СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ В ТРУБОПРОВОДАХ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1999 года по МПК G01F1/36 G01F1/66 

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 содержит 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 в составе генератора стандартных импульсов, схемы формирования групп стандартных импульсов, схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования кратковременных импульсов, схемы учета первого информационного импульса, схемы считывания и считчика циклов измерения.

Недостатком известного способа и устройства для его реализации является зависимость разрешающей способности от количества поддиапозонов, 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 задача решается 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, отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в область продольного сечения, в направлении, противоположном направлению частично отведенного потока и на равных расстояниях друг от друга задают первую, вторую и третью базовые плоскости, и в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, во второй базовой плоскости формируют зондирующий импульс и излучают его одновременно вдоль и против частично отведенного потока, в моменты первой и каждой очередной четной регистрации зондирующего импульса в первой базовой плоскости и в моменты каждой нечетной его регистрации в третьей базовой плоскости производят переизлучение зондирующего импульса во второй базовой плоскости, ограничивают текущий цикл измерения временем проведения заданного количества переизлучений зондирующего импульса, формируют информационный интервал времени между моментом последней при проведении текущего цикла измерения четной регистрации зондирующего импульса в первой базовой плоскости и моментом соответствующей нечетной регистрации указанного импульса в третьей базовой плоскости, заполняют информационный интервал времени последовательностью стандартных импульсов, период следования которых предварительно корректируют в зависимости от длительности интервала времени между моментом формирования зондирующего импульса во второй базовой плоскости и моментом его первой четной регистрации в третьей базовой плоскости, и по количеству стандартных импульсов, сформированных за время проведения текущего цикла измерения судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству стандартных импульсов, сформированных за время проведения предыдущих циклов измерения судят о суммарном расходе.

Относительно устройства для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащего исполнительный узел и электронный блок в составе схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования групп стандартных импульсов, и схемы считывания, поставленная задача решается тем, что исполнительный узел выполнен в виде измерительной трубки, соединяющей линию полного давления с линией статического давления воды в трубопроводе, и первый, второй, третий ультразвуковые преобразователи, равномерно установленные на стенках измерительной трубки и последовательно размещенные вдоль направления, противоположном направлению потока, а в электронный блок дополнительно включена схема запуска, при этом в состав схемы формирования информационных сигналов электронного блока включены генератор импульсов, к выходу которого подключен второй ультразвуковой преобразователь, первый усилитель-формирователь, вход которого соединен с первым ультразвуковым преобразователем, второй усилитель-формирователь, вход которого соединен с третьим ультразвуковым преобразователем, логический элемент "ИЛИ", к первому и второму входу которого подключены соответственно выход первого и выход второго усилителей-формирователей, одиннадцать электронных ключей, вход каждого из которых, за исключением входа первого, входа пятого и входа одиннадцатого электронных ключей, подключен к выходу первого электронного ключа, а выход, за исключением выхода первого, выхода десятого и выхода одиннадцатого электронных ключей, подключен к своему запирающему входу и к отпирающему входу последующего ключа, вход первого электронного ключа подключен к выходу логического элемента, вход пятого электронного ключа подключен к выходу второго усилителя-формирователя, а выход десятого электронного ключа подключен к отпирающему входу седьмого электронного ключа, а выход и запирающий вход одиннадцатого электронного ключа соединен с запирающим входом первого электронного ключа, и семь диодов, через первый, третий и пятый из которых соединены выходы соответственно первого, четвертого и седьмого электронных ключей, к которым через шестой диод подключен вход генератора импульсов, через второй и четвертый диоды вход генератора импульсов подключен к выходу соответственно третьего и шестого электронного ключа, через седьмой диод - выход схемы запуска, в состав схемы формирования группы стандартных импульсов включены триггер, первый установочный вход которого соединен с отпирающими входами первого и второго электронных ключей и подключен к выходу схемы запуска, а второй установочный вход подключен к выходу пятого электронного ключа, и ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу триггера, а второй установочный вход подключен к выходу одиннадцатого электронного ключа, а в состав схемы считывания включены первый счетчик, вход которого через шестой диод соединен со входом генератора импульсов, а выход соединен с первым установочным входом ждущего мультивибратора и с отпирающим входом одиннадцатого электронного ключа, второй счетчик, вход сброса показаний которого подключен к выходу схемы запуска, и третий счетчик, вход которого соединен со входом второго счетчика и подключен к выходу ждущего мультивибратора.

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 способа монтируется на трубопроводе 1 посредством седелки 2, задвижки 3 и шлюзовой камеры 4 с сальником. Оно содержит линию 5 полного давления, линию 6 статического давления, исполнительный узел в составе измерительной трубки 7 и трех ультразвуковых преобразователей 8-10, и электронный блок 11 (фиг. 1).

Электронный блок включает в себя схему формирования информационных сигналов в составе генератора 12 импульсов, двух усилителей-формирователей 13-14, логического элемента "ИЛИ" 15, одиннадцати электронных ключей 16-26 и семи диодов 27-33, схему формирования группы стандартных импульсов в составе триггера 34 и ждущего мультивибратора 35, схему считывания в составе трех счетчиков 36-38 и схему 39 запуска.

Способ заключается в следующем.

В основу предлагаемого способа определения мгновенного и суммарного расхода заложен принцип измерения максимальной скорости потока по величине скоростного напора в заданной области поперечного сечения трубопровода 1 при частичном блокировании потока воды в этой области посредством линии 5 полного давления Px, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока. При этом линией 6 статического давления задают область продольного сечения потока, которую измерительной трубкой 7 соединяют с линией 5. (фиг. 1).

Благодаря наличию заслонки 3 и шлюзовой камеры 4, установленных на седелке 2, линия 5 полного давления P_х, и линия 6 статического давления P_о исполнительного узла монтируются в трубопровод 1 без перерыва подачи воды.

В направлении, противоположном направлению частично отведенного потока в измерительной трубке 7 и на равных расстояниях L_о друг от друга задают базовые плоскости "A", "B" и "C", с первой и третьей из которых совмещают рабочие плоскости ультразвуковых преобразователей 8 и 10, работающих в режиме приема, а со второй базовой плоскостью "B" - рабочую плоскость ультразвукового преобразователя 9, работающего в режиме излучения.

В начале первого и каждого последующего циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени T_t (фиг. 3), на вход генератора 12 через седьмой диод 33 поступает электрический импульс 40 схемы 39 запуска. Генератор 12 срабатывает и возбуждает второй преобразователь 9. В результате, во второй базовой плоскости "B" сформируется зондирующий импульс 41, который в виде сигналов J1 и J2 (акустических сигналов 41-51) излучают соответственно по и против частично отведенного в измерительную трубку 7 потока.

Электрический импульс 40 открывает также первый и второй электронные ключи 16 и 17, сбрасывает показания второго счетчика 37 и поступает на первый установочный вход триггера 34, приступающего к формированию строба 86.

Зондирующий импульс 41 (42-51), излученный в направлении первой базовой плоcкости "A" (сигнал J1), проходит вдоль потока в измерительной трубке 7 расстояние L_o, и, спустя время T1 после излучения, равное разности значений T_o и T_v (где T_o - время, необходимое для прохождения зондирующим импульсом 40 расстояния L_o и P_x, равном P_o а T_v - интервал времени, по длительности пропорциональный скорости потока) и достигает в виде акустического сигнала 52 (53-56, 62, 66-68) первую базовую плоскость "A", преобразуется первым преобразователем 8 в электрической и поступает на вход первого усилителя-формирователя 13. Соответствующий сигналу 52 электрический импульс 69 с выхода усилителя 13 поступает на первый вход логического элемента 15, проходит его, затем проходит первый и второй электронные ключи 16-17, закрывает за собой ключ 17, открывает третий электронный ключ 18 и через первый и шестой диоды 27 и 32 поступает на вход генератора 12, посылающего электрический импульс на преобразователь 9. Преобразователь 9 возбуждается и в виде акустического сигнала 42 производит переизлучение зондирующего импульса 41.

Зондирующий импульс 41 (42-51), излученный в направлении третьей базовой плоскости "C" (сигнал J2), проходит в направлении потока расстояние L_o, и, спустя время T2 после излучения, равное (T_o + T_v), достигает в виде акустического сигнала 57 (58-65) третью базовую плоскость "C", преобразуется преобразователем 10 в электрический и поступает на вход второго усилителя-формирователя 14. Соответствующий сигналу 57 электрический импульс 74 с выхода усилителя 14 поступает на второй вход логического элемента 15, проходит первый и третий электронные ключи 16 и 18, закрывает за собой ключ 18, открывает четвертый электронный ключ 19 и через второй диод поступает на вход генератора 12, посылающего электрический импульс на преобразователь 9. Преобразователь 9 возбуждается и производит очередное переизлучение зондирующего импульса 41 (акустический сигнал 43 на фиг. 2).

В результате первого и второго переизлучения зондирующего импульса 41 (акустические сигналы 42-43) преобразователи 8 и 10 зарегистрируют по два акустических сигнала 53, 62 и 62, 58 соответственно (сигнал 62 двойной). Соответствующий акустическому сигналу 53 электрический импульс 70 с выхода первого усилителя-формирователя 13 через логический элемент 15 и ключ 16 поступает на вход четвертого электронного ключа 19, закрывает его за собой и через третий и шестой диоды 29 и 32 поступает на вход генератора 12.

Соответствующий акустическому сигналу 62, регистрируемому первым и третьим преобразователями 8 и 9, электрический импульс 79 с выхода усилителя-формирователя 13 и с выхода усилителя-формирователя 14 одновременно поступает на первый и второй входы логического элемента "ИЛИ" 15 и далее в схему электронного блока 11 не проходит. Однако, как показано на фиг. 2, выход усилителя-формирователя 14 подключен также к пятому электронному ключу 20, открытому предыдущим импульсом 70. Поэтому импульс 79 проходит ключ 20, закрывает его за собой, открывает шестой электронный ключ 21 и поступает на второй установочный вход триггера 34. Сформированный триггером 34 строб 86 длительностью 2T_o, пропорциональной скорости звука в контролируемой среде и не зависящей от скорости ее потока, поступает на управляющий вход ждущего мультивибратора 34 и корректирует значение периода следования стандартных импульсов 87.

Соответствующий акустическому сигналу 75, регистрируемому преобразователем 10 спустя время 2T_x после регистрации преобразователем 8 сигнала 53, электрический импульс 75, формируемый усилителем-формирователем 14, проходит логический элемент 15, первый и шестой электронные ключи 16 и 21, закрывает за собой ключ 21, открывает седьмой электронный ключ 22 и через четвертый диод 30 поступает на вход генератора 12.

Начиная с момента поступления на вход генератора 12 электрического импульса 75 электронные ключи 17-21 в формировании информационных интервалов времени длительностью, кратной T_x (3T_x, 4T_x и т.д.), не участвуют. В работу включаются электронные ключи 22-25, выход последнего из которых соединен с отпирающим входом первого. При этом электрические импульсы 71-73, формируемого усилителем 13, проходят седьмой электронный ключ 22, закрывают его за собой, открывают восьмой электронный ключ 23 и через пятый диод 31 поступают на вход первого счетчика 36. Электрические импульсы 80-82, формируемые усилителем 14, проходят восьмой ключ 23, закрывают его за собой и открывают девятый электронный ключ 24. Электрические импульсы 83-85, формируемые усилителем 13, проходят восьмой ключ 24, закрывают его за собой и открывают десятый электронный ключ 25. Электрические импульсы 76-78, формируемые усилителем 14, проходят десятый ключ 25, закрывают его за собой, открывают седьмой электронный ключ 22 и через четвертый диод 30 поступают на вход генератора 12, производящего очередное переизлучение зондирующего импульса 41 (фиг. 3).

Процесс переизлучения зондирующего импульса 41 производят до момента переполнения емкости "N" первого счетчика 36, считывающего электрические импульсы 71-73. Импульс переполнения с выхода счетчика 36 поступает на отпирающий вход одиннадцатого электронного ключа 26 и на первый установочный вход ждущего мультивибратора 35, стандартные импульсы 87 которого начинают поступать на вход второго и на вход третьего счетчиков 37-38.

Последний из формируемых электронным блоком 11 при проведении текущего цикла измерения электрический импульс 78 проходит одиннадцатый ключ 26, закрывает его за собой и поступает на запирающий вход первого электронного ключа 16 и на второй установочный вход ждущего мультивибратора 35. Поступление стандартных импульсов 87 на счетчики 37 и 38 прекращается. Первый цикл измерения завершается.

О величине мгновенного расхода судят по результату считывания стандартных импульсов 87 вторым счетчиком 37, показания которого в начале каждого очередного цикла измерения сбрасывают импульсом 40 схемы 39 запуска, а о величине суммарного расхода судят по показаниям третьего счетчика 38, считывающего суммарное количество стандартных импульсов 87, сформированных в процессе измерения.

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 стандартных импульсов периодически формируемых через равные интервалы времени, что позволяет повысить разрешающую способность.

Источники информации
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).

В трубопроводе монтируют линии полного - P_x и статического давления P_o исполнительного узла устройства для определения расхода. На стенках измерительной трубки, соединяющей линии P_х и P_o, на равных расстояниях размещают три ультразвуковых преобразователя, один из которых работает в режиме излучения зондирующих импульсов, а два других - режиме приема. Производят заданное количество переизлучений. Формируют информационный интервал времени между моментом последней при проведении текущего цикла измерения четной регистрации зондирующего импульса первым ультразвуковым преобразователем, работающим в режиме приема, и моментом соответствующей нечетной регистрации указанного импульса вторым ультразвуковым преобразователем, работающим в режиме приема. Заполняют информационный интервал времени стандартными импульсами и по их количеству судят о мгновенном расходе. Изобретения позволяют повысить точность определения расхода за счет повышения разрешающей способности. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. 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, отличающийся тем, что задают область продольного сечения потока, отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в область продольного сечения, в направлении, противоположном направлению частично отведенного потока и на равных расстояниях друг от друга задают первую, вторую и третью базовые плоскости и в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, во второй базовой плоскости формируют зондирующий импульс и излучают его одновременно вдоль и против частично отведенного потока, в моменты первой и каждой очередной четной регистрации зондирующего импульса в первой базовой плоскости и в моменты каждой нечетной его регистрации в третьей базовой плоскости производят переизлучение зондирующего импульса во второй базовой плоскости, ограничивают текущий цикл измерения временем проведения заданного количества переизлучений зондирующего импульса, формируют информационный интервал времени между моментом последней при проведении текущего цикла измерения четной регистрации зондирующего импульса в первой базовой плоскости и моментом соответствующей нечетной регистрации указанного импульса в третьей базовой плоскости, заполняют информационный интервал времени последовательностью стандартных импульсов, период следования которых предварительно корректируют в зависимости от длительного интервала времени между моментом формирования зондирующего импульса во второй базовой плоскости и моментом его первой четной регистрации в третьей базовой плоскости, и по количеству стандартных импульсов, сформированных за время проведения текущего цикла измерения, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству стандартных импульсов, сформированных за время проведения предыдущих циклов измерения, судят о суммарном расходе. 2. Устройство для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащее исполнительный узел и электронный блок в составе схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования групп стандартных импульсов и схемы считывания, отличающееся тем, что исполнительный узел выполнен в виде измерительной трубки, соединяющей линию полного давления с линией статического давления воды в трубопроводе и первый, второй, третий ультразвуковые преобразователи, равномерно установленные на стенках измерительной трубки и последовательно размещенные вдоль направления, противоположного направлению потока, а в электронный блок дополнительно включена схема запуска, при этом в состав схемы формирования информационных сигналов электронного блока включены генератор импульсов, к выходу которого подключен второй ультразвуковой преобразователь, первый усилитель-формирователь, вход которого соединен с первым ультразвуковым преобразователем, второй усилитель-формирователь, вход которого соединен с третьим ультразвуковым преобразователем, логический элемент ИЛИ, к первому и второму входам которого подключены соответственно выход первого и выход второго усилителей-формирователей, одиннадцать электронных ключей, вход каждого из которых, за исключением входа первого, входа пятого и входа одиннадцатого электронных ключей, подключен к выходу первого электронного ключа, а выход, за исключением выхода первого, выхода десятого и выхода одиннадцатого электронных ключей, подключен к своему запирающему входу и к отпирающему входу последующего ключа, вход первого электронного ключа подключен к выходу логического элемента, вход пятого электронного ключа подключен к выходу второго усилителя-формирователя, выход десятого электронного ключа подключен к отпирающему входу седьмого электронного ключа, а выход и запирающий вход одиннадцатого электронного ключа соединены с запирающим входом первого электронного ключа, и семь диодов, через первый, третий и пятый из которых соединены выходы соответственно первого, четвертого и седьмого электронных ключей, к которым через шестой диод подключен вход генератора импульсов, через второй и четвертый диоды вход генератора импульсов подключен к выходу соответственно третьего и шестого электронного ключа, через седьмой диод - к выходу схемы запуска, в состав схемы формирования группы стандартных импульсов включены триггер, первый установочный вход которого соединен с отпирающими входами первого и второго электронных ключей и подключен к выходу схемы запуска, а второй установочный вход подключен к выходу пятого электронного ключа, и ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу триггера, а второй установочный вход подключен к выходу одиннадцатого электронного ключа, а в состав схемы считывания включены первый счетчик, вход которого через шестой диод соединен с входом генератора импульсов, а выход соединен с первым установочным входом ждущего мультивибратора и с отпирающим входом одиннадцатого электронного ключа, второй счетчик, вход сброса показаний которого подключен к выходу схемы запуска, и третий счетчик, вход которого соединен с входом второго счетчика и подключен к выходу ждущего мультивибратора.