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 в этой области, отличающийся тем, что задают область продольного сечения потока, посредством соединительной линии отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в область продольного сечения, против потока, протекающего по соединительной линии, задают первую плоскость регистрации, плоскость излучения и вторую плоскость регистрации, выбирают расстояние между первой плоскостью регистрации и плоскостью излучения равным расстоянию между плоскостью излучения и второй плоскостью регистрации, формируют последовательность стандартных импульсов, значение периода следования которых превышает длительность интервала времени, необходимого для проведения одного цикла измерения при максимальной скорости потока, в моменты формирования импульсов указанной последовательности приступают к проведению очередного цикла измерения, в начале которого в плоскости излучения формируют первый зондирующий импульс, излучают первый зондирующий импульс одновременно в направлении первой и в направлении второй плоскостей регистрации, спустя интервал времени, необходимый для распространения первого зондирующего импульса до второй плоскости регистрации, в плоскости излучения формируют второй зондирующий импульс, излучают второй зондирующий импульс одновременно в направлении первой и в направлении второй плоскостей регистрации, спустя интервал времени, необходимый для распространения второго зондирующего импульса до второй плоскости регистрации, приступают к формированию первой последовательности информационных сигналов, период следования которых предварительно согласовывают со значением интервала времени, необходимого для распространения второго зондирующего импульса до первой плоскости регистрации, одновременно с первой последовательностью информационных сигналов приступают к формированию второй последовательности информационных сигналов, период следования которых предварительно согласуют со значением интервала времени, необходимого для распространения первого зондирующего импульса до второй плоскости регистрации, выбирают количество информационных сигналов во второй последовательности равным предварительно заданному количеству информационных сигналов в первой последовательности, в момент формирования заданного по порядковому номеру информационного сигнала первой последовательности приступают к формированию последовательности счетных импульсов, период следования которых предварительно корректируют в зависимости от длительности интервала времени, равного суммарному значению времени, необходимого для распространения первого зондирующего импульса до второй плоскости регистрации, и времени, необходимого для распространения второго зондирующего импульса до первой плоскости регистрации, в момент формирования заданного по порядковому номеру информационного сигнала второй последовательности прекращают формирование последовательности счетных импульсов, считывают количество счетных импульсов, сформированных за время проведения очередного цикла измерения, и по результату считывания судят о мгновенном расходе, суммируют счетные импульсы последовательности, сформированной при проведении очередного цикла измерения, со счетными импульсами последовательностей, сформированных при проведении предыдущих циклов измерения, и по результату суммирования судят о суммарном расходе.

2. Устройство для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащее датчик скорости и вторичный прибор в составе схемы формирования последовательности стандартных импульсов и схемы считывания, отличающееся тем, что в состав датчика скорости включены корпус, измерительная трубка, установленная в корпусе и подключенная к линиям полного и статического давления в трубопроводе, и три ультразвуковых преобразователя, установленных на стенке измерительной трубки, а в состав вторичного прибора включены схема формирования зондирующих импульсов, схема формирования первой последовательности информационных сигналов, схема формирования второй последовательности информационных сигналов и схема формирования последовательности счетных импульсов, при этом в состав схемы формирования последовательности стандартных импульсов включен генератор стандартных импульсов, в состав схемы формирования зондирующих импульсов включены генератор зондирующих импульсов, вход которого через первый диод подключен к выходу генератора стандартных импульсов, а к выходу подключен первый ультразвуковой преобразователь, первый усилитель-формирователь, вход которого подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, установленному на стенке измерительной трубки со стороны линии статического давления, второй усилитель-формирователь, вход которого подключен к третьему ультразвуковому преобразователю, установленному на стенке измерительной трубки со стороны линии полного давления, первый электронный ключ, вход и отпирающий вход которого подключены к выходу первого усилителя-формирователя, второй электронный ключ, вход которого подключен к выходу второго усилителя-формирователя, а к выходу через второй диод подключен вход генератора зондирующих импульсов, третий электронный ключ, вход которого подключен к выходу второго усилителя-формирователя, четвертый электронный ключ, запирающий вход которого соединен с запирающим входом второго электронного ключа, с отпирающим входом третьего электронного ключа и подключен к выходу второго электронного ключа, и пятый электронный ключ, отпирающий вход которого соединен с запирающим входом четвертого электронного ключа, а запирающий вход соединен с отпирающим входом второго электронного ключа, с запирающим входом третьего электронного ключа, с отпирающим входом четвертого электронного ключа и подключен к выходу генератора стандартных импульсов, в состав схемы формирования первой последовательности информационных сигналов включены первый ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу пятого электронного ключа, и первый счетчик информационных сигналов, вход которого подключен к выходу первого ждущего мультивибратора, в состав схемы формирования второй последовательности информационных сигналов включены второй ждущий мультивибратор, первый установочный вход которого соединен с первым установочным входом первого ждущего мультивибратора и подключен к выходу третьего электронного ключа, а управляющий вход подключен к выходу четвертого электронного ключа, и шестой электронный ключ, вход которого подключен к выходу второго ждущего мультивибратора, отпирающий вход соединен со вторым установочным входом первого ждущего мультивибратора и подключен к выходу первого счетчика, запирающий вход соединен со вторым установочным входом второго ждущего мультивибратора и подключен к выходу шестого электронного ключа, в состав схемы формирования последовательности счетных импульсов включены триггер, первый установочный вход которого подключен к выходу генератора стандартных импульсов, а второй установочный вход соединен с запирающим входом первого электронного ключа и подключен к выходу первого электронного ключа, и третий ждущий мультивибратор, первый установочный вход которого подключен к выходу первого счетчика информационных сигналов, второй установочный вход подключен к выходу шестого электронного ключа, а управляющий вход соединен со входом четвертого электронного ключа, со входом пятого электронного ключа и подключен к выходу триггера, а в состав схемы считывания включены второй счетчик информационных сигналов, вход сброса показаний которого подключен к выходу первого счетчика информационных сигналов, и третий счетчик информационных сигналов, вход которого соединен со входом второго счетчика информационных сигналов и подключен к выходу третьего ждущего мультивибратора.

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 определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра содержит датчик скорости, установленный на несущей трубе с обеспечением возвратно-поступательного смещения вдоль потока воды в трубопроводе, электромеханический блок, связанный с датчиком скорости посредством контактной системы, и вторичный прибор в составе схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования последовательности стандартных импульсов, схемы формирования кратковременных импульсов, схемы учета первого информационного импульса и схемы считывания.

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 цель достигается 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, посредством соединительной линии отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в область продольного сечения, против потока, протекающего по соединительной линии, задают первую плоскость регистрации, плоскость излучения и вторую плоскость регистрации, выбирают расстояние между первой плоскостью регистрации и плоскостью излучения равным расстоянию между плоскостью излучения и второй плоскостью регистрации, формируют последовательность стандартных импульсов, значение периода следования которых превышает длительность интервала времени, необходимого для проведения одного цикла измерения при максимальной скорости потока, в моменты формирования импульсов указанной последовательности приступают к проведению очередного цикла измерения, в начале которого в плоскости излучения формируют первый зондирующий импульс, излучают первый зондирующий импульс одновременно в направлении первой и в направлении второй плоскостей регистрации, спустя интервал времени, необходимый для распространения первого зондирующего импульса до второй плоскости регистрации, в плоскости излучения формируют второй зондирующий импульс, излучают второй зондирующий импульс одновременно в направлении первой и в направлении второй плоскостей регистрации, спустя интервал времени, необходимый для распространения второго зондирующего импульса до второй плоскости регистрации, приступают к формированию первой последовательности информационных сигналов, период следования которых предварительно согласовывают со значением интервала времени, необходимого для распространения второго зондирующего импульса до первой плоскости регистрации, одновременно с первой последовательностью информационных сигналов приступают к формированию второй последовательности информационных сигналов, период следования которых предварительно согласуют со значением интервала времени, необходимого для распространения первого зондирующего импульса до второй плоскости регистрации, выбирают количество информационных сигналов во второй последовательности равным предварительно заданному количеству информационных сигналов в первой последовательности, в момент формирования заданного по порядковому номеру информационного сигнала первой последовательности приступают к формированию последовательности счетных импульсов, период следования которых предварительно корректируют в зависимости от длительности интервала времени, равного суммарному значению времени, необходимого для распространения первого зондирующего импульса до второй плоскости регистрации, и времени, необходимого для распространения второго зондирующего импульса до первой плоскости регистрации, в момент формирования заданного по порядковому номеру информационного сигнала второй последовательности прекращают формирование последовательности счетных импульсов, считывают количество счетных импульсов, сформированных за время проведения очередного цикла измерения, и по результату считывания судят о мгновенном расходе, суммируют счетные импульсы последовательности, сформированной при проведении очередного цикла измерения, со счетными импульсами последовательностей, сформированных при проведении предыдущих циклов измерения, и по результату суммирования судят о суммарном расходе.

Относительно устройства для реализации способа, содержащего датчик скорости и вторичный прибор в составе схемы формирования последовательности стандартных импульсов, и схемы считывания, поставленная задача решается тем, что в состав датчика скорости включены корпус, соединительная линия, помещенная в корпус и подключенная к линиям полного и статического давления в трубопроводе, и три ультразвуковых преобразователя, установленных на стенке измерительной трубки, а в состав вторичного прибора включены схема формирования зондирующих импульсов, схема формирования первой последовательности информационных сигналов, схема формирования второй последовательности информационных сигналов и схема формирования последовательности счетных импульсов, при этом в состав схемы формирования последовательности стандартных импульсов включен генератор стандартных импульсов, в состав схемы формирования зондирующих импульсов включены генератор зондирующих импульсов, вход которого через первый диод подключен к выходу генератора стандартных импульсов, а к выходу подключен первый ультразвуковой преобразователь, первый усилитель-формирователь, вход которого подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, установленному на стенке измерительной трубки со стороны линии статического давления, второй усилитель-формирователь, вход которого подключен к третьему ультразвуковому преобразователю, установленному на стенке измерительной трубки со стороны линии полного давления, первый электронный ключ, вход и отпирающий вход которого подключены к выходу первого усилителя-формирователя, второй электронный ключ, вход которого подключен к выходу второго усилителя-формирователя, а к выходу через второй диод подключен вход генератора зондирующих импульсов, третий электронный ключ, вход которого подключен к выходу второго усилителя-формирователя, четвертый электронный ключ, запирающий вход которого соединен с запирающим входом второго электронного ключа, с отпирающим входом третьего электронного ключа и подключен к выходу второго электронного ключа, и пятый электронный ключ, отпирающий вход которого соединен с отпирающим входом четвертого электронного ключа, а запирающий вход соединен с отпирающим входом второго электронного ключа, с запирающим входом третьего электронного ключа, с отпирающим входом четвертого электронного ключа и подключен к выходу генератора стандартных импульсов, в состав схемы формирования первой последовательности информационных сигналов включены первый ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу пятого электронного ключа, и первый счетчик информационных сигналов, вход которого подключен к выходу первого ждущего мультивибратора, в состав схемы формирования второй последовательности информационных сигналов включены второй ждущий мультивибратор, первый установочный вход которого соединен с первым установочным входом первого ждущего мультивибратора и подключен к выходу третьего электронного ключа, а управляющий вход подключен к выходу четвертого электронного ключа, и шестой электронный ключ, вход которого подключен к выходу второго ждущего мультивибратора, отпирающий вход соединен со вторым установочным входом первого ждущего мультивибратора и подключен к выходу первого счетчика, запирающий вход соединен со вторым установочным входом второго ждущего мультивибратора и подключен к выходу шестого электронного ключа, в состав схемы формирования последовательности счетных импульсов включены триггер, первый установочный вход которого подключен к выходу генератора стандартных импульсов, а второй установочный вход соединен с запирающим входом первого электронного ключа и подключен к выходу первого электронного ключа, и третий ждущий мультивибратор, первый установочный вход которого подключен к выходу первого счетчика информационных сигналов, второй установочный вход подключен к выходу шестого электронного ключа, а управляющий вход соединен с входом четвертого электронного ключа, с входом пятого электронного ключа и подключен к выходу триггера, а в состав схемы считывания включены второй счетчик информационных сигналов, вход сброса показаний которого подключен к выходу первого счетчика информационных сигналов, и третий счетчик информационных сигналов, вход которого соединен с входом второго счетчика информационных сигналов и подключен к выходу третьего ждущего мультивибратора.

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

Устройство для реализации способа определения расхода воды в трубопроводе 1 большого диаметра монтируется посредством седелки 2. В состав его датчика скорости включены линия 3 полного давления P_x, линия 4 статического давления P₀, измерительная трубка 5 и корпус 6, в котором установлены первый, второй и третий ультразвуковые преобразователи 7, 8 и 9 (фиг. 1).

Вторичный прибор 10 устройства, подключенный к датчику скорости посредством линии 11 связи, содержит схему формирования последовательности стандартных импульсов в составе генератора 12 стандартных импульсов, схему формирования зондирующих импульсов в составе первого генератора 13 зондирующих импульсов, первого усилителя-формирователя 14, второго усилителя-формирователя 15, первого электронного ключа 16, второго электронного ключа 17, третьего электронного ключа 18, четвертого электронного ключа 19, пятого электронного ключа 20 и двух диодов 21 и 22, схему формирования первой последовательности информационных сигналов в составе первого ждущего мультивибратора 23 и первого счетчика 24 информационных сигналов, схему формирования второй последовательности информационных сигналов в составе второго ждущего мультивибратора 25 и шестого электронного ключа 26, схему формирования последовательности счетных импульсов в составе пятого триггера 27 и третьего ждущего мультивибратора 28 и схему считывания в составе второго и третьего счетчиков 29 и 30 информационных сигналов (фиг. 2).

Способ заключается в следующем.

Предлагаемый способ осуществляется путем периодического измерения скорости потока в заданной области поперечного сечения трубопровода 1 большого диаметра при частичном блокировании потока в этой области посредством линии 3 полного давления P_x. При этом линией 4 статического давления P₀ задают область продольного сечения потока, которую посредством соединительной линии 5 подключают к линии 3 полного давления P_x и, тем самым, отводят поток из области блокирования в поперечном сечении в область его продольного сечения (фиг. 1).

Против потока, протекающего по измерительной трубке 5, задают первую плоскость регистрации, плоскость излучения и вторую плоскость регистрации зондирующих импульсов 32-33 и совмещают с указанными плоскостями рабочую плоскость соответственно второго, первого и третьего ультразвуковых преобразователей 8, 7 и 9. При этом расстояние L₀ между первой плоскостью регистрации и плоскостью излучения (между преобразователями 8 и 7 на фиг. 2) выбирают равным расстоянию L₀ между плоскостью излучения и второй плоскостью регистрации (между преобразователями 7 и 9).

При включении вторичного прибора 10 генератор 12 приступает к формированию последовательности стандартных импульсов 31, период T_z следования которых превышает длительность интервала времени, необходимого для проведения одного цикла измерения при максимальной скорости потока. В моменты формирования генератором 12 импульсов 31 приступают к проведению очередного (первого, второго и т.д.) цикла измерения. Импульсы 31 с выхода генератора 12 поступают на отпирающие входы второго и четвертого электронных ключей 17 и 19, на запирающие входы третьего и пятого электронных ключей 18 и 20, на первый установочный вход триггера 27 и на вход генератора 13 зондирующих импульсов, выход которого посредством линии 11 связи подключен к первому ультразвуковому преобразователю 7. В результате преобразователь 7 в плоскости излучения сформирует первый зондирующий импульс 32, а триггер 27 приступит к формированию строба 44, который начинает поступать на управляющие входы второго (через четвертый электронный ключ 19) и третьего ждущих мультивибраторов 25 и 28.

Первый зондирующий импульс 32 излучают одновременно в направлении первой и в направлении второй плоскостей регистрации (в направлении стрелок J₁ и J₂ на фиг. 1-2). Спустя время T₁, равное интервалу времени (T₀-T_v), где T₀ - время прохождения зондирующими импульсами расстояния L₀ при отсутствии потока, а T_v - приращение к значению T₀, пропорциональное скорости потока, зондирующий импульс 32 в виде акустического сигнала 34 достигает первую плоскость регистрации, преобразуется вторым ультразвуковым преобразователем 8 в электрический и по линии 11 связи поступает на вход первого усилителя-формирователя 14. Сформированный усилителем 14 электрический импульс 38 поступает на отпирающий вход закрытого в исходном состоянии первого электронного ключа 16.

Спустя интервал времени T₂, равный значению (T₀+T_v), первый зондирующий импульс 32 в виде акустического сигнала 35 достигает вторую плоскость регистрации, преобразуется третьим ультразвуковым преобразователем 9 в электрический и поступает на вход второго усилителя-формирователя 15. Электрический импульс 39, сформированный на выходе усилителя 15, проходит второй электронный ключ 17, закрывает его за собой, открывает третий и пятый электронные ключи 18 и 20 и закрывает четвертый электронный ключ 19. Четвертый электронный ключ 19, сформировав строб 43 длительностью T₂, отключает выход триггера 27 от управляющего входа второго ждущего мультивибратора 25, а пятый электронный ключ 20, подключив выход триггера 27 к управляющему входу первого ждущего мультивибратора 23, приступает к формированию строба 42 длительностью T₁.

Через второй диод 22 электрический импульс 39 поступает на вход генератора 13. В результате в плоскости излучения преобразователем 7 сформируется второй зондирующий импульс 33, который также излучают в направлении двух плоскостей регистрации.

Спустя интервал времени T₁, равный значению (T₀-T_v), второй зондирующий импульс 33 в виде акустического сигнала 36 достигает первую плоскость регистрации, преобразуется вторым ультразвуковым преобразователем 8 в электрический и поступает на вход первого усилителя-формирователя 14. Электрический импульс 40, сформированный на выходе первого усилителя 14, проходит первый электронный ключ 16, закрывает его за собой и поступает на второй установочный вход триггера 27.

В момент возвращения в исходное состояние триггер 27 формирует задние фронты стробов 42 и 44. Длительность 2T₀ строба 44 соответствует суммарной длительности интервалов времени T₁ и T₂, т.е. не зависит от скорости потока. Поэтому посредством подключения управляющего входа ждущего мультивибратора 28 к выходу триггера 27 длительность 2T₀ строба 44 используют для предварительной корректировки периода t₀ следования счетных импульсов 51 третьего ждущего мультивибратора 28 в зависимости от значения скорости распространения зондирующих импульсов 32-33 в соединительной линии 5.

Спустя интервал времени T₂, равный значению (T₀+T_v), второй зондирующий импульс 33 в виде акустического сигнала 37 достигает вторую плоскость регистрации, преобразуется третьим ультразвуковым преобразователем 9 в электрический и поступает на вход второго усилителя-формирователя 15. Электрический импульс 41, сформированный на выходе усилителя 15, через третий электронный ключ 18 поступает на первый установочный вход первого ждущего мультивибратора 23 и на первый установочный вход второго ждущего мультивибратора 25. Ждущий мультивибратор 23 приступает к формированию первой последовательности информационных сигналов 45-47, период (T₁)" следования которых посредством строба 42 был предварительно согласован со значением интервала времени T₁, необходимого для распространения второго зондирующего импульса 33 до первой плоскости регистрации. Одновременно ждущий мультивибратор 27 приступает к формированию второй последовательности информационных сигналов 48-50, период (T₂)" следования которых посредством строба 43 был предварительно согласован со значением интервала времени T₂, необходимого для распространения первого зондирующего импульса 32 до второй плоскости регистрации.

Количество N₀ информационных сигналов 48-50 во второй последовательности выбирают равным предварительно заданному количеству N₀ информационных сигналов 45-47 в первой последовательности. Значение N₀ задают емкостью первого счетчика 24, вход которого подключен к выходу первого ждущего мультивибратора 23. В момент считывания информационного сигнала 47, соответствующего своим порядковым номером поступления на вход счетчика 24 значению N₀, формируется импульс переполнения. Указанный импульс с выхода счетчика 24 поступает на вход сброса показаний второго счетчика 29, на отпирающий вход шестого электронного ключа 26, на второй установочный вход первого ждущего мультивибратора 23 и на первый установочный вход третьего ждущего мультивибратора 28. В результате ждущий мультивибратор 23 возвращается в исходное состояние, а ждущий мультивибратор 28 приступает к формированию последовательности счетных импульсов 51.

При наличии потока в соединительной линии 5 первый информационный сигнал 48 второй последовательности формируется относительно первого информационного сигнала 45 первой последовательности спустя время 2(T_v)", равное разнице значений интервалов времени T₂ и T₁ (фиг. 3). Временной интервал между вторыми сигналами 46 и 49 указанных последовательностей равен значению 4(T_v)", между третьими сигналами - значению 6(T_v)" и т.д. до значения 2N₀(T_v)" между заданными по порядковому номеру N₀ информационными сигналами 47 и 50.

Сформированный вторым ждущим мультивибратором 25 информационный сигнал 50 проходит шестой электронный ключ 26, закрывает его за собой и возвращает в исходное состояние ждущие мультивибраторы 25 и 28. Процесс заполнения интервала времени 2N₀(T_v)" последовательностью счетных импульсов 51 третьего ждущего мультивибратора 28 завершается.

К выходу ждущего мультивибратора 28 подключены вход второго и вход третьего счетчиков 29 и 30. Вторым счетчиком 29 считывают количество N_x счетных импульсов 51, сформированных ждущим мультивибратором 28 при проведении одного цикла измерения, и по результату считывания судят о мгновенном расходе воды в трубопроводе 1. Третьим счетчиком 30 производят суммирование счетных импульсов 51 последовательности, сформированной при проведении очередного цикла измерения, со счетными импульсами 51 последовательностей, сформированных при проведении предыдущих циклов, и по результату суммирования судят о суммарном расходе.

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 счетных импульсов, формируемых при проведении очередного цикла измерения, 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).