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 [II.

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 [21.

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 последовательности стандартных импульсов, схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования кратковременных импульсов, схемы учета первого информационного импульса, схемы считывания и счетчика циклов измерения.

Недостатком известного способа и устройства для его реализации является зависимость разрешающей способности от количества поддиапазонов, 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 на базовом расстоянии 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 направляют его одновременно вдоль и против частично отведенного потока, в момент первой регистрации зондирующего импульса в третьей базовой плоскости производят первое переизлучение зондирующего импульса из второй базовой плоскости, в момент второй регистрации зондирующего импульса в третьей базовой плоскости производят второе переизлучение зондирующего импульса из второй базовой плоскости, формируют последовательность стандартных импульсов, период следования которых предварительно корректируют в зависимости от длительности интервала времени между моментом первой регистрации зондирующего импульса в первой базовой плоскости и моментом первого переизлучения зондирующего импульса из второй базовой плоскости, считывают стандартные импульсы, сформированные в интервале времени между моментом первого переизлучения зондирующего импульса из второй базовой плоскости и моментом третьей регистрации зондирующего импульса в первой базовой плоскости, и по результатам считывания судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству стандартных импульсов, считанных 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 последовательности стандартных импульсов, и схемы считывания, решение поставленной задачи достигается тем, что исполнительный узел выполнен в виде измерительной трубки, соединяющей линию полного давления с линией статического давления воды в трубопроводе, первого ультразвукового преобразователя, установленного на стенках измерительной трубки, второго ультразвукового преобразователя, установленного на стенках измерительной трубки между линией статического давления и первым ультразвуковым преобразователем и размещенным на базовом расстоянии от последнего, и третьего ультразвукового преобразователя, установленного на стенках измерительной трубки между линией полного давления и первым ультразвуковым преобразователем и размещенным на базовом расстоянии от последнего, а в электронный блок включена схема запуска, в состав схемы формирования информационных сигналов электронного блока включены генератор импульсов, к выходу которого подключен первый ультразвуковой преобразователь, первый усилитель-формирователь, вход которого соединен со вторым ультразвуковым преобразователем, второй усилитель-формирователь, вход которого соединен с третьим ультразвуковым преобразователем, три диода и шесть электронных ключей, вход первого, вход второго и вход третьего из которых подключены к выходу первого усилителя-формирователя, вход четвертого, вход пятого и вход шестого электронных ключей подключены к выходу второго усилителя-формирователя, запирающий вход второго электронного ключа и отпирающий вход третьего электронного ключа подключены к выходу второго электронного ключа, запирающий вход шестого электронного ключа и отпирающий вход четвертого электронного ключа подключены к выходу шестого электронного ключа, в состав схемы формирования последовательности стандартных импульсов включены триггер, первый установочный вход которого соединен с запирающим входом первого электронного ключа, с отпирающим входом второго электронного ключа и подключен к выходу первого электронного ключа, и ждущий мультивибратор, первый установочный вход которого соединен со вторым установочным входом триггера, с запирающим входом четвертого электронного ключа, с отпирающим входом пятого электронного ключа, а через первый диод - со входом генератора импульсов и подключен к выходу четвертого электронного ключа, второй установочный вход соединен с запирающим входом третьего электронного ключа, с отпирающим входом первого электронного ключа и подключен к выходу третьего электронного ключа, а управляющий вход подключен к выходу триггера, а в состав схемы считывания включены два счетчика, вход первого из которых соединен со входом второго и подключен к выходу ждущего мультивибратора, а вход сброса показаний подключен к выходу схемы запуска, при этом вход генератора импульсов через второй диод соединен с запирающим входом пятого электронного ключа, с отпирающим входом шестого электронного ключа и подключен к выходу пятого электронного ключа, а через третий диод - к выходу схемы запуска.

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 "P_x", линию 6 статического давления "P₀", 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, шести электронных ключей 15-20 и трех диодов 21- 23, схему формирования последовательности стандартных импульсов в составе триггера 24, и ждущего мультивибратора 25, схему считывания в составе первого и второго счетчиков 26-27, и схему 28 запуска (фиг.2).

Способ заключается в следующем.

В основу предлагаемого способа определения мгновенного и суммарного расхода заложен принцип измерения максимальной скорости потока по величине скоростного напора (P_x-P₀) в заданной области поперечного сечения трубопровода 1 при частичном блокировании потока воды в этой области посредством линии 5 полного давления P_x, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока. При этом линией 6 статического давления P₀ 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 и линия 6 статического давления исполнительного узла монтируются (демонтируется) в трубопровод 1 без перерыва подачи воды. В направлении, противоположном направлению частично отведенного потока в измерительной трубке 7, и на базовом расстоянии L₀ друг от друга задают первую, вторую и третью базовые плоскости "A", "B" и "C". В плоскости "B" устанавливают работающий в режиме излучения первый ультразвуковой преобразователь 8, в плоскостях "A" и "C" - работающие в режиме приема второй и третий ультразвуковые преобразователи 9 и 10.

В начале первого и каждого последующего циклов измерения, которые выполняют через равные интервалы времени Tt, электрический импульс 29 с выхода схемы запуска 28 через третий диод 23 поступает на вход генератора 12 импульсов. Срабатывая, генератор 12 возбуждает первый преобразователь 8. В результате во второй базовой плоскости "B" сформируется зондирующий импульс 30, который в виде сигналов J1 и J2 одновременно направляют по и против частично отведенного потока (фиг.1 и 2).

Зондирующий импульс 30, излученный в направлении первой базовой плоскости "A" (сигнал J1), проходит вдоль потока в измерительной трубке 7 расстояние L₀, и, спустя время T1 после излучения, равное разности значений T₀ и t_x (где T₀ - время, необходимое для прохождения сигналами J1 и J2 расстояния L₀ при P_x, равном P₀ (при отсутствии потока в трубопроводе 1), а t_x - интервал времени по длительности, пропорциональный скорости потока) достигает плоскость "A" в виде акустического сигнала 33, преобразуется вторым преобразователем 9 в электрический и поступает на вход первого усилителя формирователя 13. Соответствующий сигналу 33 электрический импульс 39 с выхода усилителя 13 проходит открытый в исходном состоянии первый электронный ключ 15, запирает его за собой, отпирает второй электронный ключ 16 и поступает на первый установочный вход триггера 14. Триггер 24 приступает к формированию строба 45.

Зондирующий импульс 30, излученный в направлении третьей базовой плоскости "C" (сигнал J2), проходит против потока расстояние L₀, и, спустя время T2 после излучения, равное сумме значений T₀ и t_x, достигает плоскость "C" в виде акустического сигнала 36, преобразуется третьим преобразователем 10 в электрический и поступает на вход второго усилителя-формирователя 14. Соответствующий сигналу 36 электрический импульс 42 с выхода усилителя 14 проходит открытый в исходном состоянии четвертый электронный ключ 18, запирает за собой ключ 18, отпирает пятый электронный ключ 19 и через первый диод 21 поступает на вход генератора 12 импульсов, посылающего очередной электрический импульс на первый преобразователь 8. Возбуждаясь, преобразователь 8 в виде акустического сигнала 31 производит первое переизлучение зондирующего импульса 30.

Кроме того, электрический импульс 42 поступает на второй установочный вход триггера 24 и на первый установочный вход ждущего мультивибратора 25. Триггер 24 прекращает формирование строба 45 длительностью T_x, который, воздействуя на управляющий вход идущего мультивибратора 25, производит корректировку периода следования стандартных импульсов последовательности 46, начинающей поступать с выхода мультивибратора 25 на вход первого и на вход второго счетчиков 26-27.

Спустя время T1 после момента излучения акустического сигнала 32 из второй базовой плоскости "B" в первой базовой плоскости "A" производят регистрацию сигнала 34. Соответствующий сигналу 34 электрический импульс 40 с выхода первого усилителя-формирователя 13 запирает за собой второй электронный ключ 16 и отпирает третий электронный ключ 17. Акустический сигнал 31, излученный в направлении третьей базовой плоскости "C", регистрируется преобразователем 10 в виде сигнала 37. Соответствующий сигналу 37 электрический импульс 43, формируемый на выходе второго усилителя 14, поступает на вход пятого электронного ключа 19, запирает его за собой, отпирает шестой электронный ключ 20 и через второй диод 22 поступает на вход генератора 12 импульсов, производящего посредством преобразователя 8 второе переизлучение зондирующего импульса 30 (акустический сигнал 32).

Соответствующий сигналу 32 акустический сигнал 35, регистрируемый вторым преобразователем 9 в первой базовой плоскости "A", в виде электрического сигнала 41 с выхода первого усилителя-формирователя 13 поступает на вход третьего электронного ключа 17, запирает его за собой, отпирает первый электронный ключ 15 и, поступая на второй установочный вход ждущего мультивибратора 25, останавливает его работа. Поступление последовательности 46 стандартных импульсов на счетчики 26-27 прекращается.

Соответствующий сигналу 32 акустический сигнал 38, регистрируемый преобразователем 10 в третьей базовой плоскости "C", в виде электрического сигнала 44 с выхода второго усилителя-формирователя поступает на вход шестого электронного ключа 20, запирает его за собой, и отпирает четвертый электронный ключ 18. Первый цикл измерения заканчивается. Спустя время Tt с момента начала первого цикла измерения на выходе схемы запуска формируется очередной электрический импульс 39, поступающий на вход сброса показаний первого счетчика 26 и (через диод 23) на вход генератора 12 импульсов. Начинается второй цикл измерения.

При этом о мгновенном расходе в конце каждого очередного цикла измерения судят по показаниям первого счетчика 26, а по показаниям второго счетчика 27, пропорциональным количеству стандартных импульсов последовательности 46, сформированных ждущим мультивибратором 25 за время проведения предыдущих циклов измерения судят о суммарном расходе.

Если при проведении очередного (второго на фиг. 2) цикла измерения в трубопроводе 1 значение полного давления P_x в трубопроводе 1 будет равно значению статического давления P₀ (скорость потока равна нулю), то, как показано на фиг. 2, при t_x, равном нулю, интервалы времени T1 между акустическими сигналами 30 и 33-35, и интервалы времени T2 между акустическими сигналами 30 и 36-38 будут равны значению T₀. В этом случае на установочные входы триггера 24 электрические импульсы 39 и 42 (40 и 43, 41 и 44) поступят одновременно. Триггер 24 не сработает (длительность T_x строба 45 равна нулю), в результате чего ждущий мультивибратор 25 на электрический импульс 42 не среагирует и показания второго счетчика 26 не изменятся.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемый способ 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 количества стандартных импульсов, период следования которых пропорционален значению скорости потока в трубопроводе, что позволяет повысить разрешающую способность.

Источники информации
1. Лобачев П. В. Водомеры для водопроводов и канализации. Изд-во литературы по строительству. - М.: 1964, с. 267-276.

2. Патент РФ N 2084830, кл. G 01 F 1/38, бюл. 20, 1997 (прототип).

Для учета производительности магистральных трубопроводов на трубопроводе монтируют исполнительный узел устройства для определения расхода, включающий линию полного давления Р_x и линию статического давления P_o. В измерительной трубке, соединяющей линии P_o и P_x, с помощью трех ультразвуковых преобразователей задают три базовые плоскости. Во второй из плоскостей формируют зондирующий импульс и направляют его одновременно вдоль и против частично отведенного потока в измерительной трубке. По результатам считывания электронным блоком последовательности стандартных импульсов, сформированных в интервале времени между моментом первого переизлучения зондирующего импульса, которое производят в момент его первой регистрации в третьей базовой плоскости, и моментом третьей регистрации зондирующего импульса в первой базовой плоскости судят о мгновенном расходе. Изобретения обеспечивают повышение точности определения расхода. 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 на базовом расстоянии 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 направляют его одновременно вдоль и против частично отведенного потока, в момент первой регистрации зондирующего импульса в третьей базовой плоскости производят первое переизлучение зондирующего импульса из второй базовой плоскости, в момент второй регистрации зондирующего импульса в третьей базовой плоскости производят второе переизлучение зондирующего импульса из второй базовой плоскости, формируют последовательность стандартных импульсов, период следования которых предварительно корректируют в зависимости от длительности интервала времени между моментом первой регистрации зондирующего импульса в первой базовой плоскости и моментом первого переизлучения зондирующего импульса из второй базовой плоскости, считывают стандартные импульсы, сформированные в интервале времени между моментом первого переизлучения зондирующего импульса из второй базовой плоскости и моментом третьей регистрации зондирующего импульса в первой базовой плоскости, и по результатам считывания судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству стандартных импульсов, считанных 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 последовательности 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, первого ультразвукового преобразователя, установленного на стенках измерительной трубки, второго ультразвукового преобразователя, установленного на стенках измерительной трубки между линией статического давления и первым ультразвуковым преобразователем и размещенного на базовом расстоянии от последнего, и третьего ультразвукового преобразователя, установленного на стенках измерительной трубки между линией полного давления и первым ультразвуковым преобразователем и размещенного на базовом расстоянии от последнего, а в электронный блок включена схема запуска, в состав схемы формирования информационных сигналов электронного блока включены генератор импульсов, к выходу которого подключен первый ультразвуковой преобразователь, первый усилитель-формирователь, вход которого соединен со вторым ультразвуковым преобразователем, второй усилитель-формирователь, вход которого соединен с третьим ультразвуковым преобразователем, три диода и шесть электронных ключей, вход первого, вход второго и вход третьего из которых подключены к выходу первого усилителя-формирователя, вход четвертого, вход пятого и вход шестого электронных ключей подключены к выходу второго усилителя-формирователя, запирающий вход второго электронного ключа и отпирающий вход третьего электронного ключа подключены к выходу второго электронного ключа, запирающий вход шестого электронного ключа и отпирающий вход четвертого электронного ключа подключены к выходу шестого электронного ключа, в состав схемы формирования последовательности стандартных импульсов включены триггер, первый установочный вход которого соединен с запирающим входом первого электронного ключа, с отпирающим входом второго электронного ключа и подключен к выходу первого электронного ключа, и ждущий мультивибратор, первый установочный вход которого соединен со вторым установочным входом триггера, с запирающим входом четвертого электронного ключа, с отпирающим входом пятого электронного ключа, а через первый диод - со входом генератора импульсов и подключен к выходу четвертого электронного ключа, второй установочный вход соединен с запирающим входом третьего электронного ключа, с отпирающим входом первого электронного ключа и подключен к выходу третьего электронного ключа, а управляющий вход подключен к выходу триггера, а в состав схемы считывания включены два счетчика, вход первого из которых соединен со входом второго и подключен к выходу ждущего мультивибратора, а вход сброса показаний подключен к выходу схемы запуска, при этом вход генератора импульсов через второй диод соединен с запирающим входом пятого электронного ключа, с отпирающим входом шестого электронного ключа и подключен к выходу пятого электронного ключа, а через третий диод - к выходу схемы запуска.