем положении тележки в зависимости от скорости ее движения:

- за 1 м от начала рабочего участка при скорости от 0,06 до 1,00 м/с;

- за 2 м - при скорости более 1,0 м/с.

А.1.4 Перед началом записи на диаграммной ленте напротив записи по каждому каналу записывают следующие сведения:

- номер эталонной вертушки,

- номер лопасти,

- дату и номер измерения (наблюдения),

- фамилию исполнителя.

А.2.1 Обработку графической измерительной информации, полученной на самописце, осуществляют следующим образом: делают отметки на отрезке записи сигналов между началом первого и последнего сигналов вертушки. Для вертушек ГР-21М и ГР-55 последним считают четвертый сигнал, для вертушек ГР-99 - шестидесятый сигнал.

А.2.2 При помощи линейки-шаблона, входящей в комплект самописца, отметки этого участка (от первого до последнего сигнала ) параллельно переносят на запись сигналов текущего времени от отметчика времени. На этой записи вычисляют интервал времени , с, равный сумме периодов (N - 1) следования зарегистрированных сигналов вертушки, в следующем порядке:

- по записи отметчика времени определяют среднюю скорость движения диаграммной ленты , мм/с, на участке . Для этого делают отметки между первым и последним сигналами отметчика времени, разместившимися на этом участке , и замеряют расстояние между отметками , мм, до десятых долей. Подсчитывают число импульсов отметки времени ;

- при частоте следования импульсов отметчика времени, равной 10 Гц, среднюю скорость движения диаграммной ленты , мм/с, вычисляют по формуле

- интервал времени , с, вычисляют по формуле

А.2.3 При помощи линейки-шаблона переносят отметки участка на запись от датчика пути. В пределах участка этой записи , приближенно равного , определяют среднюю скорость движения тележки , выполняя действия в следующем порядке:

- на записи датчика пути в пределах участка отмечают участок , равный расстоянию от начала первого сигнала датчика до начала его последнего сигнала ;

- измеряют длину участка , мм, до десятых долей;

- подсчитывают целое число промежутков (периодов) между соседними сигналами (N_д - 1);

- вычисляют интервал времени , с, равный сумме периодов сигналов датчика пути (N_д - 1) по формуле

- определяют среднюю скорость движения тележки , м/с, на рабочем пути по формуле

где l - расстояние (шаг) между соседними сигналами отметчика пути, м.

А.2.4 Среднюю частоту оборотов лопастных винтов , об/с, каждой вертушки определяют по формуле

где K - число оборотов лопастного винта на один сигнал вертушки.

Для ГР-21М и ГР-55 K = 20, для вертушек ГР-99 K = 1.

А.2.5 Все линейные измерения на диаграммной ленте делают при помощи штриховой меры длины класса точности 5 ГОСТ 12069-90.

В.1 В процессе получения исходной измерительной информации для определения ИФП вертушек на блоке регистрации, состоящем, например, из десяти измерительных каналов (рисунок В.1), одновременно регистрируют следующие параметры:

- число сигналов , выработанное вертушкой на рабочем (измерительном) участке ПГБ, за время ;

- путь , пройденный тележкой за время регистрации сигналов от вертушек.

По этим параметрам определяют скорость движения тележки на рабочем участке и частоту оборотов лопастного винта каждой вертушки.

В.2 Согласно структурной схеме блока регистрации (см. рисунок В.1) в формирователе 1 сигналы от датчиков вращения лопастных винтов эталонных вертушек или от датчика пути (например, 10-й канал) формируются в электрические импульсы определенного уровня и длительности. На индикаторах светового четырехразрядного табло 4 отображается число зарегистрированных сигналов вертушки.

Сигналы текущего времени приходят на вход счетчика времени 6 через схему разрешения 5 от задающего генератора 8 через делитель частоты 9 (выходы ). С другого выхода делителя 9 снимается частота модуляции на формирователь 1 (выходы ).

Сигналы текущего времени с выхода счетчика времени 6 подаются на индикаторы светового пятиразрядного табло 7. Счет времени идет с дискретизацией в 0,001 с.

Концевые датчики (начала пути) и расположены вдоль ПГБ. Расстояние между ними равно длине его рабочего (измерительного) участка . Сигналы оптического датчика пути 13 с преобразователя 14 (выход к) подаются только на вход канала 10. На счетчики 3 и 6 всех каналов через их схемы разрешения 2 и 5 подаются команды "начала" и "конца" счета (выходы ) сигналов вертушек и датчика пути, а также команды "начала" и "конца" счета текущего времени, в течение которого тележка проходит участок .

Время и число сигналов , приходящих от каждой вертушки, начинают регистрироваться после команды разрешения на счет, снимаемой с выхода схем разрешения 2 и 5 с приходом переднего фронта первого импульса вертушки и импульса датчика пути 13.

Регистрация и заканчивается после команды "конец счета", снимаемой на выходах схем разрешения 2 и 5 с приходом переднего фронта последнего импульса .

Таким образом измеряется целое число периодов следования импульсов (N_i - 1).

В.3 Первичная обработка измерительной информации сводится к определению в каждом измерении средней скорости движения тележки на участке и средней частоты оборотов лопастных винтов вертушек :

а) среднюю скорость , м/с, вычисляют по формуле

где - интервал времени, в течение которого тележка проходит участок , с;

m - число зарегистрированных сигналов датчика пути;

l - расстояние (шаг) между соседними сигналами датчика пути, м.

Показания снимают с табло 7 канала 10, а показания m снимают с табло 4 канала 10;

б) среднюю частоту оборотов лопастного винта вертушки , об/с, вычисляют по формуле

где K - число оборотов лопастного винта на один сигнал вертушки;

- число зарегистрированных сигналов вертушки;

- интервал времени, в течение которого зарегистрировано сигналов от вертушки, с.

Для вертушек ГР-21М и ГР-55 K = 20, для вертушек ГР-99 K = 1.

Показания снимают с табло 4 каналов 1 - 9, а показания снимают с табло 7 каналов 1 - 9.

Согласно схеме, в блоке регистрации предусмотрен вариант автоматической системы сбора и первичной обработки измерительной информации. Этот вариант заключен в том, что при движении тележки вся указанная информация в В.1 параллельно заносится в промежуточную память ПЗУ контроллера 10 через его входы а, , . После остановки тележки в паузе переключения ее на обратный ход вся информация из ПЗУ проходит первичную обработку по алгоритму, указанному в В.3.1. Также выполняется экспресс-анализ на достоверность (надежность) проведенных измерений. При положительном результате анализа полученный массив переносится на промежуточный носитель информации 11 и далее используется в статистической обработке на компьютере при определении ИФП.

Все каналы блока регистрации, контроллер 10 и промежуточный носитель информации 11 получают питание от стабилизированного источника питания 12, с которого (выходы з, ж) подается различное напряжение.

Результатом наблюдений при определении ИФП вертушки является совокупность значений , приведенная в протоколе (приложение Д). ИФП вертушки имеет вид

При использовании метода наименьших квадратов требование наилучшего согласования прямой и экспериментальных точек сводится к тому, чтобы сумма квадратов отклонений экспериментальных точек от сглаженной прямой была минимальна:

Коэффициент b определяют по формуле

где - центр распределения

- среднее арифметическое значение скорости тележки , м/с (i изменяется от 1 до N):

- среднее арифметическое значение числа оборотов лопастного винта вертушки , об/с (i изменяется от 1 до N):

- дисперсия

N - число заданных скоростных точек в диапазоне измерения скорости.

Коэффициент a определяют по формуле

1 Методика аттестации и поверки прямолинейных градуировочных бассейнов, разработана ГГИ, утв. нач. ТУ Росгидромета Ю.А. Хабаровым 22.02.79, согласована зам. директора ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (Госстандарт) Г.П. Грузинцевым 07.12.78.