Дослідження пропускної здатності гідроавтоматичного регулятора рівня

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОПУСКНОЇ ЗДАТНОСТІ ГІДРОАВТОМАТИЧНОГО РЕГУЛЯТОРА РІВНЯ

Ніколайчук О.М. аспірант (Національний університет водного

господарства та природокористування, м. Рівне)

Представлена методика експериментального дослідження пропускної здатності автоматичного регулятора рівня. Доведено адекватність знайденого емпірично рівняння регресії для розрахунку коефіцієнта витрати регулятора.

The method of experimental research of carrying capacity of automatic regulator of level is presented. Adequacy of the equalization of regression found empiric for the calculation of coefficient of vi-trati regulator is proved.

вода ґрунтовий регулятор

Досить часто традиційні меліорації приводять до переосушення земель, що негативно впливає на ріст сільськогосподарських рослин [1]. Виникає необхідність у двосторонньому регулюванні водного режиму ґрунту. Найбільш перспективними для умов Полісся України та його перехідної зони до Лісостепу є різні за конструкцією осушувально-зволожувальні системи (ОЗС). До таких систем висувається ряд вимог - простота конструкції, робота без додаткових джерел енергії, надійність в експлуатації, можливість автоматизації. Перспективними в цьому напрямку розвитку меліорації є модульні автоматизовані ОЗС. Модуль - це автономна частина ОЗС, обладнана засобами автоматичного встановлення рівнів ґрунтової води на регулювальній мережі.

Розробкою автоматичних регуляторів рівнів ґрунтової води та їх елементів займалися ряд вчених. Скрипник О.В., Сорока І.С., Кубишкін В.П. розробляли технології автоматичного регулювання водного режиму осушуваних земель [2]. Яцик А.В., Рубан А.Ф., Тишенко А.І. приділяли увагу експлуатації автоматичних регуляторів рівнів на ОЗС [3]. Пастушенко В.Й., Наумчук О.М. розробили серію гідравлічних регуляторів для регулюючої мережі [4]. Модульні автоматизовані ОЗС побудовано на землях колишніх колгоспу „Зірка” Бугзького району та радгоспу „ Радянська Армія” Стрийського району Львівської області. На реконструйованій меліоративній системі “Іква” Дубенського району Рівненської області було встановлено гідроавтоматичний регулятор рівнів АРУ-200Ц [3].

План модуля ОЗС приведено на рис. 1, на рис. 2 показано переріз А-А по осі осушувально-зволожувального колектора. Детальний опис конструкції та елементів системи наведено в роботі [5].

Регулювання відповідної норми зволоження, а відтак оптимальної вологості ґрунту в режимі гідравлічної автоматизації, здійснюється такими

режимами: 1 Ї своєчасне осушування в передпосівний період, та осушування при піднятті рівня ґрунтових вод (РГВ) вище норми осушування внаслідок значних опадів; 2 Ї регулювання РГВ в межах норми осушування.

В передпосівний період шлюзи на магістральному та зволожувальному каналах перекривають, вода в закриту мережу не надходить. Шибери в перепадних колодязях відсутні, а водозливні пороги перегороджуючих

стінок забезпечують норму осушування. Скид дренажного стоку з модуля припиниться коли вода в колодязях понизиться до порогів.

Регулювання здійснюється при зниженні РГВ нижче норми осушування, що вказує ватерлінія датчика рівня. Його поплавок опускається, відкривається водовипускний патрубок, вода виливається із гідрозвязка, статичний тиск у ньому падає. Пониження тиску передається до датчика прискорювача, поплавок якого також починає опускатися, відкриваючи при цьому водовипускні отвори, і вода із затвора виливається у нижній б'єф водоприймального колодязя. Затвор спливає і відкриває водопропускний отвір в зливному лотку, вода наповнює систему, а її надлишок зливається в осушувальний канал. Висоту спливання затвора можна змінювати стопорною гайкою, що регулює задану витрату. Описані процеси представляють собою режим роботи ОЗС при якому РГВ піднімаються від нижньої до верхньої межі норми осушування.

Після наповнення системи до верхньої межі норми осушування, поплавок у датчику рівня піднімається, перекриваючи водовипускний патрубок. Рух води по гідрозвязку припиняється. Статичний тиск у ньому збільшується. Підвищення тиску передається до стравлювача, поплавок якого також піднімається, перекриваючи водовипускні отвори. Вода із поплавка затвора не виливається і він, поступово заповнюючись водою через вхідний патрубок, опускається, перекриваючи отвір у лотку. Вода в систему не надходить. Система переходить в режим коли РГВ понижуються від верхньої до нижньої межі норми осушення. Описані процеси які відбуваються в модулі ОЗС складають повний цикл роботи системи який періодично повторюється.

Модулі ОЗС проектують на різних площах, будують на ґрунтах які відрізняються по механічному складу, тому кожен окремий модуль потребує подачі до нього відповідної норми зволоження. Гідроавтоматичний регулятор рівня АРУ-200Ц (далі Ї регулятор) повинен подати необхідну норму зволоження в залежності від потреб модуля. Для відповідного налаштування регулятора необхідно мати його характеристики, основними з яких є пропускна здатність і час спрацювання в залежності від довжини гідрозвязка. В даній роботі приведена методика визначення пропускної здатності регулятора.

Основними факторами, які впливають на пропускну здатність регулятора, є перепад рівнів z між верхнім б'єфом водоприймального колодязя РВВБ і рівнем води на виході з водопропускного лотка РВНБ, та відкриття отвору затвора aі рис. 3. Межі зміни рівнів води у верхньому б'єфі (каналі) складають 10 см, перепад рівнів води z, при цьому, змінюється в межах від 34 до 44 см. Максимальна висота відкриття отвору затвора обумовлена його конструкцією і складає 10 см.

Експериментальні дослідження пропускної здатності виконували згідно матриці плану експерименту, в даному випадку приведена матриця для a1=0,2 дм (табл. 1). При проведенні досліджень встановлювали наступні

Таблиця 1

Матриця плану експерименту при a1=0,2 дм

відкриття отвору aі=0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 дм. Для виключення систематичних похибок досліди проводили у випадковій послідовності. Порядок проведення дослідів вибраний по таблиці випадкових чисел. Для зменшення впливу випадкових похибок на результати досліджень, було виконане трьохкратне повторення дослідів.

Методика проведення експерименту наступна. Згідно матриці планування за допомогою стопорного кільця фіксували висоту відкриття отвору затвора аі. Засувками грубого та точного регулювання витрати води встановлювали заданий перепад рівнів води zk. Контроль перепадів рівнів води здійснювався п'єзометрами, а витрати води через регулятор QP jk, за допомогою мірного трикутного водозливу експериментальної установки.

Експериментальні дані та результати статистичної обробки даних, для і-го відкриття отвору затвора, в даному випадку а1=0,2 дм, наведені в

табл. 2.

Таблиця 2

Експериментальні дані та результати статистичної обробки даних при

відкритті отвору затвора а1=0,2 дм

Дослідний коефіцієнт витрати , при j-му повторенні для k-го перепаду визначали по залежності

. (1)

де QP jk - витрата води через регулятор, л/с;

Si - площа отвору затвора для i-го відкриття, дм2;

, (2)

де d - діаметр кільцевого водозливу водопропускного лотка, d =2,09 дм;

g - прискорення вільного падіння, дм/с2;

zjk - перепад рівнів води, дм.

Середнє значення коефіцієнта витрати трьох паралельних дослідів, для k-го перепаду рівнів, знаходили по виразу

, (3)

де m - кількість повторних дослідів, m=3.

Оцінка точності повторних дослідів характеризується величиною дисперсії

. (4)

Число степенів вільності fk дисперсії для k-го перепаду рівнів

. (5)

При аналізі значень величини дисперсії в табл. 2 видно що вони відрізняються на незначну величину. Тому прийнято гіпотезу що дисперсії можна вважати оцінками однієї генеральної дисперсії. Оскільки степені вільності fk дисперсій рівні між собою, то для перевірки гіпотези зручно використати G-критерій Кохрана. Рівень значимості приймаємо p=0,05.

, (6)

де - максимальна дисперсія;

n- кількість дисперсій які порівнюються (n = 6).

Табличне значення G-критерію Кохрана, для рівня значимості р=0,05 при числі степенів вільності, та кількості дисперсій які порівнюються n=6, відповідно до таблиці 13 [6] рівне GТ =0,6161. Розрахункове значення критерію Gp=0,2122 не перевищує табличного значення GТ . Це доводить прийняту нами гіпотезу що дисперсії є оцінками однієї генеральної дисперсії, і тому можна порахувати середньозважену дисперсію. Надалі гіпотези що відповідні дисперсії однорідні і є оцінками однієї генеральної дисперсії доводити не будемо. Просто вкажемо що однорідність дисперсій доведено за допомогою критерію Кохрана. В даному випадку середньозважена дисперсія є також дисперсією відтворюваності експериментуі визначається по виразу (7). Результати розрахунку дисперсій відтворюваності експерименту для і-го відкриття отвору затвора приведено в табл. 3

, (7)

де f - сума всіх степенів вільності,

. (8)

Дисперсії є оцінками однієї генеральної дисперсії. Тому в якості середнього значення, можна взяти загальне середнє (табл. 3) всіх елементів. В даному випадку

. (9)

Оцінка точності загального середнього , відносно дослідних значень , характеризується величиною дисперсії (табл. 2), яку знайдемо по залежності

, (10)

Аналізуючи значення в табл. 2 видно що вони відрізняються не значно. За допомогою критерію Кохрана можна довести гіпотезу що вони є оцінками однієї генеральної дисперсії. Визначимо середньозважену дисперсію (табл. 3).

. (11)

Аналіз величин дисперсій та показує що вони відрізняються не значно, і можуть бути оцінками однієї генеральної дисперсії. Для перевірки прийнятої гіпотези використаємо F-критерій Фішера. Рівень значимості приймаємо p=0,05.

(12)

Табличне значення F-критерію Фішера, для рівня значимості р=0,05 при числі степенів вільності, відповідно до таблиці 7 [6] рівне

FТ =2,7. Розрахункове значення критерію Fp=1,69 не перевищує табличного значення FТ. Гіпотезу про те, що дисперсії та можна вважати оцінками однієї генеральної дисперсії, приймаємо.

Аналогічні розрахунки були виконані для відкриттів отвору затвора aі. Результати розрахунку зведені в табл. 3

Аналізуючи величини дисперсій видно що вони відрізняються не значно і є оцінками однієї генеральної дисперсії, що можна легко довести. Середньозважену дисперсію розрахуємо по виразу

(13)

Таблиця 3

Результати статистичної обробки даних при відкриттях аі

По отриманих дослідних значеннях було побудовано графік залежності =f(a/d) та проведено апроксимуючу криву, яка в досліджуваному діапазоні описується рівнянням параболи

(14)

По отриманому рівнянню було пораховано коефіцієнт витрати , результати розрахунку наведені в табл. 3.

Оцінка точності теоретичних значень відносно дослідних характеризується величиною дисперсії адекватності (табл. 2)

(15)

Дисперсії однорідні, тому порахуємо середньозважену дисперсію

. (16)

Дисперсії також однорідні, порахуємо дисперсію адекватностіпо виразу

(17)

Аналіз величин дисперсій та показує що вони відрізняються не значно, і можуть бути оцінками однієї генеральної дисперсії. Для перевірки прийнятої гіпотези знову використаємо F-критерій Фішера. Рівень значимості приймаємо p=0,05.

. (18)

Розрахункове значення критерію Фішера менше табличного, тому гіпотезу про адекватність емпірично отриманого рівняння регресії, для знаходження коефіцієнта витрати, приймаємо.

В даній роботі розроблено методику експериментального дослідження пропускної здатності гідроавтоматичного регулятора рівня АРУ-200Ц. Емпірично знайдене рівняння регресії для знаходження коефіцієнта витрати регулятора . Доведено адекватність запропонованого рівняння. Зроблено висновок що коефіцієнт витрати не залежить від перепаду рівнів z який ми змінювали в межах діапазону дослідження, а лише від величини відкриття отвору затвора а.

Література

1. О.В. Скрипник, Н.Б. Молеща, А.І. Романенко. Дослідження меліоративної дії контурноводоакумулюючих систем // Меліорація і водне господартво. - 1999. Вип. 86.- С. 59-64. 2. Скрипник О.В., Сорока И.С., Кубышкин В.П. Технология регулирования водного режима осушаемых земель. - К.: Урожай, 1992. - 168 с. 3. Методические рекомендации по установке и эксплуатации автоматических регуляторов уровней на осушительно-увлажнительных системах УССР НТД-33.02. 003. 83 / Рубан А.Ф., Яцык А.В., Тышенко А.И., Шевченко Л.И., Гуленок И.П. - К.: УкрНИИГим, 1983. - 26 с. 4. Пастушенко В.Й., Наумчук О.М. Серія гідравлічних регуляторів для регулюючої мережі осушувально-зволожувальних систем // Вісник УДАВГ. - Рівне. - 1998. - Вип. 1., Част. 2. - С. 66-69. 5. Ніколайчук О.М. Математична модель динамічних процесів руху води в блоці модульної автоматизованої осушувально-зволожувальної системи. Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Збірник наукових праць. Вип. 31 Рівне 2007. 6. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М., 1968 г., 288 ст.

Размещено на Allbest.ru