способ определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра путем периодического измерения скорости потока в заданной области его поперечного сечения при частичном блокировании потока этой области, отличающийся тем, что в направлении, противоположном направлению воздействия полного давления, обеспечивают воздействие статического давления воды в трубопроводе на поршень, на базовом расстоянии от плоскости, соответствующей плоскости размещения поршня при отсутствии потока воды в трубопроводе, задают две базовые плоскости, первую из которых размещают со стороны воздействия на поршень полного давления, вторую - со стороны воздействия на поршень статического давления, совмещают с первой базовой плоскостью первую плоскость излучения и первую плоскость регистрации, совмещают с второй базовой плоскостью вторую плоскость излучения и вторую плоскость регистрации, и в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, в первой и во второй плоскостях излучения одновременно формируют соответственно первый и второй зондирующие импульсы, организуют процесс переизлучения первого зондирующего импульса, переотраженного поршнем в направлении первой плоскости регистрации, формируют первую последовательность информационных сигналов, передний фронт каждого из которых соответствует моменту очередного переизлучения первого зондирующего импульса, организует процесс переизлучения второго зондирующего импульса, переотраженного поршнем в направлении второй плоскости регистрации, формируют вторую последовательность информационных сигналов, передний фронт каждого из которых соответствует моменту очередного переизлучения второго зондирующего импульса, и после проведения заданного количества переизлучений первого зондирующего импульса прекращают проведение текущего цикла измерения, считывают информационные сигналы второй последовательности, сформированные в интервале времени между моментом проведения заданного переизлучения второго зондирующего импульса и моментом прекращения проведения текущего цикла измерения, и по результатам указанного считывания судят о мгновенном расходе, а по суммарной величине значений мгновенного расхода судят о суммарном расходе.

2. Устройство для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащее исполнительный узел и электронный блок в составе первой схемы формирования информационных сигналов и схемы считывания, отличающееся тем, что в состав исполнительного узла включены корпус, в котором размещен поршень с возвратной пружиной, первая измерительная трубка, один торец которой соединен с первым входным каналом корпуса, другой - с линией полного давления, вторая измерительная трубка, один торец которой соединен с вторым входным каналом корпуса, другой - через соединительную линию с линией статического давления, и два ультразвуковых преобразователя, установленных по одному на стенках первой и второй измерительных трубок в плоскостях, размещенных на базовом расстоянии от плоскости пространственного положения поршня при отсутствии потока воды в трубопроводе, в состав электронного блока включены вторая схема формирования информационных сигналов и схема запуска, каждая из двух схем формирования информационных сигналов содержит генератор импульсов, к первому выходу которого подключен соответствующий ультразвуковой преобразователь, первый электронный ключ, вход и отпирающий вход которого подключены соответственно к первому и второму выходу генератора импульсов, усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу первого электронного ключа, второй электронный ключ, вход которого соединен с запирающим входом первого электронного ключа и подключен к выходу усилителя-формирователя, первый диод, через который к выходу второго электронного ключа подключен вход генератора импульсов, и второй диод, через который отпирающий вход второго электронного ключа, подключенный к выходу схемы запуска, соединен с входом генератора импульсов, а схема считывания содержит первый счетчик, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа первой схемы формирования информационных сигналов, а вход сброса показаний соединен с запирающими входами вторых электронных ключей первой и второй схем формирования информационных сигналов и подключен к своему выходу, второй счетчик, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа второй схемы формирования информационных сигналов, а вход сброса показаний через первый и второй диоды схемы подключен соответственно к своему выходу и к выходу схемы запуска, электронный ключ, вход которого соединен с входом второго счетчика, а отпирающий и запирающий входы подключены к выходу соответственно второго счетчика и схемы запуска, и третий счетчик, вход которого подключен к выходу электронного ключа схемы считывания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в городских и промышленных системах водоснабжения для учета производительности и установления рациональных режимов работы насосных станций, водоводов и других сооружений водопровода.

Известны способы контроля расхода воды в трубопроводах большого диаметра, заключающиеся в периодическом измерении скорости потока в заданной области его поперечного сечения путем частичного блокирования потока в этой области и преобразования механического воздействия потока в угловое смещение области блокирования [1].

Устройства для реализации известных способов содержат датчик скорости типа вертушки и вторичный прибор в виде электронного потенциометра, милливольтметра или частотомера.

Недостатком известных способов является наличие в потоке постоянно движущихся частей датчика скорости и необходимость вследствие этого иметь относительно сложную систему их смазки.

Известен способ определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра путем периодического измерения скорости потока в заданной области его поперечного сечения при частичном блокировании потока этой области и преобразования механического воздействия полного давления воды в трубопроводе в линейное смещение области блокирования [2].

Устройство для реализации известного способа содержит исполнительный узел, установленный на несущей трубке с обеспечением возвратно-поступательного смещения вдоль потока воды в трубопроводе, электромеханический блок, связанный с исполнительным узлом посредством контактной системы, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов, схемы формирования групп стандартных импульсов, схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования кратковременных импульсов, схемы учета первого информационного импульса, схемы считывания и счетчика циклов измерения.

Недостатком известного способа и устройства для его реализации является зависимость разрешающей способности от количества поддиапазонов, на которые разбивается диапазон скоростей потока, ограниченный значением максимальной скорости и рекомендуемый для данного диаметра трубопровода при его использовании в качестве внешней сети водопровода.

Задача изобретения - повышение разрешающей способности.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра путем периодического измерения скорости потока в заданной области его поперечного сечения при частичном блокировании потока этой области, в направлении, противоположном направлению воздействия полного давления, обеспечивают воздействие статического давления воды в трубопроводе на поршень, на базовом расстоянии от плоскости, соответствующей плоскости размещения поршня при отсутствии потока воды в трубопроводе, задают две базовые плоскости, первую из которых размещают со стороны воздействия на поршень полного давления, вторую - со стороны воздействия на поршень статического давления, совмещают с первой базовой плоскостью первую плоскость излучения и первую плоскость регистрации, совмещают со второй базовой плоскостью вторую и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, в первой и во второй плоскостях излучения одновременно формируют соответственно первый и второй зондирующие импульсы, организуют процесс переизлучения первого зондирующего импульса, переотраженного поршнем в направлении первой плоскости регистрации, формируют первую последовательность информационных сигналов, передний фронт каждого из которых соответствует моменту очередного переизлучения первого зондирующего импульса, организуют процесс переизлучения второго зондирующего импульса, переотраженного поршнем в направлении второй плоскости регистрации, формируют вторую последовательность информационных сигналов, передний фронт каждого из которых соответствует моменту очередного переизлучения второго зондирующего импульса, и после проведения заданного количества переизлучений первого зондирующего импульса прекращают проведение текущего цикла измерения, считывают информационные сигналы второй последовательности, сформированные в интервале времени между моментом проведения заданного переизлучения второго зондирующего импульса и моментом прекращения проведения текущего цикла измерения, и по результатам указанного считывания судят о мгновенном расходе, а по суммарной величине значений мгновенного расхода судят о суммарном расходе.

Относительно устройства для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащего исполнительный узел и электронный блок в составе первой схемы формирования информационных сигналов и схемы считывания, поставленная задача решается тем, что в состав исполнительного узла включены корпус, в котором размещен поршень с возвратной пружиной, первая измерительная трубка, один торец которой соединен с первым входным каналом корпуса, другой - с линией полного давления, вторая измерительная трубка, один торец которой соединен со вторым входным каналом корпуса, другой - через соединительную линию с линией статического давления, и два ультразвуковых преобразователя, установленных по одному на стенках первой и второй измерительных трубок в плоскостях, размещенных на базовом расстоянии от плоскости пространственного положения поршня при отсутствии потока воды в трубопроводе, в состав электронного блока включены вторая схема формирования информационных сигналов и схема запуска, каждая из двух схем формирования информационных сигналов содержит генератор импульсов, к первому выходу которого подключен соответствующий ультразвуковой преобразователь, первый электронный ключ, вход и отпирающий вход которого подключены соответственно к первому и второму выходу генератора импульсов, усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу первого электронного ключа, второй электронный ключ, вход которого соединен с запирающим входом первого электронного ключа и подключен к выходу усилителя-формирователя, первый диод, через который к выходу второго электронного ключа подключен вход генератора импульсов, и второй диод, через который отпирающий вход второго электронного ключа, подключенный к выходу схемы запуска, соединен со входом генератора импульсов, а схема считывания содержит первый счетчик, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа первой схемы формирования информационных сигналов, а вход сброса показаний соединен с запирающими входами вторых электронных ключей первой и второй схем формирования информационных сигналов и подключен к своему выходу, второй счетчик, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа второй схемы формирования информационных сигналов, а вход сброса показаний через первый и второй диоды схемы подключен соответственно к своему выходу и к выходу схемы запуска, электронный ключ, вход которого соединен со входом второго счетчика, а отпирающий и запирающий входы подключены к выходу соответственно второго счетчика и схемы запуска, и третий счетчик, вход которого подключен к выходу электронного ключа схемы считывания.

На фиг. 1 изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа, на фиг. 2 - схема его электронного блока, на фиг. 3 приведены временные диаграммы, поясняющие способ и работу устройства.

Устройство для реализации способа монтируется на трубопроводе 1 посредством седелки 2, задвижки 3 и шлюзовой камеры 4 с сальником. Оно содержит линию 5 полного давления, линию 6 статического давления, исполнительный узел 7 и электронный блок 8 (фиг. 1).

В состав исполнительного узла включены отдельный корпус 9 с поршнем 10 и возвратной пружиной 11, первая и вторая измерительные трубки 12 и 13, и два ультразвуковых преобразователя 15 и 16 (фиг. 1).

В состав электронного блока включены первая и вторая схемы 17 и 18 формирования информационных сигналов, схема запуска 19 и схема считывания 20 (фиг. 2).

Схемы формирования информационных сигналов электронного блока содержат генераторы 21-22 импульсов, усилители-формирователи 23-24, электронные ключи 25-28 и диоды 29-32, а схема считывания содержит счетчики 33-35, электронный ключ 36 и диоды 37-38 (фиг. 2).

Способ заключается в следующем.

В основу предлагаемого способа определения расхода заложен принцип измерения максимальной скорости потока по величине скоростного напора в заданной области поперечного сечения трубопровода 1 при частичном блокировании потока воды посредством поршня 10, размещенного с возвратной пружиной 11 в отдельном корпусе 9 исполнительного узла 7 устройства, реализующего способ. При этом, полным давлением P_x на поршень 10 воздействуют через первую измерительную трубку 12, соединяющую линию 5 с первым входным каналом корпуса 9, а статическим давлением P_o - через вторую измерительную трубку 13, соединяющую со вторым входным каналом корпуса 9 линию 6 (фиг. 1).

Благодаря наличию заслонки 3 и шлюзовой камеры 4, установленных на седелке 2, линия 5 полного давления P_x, изогнутая в направлении, противоположном направлению потока, и линия 6 статического давления P_o исполнительного узла 7 монтируются в трубопровод 1 без перерыва подачи воды.

На равных расстояниях L_б от плоскости "A" пространственного положения поршня 10, в котором он удерживается возвратной пружиной 11 при отсутствии потока воды в трубопроводе 1 (при равенстве давлений P_x и P_o), задают первую и вторую базовые плоскости "B" и "C". С первой базовой плоскостью "B" совмещают рабочую плоскость первого ультразвукового преобразователя 15, установленного на стенках первой измерительной трубки 12, со второй базовой плоскостью "C" - рабочую плоскость второго ультразвукового преобразователя 16, установленного на стенках второй измерительной трубки 13.

Т.к. ультразвуковые преобразователи 15 и 16 предназначены для работы как в режиме излучения, так и в режиме приема акустических сигналов, плоскость "B" принимают за первую плоскость излучения и первую плоскость регистрации, а плоскость "C" - за вторую плоскость излучения и вторую плоскость регистрации.

В начале первого и каждого последующего циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени T_t (фиг. 3), на вход генератора 21 схемы 17 и на вход генератора 22 схемы 18 через диоды 31 и 32 поступает электрический импульс 39 схемы 19 запуска. Генераторы 21 и 22 срабатывают и возбуждают ультразвуковые преобразователи 15 и 16. В результате, в первой и во второй плоскостях излучения одновременно сформируются первый и второй зондирующие импульсы 40 и 65 (фиг. 3), обозначенные на фиг. 2 символами J₁ и J₂ соответственно.

Электрический импульс 39 открывает также электронные ключи 27- 28 и поступает в схему 20 считывания, в которой закрывает электронный ключ 36, а через диод 38 сбрасывает показания второго счетчика 34 (фиг. 2).

Первый зондирующий импульс 40 (J₁), излученный в направлении поршня 10, проходит расстояние (L_б + L_x), где L_x - величина смещения поршня 10 при наличии потока воды (при P_x превышающим P_o), переотражается поршнем 10 в обратном направлении, повторно проходит расстояние (L_б+L_x) и, спустя время T₁ после излучения, достигает в виде акустического сигнала 49 (50-56) рабочую плоскость первого преобразователя 15, преобразуется в электрический и через открытый генератором 21 электронный ключ 25 поступает на вход первого усилителя-формирователя 23. Соответствующий сигналу 49 (50-56) электрический импульс 57 (58-64) с выхода усилителя 23 проходит электронный ключ 27 и через диод 29 поступает на вход первого генератора 21, посылающего электрический импульс на первый ультразвуковой преобразователь 15. Преобразователь 15 возбуждается и производит первое (второе и т.д.) переизлучение первого зондирующего импульса J₁ (импульсы 41-48 на фиг. 3). При этом, процесс переизлучения импульса J₁ сопровождается формированием усилителем 23 первой последовательности информационных сигналов 57-64, передний фронт каждого из которых соответствует моменту очередного переизлучения первого зондирующего импульса 40 (J₁).

Второй зондирующий импульс 65 (J₂), излученный в направлении поршня 10, проходит расстояние (L_б - L_x), переотражается поршнем 10 в обратном направлении, повторно проходит расстояние (L_б - L_x) и, спустя время T₂ после излучения, достигает в виде акустического сигнала 77 (78- 87) рабочую плоскость ультразвукового преобразователя 16, преобразуется в электрический и через открытый генератором 22 электронный ключ 26 поступает на вход второго усилителя-формирователя 24. Соответствующий сигналу 77 (78-87) электрический импульс 88 (89- 98) с выхода усилителя 24 проходит электронный ключ 28 и через диод 30 поступает на вход второго генератора 22, посылающего электрический импульс на второй ультразвуковой преобразователь 16. Преобразователь 16 возбуждается и производит первое (второй и т.д.) переизлучение второго зондирующего импульса J₂ (импульсы 66-76 на фиг. 3). При этом, процесс переизлучения импульса J₂ сопровождается формированием усилителем 24 второй последовательности информационных сигналов 88-98, передний фронт каждого из которых соответствует моменту очередного переизлучения второго зондирующего импульса 65 (J₂).

Количество переизлучений первого зондирующего импульса J₁ ограничивают емкостью "N" первого счетчика 33, вход которого подключен к выходу электронного ключа 27. Емкость второго счетчика 34, вход которого соединен со входом электронного ключа 36 и подключен к выходу электронного ключа 28, также выбирают равной "N". При выполнении заданного количества переизлучений второго зондирующего импульса J₂ импульс 93 переполнения с выхода счетчика 34 поступает на отпирающий вход электронного ключа 36, а через диод 37 сбрасывает показания указанного счетчика. В результате информационные сигналы 94-98 через ключ 36 последовательно поступят на вход третьего счетчика 35. Считывание сигналов 94-98 производят до момента регистрации первым преобразователем 15 акустического сигнала 56, которому соответствует импульс 64 переполнения счетчика 33. Импульс 64 сбрасывает показания указанного счетчика, закрывает электронные ключи 27-28 и, тем самым, отключает выход усилителя 23 от входа генератора 21, а выход усилителя 24 - от входа генератора 22. Поэтому соответствующие акустическим импульсам 48 и 76 информационные сигналы (на фиг. 3 не показаны) в схему считывания не поступят.

На этом первый цикл измерения заканчивается. Спустя время T_t после начала измерений схема 19 запуска сформирует второй электрический импульс 39. Начнется следующий, второй цикл измерения. О величине мгновенного расхода в конце каждого очередного цикла измерения судят по показаниям второго счетчика 34, считывающего сигналы 94-98 в течение интервала времени 2NT_x, а о величине суммарного расхода - по показаниям третьего счетчика 35, считывающего суммарное количество информационных сигналов 94-98, формируемых в процессе измерения.

Таким образом, по сравнению с известным, предлагаемый способ и устройство для его реализации позволяют судить о величине мгновенного и суммарного расходов не по номеру поддиапазона скоростей потока, рекомендуемых для выбранного диаметра магистрального трубопровода, а по количеству импульсов в последовательности информационных сигналов, периодически формируемой через равные интервалы времени, что позволяет повысить разрешающую способность.

Источники информации

1. Лобачев П. В, Шевелев Ф.А. Водомеры для водопроводов и канализации. Изд. лит. по строительству, М., 1964, с. 267-276.

2. Патент РФ N 2084830 по кл. G 01 F 1/38, бюл. 20, 1997 г. (прототип).