пожарный гидрант подземного типа

Формула изобретения

1. Пожарный гидрант подземного типа, включающий устанавливаемую в колодце на пожарной подставке колонку с клапаном, отличающийся тем, что колодец является смотровым, нижняя часть пожарной подставки дополнена цилиндрической вставкой, в которой размещена свободно вращающаяся на оси, совпадающей с осью подставки, крыльчатка диаметром, соответствующим диаметру цилиндрической вставки, причем на концах лопастей крыльчатки установлены наконечники из магнитопроводящего материала, при этом в корпусе цилиндрической вставки в плоскости вращения наконечников выполнено отверстие, в котором герметично установлена полая пробка, в полости которой размещены параллельно соединенные катушка с магнитным сердечником и диод, анод которого подсоединен к началу обмотки катушки и к "массе", а конец обмотки катушки подсоединен ко входу корректирующего устройства при помощи герметичного кабеля, проходящего внутри защитного кожуха, закрепленного к фланцам пожарной подставки и закрывающего пробку в корпусе пожарной подставки, и телескопической трубки, один конец которой шарнирно связан с защитным кожухом, при этом пожарный гидрант дополнительно снабжен защищенным герметическим корпусом, прикрепленным к другому концу телескопической трубки, и размещенными в нем последовательно соединенными указанным корректирующим устройством, нормализатором, накопителем электрической энергии, электронным ключом и счетчиком-нумератором.

2. Пожарный гидрант подземного типа по п.1, отличающийся тем, что защитный кожух закреплен к фланцам пожарной подставки при помощи полуколец.

3. Пожарный гидрант подземного типа по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве накопителя электрической энергии используется ионистор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области горного дела и строительства, в частности к техническим средствам водоснабжения, предназначенным для забора воды из водопроводной сети, и может быть использовано в водопроводных сетях, оборудованных пожарными гидрантами.

Известны пожарные гидранты упрощенного типа, включающие устанавливаемую на пожарной подставке колонку с закрепленной в ней гайкой, вертикальный стержень с резьбой, входящей в гайку, и шаровой клапан, запирающий со стороны пожарной подставки нижнее отверстие колонки [см.: Н.Н.Абрамов, Н.Н.Гениев, В. И.Павлов: Водоснабжение. -М.: Госстройиздат, 1958, с. 125]. Открывание такого гидранта осуществляется вращением рукоятки переносной части - стендера. При вращении сочлененного с рукояткой стендера вертикального стержня гидранта в указанной гайке нижний хвостовик стержня давит на шарик клапана гидранта. При утапливании шарика клапана открывается проход воде из магистрали в колонку гидранта, а из нее в стендер и далее через патрубки стендера потребителю воды. Основным достоинством таких гидрантов является простота их конструкции и отсутствие больших усилий, прикладываемых к ручке стендера при закрывании гидранта. Однако решения-аналоги обладают недостатками, ограничивающими их широкое использование в водопроводных сетях больших городов. Их запирание осуществляется за счет положительной плавучести шарика клапана при подъеме стержня гидранта. Это обстоятельство препятствует применению такого гидранта при проходном сечении его колонки более 75 мм. Легкий шарик при больших сечениях колонки не выдерживает высокого напора воды в магистрали. Кроме того, конструкция таких гидрантов не обеспечивает возможность учета расхода воды через гидрант.

Недостатки решений - аналогов частично устранены в пожарном гидранте подземного типа, включающем устанавливаемую в колодце на пожарной подставке колонку с клапаном [см. Учебник для вузов: Абрамов Н.Н. Водоснабжение.- М.: Стройиздат, 1974, с.129-130] - прототип.

Так как клапан у такого гидранта соединен со стержнем, то тело клапана может быть изготовлено из прочного материала, не обладающего положительной плавучестью. Это позволяет использовать такие гидранты при больших проходных сечениях. Однако недостаток решений-аналогов, связанный с невозможностью учета расхода воды через гидрант, решение-прототип не устраняет. Этот недостаток пожарных гидрантов подземного типа существенно ухудшает экономические показатели водопроводного хозяйства, так как позволяет многочисленным потребителям водопроводной воды осуществлять несанкционированный и бесплатный забор воды из гидрантов для полива улиц, зеленых насаждений, мойки и т.д. Для водопроводного хозяйства невозможность для известных гидрантов учитывать расход воды через гидрант не позволяет выявить места таких несанкционированных заборов воды, а в случае обнаружения "нарушителя" - предъявить обоснованный иск с указанием величины ущерба.

Решение этой проблемы не может быть осуществлено простым оснащением пожарных гидрантов одним из известных типов расходомеров. Дело в том, что механические расходомеры, основанные на измерении расхода воды крыльчаткой, связанной со счетным устройством механической передачей, не могут быть защищены от блокирования крыльчатки со стороны верхнего среза смотрового колодца, если устанавливать такие расходомеры в колонке гидранта или на его выходе. В случае же установки их на пожарной магистрали невозможно снять их показания без раскапывания гидрантов. Бесконтактные же расходомеры (электромагнитные, оптические, ядерно-магнитные, тепловые и т.д.) требуют подвода электропитания и, кроме того, применительно к водопроводной воде, прозрачность и ионный состав которой подвержены сезонным колебаниям, не могут обеспечить приемлемую точность измерений [см. например, Бобровников Г.Н. , Новожилов Б.М., Сарафанов В.Г. Бесконтактные расходомеры.- М.: Машиностроение, 1985].

Задачей предлагаемого изобретения является исключение отмеченного недостатка, а именно обеспечение возможности измерения суммарного (за некоторый промежуток времени) расхода воды через гидрант при обеспечении при этом дистанционно (вне смотрового колодца) снятия показаний расхода. Необходимость дистанционного снятия информации о суммарном расходе диктуется тем, что смотровые колодцы, в которых размещаются гидранты подземного типа, как правило, заполнены водой (во время забора воды - обязательно) или грязью, причем зимой эта грязь образует трудно поддающийся раскапыванию монолит.

Технический результат достигается тем, что в известном пожарном гидранте подземного типа, включающем устанавливаемую в колодце на пожарной подставке колонку с клапаном, введены дополнительные узлы и новые связи между узлами, заключающиеся в том, что колодец является смотровым, нижняя часть пожарной подставки дополнена цилиндрической вставкой, в которой размещена свободно вращающаяся на оси, совпадающей с осью подставки, крыльчатка диаметром, соответствующим диаметру цилиндрической вставки, причем на концах лопастей крыльчатки установлены наконечники из магнитопроводящего материала, при этом в корпусе цилиндрической вставки в плоскости вращения наконечников выполнено отверстие, в котором герметично установлена полая пробка, в полости которой размещены параллельно соединенные катушка с магнитным сердечником и диод, анод которого подсоединен к началу обмотки катушки и к "массе", а конец обмотки катушки подсоединен ко входу корректирующего устройства при помощи герметичного кабеля, проходящего внутри защитного кожуха, закрепленного к фланцам пожарной подставки и закрывающего пробку в корпусе пожарной подставки, и телескопической трубки, один конец которой шарнирно связан с защитным кожухом, при этом пожарный гидрант дополнительно снабжен защитным герметичным корпусом, прикрепленным к другому концу телескопической трубки, и размещенными в нем последовательно соединенными указанным корректирующим устройством, нормализатором, накопителем электрической энергии, электронным ключом и счетчиком-нумератором. Кроме того, защитный кожух закреплен к фланцам пожарной подставки при помощи полуколец, а в качестве накопителя электрической энергии используется ионистор.

Идея изобретения заключается в измерении скорости потока воды через пожарный гидрант с помощью ненагруженной крыльчатки, помещенной в цилиндрической вставке, дополняющей пожарную подставку. Угловая скорость вращения такой крыльчатки пропорциональна скорости потока и, следовательно, величине мгновенного объемного расхода воды через гидрант, что может быть описано соотношением = kQ, (1) где - угловая скорость вращения крыльчатки, радиан/с; k - коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрии крыльчатки и площади поперечного сечения вставки, радиан/л; Q - мгновенный объемный расход воды, л/с.

Изренение суммарного расхода в предлагаемом техническом решении сводится к интегрированию во времени числа импульсов тока, протекающего через обмотку катушки с магнитным сердечником в момент прохода мимо нее размещенного на конце лопасти крыльчатки наконечника из магнитопроводящего материала. При этом энергия суммы импульсов тока накапливается в накопителе и служит источником для перемещения диска счетчика-нумератора на один "щелчок", после чего процесс накопления энергии повторяется. Возможность же дистанционного снятия информации со счетчика-нумератора в предлагаемом техническом решении обеспечивается выдвижением за пределы смотрового колодца телескопической трубки, на конце которой размещен счетчик-нумератор. При этом даже замерзание грязи в смотровом колодце не может быть препятствием для выдвижения телескопической трубки, так как одна составляющая ее трубка выдвигается из другой трубки, а не из грязи.

Покажем существенность отличительных признаков.

Введение в состав гидранта крыльчатки и размещение ее в цилиндрической вставке пожарной подставки является новым для пожарных гидрантов решением. Оно обеспечивает установление однозначной связи между расходом воды через гидрант и числом оборотов крыльчатки. Цилиндрическая вставка играет, по существу, роль насадки, усиливающей действие крыльчатки. Кроме того, цилиндрическая вставка обеспечивает объем, в котором свободно вращается крыльчатка. В пожарной подставке решения-прототипа не предусмотрено место для крыльчатки. Размещение крыльчатки именно в пожарной подставке обеспечивает ее защиту от несанкционированных действий потребителей воды, предпринимаемых с целью исказить показания расхода воды через гидрант. Со стороны стендера крыльчатка в предлагаемом решении надежно защищена закрытым клапаном гидранта, а в открытом гидранте напор столь велик, что просунуть что-либо гибкое через патрубки стендера и далее через колонку гидранта и ее открытый клапан к крыльчатке в пожарной подставке, чтобы ее заблокировать, практически невозможно.

Введение катушки с магнитным сердечником в состав гидранта является новым решением. Оно совмещено с размещением на концах лопастей крыльчатки наконечников из магнитопроводящего материала, что обеспечивает возбуждение в катушке импульсов напряжения. Амплитуда указанных импульсов тем больше при прочих равных условиях, чем меньше воздушный (или жидкостный) слой между сердечником катушки и магнитопроводящим наконечником. Поэтому существенным отличительным признаком является размещение катушки в пробке, ввинчиваемой в корпус пожарной подставки в плоскости вращения наконечников.

Введение в состав пожарного гидранта диода и соединение его с катушкой таким образом, чтобы анод диода был подсоединен к началу обмотки катушки и к "массе", является новым решением. Оно обеспечивает шунтирование отрицательной полуволны напряжения.

Введение в состав гидранта корректирующего устройства и связь его с катушкой с магнитным сердечником является новым решением. Оно обеспечивает "выставку" показаний счетчика-нумератора в соответствии с показаниями образцового суммирующего расходомера, устанавливаемого на выходе стендера при поверке средств измерения (гидранта).

Введение нормализатора является новым решением. Оно обеспечивает одинаковую форму импульсов, поступающих на вход накопителя независимо от скорости вращения крыльчатки. (При большей скорости вращения крыльчатки на выходе катушки амплитуда напряжения будет большей, а длительность импульса - меньшей).

Введение накопителя электрической энергии и связь его с магнитным сердечником через корректирующее устройство и нормализатор является новым для гидрантов решением. Оно обеспечивает накопление преобразованной в электрический заряд энергии импульсов тока в количестве, соответствующем энергии срабатывания счетчика-нумератора. При этом использование в качестве накопителя преимущественно ионистора также является новым для гидрантов решением. Оно обеспечивает высокую точность измерения расхода воды вследствие того, что по причине очень большой электрической емкости ионисторов момент начала их разряда для целей срабатывания счетчика-нумератора можно "назначать" на линейном участке экспоненциальной характеристики заряда ионистора. Иными словами, использованием ионистора в качестве накопителя электрической энергии позволяет точно отмерять величину заряда на нем, используемого на приведение в действие счетчика-нумератора.

Введение электронного ключа в состав гидранта является новым решением. Оно обеспечивает заряд накопителя до строго установленного значения напряжения (величина заряда и напряжение на конденсаторе, ионистор по существу является конденсатором, функционально связаны). После чего открывается ключ, и накопитель разряжается на счетчик-нумератор.

Введение в состав гидранта телескопической трубки, защитного кожуха, размещение корректирующего устройства, нормализатора, накопителя, электронного ключа и счетчика-нумератора в защищенном герметичном корпусе и соединение телескопической трубки с кожухом с помощью шарнира является новым решением. Оно обеспечивает защиту измерительного тракта гидранта от несанкционированных или случайных действий, могущих привести к искажению показаний счетчика-нумератора. Выполнение телескопической трубки, выдвигаемой на расстояние не менее одного метра, обеспечивает возможность снятия показаний счетчика-нумератора, не раскапывая гидрант или не осушая колодец, простым захватом конца телескопической трубки и выдвижением ее на расстояние, удобное для снятия показаний счетчика. Так как верхний срез гидранта подземного типа находится на глубине 150-400 мм относительно верхнего среза смотрового колодца, то возможность выдвижения телескопической трубки, на конце которой находится счетчик-нумератор, позволяет снять показания последнего и близорукому человеку, приблизив счетчик-нумератор вплотную к глазам. (Оставшиеся 600 мм при "глубоком" расположении гидранта соответствуют высоте письменного стола). Шарнирное соединение защитного кожуха и трубки обеспечивает удобство эксплуатации гидранта (доступ обслуживающего персонала в колодец, контроль расхода при установленном стендере и т.д.).

Закрепление защитного кожуха преимущественно при помощи полуколец к фланцам пожарной подставки обеспечивает исключение бесконтрольного снятия измерительного тракта гидранта. Снять полукольца можно лишь после перекрытия пожарной магистрали (снятия давления в ней) путем развинчивания крепежных деталей фланцевого соединения (необходимо при таком креплении вывернуть подряд 4 из 6 болтов, стягивающих фланцы). Перекрытие же магистрали приводит к изменению контролируемых дежурной службой водоснабжающего предприятия параметров водопроводной сети и, следовательно, не проходит незамеченным.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема предлагаемого пожарного гидранта подземного типа.

Пожарный гидрант содержит:

1 - пожарная подставка,

2 - колонка пожарного гидранта,

3 - клапан гидранта,

4 - смотровой колодец.

Блоки 1. ..4 характеризуют прототип. Дополнительно к блокам 1...4 в пожарный гидрант введены новые узлы и блоки:

5 - цилиндрическая вставка пожарной подставки. Представляет собой отрезок трубы длиной, достаточной для размещения в нем крыльчатки.

6 - крыльчатка. Устройство крыльчаток для расходомеров описано, например, в [Авиационное оборудование/ Ю.А. Андриевский, Ю.Е. Воскресенский, Ю.П. Доброленский и др. / Под ред. Ю. П. Доброленского. -М.: Воениздат, 1989 (Боевая авиационная техника), с. 85]. Так как крыльчатка ненагруженная (не связана какой-либо передачей с приводом какого-нибудь механизма), то она может быть изготовлена из легкого полимерного материала, из такого же материала могут быть изготовлены узлы ее крепления к пожарной подставке (ось крыльчатки, обод колеса, спицы колеса, осью которого служит ось крыльчатки). При этом крепление крыльчатки к пожарной подставке можно осуществить традиционным для гидрантов способом - размещением обода (иначе обоймы крыльчатки) в кольцевой выточке нижнего фланца пожарной подставки с последующей фиксацией обода при стягивании фланцев.

7 - наконечники из магнитопроводящего материала на концах лопастей крыльчатки.

8 - полая пробка с резьбой, соответствующей резьбе в отверстии корпуса цилиндрической вставки 5, проделанного в плоскости вращения наконечников 7. Пробка 8 может быть изготовлена из полимерного материала, обеспечивающего герметичность соединения пробки с корпусом вставки 5.

9 - катушка с магнитным сердечником. Такие катушки широко применяются в радиотехнической промышленности. В частности, такие катушки находятся в телефонных трубках.

10 - диод, своим анодом подключенный к началу обмотки катушки 9 и к "массе", а катодом - к концу обмотки катушки 9. Катушка 9 и диод 10 размещены в полости пробки 8, которая после размещения этих деталей заливается компаундом, образуя герметичную целостную деталь - пробку 8 с двумя выводами: контакт на "массу" и вывод для подсоединения кабеля связи.

11 - защитный кожух. Может представлять собой Г-образную трубку, надеваемую на пробку 8 одним концом и имеющую шарнир на другом конце. Внутри трубки уложен кабель связи катушки 9 с другими блоками предлагаемого устройства.

12 - узел крепления защитного кожуха 11 к фланцам пожарной подставки 1. Так как длина пожарной подставки может быть различной для различных модификаций пожарных гидрантов, то крепление 12 может быть выполнено раздвижным.

13 - телескопическая трубка, выполненная раздвижной на расстояние не менее одного метра. Нижний конец трубки 13 шарнирно связан с кожухом 11. Телескопическая трубка 13 и шарнирная связь ее с кожухом 11 аналогичны выдвижным антеннам переносных радиоприемников.

14 - защитный герметичный корпус, прикрепленный к концу трубки 13.

15 - корректирующее устройство, вход которого подсоединен к выходу катушки 9 (к концу ее обмотки). В простейшем случае представляет собой делитель напряжения, в качестве которого используется резистор переменный [см., например, В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 109/ Сост. И.Н.Алексеева. - М.: Патриот, 1991, с. 15-24].

16 - нормализатор. Нормализаторы импульсов широко известны. В простейшем случае нормализатор представляет собой конденсатор, на вход которого подается импульс напряжения, а выход которого зашунтирован полупроводниковым стабилитроном. Нормализация импульсов в таком нормализаторе основана на постоянном времени заряда его конденсатора при постоянной амплитуде импульса. Постоянство напряжения, прикладываемого к такому конденсатору, обеспечивается стабилитроном, а постоянство времени заряда - постоянством значения на произведения RC, где R - сопротивление цепи заряда, C - емкость конденсатора. Конденсаторы описаны, в частности, в вышеуказанном источнике, с. 41-79.

17 - Накопитель электрической энергии. Известны различные типы таких накопителей, в частности, конденсаторов. В последнее время все большее распространение получили ионисторы, иначе молекулярные накопители. Благодаря большой емкости (1-3 Фарады при размере рублевой монеты) использование ионистора в предлагаемом решении позволяет обеспечить большую точность срабатывания измерительного тракта гидранта за счет протяженного линейного участка зависимости напряжения на ионисторе от тока заряда.

18 - электронный ключ. В качестве него может использоваться маломощный тиристор [см., например, Полупроводниковые приборы. Тиристоры. Справочник. - СПб: издательство РНИИ "Электростандарт", 1993], переключающий диод - динистор или микросхема, обесечивающие отрицательный наклон вольт-амперной характеристики после включения электронного ключа. (Иначе не разрядить ионистор на обмотку якоря счетчика-нумератора).

19 - счетчик-нумератор. В качестве него может использоваться устройство типа счетчика телефонных разговоров [см. А.А.Санин: Электронные приборы ядерной физики. - М.:Наука, 1964, с.377]. Для срабатывания такого счетчика-нумератора достаточен импульс тока в несколько мА в течение нескольких мс.

Так как ток управления счетчика-нумератора небольшой, то все радиотехнические компоненты могут быть миниатюрными и сведены в одну микросхему. Для сравнения можно отметить, что кварцевые часы со стрелками по своей сути также являются электромеханическим счетчиком-нумератором, приводимым в действие импульсами тока, генерируемыми, в отличие от рассматриваемого технического предложения, встроенным генератором автоколебаний, питающимся от миниатюрной батарейки.

Пожарный гидрант работает следующим образом. При установке на пожарный гидрант стендера и опускании при помощи рукоятки стендера тела клапана 3 гидранта через пожарную подставку 1 начинает течь вода. Скорость ее течения при известном расходе через гидрант можно определить из известной зависимости [см. , например, Н.Н.Абрамов, Н.Н.Гениев, В.И.Павлов. Водоснабжение.- М.: Госстройиздат, 1958, с. 49]:



где V - скорость течения воды в пожарной подставке, м/с;

Q - расход воды через гидрант, м³/с;

D - диаметр пожарной подставки, м.

При внутреннем диаметре пожарной подставки 170 мм и типовом расходе 5 л/с скорость течения равна ~ 0,22 м/с, а при расходе 30 л/с, что имеет место при открытых обоих патрубках стендера и прорезиненных пожарных рукавах, - 1,32 м/с. Расход открытого пожарного гидранта при заполнении, например, поливочной машины может соответствовать скорости воды через пожарную подставку до 5 м/с. Крыльчатка 6 в таком потоке вращается, и при прохождении наконечника 7 над магнитным сердечником катушки 9 в ее обмотке возбуждается импульс напряжения, амплитуда которого определяется числом витков обмотки, скорость вращения крыльчатки минимальным расстоянием от наконечника 7 до пробки 8 и другими факторами. Отрицательная полуволна импульса шунтируется диодом 10, а положительная создает ток в цепи: корректирующее устройство 15 - нормализатор 16 - накопитель электрической энергии 17. Число таких импульсов в секунду равно произведению числа оборотов в секунду крыльчатки на число лопастей крыльчатки (с точки зрения динамического уравновешивания крыльчатки желательно размещать наконечники 7 на каждой лопасти крыльчатки 6). Каждый такой импульс увеличивает заряд накопителя 17 на определенную величину, увеличивая в конечном счете напряжение на накопителе 17. Так как нормализатор 16 осуществляет нормализацию импульсов, т.е. все импульсы на его выходе имеют одинаковую амплитуду и длительность, то скорость заряда накопителя зависит от числа оборотов крыльчатки 6 и величины сопротивления цепи его заряда, устанавливаемой в корректирующем устройстве 15. При достижении заряда на накопителе 17 определенной величины, соответствующей напряжению на нем, открывается ключ 18, и накопитель разряжается на обмотку якоря счетчика-нумератора 19, вызывая поворот первого его диска на одно деление. При снижении напряжения на накопителе в процессе его разряда до определенной величины, соответствующей напряжению закрытия ключа 18, ключ запирается и процесс заряда накопителя повторяется вновь. Счетчик-нумератор 19 при этом сохраняет показания, и их нельзя изменить в меньшую сторону подачей каких-либо внешних импульсов тока.

Таким образом, интегрирование расхода воды через гидрант в предлагаемом решении осуществляется дважды: сначала накопителем электрической энергии 17, а затем счетчиком-нумератором 19. Это обеспечивает возможность измерения сумматорного расхода воды через гидрант практически неограниченное время без "переполнения" разрядных дисков счетчика-нумератора. Для снятия показаний счетчика-нумератора 19 достаточно, зацепив конец телескопической трубки 13, выдвинуть ее за пределы колодца 4. После снятия показаний трубка вновь "укорачивается" и помещается в смотровой колодец 4 в удобном для обслуживающего водопроводные сети персонала положении, для чего служит шарнирное соединение защитного кожуха 11 и телескопической трубки 13.

Таким образом, на основе анализа структуры и функционирования схемы предложенного технического решения, можно заключить, что пожарный гидрант подземного типа, в котором реализовано данное техническое решение, обладает преимуществами, отвечающими поставленной задаче изобретения: обеспечение возможности измерения суммарного расхода воды через гидрант при возможности снятия показаний без раскапывания или осушения смотрового колодца. Кроме того, реализация данного технического решения отвечает целям ресурсосберегающих технологий, так как способствует экономии водопроводной воды, подготовка которой сопряжена со значительными расходами ресурсов и материалов. Сама же реализация не требует применения редких и дорогостоящих материалов.

Предложение разработано на уровне технического предложения к одному из объектов Государственного унитарного предприятия "Водоканал Санкт-Петербурга".