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.

Недостатками известных способов являются 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 последовательности 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 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, в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, из второй базовой плоскости в направлении первой и третьей базовых плоскостей производят излучение зондирующего импульса, в моменты второй и каждой очередной четной регистрации зондирующего импульса в первой базовой плоскости, а также в моменты первой и каждой очередной нечетной регистрации зондирующего импульса в третьей базовой плоскости производят 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 первой регистрации зондирующего импульса в третьей базовой плоскости, считывают стандартные импульсы, сформированные в интервале времени, необходимом для проведения заданного количества четных регистраций зондирующего импульса в третьей 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, 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, усилитель-формирователь, восемь электронных ключей и шесть диодов, в состав схемы формирования последовательности стандартных импульсов включены триггер и ждущий мультивибратор, а в состав схемы считывания - три счетчика, при этом к выходу генератора импульсов подключен первый ультразвуковой преобразователь, вход усилителя-формирователя соединен со вторым и третьим ультразвуковыми преобразователями, а к выходу подключен вход первого электронного ключа, входы электронных ключей со второго по седьмой включительно подключены к выходу первого электронного ключа, отпирающие входы первого, второго и восьмого электронных ключей соединены со входом сброса показаний второго счетчика и подключены к первому выходу схемы запуска, запирающий вход первого электронного ключа и второй установочный вход ждущего мультивибратора подключены к выходу первого счетчика, запирающий вход второго электронного ключа, отпирающий вход третьего электронного ключа и первый установочный вход триггера подключены к выходу второго электронного ключа, запирающий вход третьего электронного ключа, запирающий вход восьмого электронного колюча и второй установочный вход триггера подключены к выходу восьмого электронного ключа, первый установочный вход ждущего мультивибратора через первый диод соединен со вторым установочным входом триггера, через второй диод - с отпирающим входом четвертого электронного ключа и подключен к выходу третьего электронного ключа, запирающий вход четвертого электронного ключа и отпирающий вход пятого электронного ключа подключены к выходу четвертого электронного ключа, запирающий вход пятого электронного ключа и отпирающий вход шестого электронного ключа подключены к выходу пятого электронного ключа, запирающий вход шестого электронного ключа и отпирающий вход седьмого электронного ключа подключены к выходу шестого электронного ключа, запирающий вход седьмого электронного ключа и отпирающий вход четвертого электронного ключа подключены к выходу седьмого электронного ключа, вход восьмого электронного ключа подключен ко второму выходу схемы запуска, вход первого счетчика через четвертый диод подключен к выходу седьмого электронного ключа, вход генератора импульсов через третий диод подключен к выходу четвертого электронного ключа, через пятый диод - к первому выходу схемы запаска, а через шестой диод соединен со входом первого счетчика, управляющий вход ждущего мультивибратора подключен к выходу триггера, а входы второго и третьего счетчиков подключены 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 P_x, линию 6 статического давления P₀, исполнительный узел в составе измерительной трубки 1 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, усилителя-формирователя 13, восьми электронных ключей 14-21 и шести диодов 22-27, схему формирования последовательности стандартных импульсов в составе триггера 28 и ждущего мультивибратора 29, схему считывания в составе первого, второго и третьего счетчиков 30-32 и схему 33 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, линии 5-6 исполнительного узла монтируются 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. С плоскостью B совмещают рабочую плоскость работающего в режиме излучения первого ультразвукового преобразователя 8, с плоскостью A и с плоскостью C - рабочие плоскости работающих в режиме приема соответственно второго и третьего ультразвуковых преобразователей 9 и 10.

В начале первого и каждого последующего циклов измерения, которые выполняют через равные интервалы времени Tt, электрический импульс 34 с первого выхода схемы запуска 33 через пятый диод 26 поступает на вход генератора 12 импульсов. Срабатывая, генератор 12 возбуждает первый преобразователь 8. В результате, во второй базовой плоскости B сформируется зондирующий импульс 35, который в виде сигналов J1 и J2 излучают в направлении соответственно первой и третьей базовых плоскостей A и C (фиг.1 и 2).

Кроме того, электрический импульс 34 отпирает первый, второй и восьмой электронные ключи, а также сбрасывает показания второго счетчика 3i.

Зондирующий импульс 35, излученный в направлении первой базовой плоскости A (сигнал J1), проходит вдоль потока в измерительной трубке 1 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 отсутствии потока в трубопроводе 1, а t_x - интервал времени по длительности, пропорциональный скорости потока) достигает плоскость A в виде акустического сигнала 43, преобразуется вторым преобразователем 9 в электрический и поступает на вход усилителя-формирователя 13.

Соответствующий сигналу 43 электрический импульс 57 с выхода усилителя 13 проходит открытые импульсом 34 первый и второй электронные ключи 14-15, запирает за собой ключ 15, отпирает третий электронный ключ 16 и поступает на первый установочный вход триггера 28. Триггер 28 приступает к формированию строба 71.

Зондирующий импульс 35, излученный в направлении третьей базовой плоскости C (сигнал 32), 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 50, преобразуется третьим преобразователем 10 в электрический и поступает на вход усилителя-формирователя 13.

Соответствующий сигналу 50 электрический импульс 58, формируемый усилителем 13, проходит электронные ключи 14 и 16, и через первый диод 22 запирает за собой ключ 16, запирает восьмой электронный ключ 21 и поступает на второй установочный вход триггера 28. Триггер 28 прекращает формирование строба 71 длительностью 2T_x, который, воздействия на управляющий вход ждущего мультивибратора 29, производит корректировку периода следования стандартных импульсов последовательности 72. Кроме того, электрический импульс 58 поступает на первый установочный вход ждущего мультивибратора 29, а через второй диод 23 отпирает четвертый электронный ключ 17. На вход второго и третьего счетчиков 31-32 начинает поступать последовательность 72 стандартных импульсов ждущего мультивибратора 29.

Электрический импульс 58 через второй и четвертый диоды 23 и 25 поступает также на вход первого счетчика 30, а через шестой диод 26 - на вход генератора 12 импульсов, посылающего очередной электрический импульс на первый преобразователь 8. Возбуждаясь, преобразователь 8 в виде акустического сигнала 36 производит первое переизлучение зондирующего импульса 35.

Спустя время T1 после момента излучения акустического сигнала 36 (38,40) из второй базовой плоскости B в первой базовой плоскости A производят вторую регистрацию зондирующего импульса в виде акустического сигнала 44 (46,48). Соответствующий сигналу 44 (46,48) электрический импульс 59 (63,67), формируемый усилителем 13, проходит первый и четвертый электронные ключи 14 и 17, запирает за собой ключ 17, отпирает пятый электронный ключ 18 и через третий диод 24 поступает на вход генератора 12 импульсов, производящего посредством преобразователя 8 очередное переизлучение зондирующего импульса 35 в виде акустического сигнала 37 (39,41).

Акустический сигнал 36, излученный в направлении третьей базовой плоскости C, регистрируется преобразователем 10 в виде сигнала 51 (53,55). Соответствующий сигналу 51 (53,55) электрический импульс 60 (64,68) с выхода усилителя 13 поступает на вход пятого электронного ключа 18, запирает его за собой и отпирает шестой электронный ключ 19.

Акустический сигнал 37 (39,41), излученный в направлении первой базовой плоскости A, регистрируется преобразователем 9 в виде сигнала 45 (47, 49). Соответствующий сигналу 45 (47, 49) электрический импульс 61 (65, 69) с выхода усилителя 13 поступает на вход шестого электронного ключа 19, запирает его за собой и отпирает седьмой электронный ключ 20.

Акустический сигнал 37 (39, 41), излученный в направлении третьей базовой плоскости C, регистрируется преобразователем 10 в виде сигнала 52 (54, 56). Соответствующий сигналу 52 (54, 56) электрический импульс 62 (66, 70) с выхода усилителя 13 поступает на вход шестого электронного ключа 19, запирает его за собой, отпирает четвертый электронный ключ 17 и через четвертый диод 25 поступает на вход первого счетчика 30, а через четвертый и шестой диоды 25 и 27 - на вход генератора 12 импульсов.

Первый счетчик 30 предназначен для считывания заданного количества нечетных регистраций зондирующего импульса в третьей базовой плоскости C, производимых через равные интервалы времени 2T₀. При превышении емкости N счетчика 30 импульс 73 переполнения с его выхода поступает на запирающий вход первого электронного ключа 14 и на второй установочный вход ждущего мультивибратора 29. Первый (очередной ) цикл измерения заканчивается. При этом о мгновенном расходе судят по результатам считывания вторым счетчиком 31 стандартных импульсов последовательности 72, а по суммарному количеству стандартных импульсов, считанных третьим счетчиком 32 за время проведения предыдущих циклов измерения, судят о суммарном расходе.

Если при проведении очередного (второго на фиг.3) цикла измерения значения полного и статического давлений P_x и P₀ контролируемой среды в трубопроводе 1 равны (поток отсутствует), то зондирующей импульс 35 в виде акустических сигналов 43 и 50 достигнет первую и третью базовые плоскости A и C одновременно спустя время То после его излучения из второй базовой плоскости B. Соответствующий сигналам 43 и 50 электрический импульс 57 (58) через открытые импульсом 34 схемы запуска 33, первый и второй электронные ключи 14-15 запирает за собой ключ 15, отпирает третий электронный ключ 16 и поступает на первый установочный вход триггера 28, приступающего к формированию строба 71 длительностью T4.

При одновременной регистрации акустических сигналов 31 и 32 (43 и 50) восьмой электронный ключ 21, подключенный ко второму выходу схемы запуска 33, находится в открытом импульсом 34 состоянии. Спустя время T3 на втором выходе схемы 33 формируют электрический импульс 74, который проходит ключ 21, запирает его за собой и возвращает в исходное состояние третий электронный ключ 16 и останавливает работу триггера 28.

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 количеству стандартных импульсов, период следования которых пропорционален значению скорости потока в трубопроводе, что позволяет повысить разрешающую способность.

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

2. Патент РФ N 2084830, кл. G 01 F 1/38, 20.07.97 (прототип).

В трубопроводе с помощью шлюзовой камеры монтируют линии полного Р_x и статического P_o давления. В измерительной трубке, соединяющей линии Р_x и P_o, на базовом расстоянии друг от друга устанавливают три ультразвуковых преобразователя, первый из которых работает в режиме излучения, а второй и третий - в режиме приема. В состав электронного блока устройства, реализующего предложенный способ, входят: схема запуска, схема формирования информационных сигналов, период следования которых пропорционален значению максимальной скорости потока в трубопроводе, в которую включены генератор импульсов, усилитель-формирователь, восемь электронных ключей и шесть диодов, схема формирования последовательности стандартных импульсов, включающая триггер и ждущий мультивибратор, и схема считывания с тремя счетчиками. По результатам считывания вторым счетчиком последовательности стандартных импульсов ждущего мультивибратора в каждом цикле измерения определяют мгновенный расход воды, а по суммарному количеству стандартных импульсов, считанных третьим счетчиком за время предыдущих циклов,- суммарный расход. Изобретение позволяет повысить точность определения расхода за счет повышения разрешающей способности. 2 c.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, в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, из второй базовой плоскости в направлении первой и третьей базовых плоскостей производят излучение зондирующего импульса, в моменты второй и каждой очередной четной регистрации зондирующего импульса в первой базовой плоскости, а также в моменты первой и каждой очередной нечетной регистрации зондирующего импульса в третьей базовой плоскости производят 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 первой регистрации зондирующего импульса в третьей базовой плоскости, считывают стандартные импульсы, сформированные в интервале времени, необходимом для проведения заданного количества нечетных регистраций зондирующего импульса в третьей 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, усилитель-формирователь, восемь электронных ключей и шесть диодов, в состав схемы формирования последовательности стандартных импульсов включены триггер и ждущий мультивибратор, а в состав схемы считывания - три счетчика, при этом к выходу генератора импульсов подключен первый ультразвуковой преобразователь, вход усилителя-формирователя соединен со вторым и третьим ультразвуковыми преобразователями, а к выходу подключен вход первого электронного ключа, входы электронных ключей со второго по седьмой включительно подключены к выходу первого электронного ключа, отпирающие входы первого, второго и восьмого электронных ключей соединены со входом сброса показаний второго счетчика и подключены к первому выходу схемы запуска, запирающий вход первого электронного ключа и второй установочный вход ждущего мультивибратора подключены к выходу первого счетчика, запирающий вход второго электронного ключа, отпирающий вход третьего электронного ключа и первый установочный вход триггера подключены к выходу второго электронного ключа, запирающий вход третьего электронного ключа, запирающий вход восьмого электронного ключа и второй установочный вход триггера подключены к выходу восьмого электронного ключа, первый установочный вход ждущего мультивибратора через первый диод соединен со вторым установочным входом триггера, через второй диод - с отпирающим входом четвертого электронного ключа и подключен к выходу третьего электронного ключа, запирающий вход четвертого электронного ключа и отпирающий вход пятого электронного ключа подключены к выходу четвертого электронного ключа, запирающий вод пятого электронного ключа и отпирающий вход шестого электронного ключа подключены к выходу пятого электронного ключа, запирающий вход шестого электронного ключа и отпирающий вход седьмого электронного ключа подключены к выходу шестого электронного ключа, запирающий вход седьмого электронного ключа и отпирающий вход четвертого электронного ключа подключены к выходу седьмого электронного ключа, вход восьмого электронного ключа подключен ко второму выходу схемы запуска, вход первого счетчика через четвертый диод подключен к выходу седьмого электронного ключа, вход генератора импульсов через третий диод подключен к выходу четвертого электронного ключа, через пятый диод - к первому выходу схемы запуска, а через шестой диод соединен со входом первого счетчика, управляющий вход ждущего мультивибратора подключен к выходу триггера, а вход второго и вход третьего счетчиков подключены к выходу ждущего мультивибратора.