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 задают область продольного сечения потока, отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в область продольного сечения, в направлении, противоположном направлению частично отведенного потока и на базовых расстояниях друг от друга задают первую, вторую и третью рабочие плоскости, и в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, во второй рабочей плоскости формируют зондирующий импульс и направляют его одновременно вдоль и против частично отведенного потока, в моменты первой и каждой очередной регистрации зондирующего импульса в первой и в третьей рабочих плоскостях производят переизлучение зондирующего импульса из второй рабочей плоскости, считывают количество одновременных регистраций зондирующего импульса в первой и третьей рабочих плоскостях, при неодновременных регистрациях зондирующего импульса в указанных плоскостях обнуляют результаты считывания, формируют последовательность стандартных корректируют в зависимости от длительности интервала времени между моментом излучения и моментом первой одновременной регистрации зондирующего импульса в первой и третьей рабочих плоскостях, и по количеству стандартных импульсов, сформированных за время проведения текущего цикла измерения в интервале времени между моментом последнего обнуления и моментом превышения результатом проводимого считывания первого заданного значения, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству стандартных импульсов, сформированных за время проведения предыдущих циклов измерения в интервалах времени между моментом превышения результатом проводимого считывания первого заданного значения и моментом превышения указанным результатом второго заданного значения, судят о суммарном расходе.

2. Устройство для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащее исполнительный узел и электронный блок в составе схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования последовательности стандартных импульсов и схемы считывания, отличающееся тем, что исполнительный узел выполнен в виде измерительной трубки, соединяющей линию полного давления с линией статического давления воды в трубопроводе, первого ультразвукового преобразователя, установленного на стенках измерительной трубки, второго ультразвукового преобразователя, установленного на стенках измерительной трубки между линией статического давления и первым ультразвуковым преобразователем и размещенного на базовом расстоянии от последнего, и третьего ультразвукового преобразователя, установленного на стенках измерительной трубки между линией полного давления и первым ультразвуковым преобразователем и размещенного на базовом расстоянии от последнего, а в электронный блок включена схема запуска, при этом в состав схемы формирования информационных сигналов электронного блока включены генератор импульсов, к выходу которого подключен первый ультразвуковой преобразователь, первый усилитель-формирователь, вход которого соединен с вторым ультразвуковым преобразователем, второй усилитель-формирователь, вход которого соединен с третьим ультразвуковым преобразователем, логический элемент ИЛИ, логический элемент И, первый вход которого соединен с первым входом логического элемента ИЛИ и подключен к выходу первого усилителя-формирователя, второй вход соединен с вторым входом логического элемента ИЛИ и подключен к выходу второго усилителя-формирователя, три электронных ключа и три диода, при этом отпирающий вход первого электронного ключа соединен с входом генератора импульсов и подключен к своему выходу, а через первый диод - к выходу схемы запуска, запирающий вход второго электронного ключа и отпирающий вход третьего электронного ключа подключены к выходу логического элемента ИЛИ, вход первого электронного ключа через второй и третий диоды подключен соответственно к выходу первого и к выходу второго усилителя-формирователя, вход второго и вход третьего электронных ключей подключены к выходу логического элемента И, в состав схемы формирования последовательности стандартных импульсов электронного блока включены триггер, первый установочный вход которого подключен к выходу схемы запуска, ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу триггера, четвертый диод через который второй установочный вход триггера соединен с запирающими входами первого и третьего электронных ключей и с отпирающим входом второго электронного ключа, к выходу которого подключен запирающий вход первого электронного ключа, и пятый диод, через который указанный вход триггера, подключен к выходу третьего электронного ключа, а в состав схемы считывания включены четыре счетчика, четвертый электронный ключ, к выходу которого подключен вход второго счетчика, вход соединен с первым установочным входом ждущего мультивибратора, с входом первого счетчика и подключен к выходу третьего электронного ключа, а запирающий вход соединен с вторым установочным входом ждущего мультивибратора и подключен к выходу второго счетчика, пятый и шестой электронные ключи, через которые к выходу ждущего мультивибратора подключены соответственно вход третьего и вход четвертого счетчиков, шестой диод, через который запирающий вход первого электронного ключа подключен к выходу второго счетчика, седьмой и восьмой диоды, через которые входы сброса показаний первого и третьего счетчиков подключены соответственно к выходу схемы запуска и к входу логического элемента ИЛИ, при этом отпирающий вход четвертого, отпирающий вход пятого и запирающий вход шестого электронных ключей подключены к выходу первого счетчика, а отпирающий вход шестого и запирающий вход пятого электронных ключей подключены к выходу второго счетчика.

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 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 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 потока в линейное смещение области блокирования [2].

Устройство для реализации известного способа содержит исполнительный узел, установленный на несущей трубе 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 последовательности 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.

Поставленная задача решается тем, 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 задают область продольного сечения потока, отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в область продольного сечения, в направлении, противоположном направлению частично отведенного потока, и на базовых расстояниях друг от друга задают первую, вторую и третью рабочие плоскости, и в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, во второй рабочей плоскости формируют зондирующий импульс и направляют его одновременно вдоль и против частично отведенного потока, в моменты первой и каждой очередной регистрации зондирующего импульса в первой и в третьей рабочих плоскостях производят переизлучение зондирующего импульса из второй рабочей плоскости, считывают количество одновременных регистраций зондирующего импульса в первой и третьей рабочих плоскостях, при неодновременных регистрациях зондирующего импульса в указанных плоскостях, обнуляют результаты считывания, формируют последовательность стандартных импульсов, период следования которых предварительно корректируют в зависимости от длительности интервала времени между моментом излучения и моментом первой одновременной регистрации зондирующего импульса в первой и третьей рабочих плоскостях, и по количеству стандартных импульсов, сформированных за время проведения текущего цикла измерения в интервале времени между моментом последнего обнуления и моментом превышения результатом проводимого считывания первого заданного значения, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству стандартных импульсов, сформированных за время проведения предыдущих циклов измерения в интервалах времени между моментом превышения результатом проводимого считывания первого заданного значения и моментом превышения указанным результатом второго заданного значения, судят о суммарном расходе.

Относительно устройства для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащего исполнительный узел и электронный блок в составе схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования последовательности стандартных импульсов и схемы считывания, поставленная задача решается тем, что исполнительный узел выполнен в виде измерительной трубки, соединяющей линию полного давления с линией статического давления воды в трубопроводе, первого ультразвукового преобразователя, установленного на стенках измерительной трубки, второго ультразвукового преобразователя, установленного на стенках измерительной трубки между линией статического давления и первым ультразвуковым преобразователем и размещенного на базовом расстоянии от последнего, и третьего ультразвукового преобразователя, установленного на стенках измерительной трубки между линией полного давления и первым ультразвуковым преобразователем и размещенного на базовом расстоянии от последнего, а в электронный блок включена схема запуска, при этом в состав схемы формирования информационных сигналов электронного блока включены генератор импульсов, к выходу которого подключен первый ультразвуковой преобразователь, первый усилитель-формирователь, вход которого соединен со вторым ультразвуковым преобразователем, второй усилитель-формирователь, вход которого соединен с третьим ультразвуковым преобразователем, логический элемент ИЛИ, логический элемент И, первый вход которого соединен с первым входом логического элемента ИЛИ и подключен к выходу первого усилителя-формирователя, второй вход соединен со вторым входом логического элемента ИЛИ и подключен к выходу второго усилителя-формирователя, три электронных ключа и три диода, при этом отпирающий вход первого электронного ключа соединен со входом генератора импульсов и подключен к своему выходу, а через первый диод - к выходу схемы запуска, запирающий вход второго электронного ключа и отпирающий вход третьего электронного ключа подключены к выходу логического элемента ИЛИ, вход первого электронного ключа через второй и третий диоды подключен соответственно к выходу первого и к выходу второго усилителя-формирователя, вход второго и вход третьего электронных ключей подключены к выходу логического элемента И, в состав схемы формирования последовательности стандартных импульсов электронного блока включены триггер, первый установочный вход которого подключен к выходу схемы запуска, ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу триггера, четвертый диод, через который второй установочный вход триггера соединен с запирающими входами первого и третьего электронных ключей и с отпирающим входом второго электронного ключа, и пятый диод, через который указанный вход триггера подключен к выходу третьего электронного ключа, а в состав схемы считывания включены четыре счетчика, четвертый электронный ключ, к выходу которого подключен вход второго счетчика, вход соединен с первым установочным входом ждущего мультивибратора, со входом первого счетчика и подключен к выходу третьего электронного ключа, а запирающий вход соединен со вторым установочным входом ждущего мультивибратора и подключен к выходу второго счетчика, пятый и шестой электронные ключи, через которые к выходу ждущего мультивибратора подключены соответственно вход третьего и вход четвертого счетчиков, шестой диод, через который запирающий вход первого электронного ключа подключен к выходу второго счетчика, седьмой и восьмой диоды, через которые входы сброса показаний первого и третьего счетчиков подключены соответственно к выходу схемы запуска и к выходу логического элемента ИЛИ, при этом отпирающий вход четвертого, отпирающий вход пятого и запирающий вход шестого электронных ключей подключены к выходу первого счетчика, а отпирающий вход шестого и запирающий вход пятого электронных ключей подключены к выходу второго счетчика.

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 P_x, линию б статического давления P_o, исполнительный узел в составе измерительной трубки 1 и трех ультразвуковых преобразователей 8-10 и электронный блок 11 (фиг. 1).

Электронный блок включает в себя схему формирования информационных сигналов в составе генератора 12 импульсов, двух усилителей-формирователей 13-14, логического элемента ИЛИ 15, логического элемента И 16, первого, второго и третьего электронных ключей 17-19 и трех диодов 20-22, схема формирования последовательности стандартных импульсов в составе триггера 23, ждущего мультивибратора 24 и двух диодов 25-26, схему считывания в составе четвертого, пятого и шестого электронных ключей 27-29, трех диодов 30-32 и четырех счетчиков 33-36 и схему 37 запуска (фиг. 2).

Способ заключается в следующем.

В основу предлагаемого способа определения мгновенного и суммарного расхода заложен принцип измерения максимальной скорости потока по величине скоростного напора (P_x-P_o) в заданной области поперечного сечения трубопровода 1 при частичном блокировании потока воды в этой области посредством линии 5 полного давления P_x, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока. При этом линией 6 статического давления P_o задают область продольного сечения потока, которую измерительной трубкой 7 соединяют с линией 5 (фиг. 1).

Благодаря наличию заслонки 3 и шлюзовой камеры 4, установленных на седелке 2, линия 5 полного давления и линия 6 статического давления исполнительного узла монтируются (демонтируются) в трубопровод 1 без перерыва подачи воды.

В направлении, противоположном направлению частично отведенного потока в измерительной трубке 7 и на базовом расстоянии L_o друг от друга задают первую, вторую и третью рабочие плоскости A, В и С. В плоскости В устанавливают работающий в режиме излучения первый ультразвуковой преобразователь 8, в плоскостях A и С - работающие в режиме приема второй и третий ультразвуковые преобразователи 9 и 10.

В начале первого и каждого последующего циклов измерения, которые выполняют через равные интервалы времени, на отпирающий вход первого электронного ключа 17 и на вход генератора 12 через первый диод 20 поступает электрический импульс 38 схемы 37 запуска. Срабатывая, генератор 12 возбуждает первый преобразователь 8. В результате во второй рабочей плоскости В сформируется зондирующий импульс 39, который в виде сигналов J1 и J2 (фиг. 1 и 2) направляют соответственно по и против частично отведенного потока.

Электрический импульс 38 поступает также на первый установочный вход триггера 23, приступающего к формированию строба 86, и сбрасывает показания первого счетчика 33, а через седьмой диод 31 - показания третьего счетчика 35.

Зондирующий импульс 39, излученный в направлении первой рабочей плоскости A (сигнал J1), проходит вдоль потока в измерительной трубке 1 расстояние L_o и, спустя время T1 после излучения, равное разности значений Т_o и Т_x (где Т_o - время, необходимое для прохождения сигналом J1 (J2) расстояния L_o при P_x, равном P_o, а Т_x - интервал времени по длительности, пропорциональный скорости потока), достигает плоскость A в виде акустического сигнала 51, преобразуется вторым преобразователем 9 в электрический и поступает на вход первого усилителя-формирователя 13. Соответствующий сигналу 51 электрический импульс 70 с выхода усилителя 13 через второй диод 21 поступает на вход первого электронного ключа 17, к выходу которого подключен выход генератора 12. Генератор 12 возбуждает первый преобразователь 8, который в виде акустического сигнала 40 производит первое переизлучение зондирующего импульса 39.

Зондирующий импульс 39, излученный в направлении третьей рабочей плоскости С (сигнал J2), проходит против потока расстояние L_o и, спустя время T2 после излучения, равное сумме значений Т_o и Т_x, достигает плоскость С в виде акустического сигнала 60, преобразуется третьим преобразователем 10 в электрический и поступает на вход второго усилителя-формирователя 14. Соответствующий сигналу 60 электрический импульс 71 с выхода усилителя 14 через третий диод 22 и первый электронный ключ 17 поступает на вход генератора 12, посылающего очередной электрический импульс на преобразователь 8. Возбуждаясь, преобразователь 8 в виде акустического сигнала 41 производит второе переизлучение зондирующего импульса 39.

Электрический импульс 70 и регистрируемый спустя отрезок времени, равный 2T_x, электрический импульс 71 поступают также на логический элемент ИЛИ 15 и логический элемент И 16. При отсутствии потока воды (при равенстве значений P_x и P_o) сигналы 51 и 60 зарегистрируются преобразователями 9-10 одновременно и в виде единого электрического импульса с выхода элемента 16 поступят на вход открытого в исходном состоянии второго электронного ключа 18 и на вход закрытого в исходном состоянии третьего электронного ключа 19. К выходу второго ключа 18 подключен запирающий вход первого электронного ключа 17, а через четвертый диод 25 - второй установочный вход триггера 23, поэтому через ключ 18 указанный импульс отключит вход генератора 12 от выхода первого и выхода второго усилителей-формирователей 13-14 и остановит работу триггера 23, прекращая текущий цикл измерения. При этом, если указанный цикл был первым, то показания третьего счетчика 35, по которым судят о мгновенном расходе, и показания четвертого счетчика 36, по показаниям которого судят о суммарном расходе, останутся нулевыми.

На фиг. 3 временные диаграммы поясняют способ при наличии потока воды в трубопроводе 1 (P_x превышает P_o). Поэтому логический элемент 15 пропускает электрические импульсы 70 и 71 на запирающий вход второго электронного ключа 18 и на отпирающий вход третьего электронного ключа 19.

В результате первого и второго переизлучения зондирующего импульса 39 преобразователи 9 и 10 зарегистрируют четыре акустических сигнала 52, 53, 61 и 62, второй и третий из которых достигают плоскостей A и С одновременно. Поэтому при воздействии на первый и второй входы логического элемента 16 электрических импульсов, соответствующих сигналам 53 и 61 и одновременно сформированных усилителями 13-14, на выходе элемента 16 сформируется электрический импульс 79, который через третий электронный ключ поступит на вход первого счетчика 33, на вход закрытого в исходном состоянии четвертого электронного ключа 27, на первый установочный вход ждущего мультивибратора 24, а через пятый диод 26 - на второй установочный вход триггера 23. Триггер 23 возвращается в исходное состояние. Сформированный триггером 23 строб 86 длительностью 2T_o поступает на управляющий вход ждущего мультивибратора 21 для предварительной корректировки периода следования последовательности стандартных импульсов 87-89, к формированию которой мультивибратор 24 приступает. При этом первый преобразователь 8 производит очередное переизлучение зондирующего импульса 39.

Соответствующий акустическому сигналу 52 электрический импульс 71, формируемый первым усилителем 13, через диод 21, электронный ключ 17 и генератор 12 возбуждает преобразователь 8, излучающий очередной акустический сигнал 42, и через логический элемент 15 производит подтверждение состояния электронных ключей 18-19 и счетчика 35. Соответствующий акустическому сигналу 62 электрический импульс 73, формируемый вторым усилителем 14, по сравнению с электрическим импульсом 71, поступая через восьмой диод 32 на третий счетчик 35, производит первое обнуление его показаний, соответствующих количеству стандартных импульсов 87 ждущего мультивибратора 24, поступающих на вход счетчика 35 через пятый электронный ключ 28.

Как показано на фиг. 3, в ходе проведения текущего цикла измерения первый ультразвуковой преобразователь 8 формирует группы акустических сигналов 40-41, 42-43, 44-45 и 46-47, в каждой очередной из которых количество указанных сигналов на один больше, чем в предыдущей группе. В соответствующих группах 52-53, 54- 55, 56-57 акустических сигналов, регистрируемых вторым преобразователем 9, и группах 61-62, 63-64, 65-66 сигналов, регистрируемых третьим преобразователем 10, крайние сигналы являются одиночными, а средние - двойными. Поэтому электрические импульсы 80-85 с выхода логического элемента И 16 и через третий электронный ключ 19 направляют на вход счетчика 33, а электрические импульсы 72-77 с выхода логического элемента ИЛИ 15 через диод 32 - на вход сброса показаний счетчиков 33 и 35.

Последнее обнуление результатов считывания счетчиком 33 электрических импульсов 79-85 и результатов считывания счетчиком 35 стандартных импульсов 87 происходит в момент регистрации акустического сигнала 67 и формирования соответствующего ему электрического импульса 78, т.к. акустический сигнал 48, излучаемый преобразователем 8, является последним сигналом, сформированным во второй рабочей плоскости В от одиночного сигнала 78. Т.е. электрические сигналы 84-85, формируемые в моменты регистрации в первой рабочей плоскости A акустических сигналов 58-59 и в моменты регистрации в третьей рабочей плоскости С акустических сигналов 68-69, являются двойными.

В момент превышения результатом проводимого считывания первого заданного значения N1 импульс переполнения с выхода счетчика 33 поступает на отпирающие входы четвертого и шестого электронных ключей 27 и 29 и на запиравший вход пятого электронного ключа 28. Электронный ключ 27 открывается и группа электрических импульсов 84-85 начинает поступать на вход второго счетчика 34, а в результате коммутации ключей 28-29 группа стандартных импульсов 89 начинает регистрироваться четвертым счетчиком 36.

В момент превышения результатом проводимого считывания второго заданного значения N2 импульс переполнения с выхода счетчика 34 производит обратную коммутацию ключей 28-29, поступает на второй установочный вход ждущего мультивибратора 24 и останавливает его работу. Формирование последовательности стандартных импульсов 80-89 прекращается.

Кроме того, импульс N2 переполнения через шестой диод 30 возвращает в исходные состояния электронные ключи 17, 18 и 19. Первый цикл измерения заканчивается. Спустя заданный интервал времени с момента начала проведения указанного цикла, на выходе схемы 37 запуска сформируется очередной электрический импульс 38. Начинается второй цикл измерения, затем третий и т.д. При этом о мгновенном расходе судят по показаниям третьего счетчика 35, пропорциональным количеству стандартных импульсов 88, а о суммарном - по суммарному количеству стандартных импульсов 89, сформированных ждущим мультивибратором 24 за время проведения предыдущих циклов измерения.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет определять мгновенный и суммарный расходы воды в трубопроводах большого диаметра не по номеру поддиапазона скоростей потока, рекомендуемых для выбранного диаметра магистрального трубопровода, а по количеству стандартных импульсов, период следования которых пропорционален значению скорости потока в трубопроводе, что позволяет повысить разрешающую способность.

Литература

1. Лобачев П.В., Шевелев Ф.А. Водомеры для водопроводов и канализации. Изд. лит. по строительству, М., 1984, с. 267-276.

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