способ определения расхода воды в трубопроводе и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ определения расхода воды в трубопроводе путем периодического измерения скорости потока в заданной области поперечного сечения трубопровода при частичном блокировании потока в этой области, заключающийся в том, что задают область в продольном сечении трубопровода, отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в заданную область в продольном сечении и в направлении отведенного потока на базовом расстоянии друг от друга задают три базовые плоскости, отличающийся тем, что задают базовый интервал времени, превышающий по длительности разность интервалов времени, необходимых для прохождения акустическими сигналами базового расстояния соответственно против и в направлении отведенного потока при максимальном значении его скорости, и в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, из первой и из третьей базовых плоскостей в направлении второй базовой плоскости одновременно излучают соответственно первый и второй зондирующие импульсы, спустя время, необходимое для прохождения базового расстояния до второй базовой плоскости, производят регистрацию первого зондирующего импульса, отсчитывают от момента регистрации базовый интервал времени и из первой базовой плоскости производят переизлучение первого зондирующего импульса, периодически повторяют операцию переизлучения первого зондирующего импульса, спустя время, необходимое для прохождения базового расстояния до второй базовой плоскости, производят регистрацию второго зондирующего импульса, отсчитывают от момента регистрации базовый интервал времени и из третьей базовой плоскости производят переизлучение второго зондирующего импульса, периодически повторяют операцию переизлучения второго зондирующего импульса, в момент первого переизлучения первого зондирующего импульса при совпадении по времени момента его регистрации и момента регистрации второго зондирующего импульса прекращают проведение текущего цикла, при превышении базовым интервалом времени длительности интервала времени между очередным моментом регистрации второго зондирующего импульса и последующим моментом регистрации первого зондирующего импульса заканчивают проведение текущего цикла измерения и по количеству регистраций второго зондирующего импульса, выполненных за время проведения одного цикла измерений, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству указанных регистрации, выполненных за время проведения предыдущих циклов измерения, судят о суммарном расходе.

2. Устройство для реализации способа определения расхода воды в трубопроводе, содержащее исполнительный узел в составе измерительной линии, подключенной к линии полного и к линии статического давлений воды в трубопроводе, и трех ультразвуковых преобразователей, установленных на стенках измерительной линии на базовом расстоянии друг от друга, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов, первого генератора зондирующих импульсов, усилителя, семи электронных ключей, трех диодов и схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов, отличающееся тем, что измерительная линия подключена к линии полного и к линии статического давлений посредством первого и второго соединительного шланга соответственно через первую и через вторую задвижки, а в состав электронного блока дополнительно включены второй генератор зондирующих импульсов и две линии временных задержек, при этом к выходу первого генератора зондирующих импульсов подключен первый ультразвуковой преобразователь, установленный на стенках измерительной линии со стороны линии полного давления, ко второму ультразвуковому преобразователю подключен вход усилителя, к выходу второго генератора зондирующих импульсов подключен третий ультразвуковой преобразователь, установленный на стенках измерительной линии со стороны линии статического давления, к выходу генератора стандартных импульсов через первый диод подключены вход первого генератора зондирующих импульсов и отпирающий вход первого электронного ключа, а через второй диод - вход второго генератора зондирующих импульсов и отпирающий вход второго электронного ключа, к выходу усилителя подключены вход третьего и вход четвертого электронных ключей, к выходу первого электронного ключа подключен вход первого генератора зондирующих импульсов, к выходу второго электронного ключа подключен вход второго генератора зондирующих импульсов, к выходу третьего электронного ключа подключены запирающий вход указанного ключа, отпирающий вход четвертого электронного ключа, вход пятого электронного ключа, вход шестого электронного ключа и вход первой линии временной задержки, к выходу четвертого электронного ключа подключены запирающий вход указанного ключа, отпирающий вход третьего электронного ключа, отпирающий вход пятого электронного ключа, запирающий вход седьмого электронного ключа, вход второй линии временной задержки и вход схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов, к выходу пятого электронного ключа, соединенного с выходом седьмого электронного ключа, подключены запирающий вход первого электронного ключа и запирающий вход второго электронного ключа, а через третий диод подключен отпирающий вход третьего электронного ключа, к выходу шестого электронного ключа подключены запирающий вход указанного ключа и отпирающий вход седьмого электронного ключа, к выходу первой линии временной задержки подключены вход первого электронного ключа и вход седьмого электронного ключа, а к выходу второй линии временной задержки подключены вход второго электронного ключа и запирающий вход пятого электронного ключа.

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 определения 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 (Патент РФ 2084830, по кл. G 01 F 1/38, БИ 20, 1997 г.).

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 поддиапазонов, на которые разбит диапазон скоростей потока, рекомендуемый для заданного диаметра трубопровода.

Известен способ определения расхода воды в трубопроводе путем периодического измерения скорости потока в заданной области поперечного сечения трубопровода при частичном блокировании потока в этой области, заключающийся в том, что задают область в продольном сечении трубопровода, отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в заданную область в продольном сечении, в направлении отведенного потока на базовом расстоянии друг от друга задают три базовые плоскости, в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, из второй базовой плоскости в направлении первой и третьей базовых плоскостей излучают зондирующий импульс, в моменты четных регистраций зондирующего импульса в первой базовой плоскости и в моменты нечетных регистраций зондирующего импульса в третьей базовой плоскости производят переизлучение зондирующего импульса из второй базовой плоскости, формируют последовательность счетных импульсов, период следования которых предварительно корректируют в зависимости от значения скорости распространения зондирующих импульсов при отсутствии потока, и по количеству счетных импульсов, сформированных в интервале времени, необходимом для проведения заданного количества нечетных регистраций второго зондирующего импульса в третьей базовой плоскости, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству стандартных импульсов, считанных за время проведения предыдущих циклов измерения, судят о суммарном расходе (Патент РФ 2126142, по кл. G 01 F 1/36, 1/66, БИ 4, 1999 г. (прототип)).

Устройство для реализации известного способа содержит исполнительный узел в составе измерительной линии, подключенной к линии полного и к линии статического давлений воды в трубопроводе, и трех ультразвуковых преобразователей, установленных на стенках измерительной линии на базовом расстоянии друг от друга, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов, генератора зондирующих импульсов, усилителя, триггера, ждущего мультивибратора, восьми электронных ключей, шести диодов 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 зондирующего импульса, производимых в процессе проведения одного цикла измерения.

Задача изобретения - повышение разрешающей способности.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения расхода воды в трубопроводе путем периодического измерения скорости потока в заданной области поперечного сечения трубопровода при частичном блокировании потока в этой области, заключающемся в том, что задают область в продольном сечении трубопровода, отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в заданную область в продольном сечении и в направлении отведенного потока на базовом расстоянии друг от друга задают три базовые плоскости, задают базовый интервал времени, превышающий по длительности разность интервалов времени, необходимых для прохождения акустическими сигналами базового расстояния соответственно против и в направлении отведенного потока при максимальном значении его скорости, и вначале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, из первой и из третьей базовых плоскостей в направлении второй базовой плоскости одновременно излучают соответственно первый и второй зондирующие импульсы, спустя время, необходимое для прохождения базового расстояния до второй базовой плоскости, производят регистрацию первого зондирующего импульса, отсчитывают от момента регистрации базовый интервал времени и из первой базовой плоскости производят переизлучение первого зондирующего импульса, периодически повторяют операцию переизлучения первого зондирующего импульса, спустя время, необходимое для прохождения базового расстояния до второй базовой плоскости, производят регистрацию второго зондирующего импульса, отсчитывают от момента регистрации базовый интервал времени и из третьей базовой плоскости производят переизлучение второго зондирующего импульса, периодически повторяют операцию переизлучения второго зондирующего импульса, в момент первого переизлучения первого зондирующего импульса при совпадении по времени момента его регистрации и момента регистрации второго зондирующего импульса прекращают проведение текущего цикла, при превышении базовым интервалом времени длительности интервала времени между очередным моментом регистрации второго зондирующего импульса и последующим моментом регистрации первого зондирующего импульса заканчивают проведение текущего цикла измерения и по количеству регистраций второго зондирующего импульса, выполненных за время проведения одного цикла измерений, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству указанных регистраций, выполненных за время проведения предыдущих циклов измерения, судят о суммарном расходе.

Относительно устройства для реализации способа определения расхода воды в трубопроводе, содержащего исполнительный узел в составе измерительной линии, подключенной к линии полного и к линии статического давлений воды в трубопроводе, и трех ультразвуковых преобразователей, установленных на стенках измерительной линии на базовом расстоянии друг от друга, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов, первого генератора зондирующих импульсов, усилителя, семи электронных ключей, трех диодов и схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов, поставленная задача решается тем, что измерительная линия исполнительного узла подключена к линии полного и к линии статического давлений посредством первого и второго соединительного шланга соответственно через первую и через вторую задвижки, а в состав электронного блока дополнительно включены второй генератор зондирующих импульсов и две линии временных задержек, при этом к выходу первого генератора зондирующих импульсов подключен первый ультразвуковой преобразователь, установленный на стенках измерительной линии со стороны линии полного давления, ко второму ультразвуковому преобразователю подключен вход усилителя, к выходу второго генератора зондирующих импульсов подключен третий ультразвуковой преобразователь, установленный на стенках измерительной линии со стороны линии статического давления, к выходу генератора стандартных импульсов через первый диод подключены вход первого генератора зондирующих импульсов и отпирающий вход первого электронного ключа, а через второй диод - вход второго генератора зондирующих импульсов и отпирающий вход второго электронного ключа, к выходу усилителя подключены вход третьего и вход четвертого электронных ключей, к выходу первого электронного ключа подключен вход первого генератора зондирующих импульсов, к выходу второго электронного ключа подключен вход второго генератора зондирующих импульсов, к выходу третьего электронного ключа подключены запирающий вход указанного ключа, отпирающий вход четвертого электронного ключа, вход пятого электронного ключа, вход шестого электронного ключа и вход первой линии временной задержки, к выходу четвертого электронного ключа подключены запирающий вход указанного ключа, отпирающий вход третьего электронного ключа, отпирающий вход пятого электронного ключа, запирающий вход седьмого электронного ключа, вход второй линии временной задержки и вход схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов, к выходу пятого электронного ключа, соединенного с выходом седьмого электронного ключа, подключены запирающий вход первого электронного ключа и запирающий вход второго электронного ключа, а через третий диод подключен отпирающий вход третьего электронного ключа, к выходу шестого электронного ключа подключены запирающий вход указанного ключа и отпирающий вход седьмого электронного ключа, к выходу первой линии временной задержки подключены вход первого электронного ключа и вход седьмого электронного ключа, а к выходу второй линии временной задержки подключены вход второго электронного ключа и запирающий вход пятого электронного ключа.

Заявленное техническое решение поясняется следующими графическими материалами.

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 предлагаемого способа устанавливается на трубопроводе 1 посредством седелок 2, 3 и монтажных муфт 4, 5. Оно содержит исполнительный узел в составе двух задвижек 6, 7, линии 8 полного и линии 9 статического давлений Р_х и Р_о воды в контролируемом трубопроводе, трех ультразвуковых преобразователей 10-12, измерительной линии 13 и двух соединительных шлангов 14, 15 и электронный блок 16 (фиг.1).

В состав электронного блока включены генератор 17 стандартных импульсов, два генератора 18, 19 зондирующих импульсов, усилитель 20, семь электронных ключей 21-27, две линии 28, 29 временных задержек, три диода 30-32 и схема 33 регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов (фиг. 2).

Предлагаемый способ осуществляется путем периодического измерения скорости V_x потока в заданной области поперечного сечения трубопровода 1 при частичном блокировании потока в этой области посредством линии 8 полного давления Р_х, смонтированной на седелке 2 посредством монтажной муфты 4. При этом линией 9 статического давления Р_о, смонтированной на седелке 2 посредством монтажной муфты 5, задают область в продольном сечении трубопровода 1, которую посредством измерительной линии 13 и соединительных шлангов 14, 15 подключают к линии 8 полного давления Р_х и тем самым отводят поток из области блокирования в поперечном сечении в заданную область в продольном сечении (фиг.1).

Благодаря наличию заслонок 5, 6 и соединительных шлангов 14, 15 монтаж и демонтаж для поверки или замены ультразвуковых преобразователей 10-12 исполнительного узла устройства производится без перерыва в подаче воды.

В направлении отведенного потока, протекающего по измерительной линии 13, и на базовом расстоянии L_o друг от друга задают три базовые плоскости "А", "В" и "С", с первой из которых совмещают рабочую плоскость первого ультразвукового преобразователя 10, со второй - рабочую плоскость второго ультразвукового преобразователя 11, а с третьей плоскостью совмещают рабочую плоскость третьего ультразвукового преобразователя 12 (фиг.2).

В начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени То, стандартный импульс 34 генератора 17 (через первый и второй диоды 30, 31) отпирает электронные ключи 21, 22 и поступает на вход первого и на вход второго генераторов 18, 19 зондирующих импульсов (фиг.2 и 3).

Срабатывая, генераторы 18, 19 возбуждают первый и третий ультразвуковые преобразователи 10 и 12. В результате в первой и третьей базовых плоскостях "А" и "С" одновременно сформируются соответственно первый и второй зондирующие импульсы 35 и 40, которые в виде акустических сигналов J₁ и J₂ излучают в направлении второй базовой плоскости "В".

Первый зондирующий импульс 35 (акустический сигнал J₁), излученный вдоль направления потока, проходит в измерительной линии 13 базовое расстояние L_o и, спустя время t₁ после излучения, равное разности значений t₀ и t_x (где t₀ - время, необходимое для прохождения акустическим сигналом ₁ базового расстояния L_o при отсутствии потока, а t_x - интервал времени по длительности, пропорциональный скорости отведенного потока) достигает вторую базовую плоскость "В" в виде акустического сигнала 45, преобразуется вторым ультразвуковым преобразователем 11 в электрический сигнал и поступает на вход усилителя 20.

Соответствующий сигналу 45 электрический импульс 54, сформированный на выходе усилителя 20, проходит открытый в исходном состоянии первый электронный ключ 23, запирает его за собой, отпирает второй электронный ключ 24 и поступает на вход первой линии 28 временной задержки. Линией 28 (и второй линией 29) задают базовый интервал времени t_o, который по длительности превышает значение t_x разности интервалов времени (t₁)min и (t₂)max, необходимых для прохождения акустическими сигналами J₁ и J₂ базового расстояния L_o соответственно против и в направлении отведенного потока при максимальном значении его скорости.

Сформированный линией 28 информационный сигнал 63 через первый электронный ключ 21 поступает на вход первого генератора 18, посылающего очередной электрический сигнал на первый ультразвуковой преобразователь 10. Возбуждаясь, преобразователь 10 в виде акустического сигнала 36 производит первое переизлучение первого зондирующего импульса 35. При этом периодически повторяющаяся операция переизлучения зондирующего импульса 35 сопровождается формированием очередных акустических сигналов 36-39, регистрацией акустических сигналов 46-49, формированием соответствующих им электрических импульсов 55-58 и информационных сигналов 64-67.

Второй зондирующий импульс 40 (акустический сигнал J₂), излученный в направлении, противоположном направлению отведенного потока, проходит вдоль измерительной линии 13 базовое расстояние L_o и, спустя время t₂ после излучения, равное сумме значений t₀ и t_x, достигает вторую базовую плоскость "В" в виде акустического сигнала 50, преобразуется вторым ультразвуковым преобразователем 11 в электрический сигнал и поступает на вход усилителя 20.

Соответствующий сигналу 50 электрический импульс 59, сформированный на выходе усилителя 20, проходит открытый импульсом 54 второй электронный ключ 24, запирает его за собой, отпирает первый электронный ключ 23 и поступает на вход второй линии 29 временной задержки.

Сформированный линией 29 информационный сигнал 68 через второй электронный ключ 22 поступает на вход второго генератора 19, посылающего очередной электрический сигнал на третий ультразвуковой преобразователь 12. Возбуждаясь, преобразователь 12 в виде акустического сигнала 41 производит первое переизлучение второго зондирующего импульса 40. При этом периодически повторяющаяся операция переизлучения зондирующего импульса 40 сопровождается формированием очередных акустических сигналов 41-44, регистрацией акустических сигналов 51-53, формированием соответствующих им электрических импульсов 60-62 и информационных сигналов 69-72.

Как показано на фиг.3, при наличии потока в измерительной линии 13 электрический импульс 54 запаздывает относительно электрического импульса 59 на время 2t_x, пропорциональное значению скоростного напора в трубопроводе 1. После первого переизлучения зондирующих импульсов время запаздывания достигает значения 4t_x и пропорционально увеличивается с каждым последующим переизлучением. При достижении значения запаздывания, при котором базовый интервал времени t_o превышает длительность интервала времени между очередным моментом регистрации второго зондирующего импульса 40 и последующим моментом регистрации первого зондирующего импульса 35 (между импульсами 62 и 58), заканчивают проведение текущего цикла измерения. Для этого к выходу четвертого электронного ключа 24, формирующего электрические импульсы 59-62, и к выходу второй линии 29, формирующей информационные сигналы 68-72, подключают соответственно отпирающий и запирающий входы пятого электронного ключа 25. На вход электронного ключа 25 с выхода третьего электронного ключа 23 периодически поступают электрические импульсы 54-58, последний из которых через ключ 25 запирает первый и второй электронные ключи 21, 22 и тем самым прекращает проведение операций переизлучения зондирующих импульсов 35 и 40.

Первый цикл измерения заканчивается. Спустя время Т_о после его начала генератор 20 стандартных импульсов вырабатывает очередной импульс 34. Начинается второй (очередной) цикл измерения.

Во время проведения измерений схема 33, вход которой подключен к выходу четвертого электронного ключа 24, считывает последовательность электрических импульсов 59-62. Период следования данных импульсов пропорционален скорости потока воды в трубопроводе 1, поэтому по их количеству, сформированному усилителем 20 за время Т_о проведения одного цикла, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству указанных импульсов, считанному схемой 33 за время проведения предыдущих циклов, судят о суммарном расходе.

При равенстве полного и статических давлений Р_х и Р_о в трубопроводе 1 интервалы времени t₁ и t₂ принимают значение t₀, в результате чего первый и второй зондирующие импульсы 35 и 40 достигают вторую базовую плоскость "В" одновременно (акустические сигналы 73 и 74 на фиг.3). Это приводит к тому, что электрические импульсы 75 и 76 электронным блоком 16 не различаются. Поэтому для предотвращения сбоя в работе устройства при отсутствии потока в измерительной линии 13 в состав блока 16 включены электронные ключи 26, 27 и диод 32.

Как показано на фиг. 2, отпирающий вход шестого электронного ключа 26 подключен к выходу генератора 17 стандартных импульсов, запирающий вход соединен с отпирающим входом седьмого электронного ключа 27 и подключен к собственному выходу, а вход ключа 26 подключен к выходу третьего электронного ключа 23. Другими словами, указанный ключ в начале очередного цикла измерения выделяет первый сформированный усилителем 20 электрический импульс 54 (75), которым отпирает электронный ключ 27. Запирается ключ 27 спустя время 2t_x электрическим импульсом 59 с выхода четвертого электронного ключа 24. При отсутствии потока t_x равно нулю, так как электрический импульс 76, соответствующий импульсу 59 при наличии потока, одновременно с импульсом 75 поступает через ключи 23 и 26 на отпирающий вход электронного ключа 27. Поэтому импульс 76 схемой 33 не считывается, а спустя время t_o информационный сигнал 77, сформированный первой линией 28 временной задержки, проходит электронный ключ 27, запирает его за собой через третий диод 32 и аналогично импульсу 58 поступает на запирающий вход первого и на запирающий вход второго электронных ключей 21, 22. Проведение текущего цикла измерения прекращается.

Таким образом, по сравнению с известными в предлагаемом способе и устройстве для его реализации количество переизлучений зондирующих импульсов, производимых в процессе проведения одного цикла измерения, не является величиной постоянной, а напротив, определяется значением скоростного напора контролируемой среды, что позволяет повысить разрешающую способность.