расходомер жидких сред в открытых водоемах

Формула изобретения

Расходомер потока жидкости в открытых водоемах, содержащий блок измерения скорости потока, включающий лопасть, выполненную с возможностью отклонения от вертикали на определенный угол , уровнемер, а также электронный блок приема и обработки сигналов датчика угла отклонения лопасти, отличающийся тем, что содержит два идентичных датчика давления, один из которых установлен на конце лопасти, выполненной из трубки, а второй размещен в атмосфере воздуха, при этом сигналы датчиков давления поступают в электронный блок для определения глубины потока от уровня поверхности до дна водоема как суммы двух слоев h₁ и h₂ жидкости, первый из которых простирается от уровня поверхности до уровня погружения конца лопасти в процессе измерения скорости потока, а второй слой - от конца лопасти до дна водоема, причем глубина h₁ определяется с помощью датчиков давления, электрически сопряженных между собой по разностной схеме, а глубина h₂ - по углу отклонения лопасти от вертикали с учетом длины лопасти и высоты ее подвеса относительно дна водоема.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике по расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения объемного расхода жидких сред в открытых водоемах - каналах, не напорных трубопроводах большого сечения и сточных лотках.

Хорошо известен класс расходомеров ультразвукового типа, основанный на эффекте Доплера, а также класс на основе метода бокового сноса узкого звукового луча. При доплеровском методе звуковая волна, распространяясь по или против течения жидкости на заданном «отрезке» трубы, приобретает временной сдвиг, а также фазовый и частотный набеги, которые пропорциональны скорости потока. Из этих данных расчетно определяется объемный расход жидкости. В случае использования второго указанного ультразвукового метода скорость потока находится по величине бокового сноса звукового луча за время поперечного прохождения через слой движущейся жидкости.

К наиболее важным достоинствам ультразвуковых расходомеров относится возможность использования их для любых жидкостей, в том числе химически агрессивных. Недостатком таких расходомеров является сложность измерительной системы, что связано, главным образом, с малостью отношения v/c, где v - скорость потока жидкости; с - скорость звука в ней.

Известен также класс электромагнитных (индукционных) расходомеров, работающих на основе использования эффекта магнитногидродинамической индукции электрических сигналов, которые возникают при движении проводящей жидкости в трубопроводе поперек направления магнитного поля. При этом сигнальные электроды располагаются на противоположных концах диаметра трубы. Величина сигнала ЭДС пропорциональна скорости жидкости и, следовательно, ее расходу. Расходомеры данного типа работают как на основе постоянного магнитного поля, так и переменного, в частности импульсного поля. Важным положительным качеством расходомеров данного типа является возможность их работы в различных жидких средах, обладающих даже слабой электропроводностью. Однако этим устройствам присущи принципиальные недостатки, а именно возникновение в них электрохимических процессов на электродах, приводящих к поляризации электродов и, как следствие, искажению сигналов. Вместе с тем, при работе в переменных и импульсных магнитных полях индуцируются всевозможные электромагнитные наводки в электрических целях измерительного устройства, составляющие трудно устранимые помехи при регистрации полезных сигналов.

Известен также тип расходомеров для открытых водоемов, при работе которых требуется одновременно и независимо измерять как скорость потока жидкости, так и ее уровень. В частности, к таким расходомерам относится расходомер [патент на изобретение №2251080], который принимается ниже за прототип. Функциональный блок измерения средней скорости потока в нем выполнен в форме поворотной лопасти. Один конец лопасти закреплен на оси вращения, а другой свободно погружен в жидкость. За счет скорости движения жидкость оказывает динамическое давление на лопасть и поворачивает ее относительно вертикали на определенный угол, пропорциональный скорости потока. При этом в качестве датчика измерения угла поворота лопасти используется типовой датчик со встроенной микросхемой. Этот датчик чувствителен к отклонению от вертикали относительно поверхности горизонта.

Вторым функциональным измерительным блоком в расходомере-прототипе является уровнемер, который выполнен в виде типичного поплавка сферической формы, скрепленного с рычагом. Поплавок свободно поворачивается на оси вращения в вертикальной плоскости независимо от пространственного положения измерительной лопасти. Угол поворота поплавка однозначно связан с уровнем жидкости. Чувствительный элемент для измерения данного угла поворота выполнен также на основе упомянутой аналогичной микросхемы.

Положительным качеством такого расходомера является факт использования в нем унифицированных чувствительных датчиков углового поворота, а также сравнительная простота конструкции измерительной лопасти и рычага уровнемера. Однако данному расходомеру - прототипу - присущи принципиальные недостатки. Главный из них состоит в необходимости использования двух независимых поворотных механических элементов - лопасти и рычага. Фактически оба поворотных элемента размещаются в разных точках измерения скорости и уровня жидкости, где режимы течения могут сильно различаться между собой. Это с неизбежностью вносит в измерения трудно устранимые погрешности в определения объема расхода жидкости. Вместе с тем в процессе эксплуатации расходомера в нем со временем по-разному изменяются коэффициенты трения скольжения на поверхности осей поворота лопасти и рычага, что связано с «жесткими» условиями их работы - большая сырость и широкий диапазон изменения температуры. В совокупности эти факторы приводят к дополнительным сложно устраняемым погрешностям измерения объема расхода жидкости. Наряду со сказанным «двухосевая» система прибора представляет определенные сложности для профилактики и технической ревизии рабочего состояния устройства.

Целью изобретения является техническое упрощение расходомера, приводящее к полному упразднению в нем поплавкового блока, при одновременном сохранении всех измерительных функций расходомера.

Целью является также повышение надежности работы расходомера, улучшение точности измерения и упрощение процесса обслуживания на стадиях эксплуатации, проверки и ремонта.

Поставленная цель достигается тем, что в работу расходомера вводится новый способ измерения уровня жидкости, а именно глубина текущей жидкости от поверхности до дна русла определяется как сумма двух слоев жидкости.

Первый из них простирается от поверхности жидкости до уровня погружения конца лопасти в процессе измерения скорости жидкости. Второй слой отсчитывается от конца лопасти до дна русла. При этом толщину первого слоя определяют с помощью двух идентичных сенсорных датчиков давления, электрически сопряженных между собой по разностной схеме. Один из этих датчиков устанавливается на конце измерительной лопасти, а второй датчик размещается в атмосфере воздуха. Глубина следующего - второго слоя жидкости - определяется по углу отклонения лопасти от вертикали с учетом полной длины лопасти и высоты ее подвеса относительно дна русла.

Благодаря введению нового способа измерения уровня жидкости и соответствующего изменения технического устройства расходомера из его блочной конструкции полностью исключается блок поплавкового уровнемера. В результате технически упрощается вся конструкция расходомера, повышается надежность и точность работы, а также облегчается эксплуатация данного устройства.

Для пояснения работы изобретения на чертеже схематично изображен блок уровнемера. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - поворотная лопасть; 2 - датчик угла поворота лопасти, выполненный на основе микросхемы типа ADXL; 3 - осевое соединение лопасти; 4 - датчик давления, выполненный на основе микросхемы MPX10D; 5 - второй аналогичный датчик давления; 6 - электронный блок, осуществляющий обработку сигналов, поступающих от датчиков 2, 4, 5; h₁ - толщина слоя жидкости от уровня поверхности до уровня погруженного конца лопасти; h₂ - второй слой жидкости от конца лопасти до дна русла; h=h₁+h₂ - полная высота уровня жидкости в момент измерения скорости; Н - высота подвеса лопасти относительно дна русла; V - скорость потока жидкости в окрестности отрезка АВ, т.е. погруженной части лопасти 1.

Уровнемер функционирует следующим образом. При изменении скорости потока V, что происходит при изменении уровня жидкости h, одновременно меняется гидродинамическое воздействие потока на погруженную часть лопасти АВ. Лопасть 1, находящаяся под действием гидродинамической силы давления, а также гидростатической силы выталкивания и гравитационной силы тяжести, автоматически смещается в результате поворота относительно оси 3 в новое равновесное положение, определяемое углом . Одновременно происходит перераспределение толщины слоев жидкости h₁ и h₂, соответствующих новому уровню жидкости h=h₁ +h₂. При этом датчик 2 генерирует электрический сигнал о величине угла , который передается на приемный электронный блок 6. Датчик 4 генерирует свой сигнал о суммарном давлении «столба» жидкости над ним и давления атмосферного воздуха. Датчик давления 5 соответственно вырабатывает сигнал о величине атмосферного давления. Сигналы от датчиков 4 и 5 поступают на приемный блок 6. В этом блоке по сигналу датчика 2 расчетно определяется угол . По сигналам датчиков 4 и 5 находится толщина первого слоя жидкости h₁. В свою очередь, толщина слоя h₂ вычисляется по известным значениям высоты подвеса лопасти Н, полной длине лопасти и углу отклонения .

Следовательно, в результате совместной расчетной обработки перечисленных данных, поступающих в измерительный блок 6, определяется эффективное поперечное сечение потока и средняя скорость для «данного момента времени». На основе этой информации в том же блоке 6 расчетно находится объемный расход жидкости по обычному правилу «площадь × скорость».

Изобретение реализовано в опытном варианте, соответствующем схеме, представленной на фиг.1. Поворотная лопасть 1 изготовлена из нержавеющей стали в форме цилиндрической трубки длиной 1530 мм, диаметром 22 мм и толщиной стенки 1,5 мм. На конце трубки в ее полости размещен датчик давления 4, выполненный на основе микросхемы МРХ10Д. В начале трубки размещен датчик 2 угла поворота лопасти, выполненный на основе микросхемы ADXL. В атмосфере воздухе - вне лопасти - установлен датчик давления 5, выполненный на основе микросхемы МРХ10Д. Электронный блок 6 для приема и обработки электрических сигналов, поступающих с указанных датчиков, представляет собой комплекс из стандартных электронных схем. Устройство испытано в натуральных условиях, т.е. оно было установлено в лотке с заданной геометрией поперечного сечения. По лотку протекала вода со средней скоростью в диапазоне от 10 до 200 см/с.

Результаты опытов показали высокую стабильность работы устройства, простоту его эксплуатации, а также хорошую точность и воспроизводимость результатов измерения расхода воды.

Данный вариант осуществления изобретения в виде опытного образца не исключает иных вариантов устройства расходомера в пределах формулы изобретения.

Таким образом, изобретение в техническом и функциональном отношении значительно упростилось относительно прототипа. Изобретение приобрело также большую надежность в работе, простоту эксплуатации и расширенный динамический диапазон точного измерения расхода жидкости в открытых водоемах.