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, со стороны воздействия на поршень полного давления и со стороны воздействия на поршень статического давления задают соответственно первую и вторую базовые плоскости, которые размещают на равных расстояниях от плоскости пространственного положения поршня при отсутствии потока воды в трубопроводе, вдоль направления воздействия на поршень статического давления и симметрично относительно второй базовой плоскости задают первую и вторую дополнительные базовые плоскости, совмещают с первой базовой плоскостью первую плоскость излучения и первую плоскость регистрации, совмещают с первой и второй дополнительными базовыми плоскостями соответственно вторую плоскость регистрации и вторую плоскость излучения, и в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, в первой и во второй плоскостях излучения формируют соответственно первый и второй акустические импульсы, посылают первый акустический импульс в направлении поршня с последующим его переотражением поршнем в направлении первой плоскости регистрации, и в момент первой и каждой последующей регистрации первого акустического импульса производят его переизлучение, посылают второй акустический импульс в направлении второй плоскости регистрации, а также в направлении поршня с последующим его переотражением поршнем в направлении второй плоскости регистрации, и после каждой очередной регистрации первого акустического импульса производят переизлучение второго акустического импульса, задерживают момент первого переизлучения второго акустического импульса относительно момента первой регистрации первого акустического импульса на время, равное интервалу времени между моментом начала проведения очередного цикла измерения и последующим за ним моментом первой регистрации второго акустического импульса, формируют последовательность информационных сигналов, длительность каждого из которых выбирают равной интервалу времени между моментом очередной регистрации первого акустического импульса и моментом очередной нечетной регистрации второго акустического импульса, задерживают момент второго и каждого последующего переизлучения второго акустического импульса относительно момента соответствующей регистрации первого акустического импульса на время, равное длительности последнего из сформированных на момент переизлучения информационного сигнала, в момент одновременной регистрации первого и второго акустических импульсов прекращают проведение текущего цикла измерения, и по количеству информационных сигналов, сформированных за время проведения указанного цикла, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству информационных сигналов, формируемых в процессе измерения, 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 и схемы считывания, отличающееся тем, что в состав исполнительного узла включены корпус, в котором размещен поршень с возвратной пружиной, первая измерительная трубка, соединяющая первый входной канал корпуса с линией полного давления, вторая измерительная трубка, соединяющая второй входной канал корпуса с линией статического давления, и три ультразвуковых преобразователя, первый из которых совмещен с первой базовой плоскостью и установлен на стенках первой измерительной трубки на базовом расстоянии от плоскости пространственного положения поршня при отсутствии потока воды в трубопроводе, а второй и третий установлены на стенках второй измерительной трубки симметрично относительно второй базовой плоскости, в состав электронного блока включена схема запуска, схема формирования информационных сигналов блока выполнена в виде двух генераторов, двух усилителей, девяти электронных ключей, двух одновибраторов, триггера и логического элемента И, а схема считывания - в виде двух счетчиков, вход первого генератора и отпирающий вход второго электронного ключа подключены к выходу схемы запуска и к выходу второго электронного ключа, вход второго генератора подключен к выходу первого и к выходу второго одновибраторов, к первому выходу первого генератора подключены вход первого электронного ключа и первый ультразвуковой преобразователь, ко второму выходу - отпирающий вход первого электронного ключа, к выходу второго генератора подключен второй ультразвуковой преобразователь, вход первого усилителя подключен к выходу первого электронного ключа, вход второго усилителя подключен к третьему ультразвуковому преобразователю, вход первого счетчика и вход второго счетчика подключены к выходу пятого электронного ключа, вход второго электронного ключа и запирающий вход первого электронного ключа подключены к выходу первого усилителя, вход третьего электронного ключа и вход четвертого электронного ключа подключены к выходу второго усилителя, вход пятого электронного ключа, вход шестого электронного ключа, вход седьмого электронного ключа и отпирающий вход пятого электронного ключа подключены к выходу триггера, вход восьмого электронного ключа, вход девятого электронного ключа, первый вход логического элемента и первый установочный вход триггера подключены к выходу схемы запуска, запирающий вход второго электронного ключа, запирающий вход пятого электронного ключа и вход сброса показаний первого счетчика подключены к выходу логического элемента, запирающий вход третьего электронного ключа, отпирающий вход четвертого электронного ключа и второй установочный вход триггера подключены к выходу третьего электронного ключа, запирающий вход четвертого электронного ключа, отпирающий вход третьего электронного ключа и второй вход логического элемента подключены к выходу четвертого электронного ключа, запирающий вход шестого электронного ключа, отпирающий вход седьмого электронного ключа и управляющий вход первого одновибратора подключены к выходу шестого электронного ключа, запирающий вход седьмого электронного ключа, отпирающий вход шестого электронного ключа и управляющий вход второго одновибратора подключены к выходу седьмого электронного ключа, запирающий вход восьмого электронного ключа, отпирающий вход девятого электронного ключа и вход первого одновибратора подключены к выходу восьмого электронного ключа, а запирающий вход девятого электронного ключа, отпирающий вход восьмого электронного ключа и вход второго одновибратора подключены к выходу девятого электронного ключа.

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 [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 групп стандартных импульсов, схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования кратковременных импульсов, схемы учета первого информационного импульса, схемы считывания информационных импульсов и считчика 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, со стороны воздействия на поршень полного давления и со стороны воздействия на поршень статического давления задают соответственно первую и вторую базовые полости, которые размещают на разных расстояниях от плоскости пространственного положения поршня при отсутствии потока воды в трубопроводе, вдоль направления воздействия на поршень статического давления и симметрично относительно второй базовой плоскости задают первую и вторую плоскости регистрации, совмещают с первой и второй базовыми плоскостями соответственно вторую плоскость регистрации и вторую плоскость излучения, и в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, в первой и во второй плоскостях излучения формируют соответственно первый и второй акустические импульсы, посылают первый акустический импульс в направлении поршня с последующим его переотражением поршнем в направлении первой плоскости регистрации, и в момент первой и каждой последующей регистрации первого акустического импульса производят его переизлучение, посылают второй акустический импульс в направлении второй плоскости регистрации, а также в направлении поршня с последующим его переотражением поршнем в направлении второй плоскости регистрации, и после каждой очередной регистрации первого акустического импульса производят переизлучение второго акустического импульса, задерживают момент первого переизлучения второго акустического импульса относительно момента первой регистрации первого акустического импульса на время, равное интервалу времени между моментом начала проведения очередного цикла измерения и последующим за ним моментом первой регистрации второго акустического импульса, формируют последовательность информационных сигналов, длительность каждого из которых выбирают равной интервалу времени между моментом очередной регистрации первого акустического импульса и моментом очередной нечетной регистрации второго акустического импульса второго акустического импульса, задерживают момент второго и каждого последующего переизлучения второго акустического импульса относительно момента соответствующей регистрации первого акустического импульса на время, равное длительности последнего из сформированных на момент переизлучения информационного сигнала, в момент одновременной регистрации первого и второго акустических импульсов прекращают проведение текущего цикла измерения и по количеству информационных сигналов, сформированных за время проведения указанного цикла, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству информационных сигналов, формируемых в процессе измерения, 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 и схемы считывания, поставленная задача решается тем, что в составе исполнительного узла включены корпус, в котором размещен поршень с возвратной пружиной, первая измерительная труба, соединяющая первый входной канал корпуса с линией полного давления, вторая измерительная трубка, соединяющая второй входной канал корпуса с линией статического давления, и три ультразвуковых преобразователя, первый из которых совмещен с первой базовой плоскостью и установлен на стенках первой измерительной трубки на базовом расстоянии от плоскости пространственного положения поршня при отсутствии потока воды в трубопроводе, а второй и третий установлены на стенке второй измерительной трубки симметрично относительно второй базовой плоскости, в состав электронного блока включена схема запуска, схема формирования информационных сигналов блока выполнена в виде двух генераторов, двух усилителей, девяти электронных ключей, двух одновибраторов, триггера и логического элемента, а схема считывания - в виде двух счетчиков, вход первого генератора и отпирающий вход второго электронного ключа подключены к выходу схемы запуска и к выходу второго электронного ключа, вход второго генератора подключен к выходу первого и к выходу второго одновибраторов, к первому выходу первого генератора подключены вход первого электронного ключа и первый ультразвуковой преобразователь, ко второму выходу - отпирающий вход первого электронного ключа, к выходу второго генератора подключен второй ультразвуковой преобразователь, вход первого усилителя-формирователя подключен к выходу первого электронного ключа, вход второго усилителя подключен к третьему ультразвуковому преобразователю, вход первого счетчика и вход второго счетчика подключен к выходу пятого электронного ключа, вход второго электронного ключа и запирающий вход первого электронного ключа подключены к выходу первого усилителя-формирователя, вход третьего электронного ключа и вход четвертого электронного ключа подключены к выходу второго усилителя, вход пятого электронного ключа, вход шестого электронного ключа, вход седьмого электронного ключа и отпирающий вход пятого электронного ключа подключены к выходу триггера, вход восьмого электронного ключа, вход девятого электронного ключа, первый вход логического элемента и первый установочный вход триггера подключены к выходу схемы запуска, запирающий вход второго электронного ключа, запирающий вход пятого электронного ключа и вход сброса показаний первого счетчика подключены к выходу логического элемента, запирающий вход третьего электронного ключа, отпирающий вход четвертого электронного ключа и второй установочный вход триггера подключены к выходу третьего электронного ключа, запирающий вход четвертого электронного ключа, отпирающий вход третьего электронного ключа и второй вход логического элемента подключены к выходу четвертого электронного ключа, запирающий вход шестого электронного ключа, отпирающий вход седьмого электронного ключа и управляющий вход первого одновибратора подключены к выходу шестого электронного ключа, запирающий вход седьмого электронного ключа, отпирающий вход шестого электронного ключа и управляющий вход второго одновибратора подключены к выходу седьмого электронного ключа, запирающий вход восьмого электронного ключа, отпирающий вход девятого электронного ключа и вход первого одновибратора подключены к выходу восьмого электронного ключа, а запирающий вход девятого электронного ключа, отпирающий вход восьмого электронного ключа и вход второго одновибратора подключены к выходу девятого электронного ключа.

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 исполнительный узел 5 и электронный блок 6 (фиг. 1 - 2).

В состав исполнительного узла включены отдельный корпус 7 с поршнем 8 и возвратной пружиной 9, первая и вторая измерительные трубки 10 и 11, линия полного давления 12, линия статического давления 13 и три ультразвуковых преобразователя 14, 15 и 16 (фиг. 1).

В состав электронного блока включена схема 17 запуска устройства, а также схема формирования информационных сигналов и схема считывания, содержащие генераторы 18 - 19, усилители 20 - 21, электронные ключи 22 - 30, триггер 31, логический элемент "И" 32, одновибраторы 33 - 34 и счетчики 35 - 36 (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 в этой области посредством поршня 8, размещенного с возвратной пружиной 9 в отдельном корпусе 7 исполнительного узла 5 устройства, реализующего способ. При этом полным давлением Px на поршень 8, выполняющий роль области блокирования, воздействуют через первую измерительную трубку 10, соединяющую линию 12 с первым входным каналом корпуса 7, а статическим давлением Po - через вторую измерительную трубку 11, соединяющую со вторым входным каналом корпуса 7 линию 13 (фиг. 1).

Благодаря наличию заслонки 3 и шлюзовой камеры 4, установленных на сиделке 2, линия 12 полного давления Px, изогнутая в направлении, противоположном направлению потока, и линия 13 статического давления Po исполнительного узла 5 монтируются в трубопровод 1 без перерыва подачи воды.

На равных расстояниях Lб от пространственного положения поршня 8 (линия "A" на фиг. 1 - 2), в которое он смещается возвратной пружиной 9 при равенстве давлений Po и Px, задают первую и вторую базовые плоскости (линии "B" и "C" на фиг. 1 - 2). С первой базовой плоскостью совмещают рабочую плоскость первого ультразвукового преобразователя 14, установленного на стенках первой измерительной трубки 10, а симметрично второй базовой плоскости задают первую и вторую дополнительные базовые плоскости (на фиг. 1 - 2 не обозначены), с которыми совмещают рабочие плоскости соответственно второго и третьего ультразвуковых преобразователей 15 и 16, установленных на стенках второй измерительной трубки 11.

Первый ультразвуковой преобразователь 14, как показано на фиг. 2, подключен к первому генератору 18 и, через электронный ключ 22, к первому усилителю 20, поэтому его рабочую плоскость принимают за первую плоскость излучения и за первую плоскость регистрации акустических импульсов. При этом за вторую плоскость регистрации и вторую плоскость излучения принимают рабочую плоскость соответственно второго ультразвукового преобразователя 15, подключенного ко второму усилителю 21, и третьего ультразвукового преобразователя 16, подключенного ко второму генератору 19.

В начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени Tt (фиг. 3), на входе первого генератора 18 зондирующих импульсов поступает электрический импульс 37 схемы 17 запуска. Генератор 18 срабатывает и возбуждает первый преобразователь 14. В результате в первой плоскости излучения формируется первый акустический импульс 38.

Электрический импульс 37 через открытый в исходном состоянии девятый электронный ключ 30 поступает также на вход второго одновибратора 34. При этом импульс 37 запирает за собой ключ 30 и отпирает восьмой электронный ключ 29. Т. к. предварительного воздействия триггера 31 (через седьмой электронный ключ 28) на управляющий вход одновибратора 34 не производилось, на вход второго генератора 19 зондирующих импульсов импульс 37 поступит без задержки во времени. Генератор 19 срабатывает и возбуждает третий преобразователь 16. В результате во второй плоскости излучения сформируется второй акустический импульс 53.

Кроме того, в момент формирования акустических импульсов 38 и 53, обозначенных на фиг. 2 символами J1 и J2, электрический импульс 37 поступает на первый вход логического элемента 32 и на первый установочный вход триггера 31, приступающего к формированию строба 73.

В связи с тем, что ввод ультразвуковых колебаний в измерительные трубки 10 - 11 производят посредством преобразователей цилиндрической формы, акустические сигналы J1 и J2 излучаются в двух противоположных направлениях: в направлении поршня 8 и направлении одной из линий (12 или 13), подводящих воду из трубопровода 1 к корпусу 7 исполнительного узла 5.

Пройдя в направлении поршня 8 расстояние L1, равное сумме расстояний Lб и Lх, где Lх - величина смещения поршня 8 при наличии потока воды в трубопроводе 1, первый акустический импульс 38 (J1) переотражается в обратном направлении и, спустя время T1 после излучения, достигает в виде акустического сигнала 42 первую плоскость регистрации (рабочую плоскость преобразователя 14). Преобразованный в электрический сигнал 42 через первый электронный ключ 22 поступает на вход усилителя 20. Сформированный усилителем 20 импульс 46 запирает ключ 22 и через открытый в исходном состоянии второй электронный ключ 23 поступает на вход первого генератора 18, посылающего электрический импульс на первый преобразователь 14. При этом указанный импульс, формируемый генератором 18 на втором выходе, отпирает ключ 22. Преобразователь 14 возбуждается и производит первое (второе, третье и т.д.) переизлучение первого акустического импульса J1 (импульсы 39 - 41 на фиг. 3).

Пройдя расстояние 2L1 (с промежуточным переотражением от поршня 8), импульс 39 (40, 41) в виде акустического сигнала 43 (44, 45) достигает первую плоскость регистрации (рабочую плоскость преобразователя 14) и преобразуется в электрический сигнал, поступающий через ключ 22 на вход усилителя 20. Сформированный усилителем 20 электрический импульс 47 (48, 49), как и предыдущий импульс 46, запирает первый электронный ключ 22, а через второй электронный ключ 23 в очередной раз возбуждает первый генератор 18.

Второй акустический импульс 53 (J2), излученный в направлении 13 статического давления Po, спустя время To, необходимое для прохождения заданного расстояния между дополнительными базовыми плоскостями, в виде акустического сигнала 57 достигает рабочую плоскость второго преобразователя 15. Преобразованный в электрический сигнал 57 поступает на вход второго усилителя 21. Электрический импульс 65, сформированный усилителем 21, проходит открытый в исходном состоянии третий электронный ключ 24, запирает его за собой, отпирает четвертый электронный ключ 25 и поступает на второй установочный вход триггера 31. Формирование триггером 31 строба 73 длительностью To прекращается. Строб 73 отпирает пятый электронный ключ 26, а через открытый в исходном состоянии шестой электронный ключ 27 поступает на управляющий вход первого одновибратора 33 и устанавливает величину временной задержки в срабатывании последнего, равной значению To.

Второй акустический импульс J2, излученный преобразователем 16 в направлении плоскости "A", переотражается поршнем 8 в обратном направлении и, спустя время T2 после излучения, в виде акустического сигнала 61 достигает вторую плоскость регистрации (рабочую плоскость преобразователя 15). Соответствующий сигналу 61 электрический импульс 69, сформированный усилителем 21, через открытый предыдущим импульсом 65 четвертый электронный ключ 25 возвращает в исходное состояние третий ключ 24, закрывает за собой ключ 25 и поступает на второй вход логического элемента "И" 32. Однако в результате того, что импульсы 46 и 49 воздействуют на логический элемент 32 не одновременно, реакции элемента 32 на указанные импульсы не поступает.

После каждой очередной регистрации первого акустического импульса J1 (сигналы 42, 43 и 44) производится переизлучение второго акустического импульса J2 (импульсы 54, 55 и 56). Электрический импульс 46, соответствующий моменту первой регистрации первого акустического импульса J1, проходит восьмой электронный ключ 29, запирает его собой, отпирает девятый электронный ключ 30 и поступает на вход первого одновибратора 33. Спустя время To, равное длительности строба 73, одновибратор 33 сформирует электрический импульс 50, при поступлении которого на вход второго генератора 19 третий преобразователь 16 произведет излучение акустического сигнала 54 (первое переизлучение второго акустического сигнала J2).

Электронный импульс 46 поступает также на первый установочный вход триггера 31 и на первый вход логического элемента 32. Логический элемент "И" 32, как было сказано, при поступлении на него одного импульса не срабатывает, а триггер 31 приступает к формированию первого сигнала 74 последовательности информационных сигналов 74 - 76, длительности 2To, 3To и 4To которых соответствуют интервалом времени между моментами очередной регистрации первого акустического импульса J1 (импульсы 46, 47 и 48) и моментами очередной нечетной регистрации второго акустического импульса J2 (импульсы 66, 67 и 68).

На фиг. 3 акустические сигналы 58 - 60 (и электрические импульсы 66 - 68) соответствуют второму акустическому импульсу J2, очередной раз переизлученному преобразователем 16 в направлении преобразователя 15, а акустические сигналы 62 - 64 (и электрические импульсы 70 - 72) - акустическому импульсу J2, переизлученному в направлении поршня 8.

Электрический импульс 66 второго усилителя 21 через электронный ключ 24 останавливает работу триггера 31 и производит очередную коммутацию ключей 24 и 25. Первый информационный сигнал 74, сформированный триггером 31, через открытый стробом 73 электронный ключ 26 поступает на вход первого счетчика 35 и на вход первого счетчика 36. Кроме того, через седьмой электронный ключ 28 сигнал 74 длительностью 2To поступает на управляющий вход второго одновибратора 34, в результате чего данный одновибратор сформирует электрический импульс 51 спустя время 2To после поступления на его вход через ключ 30 электрического импульса 47. Следующий, второй информационный сигнал 75 посредством первого одновибратора 33 задержит момент очередного переизлучения второго акустического импульса J2 (акустический импульс 56) относительно момента очередного переизлучения первого акустического импульса J1 (акустический импульс 41) на время 3To, третий сигнал - на время 4To, четвертый - на время 5To и т.д.

Проводимый цикл измерения, сопровождаемый считыванием информационных сигналов 74 - 76 счетчиками 35 и 36, заканчивают в момент регистрации акустических сигналов 45 и 64. Соответствующие им электрические импульсы 49 и 72 поступают на первый и второй входы логического элемента "И" 32 одновременно, поэтому электрическим импульсом 77 с выхода элемента 32 запирают второй и пятый электронные ключи 23 и 26 и сбрасывают показания первого счетчика 35, в результате чего выход первого усилителя 20 отключается от входа первого генератора 18, а выход триггера 31 - от входа счетчика 35, показания которого сбрасываются, и от входа счетчика 36.

Спустя время Tt после начала измерений приступают к проведению второго цикла измерения. При этом о величине мгновенного расхода в конце каждого очередного цикла измерения судят по показаниям первого счетчика 35, а о величине суммарного расхода - по показаниям второго счетчика 36, считывающего суммарное количество информационных сигналов, 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 информационных сигналов, периодически формируемых через равные интервалы времени, что позволяет повысить разрешающую способность.

Литература:

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).