СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ В ТРУБОПРОВОДАХ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1999 года по МПК G01F1/46 G01F1/38 

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 контроля расхода воды в трубопроводах большого диаметра, заключающиеся в периодическом измерении скорости потока в заданной области его поперечного сечения путем частичного блокирования потока в 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 полного давления воды в трубопроводе в линейное смещение области блокирования [2].

Устройство для реализации известного способа содержит исполнительный узел, установленный на несущей трубке 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 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.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра путем периодического измерения скорости потока в заданной области его поперечного сечения при частичном. Известны способы контроля расхода воды в трубопроводах большого диаметра, заключающиеся в периодическом измерении скорости потока в заданной области его поперечного сечения путем частичного блокирования потока в 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 полного давления воды в трубопроводе в линейное смещение области блокирования [2].

Устройство для реализации известного способа содержит исполнительный узел, установленный на несущей трубке 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 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.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра путем периодического измерения скорости потока в заданной области его поперечного сечения и преобразования воздействия потока в линейное смещение первой области блокирования, задают вторую область блокирования, при линейном смещении которой во второе крайнее положение первую и вторую области блокирования механическим воздействием возвращают в первое крайнее положение, формируют последовательность информационных сигналов, передний фронт которых соответствует моментам линейного смещения первой области блокирования во второе крайнее положение, а задний - моментам линейного смещения второй области блокирования в указанное положение, формируют первую и вторую последовательности стандартных импульсов, заполняют информационные сигналы стандартными импульсами первой последовательности и по их количеству в каждом сигнале судят о величине мгновенного расхода, а по количеству стандартных импульсов второй последовательности, частоту следования которых периодически приводят в соответствие с длительностью очередного информационного сигнала, судят о суммарном расходе.

Относительно устройства для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащего исполнительный узел, установленный с обеспечением возвратно-поступательного смещения, электромеханический блок, связанный с исполнительным узлом посредством контактной системы, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов и схемы формирования информационных сигналов, поставленная задача решается тем, что исполнительный узел выполнен в виде корпуса, в первой и во второй камерах которого размещено по одному поршню со штоком, электромеханический блок выполнен в виде схемы питания и электромагнита с толкателем, установленным с обеспечением контакта с головками штоков исполнительного узла, контактная система выполнена в виде трех микровыключателей, первый микровыключатель, содержащий одну пару нормально разомкнутых контактов, установлен с обеспечением срабатывания при первом крайнем положении первого или второго поршня, второй микровыключатель, содержащий одну пару нормально разомкнутых контактов, установлен с обеспечением срабатывания при втором крайнем положении первого поршня, третий микровыключатель, содержащий одну пару нормально разомкнутых и одну пару нормально замкнутых контактов, установлен с обеспечением срабатывания при втором крайнем положении второго поршня, входной канал первой камеры корпуса исполнительного узла соединен с линией полного давления воды в трубопроводе, входной канал второй камеры - с линией статического давления, а в состав электронного блока включены схема измерения мгновенного расхода и схема измерения суммарного расхода, первый вход схемы измерения мгновенного расхода подключен к первому выходу генератора стандартных импульсов, второй вход - к первому выходу схемы формирования информационных сигналов, первый, второй и третий входы схемы измерения суммарного расхода подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам схемы формирования информационных сигналов, первый вход которой через нормально разомкнутые контакты первого микровыключателя и нормально замкнутые контакты второго микровыключателя контактной системы, а второй - через нормально разомкнутые контакты указанных микровыключателей подключены ко второму выходу генератора стандартных импульсов.

При этом, в состав схемы формирования информационных сигналов его электронного блока включены два электронных ключа и триггер, выход которого является первым выходом указанной схемы, выход первого электронного ключа, к которому подключены отпирающий вход второго электронного ключа и запирающий вход первого электронного ключа, является вторым выходом схемы, выход второго электронного ключа, к которому подключены отпирающий вход первого электронного ключа и запирающий вход второго электронного ключа, является третьим выходом схемы, первый установочный вход триггера является первым входом схемы, второй установочный вход триггера, с которым соединены вход первого и вход второго электронных ключей, является вторым входом схемы формирования информационных сигналов, в состав схемы измерения мгновенного расхода его электронного блока включены вентиль и первый счетчик стандартных импульсов, вход которого подключен к выходу вентиля, вход вентиля является первым входом указанной схемы, а управляющий вход вентиля, с которым соединен вход сброса показаний первого счетчика стандартных импульсов, является вторым входом схемы измерения мгновенного расхода, в состав схемы измерения суммарного расхода его электронного блока включены два электронных ключа, два мультивибратора и второй счетчик стандартных импульсов, вход которого подключен к выходам первого и второго мультивибраторов, первый установочный вход первого мультивибратора, его управляющий вход, запирающий вход первого электронного ключа и отпирающий вход второго электронного ключа подключены к выходу первого электронного ключа, первый установочный вход второго мультивибратора, его управляющий вход, запирающий вход второго электронного ключа и отпирающий вход первого электронного ключа подключены к выходу второго электронного ключа, вход первого и вход второго электронных ключей являются первым входом указанной схемы, второй установочный вход второго мультивибратора является вторым входом схемы, а второй установочный вход первого мультивибратора является третьим входом схемы измерения суммарного расхода.

На фиг.1 изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа, на фиг.2 - схема его электронного блока; на фиг.3 - 5 показаны возможные положения исполнительного узла устройства относительно его контактной системы; на фиг.6 приведены временные диаграммы, поясняющие работу электронного блока 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, корпус 7 которого выполнен в виде первой и второй камер 8-9, снабженных входными каналами 10-11, поршнями 12-13 и штоками 14-15 с головками 16-17, электромеханический блок в составе схемы 18 питания и электромагнита 19 с толкателем 20, контактную систему в составе трех микровыключателей 21-23Б и электронный блок 24 (фиг.1).

В состав электронного блока устройства включены генератор 25 стандартных импульсов, схема 26 формирования информационных сигналов, схема 27 измерения мгновенного расхода и схема 28 измерения суммарного расхода (фиг.2).

Схема 26 содержит электронные ключи 29-30 и триггер 31, схема 27 - вентиль 32 и первый счетчик 33 стандартных импульсов, а схема 28 - электронные ключи 34-35, мультивибраторы 36-37 и второй счетчик 38 стандартных импульсов.

Способ заключается в следующем.

В основу предлагаемого способа определения расхода заложен принцип измерения максимальной скорости потока в заданной области поперечного сечения трубопровода путем преобразования воздействия потока в линейное смещение первой области блокирования. При этом, с целью учета влияния на результаты измерения статического давления задают вторую область блокирования, для которой базовое расстояние между первым и вторым крайними положениями при ее линейном смещении под действием статического давления выбирают равным расстоянию между первым и вторым крайними положениями первой области блокирования при ее линейном смещении под действием полного давления воды в трубопроводе 1.

В изображенном на фиг. 1 устройстве для реализации предлагаемого способа в качестве первой и второй областей блокирования используются поршни 12-13 со штоками 14-15, размещенные в двухкамерном корпусе исполнительного узла 7. Входные каналы 10-11 камер 12-13 узла 7 соединены соответственно с линией 5 полного давления P_x и с линией 6 статического давления P₀. Расстояние между первым и вторым крайними положениями поршней 12-13 при их возвратно-поступательном смещении под действием последовательного воздействия давлений P_x, P₀ и толкателя 20 электромагнита 19 задают микровыключателями 21-22 (23) контактной системы устройства, связывающей исполнительный узел 7 со схемой 18 питания электромагнита 19 (фиг.1).

Схема 18 питания, электромагнит 19 и толкатель 20, установленный с обеспечением контакта с головками 16-17 штоков 14-15 исполнительного узла 7, составляют электромеханический блок, предназначенный для периодического возвращения поршней 12-13 в первое крайнее положение. При этом, контактная система относительно узла 7 установлена с обеспечением срабатывания первого микровыключателя 21 при размещении поршня 12 (головки 16 штока 14) в первом крайнем положении и с обеспечением срабатывания второго и третьего микровыключателей 22-23 при размещении поршней 12-13 (головки 17 штока 15) во втором крайнем положении.

Установку линии 5 полного давления P_x, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока, и линии 6 статического давления P₀ благодаря наличию заслонки 3 и шлюзовой камеры 4 производят без перерыва подачи воды по трубопроводу 1. При выключенном электронном блоке 24 поршни 12-13 исполнительного узла 7 после монтажа устройства принимают второе крайнее положение.

При включении блока 24 генератор 25 (фиг.2) приступает к формированию первой последовательности стандартных (счетных) импульсов 39 (фиг.6). Первый импульс данной последовательности через третий микровыключатель 23 поступает в схему 18 и вызывает ее подключение к обмотке электромагнита 19, посредством сердечника которого толкатель 20, механически воздействуя на первый и второй штоки 14-15, смещает поршни 12-13 в первое крайнее положение (фиг. 3).

В момент замыкания контактов первого микровыключателя 21 начинается первый цикл измерения, который как и последующие циклы, заключается в выделении контактной системой из первой последовательности 39 стандартных (счетных) импульсов трех информационных импульсов 40-42 (43-45, 46-48), в формировании схемой 26 одного сигнала 49 (50 или 51) последовательности информационных сигналов 49-51, передний фронт которых соответствует моментам линейного смещения поршня 12 во второе крайнее положение, а задний - моментам линейного смещения в указанное положение поршня 13, и в формировании второй последовательности 55-56 стандартных (счетных) импульсов, частоту следования которых периодически корректируют в зависимости от значения длительности информационного сигнала 49 (50-51) текущего цикла измерения.

При замыкании головкой 16 штока 14 контактов первого микровыключателя 21 очередной импульс 40 последовательности 39 со второго выхода генератора 25 поступает в схему 18 питания электромагнита 19. Обмотка электромагнита 19 обесточивается и под действием возвратной пружины (не показана) толкатель 20 освобождает от своего механического воздействия штоки 14-15. В результате, первый и второй поршни 12-13 под действием соответственно полного и статического давлений P_x и P₀ начинают смещаться в направлении второго крайнего положения.

Первым второго крайнего положения достигнет первый поршень 12 (фиг.4). Срабатывая в указанном положении второй микровыключатель 22 выделит второй информационный импульс 41 (44,47) из последовательности 39. Данный импульс через замкнутые контакты микровыключателя 22 и нормально замкнутые контакты микровыключателя 23, находящегося в исходном положении, поступит на первый установочный вход триггера 31. Триггер 31 запускается и на первый вход схемы 28 и на второй вход схемы 27 начинает поступать информационный сигнал 49 (50-51).

В схеме 27 сигнал 49 (50-51) отпирает вентиль 32, а своим передним фронтом сбрасывает показания первого счетчика 33. Начинается процесс заполнения информационного сигнала 49 (50-51) счетными импульсами, поступающими на вход счетчика 33 с первого выхода генератора 25. В схеме 28 сигнал 49 (50-51) через открытый в исходном состоянии электронный ключ 34 начинает поступать на управляющий вход мультивибратора 36.

В момент достижения поршнем 13 второго крайнего положения срабатывает третий микровыключатель 23 (фиг. 5). При замыкании нормально разомкнутых в исходном состоянии контактов микровыключателя 23 из последовательности 39 стандартных импульсов выделяется третий информационный импульс 42 (45, 48), который поступает на второй установочный вход триггера 31. Формирование триггером 31 сигнала 49 (50-51) заканчивается и вентиль 32, запираясь, прекращает поступление импульсов указанной последовательности 39 на вход первого счетчика 33. При этом, по количеству поступивших на счетчик 33 импульсов 52 (53 или 54), пропорциональному разнице значений полного и статического давлений P_x и P₀, судят о мгновенном расходе в интервале времени, необходимом для проведения одного цикла измерения.

В схеме 28 длительность Т1 (Т2-Т3) информационного сигнала 49 (50-51) используется для проведения (корректировки) частоты следования стандартных импульсов второй последовательности 55 (56) в соответствие со значением скорости потока. С этой целью информационные сигналы 49-51 поочередно направляют на управляющие входы мультивибраторов 36 и 37, формирующих указанную последовательность 55- 56.

Сигнал 49 своим задним фронтом запирает за собой электронный ключ 34, отпирает для очередного сигнала 50 электронный ключ 35 и запускает первый мультивибратор 36, который приступает к формированию второй последовательности 55 стандартных импульсов, поступающих на вход второго счетчика 38. При этом, информационный импульс 42, соответствующий заднему фронту сигнала 49, через третий микровыключатель 23 поступает в схему 18 питания обмотки электромагнита 19, который посредством толкателя 20 возвращает поршни 12-13 исполнительного узла 7 в первое крайнее положение (фиг. З). В момент срабатывания первого микровыключателя 21 заканчивается первый и начинается второй цикл измерения, при проведении которого информационный сигнал 50 используется для корректировки частоты следования последовательности 56 стандартных импульсов, формируемой вторым мультивибратором 37.По суммарному количеству стандартных импульсов 55 и 56 второй последовательности судят о суммарном расходе воды в трубопроводе 1.

Останавливают работу мультивибраторов 36 и 37 посредством информационных импульсов 42, 45 и 48, поочередно выделяемых в схеме 26 электронными ключами 29 и 30, к выходам которых подключены вторые установочные входу мультивибраторов 36-37. Нечетные по очередности выделения указанные информационные импульсы, останавливая работу мультивибратора 37 запирают за собой электронный ключ 29 и отпирают электронный ключ 30, а четные, останавливая работу мультивибратора 36, возвращают электронные ключи 29-30 в исходные состояния. Такое построение схемы 26 позволяет не принимать дополнительных мер для возвращения мультивибраторов 36-37 в исходное состояние при выравнивании значений полного и статического давлений P_x и P₀ в трубопроводе 1 во время проведения измерений.

Таким образом, предлагаемый способ определения расхода и устройство для его реализации позволяют судить о результатах измерения не по номеру заданного количества поддиапазонов, на которые разбивается диапазон скоростей потока, рекомендуемый для выбранного диаметра магистрального трубопровода, а по количеству формируемых стандартных импульсов, что позволяет повысить разрешающую способность.

Литература
1. Лобачев П.В., Шевелев Ф.А. Водомеры для водопроводов и канализации. М.: Изд. лит. по строительству, 1964, с. 267-276.

2. Патент РФ N 2084830, кл. G 01 F 1/38, Бюл. 20, 1977 г. (прототип)о

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. Частично блокируют поток в его поперечном и продольном сечениях, преобразуют воздействие полного и статического давлений в линейное смещение из первого во второе крайнее положение соответственно первой и второй областей блокирования. Периодически при достижении второй областью второго крайнего положения механическим воздействием возвращают области блокирования в исходное первое крайнее положение, при достижении которого указанное воздействие прекращают. Формируют последовательность информационных сигналов, которые заполняют стандартными импульсами первой последовательности и по количеству в каждом сигнале судят о мгновенном расходе, а по их количеству стандартных импульсов второй последовательности, частоту следования которых периодически приводят в соответствие с длительностью очередного информационного сигнала, судят о суммарном расходе. Технический результат заключается в повышении разрешающей способности. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра путем периодического измерения скорости потока в заданной области его поперечного сечения и преобразования воздействия потока в линейное смещение первой области блокирования, отличающийся тем, что задают вторую область блокирования, при линейном смещении которой во второе крайнее положение первую и вторую области блокирования механическим воздействием возвращают в первое крайнее положение, формируют последовательность информационных сигналов, передний фронт которых соответствует моментам линейного смещения первой области блокирования во второе крайнее положение, а задний - моментам линейного смещения второй области блокирования в указанное положение, формируют первую и вторую последовательности стандартных импульсов, заполняют информационные сигналы стандартными импульсами первой последовательности и по их количеству в каждом сигнале судят о величине мгновенного расхода, а по количеству стандартных импульсов второй последовательности, частоту следования которых периодически приводят в соответствие с длительностью очередного информационного сигнала, судят о суммарном расходе. 2. Устройство для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащее исполнительный узел, установленный с обеспечением возвратно-поступательного смещения, электромеханический блок, связанный с исполнительным узлом посредством контактной системы, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов и схемы формирования информационных сигналов, отличающееся тем, что исполнительный узел выполнен в виде корпуса, а в первой и второй камерах которого размещено по одному поршню со штоком, электромеханический блок выполнен в виде схемы питания и электромагнита с толкателем, установленным с обеспечением нежесткого контакта с головками штоков исполнительного узла, контактная система выполнена в виде трех микровыключателей, первый микровыключатель, содержащий одну пару нормально разомкнутых контактов, установлен с обеспечением срабатывания при первом крайнем положении первого или второго поршня, второй микровыключатель, содержащий одну пару нормально разомкнутых контактов, установлен с обеспечением срабатывания при втором крайнем положении первого поршня, третий микровыключатель, содержащий одну пару нормально разомкнутых и одну пару нормально замкнутых контактов, установлен с обеспечением срабатывания при втором крайнем положении второго поршня, входной канал первой камеры корпуса исполнительного узла соединен с линией полного давления воды в трубопроводе, входной канал второй камеры - с линией статического давления, а в состав электронного блока включены схема измерения мгновенного расхода и схема измерения суммарного расхода, первый вход схемы измерения мгновенного расхода подключен к первому выходу генератора стандартных импульсов, второй вход - к первому выходу схемы формирования информационных сигналов, первый, второй и третий входы схемы измерения суммарного расхода подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам схемы формирования информационных сигналов, первый вход которой через нормально разомкнутые контакты первого микровыключателя и нормально замкнутые контакты второго микровыключателя контактной системы, а второй - через нормально разомкнутые контакты указанных микровыключателей подключены ко второму выходу генератора стандартных импульсов. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в состав схемы формирования информационных сигналов его электронного блока включены два электронных ключа и триггер, выход которого является первым выходом указанной схемы, выход первого электронного ключа, к которому подключены отпирающий вход второго ключа и запирающий вход первого ключа, является вторым выходом схемы, выход второго электронного ключа, к которому подключены отпирающий вход первого ключа и запирающий вход второго ключа, является третьим выходом схемы, первый установочный вход триггера является первым входом схемы, второй установочный вход триггера, с которым соединены вход первого и вход второго электронных ключей, является вторым входом схемы формирования информационных сигналов. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в состав схемы измерения мгновенного расхода его электронного блока включены вентиль и первый счетчик стандартных импульсов, вход которого подключен к выходу вентиля, вход вентиля является первым входом указанной схемы, а управляющий вход вентиля, с которым соединен вход сброса показаний первого счетчика стандартных импульсов, является вторым входом схемы измерения мгновенного расхода. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в состав схемы измерения суммарного расхода его электронного блока включены два электронных ключа, два мультивибратора, его управляющий вход, запирающий вход первого электронного ключа, и отпирающий вход второго электронного ключа подключены к выходу первого электронного ключа, первый установочный вход второго мультивибратора, его управляющий вход, запирающий вход второго электронного ключа и отпирающий вход первого электронного ключа подключены к выходу второго электронного ключа, вход первого и вход второго электронных ключей являются первым входом указанной схемы, второй установочный вход второго мультивибратора является вторым входом схемы, а второй установочный вход первого мультивибратора является третьим входом схемы измерения суммарного расхода.