способ измерения расхода воды в трубопроводе и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ измерения расхода воды в трубопроводе путем определения скоростного напора в заданной области поперечного сечения трубопровода при частичном блокировании потока в этой области, заключающийся в том, что задают плоскость излучения акустических сигналов, совмещают с плоскостью излучения плоскость регистрации акустических сигналов и в начале очередного цикла измерения в плоскости излучения формируют зондирующий импульс, отличающийся тем, что на базовом расстоянии от плоскости излучения задают плоскость отражения акустических сигналов, преобразуют механическое воздействие полного давления воды на заданную область блокирования потока в поперечном сечении трубопровода в линейное смещение плоскости отражения в направлении плоскости регистрации акустических сигналов, преобразуют механическое воздействие статического давления воды на заданную область в продольном сечении трубопровода в линейное смещение плоскости отражения в направлении увеличения расстояния до плоскости регистрации, спустя время, отсчитываемое от момента излучения и необходимое для распространения акустических сигналов по траектории плоскость излучения - плоскость отражения - плоскость регистрации, производят переизлучение зондирующего импульса, периодически повторяют операцию переизлучения, формируют первую последовательность стандартных импульсов, передний фронт каждого из которых соответствует моменту очередной регистрации зондирующего импульса, формируют вторую последовательность стандартных импульсов, период следования которых выбирают равным интервалу времени, необходимому для прохождения акустическими сигналами удвоенного базового расстояния при отсутствии потока воды в трубопроводе, формируют последовательность информационных сигналов, передний фронт каждого из которых соответствует моменту одновременного формирования импульса первой и импульса второй последовательностей стандартных импульсов, исключают из последовательности информационных сигналов сигналы, сформированные при отсутствии потока воды в трубопроводе, считывают последовательность информационных сигналов и по частоте их следования судят о мгновенном расходе, а по их количеству - о суммарном расходе.

2. Устройство для реализации способа измерения расхода воды в трубопроводе, содержащее исполнительный узел в составе измерительной трубки, первой напорной трубки, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока, второй напорной трубки, ориентированной перпендикулярно направлению потока, и ультразвукового преобразователя, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов, генератора зондирующих импульсов, к первому выходу которого подключен ультразвуковой преобразователь, усилителя, электронного ключа и схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов, отличающееся тем, что исполнительный узел снабжен первым и вторым штоками и размещен в монтажном корпусе, измерительная трубка снабжена боковым отводом, изогнутым в направлении второй напорной трубки, на торцах первой напорной трубки смонтированы соответственно первый и второй исполнительные элементы, на торцах второй напорной трубки смонтированы соответственно третий и четвертый исполнительные элементы, на одном из торцов измерительной трубки смонтирован ультразвуковой преобразователь, на другом - пятый исполнительный элемент, а на свободном торце ее бокового отвода - шестой исполнительный элемент, каждый исполнительный элемент смонтирован с обеспечением возможности возвратно-поступательного смещения вдоль оси симметрии соответствующей трубки, первая напорная трубка размещена в монтажном корпусе с обеспечением механического воздействия полного давления воды в трубопроводе на первый исполнительный элемент, вторая напорная трубка размещена в монтажном корпусе с обеспечением механического воздействия статического давления потока воды в трубопроводе на третий исполнительный элемент, измерительная трубка размещена в монтажном корпусе с обеспечением механического контакта между вторым и пятым исполнительными элементами через первый шток и между четвертым и шестым исполнительными элементами через второй шток исполнительного узла, а в состав электронного блока дополнительно включены вентиль, логический элемент И и логический элемент ИЛИ, при этом к первому выходу генератора зондирующих импульсов подключен также вход вентиля, а ко второму выходу - запирающий вход вентиля, к выходу вентиля подключен вход усилителя, к выходу усилителя подключены первый вход логического элемента И, первый вход логического элемента ИЛИ и вход генератора зондирующих импульсов, к выходу генератора стандартных импульсов подключены второй вход логического элемента И и второй вход логического элемента ИЛИ, к выходу логического элемента И подключен вход электронного ключа, к выходу логического элемента ИЛИ - отпирающий вход электронного ключа, к выходу электронного ключа подключены его запирающий вход и вход схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля, управления и регулирования параметров технологических процессов, например при определении расхода хозяйственно-питьевой и технической воды, используемой в промышленных целях.

Известны способы измерения расхода воды в трубопроводе 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 [1].

Устройства для реализации известных способов содержат 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.

Недостатком известных способов и устройств для их реализации является зависимость разрешающей способности от количества поддиапозонов, на которые разбит диапозон скоростей потока, рекомендуемый для заданного диаметра трубопровода.

Известен способ измерения расхода воды в трубопроводе путем определения скоростного напора в заданной области поперечного сечения трубопровода при частичном блокировании потока в этой области, заключающийся в том, что отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в заданную область в продольном сечении, вдоль отведенного потока и на базовом расстоянии друг от друга задают первую и вторую плоскости излучения акустических сигналов, совмещают с первой плоскостью излучения вторую плоскость регистрации акустических сигналов, совмещают с второй плоскостью излучения первую плоскость регистрации акустических сигналов, и в начале очередного цикла измерения в первой и во второй плоскостях излучения формируют соответственно первый и второй зондирующие импульсы, в момент достижения вторым зондирующим импульсом второй плоскости регистрации производят переизлучение первого и второго зондирующего импульса, периодически повторяют операцию переизлучения, вырабатывают заданное количество информационных сигналов, передний и задний фронт каждого из которых по времени формирования соответствует моменту очередной регистрации соответственно первого и второго зондирующих импульсов, вырабатывают заданное количество информационных сигналов, суммарную длительность которых используют для формирования информационного интервала времени, заполняют информационный интервал времени счетными импульсами, период следования которых предварительно корректируют в начале очередного цикла измерения, и по количеству счетных импульсов, сформированных за время проведения текущего цикла измерения, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству счетных импульсов, сформированных за время проведения предыдущих циклов измерения судят о суммарном расходе [2].

Устройство для реализации известного способа содержит исполнительный узел в составе измерительной трубки, первой напорной трубки, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока, второй напорной трубки, ориентированной перпендикулярно направлению потока, и двух ультразвуковых преобразователей, смонтированных на стенках измерительной трубки, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов, первого генератора зондирующих импульсов, к первому выходу которого подключен ультразвуковой преобразователь, размещенный перед линией полного давления, второй генератор зондирующих импульсов, к первому выходу которого подключен ультразвуковой преобразователь, размещенный перед линией статического давления, двух усилителей, двух триггеров, шести электронных ключей, ждущего мультивибратора, одновибратора и схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов.

Недостатком известного способа и устройства для его реализации является зависимость разрешающей способности от количества переизлучений зондирующих импульсов, производимых в процессе формирования одного информационного интервала времени.

Задача изобретения - повышение разрешающей способности.

Относительно способа измерения расхода воды в трубопроводе путем определения скоростного напора в заданной области поперечного сечения трубопровода при частичном блокировании потока в этой области, заключающемся в том, что задают плоскость излучения акустических сигналов, совмещают с плоскостью излучения плоскость регистрации акустических сигналов, и в начале очередного цикла измерения в плоскости излучения формируют зондирующий импульс, решение поставленной задачи заключается в том, что на базовом расстоянии от плоскости излучения задают плоскость отражения акустических сигналов, преобразуют механическое воздействие полного давления воды на заданную область блокирования потока в поперечном сечении трубопровода в линейное смещение плоскости отражения в направлении плоскости регистрации акустических сигналов, преобразуют механическое воздействие статического давления воды на заданную область в продольном сечении трубопровода в линейное смещение плоскости отражения в направлении увеличения расстояния до плоскости регистрации, спустя время, отсчитываемое от момента излучения и необходимое для распространения акустических сигналов по траектории: плоскость излучения - плоскость отражения - плоскость регистрации, производят переизлучение зондирующего импульса, периодически повторяют операцию переизлучения, формируют первую последовательность стандартных импульсов, передний фронт каждого из которых соответствует моменту очередной регистрации зондирующего импульса, формируют вторую последовательность стандартных импульсов, период следования которых выбирают равным интервалу времени, необходимому для прохождения акустическими сигналами удвоенного базового расстояния при отсутствии потока воды в трубопроводе, формируют последовательность информационных сигналов, передний фронт каждого из которых соответствует моменту одновременного формирования импульса первой и импульса второй последовательностей стандартных импульсов, исключают из последовательности информационных сигналов сигналы, сформированные при отсутствии потока воды в трубопроводе, считывают последовательность информационных сигналов и по частоте их следования судят о мгновенном расходе, а по их количеству - о суммарном расходе.

Относительно устройства для реализации способа измерения расхода воды в трубопроводе, содержащего исполнительный узел в составе измерительной трубки, первой напорной трубки, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока, второй напорной трубки, ориентированной перпендикулярно направлению потока, и ультразвукового преобразователя, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов, генератора зондирующих импульсов, к первому выходу которого подключен ультразвуковой преобразователь, усилителя, электронного ключа и схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов, поставленная задача решается тем, что исполнительный узел снабжен первым и вторым штоками и размещен в монтажном корпусе, измерительная трубка снабжена боковым отводом, изогнутым в направлении второй напорной трубки, на торцах первой напорной трубки смонтированы соответственно первый и второй исполнительные элементы, на торцах второй напорной трубки смонтированы соответственно третий и четвертый исполнительные элементы, на одном из торцов измерительной трубки смонтирован ультразвуковой преобразователь, на другом - пятый исполнительный элемент, а на свободном торце ее бокового отвода - шестой исполнительный элемент, каждый исполнительный элемент смонтирован с обеспечением возможности возвратно-поступательного смещения вдоль оси симметрии соответствующей трубки, первая напорная трубка размещена в монтажном корпусе с обеспечением механического воздействия полного давления воды в трубопроводе на первый исполнительный элемент, вторая напорная трубка размещена в монтажном корпусе с обеспечением механического воздействия статического давления потока воды в трубопроводе на третий исполнительный элемент, измерительная трубка размещена в монтажном корпусе с обеспечением механического контакта между вторым и пятым исполнительными элементами через первый шток, и между четвертым и шестым исполнительными элементами через второй шток исполнительного узла, а в состав электронного блока дополнительно включены вентиль, логический элемент И и логический элемент ИЛИ, при этом к первому выходу генератора зондирующих импульсов подключен также вход вентиля, а ко второму выходу - запирающий вход вентиля, к выходу вентиля подключен вход усилителя, к выходу усилителя подключены первый вход логического элемента И, первый вход логического элемента ИЛИ и вход генератора зондирующих импульсов, к выходу генератора стандартных импульсов подключены второй вход логического элемента И и второй вход логического элемента ИЛИ, к выходу логического элемента И подключен вход электронного ключа, к выходу логического элемента ИЛИ подключен отпирающий вход электронного ключа, к выходу электронного ключа подключены его запирающий вход и вход схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов.

На фиг. 1 изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа, на фиг. 2 - схема его электронного блока, на фиг.3-4 приведены временные диаграммы, поясняющие способ и работу устройства.

Устройство для реализации способа монтируется на трубопроводе 1 посредством седелки 2. Оно содержит смонтированный в корпусе 3 исполнительный узел в составе первой напорной трубки 4 с исполнительными элементами 5-6, второй напорной трубки 7 с исполнительными элементами 8-9, измерительной трубки 10 с боковым отводом 11, исполнительными элементами 12-13 и ультразвуковым преобразователем 14, двух штоков 15 и 16 и электронный блок 17 (фиг.1).

В состав электронного блока включены генератор 18 стандартных импульсов, генератор 19 зондирующих импульсов, усилитель 20, вентиль 21, электронный ключ 22, логический элемент ИЛИ 23, логический элемент И 24 и схема 25 регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов (фиг.2).

Каждый исполнительный элемент устройства смонтирован с обеспечением возможности возвратно-поступательного смещения вдоль оси симметрии соответствующей трубки.

Первая напорная трубка 4, изогнутая в направлении, противоположном направлению потока, размещена в монтажном корпусе 3 с обеспечением механического воздействия полного давления Р_х воды в трубопроводе 1 на первый исполнительный элемент 5. Вторая напорная трубка 7 размещена в монтажном корпусе 3 с обеспечением механического воздействия статического давления Р_о воды в трубопроводе 1 на третий исполнительный элемент 8.

Измерительная трубка 10 с боковым отводом 11 размещена в монтажном корпусе 3 с обеспечением механического контакта между вторым и пятым исполнительными элементами 6 и 12 через первый шток 15 и между четвертым и шестым исполнительными элементами 9 и 13 через второй шток 16 исполнительного узла устройства, а предлагаемый способ осуществляется путем определения скоростного напора в заданной области поперечного сечения трубопровода при частичном блокировании потока воды в этой области. При этом полное давление Р_х воды в трубопроводе 1 воспринимает исполнительный элемент 5 первой напорной трубки 4, а статическое давление Р_о - исполнительный элемент 8 второй напорной трубки 7 устройства для реализации предлагаемого способа.

При монтаже исполнительного узла устройства рабочей плоскостью ультразвукового преобразователя 14 задают плоскость "А" излучения акустических сигналов. Использование преобразователя 14 для работы как в режиме излучения, так и в режиме приема акустических сигналов позволяет совместить с плоскостью "А" плоскость "В" регистрации акустических сигналов (фиг.2).

На базовом расстоянии L₀ от плоскости "А" излучения задают плоскость "С" отражения акустических сигналов и в исходном состоянии исполнительного узла устройства совмещают с плоскостью "С" пятый исполнительный элемент 12.

Исходное состояние исполнительного узла соответствует отсутствию потока воды в трубопроводе 1, т.е. равенству значений полного и статического давлений Р_х и P_о. В этом случае механическое воздействие, передаваемое первой напорной трубкой 4 через первый шток 15 пятому исполнительному элементу 12, уравновешивается механическим воздействием, передаваемым второй напорной трубкой 7 через второй шток 16 шестому исполнительному элементу 13. Назначение указанных штоков - исключение влияния нестабильности температуры воды в трубопроводе 1 на скорость распространения акустических сигналов в измерительной трубке 10.

При наличии потока за счет разницы значений Р_х и Р_о равновесие в исполнительном узле устройства нарушится и в результате смещения исполнительного элемента 12 расстояние ₀ между плоскостями "А" ("В") и "С" (между ультразвуковым преобразователем 14 и исполнительным элементом 12) уменьшится до значения L_х.

В начале первого цикла измерения на выходе генератора 19 зондирующих импульсов формируют сигнал, который поступает на ультразвуковой преобразователь 14. При этом на время, необходимое для возбуждения ультразвукового преобразователя 14, вход усилителя 17 блокируется вентилем 21, запирающий вход которого подключен ко второму выходу генератора 19. В результате в плоскости "А" излучения сформируются зондирующий импульс 26 (фиг.3).

Зондирующий импульс 26 проходит вдоль оси измерительной трубки 10 расстояние L_х до исполнительного элемента 12, отражается в направлении преобразователя 14 и, спустя время t_х после излучения, равное разности значений t_o и t_х (где t_o - время, необходимое для прохождения акустическими сигналами расстояния 2L₀, a t_х - интервал времени, по длительности пропорциональный разности давлений P_х и Р_o), в виде акустического сигнала 33 достигает плоскости регистрации "В", преобразуется ультразвуковым преобразователем 14 в электрический сигнал и через вентиль 21 поступает на вход усилителя 20. Соответствующий акустическому сигналу 33 электрический импульс 39, сформированный на выходе усилителя 20, поступает на вход генератора 19, посылающего очередной электрический сигнал на ультразвуковой преобразователь 14. Возбуждаясь, преобразователь 14 в виде акустического сигнала 27 производит первое переизлучение зондирующего импульса 26. Акустический сигнал 27 повторяет путь распространения зондирующего импульса 26 по траектории: плоскость излучения "А" (ультразвуковой преобразователь 14) - плоскость отражения "С" (исполнительный элемент 12) - плоскость регистрации "В" (ультразвуковой преобразователь 14). При этом периодически повторяющаяся операция переизлучения зондирующего импульса 26 сопровождается излучением очередных акустических сигналов 27-32, регистрацией акустических сигналов 33-38 и формированием первой последовательности стандартных импульсов 39-44, передний фронт каждого из которых соответствует моменту очередной регистрации зондирующего импульса 26. С выхода усилителя 20 стандартные импульсы 39-44 поступают на первый вход логического элемента ИЛИ 23 и на первый вход логического элемента И 24.

В начале первого цикла измерения одновременно с генератором 19 к работе приступает генератор 18, посредством которого формируют вторую последовательность стандартных импульсов 45-50, период следования которых выбирают равным интервалу времени t_o, необходимому для прохождения акустическими сигналами удвоенного базового расстояния 2L_o при отсутствии потока воды в трубопроводе 1. С выхода генератора 18 стандартные импульсы 45-50 поступают на второй вход логического элемента 23 и на второй вход логического элемента 24.

Как показано на фиг. 3 при наличии потока воды в трубопроводе 1 стандартный импульс 45 второй последовательности запаздывает относительно стандартного импульса 33 первой последовательности на время t_x, пропорциональное разнице давлений Р_х и Р_o. После первого переизлучения зондирующего импульса 26 время запаздывания достигает значения 2t_х и продолжает увеличиваться с каждым последующим переизлучением до значения N_xt_x, равного T₁. При достижении указанного равенства очередные стандартные импульсы 43 и 49 соответственно первой и второй последовательностей поступают на входы логического элемента И 24 одновременно. Сформированный логическим элементом 24 первый сигнал последовательности информационных сигналов 51 (фиг.4) проходит электронный ключ 22, запирает его за собой и поступает на вход схемы 25 регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов.

Электронный ключ 22, отпирающий вход которого подключен к выходу логического элемента 23, предназначен для исключения из последовательности 51 информационных сигналов, сформированных логическим элементом 24 при отсутствии потока воды в трубопроводе 1. При равенстве давлений Р_х и P_o интервал времени t_х равен нулю, поэтому при одновременном формировании стандартных импульсов 39 и 45 (или 44 и 50) сигнал на выходе логического элемента 23 не сформируется и электронный ключ 22 не подключит вход схемы 25 к выходу логического элемента 24.

Значение периода Т_1(2,3) (частоты) следования последовательности 51 информационных сигналов, регистрируемых схемой 25, определяется соотношением значений интервалов времени t_х и t_o, т.е. зависит от разности давлений Р_х и Р_o. Это позволяет судить о мгновенном расходе по частоте следования информационных сигналов, а по их количеству - о мгновенном расходе воды в контролируемом трубопроводе.

Как показано на примере (фиг.4), с понижением значения полного давления Р_х, равного P₁, до значения Р₂ период следования T₁ последовательности 51 информационных сигналов увеличивается до значения Т₂ и вместо шести изображенных сигналов за тот же интервал времени электронный блок 17 устройства сформирует четыре. С повышением давления Р_х до значения Р₃ период T₁ уменьшается до значения Т₃ и за указанный интервал времени блок 17 сформирует десять информационных сигналов.

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый способ позволяет производить измерения без непосредственного зондирования потока акустическими сигналами, что позволяет не производить периодическую корректировку результатов измерения в зависимости от температуры воды в контролируемом трубопроводе. Кроме того, количество переизлучений зондирующего импульса, производимых в процессе формирования одного информационного сигнала, не является величиной постоянной. Напротив, оно определяется значением скоростного напора, что позволяет повысить разрешающую способность.

Литература

1. Патент РФ 2084830 по кл. G 01 F 1/38. Бюл. 20, 1997.

2. Патент РФ 2132539 по кл. G 01 F 1/46, 1/66, 5/00. Бюл. 18, 1999 (прототип).