СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ В ТРУБОПРОВОДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК G01F1/46 G01F1/38 G01F1/66 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля, управления и регулирования параметров технологических процессов, например при определении расхода хозяйственно-питьевой и технической воды, используемой в промышленных целях.

Известны способы измерения расхода воды в трубопроводе 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 [1].

Устройства для реализации известных способов содержат 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.

Недостатком известных способов и устройств для их реализации является зависимость разрешающей способности от количества поддиапазонов, на которые разбит диапазон скоростей потока, рекомендуемый для заданного диаметра трубопровода.

Известен способ измерения расхода воды в трубопроводе путем определения скоростного напора в заданной области поперечного сечения трубопровода при частичном блокировании потока в этой области, заключающийся в том, что отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в заданную область в продольном сечении, вдоль отведенного потока и на базовом расстоянии друг от друга задают первую и вторую плоскости излучения акустических сигналов, совмещают с первой плоскостью излучения вторую плоскость регистрации акустических сигналов, совмещают с второй плоскостью излучения первую плоскость регистрации акустических сигналов и в начале очередного цикла измерения в первой и во второй плоскостях излучения формируют соответственно первый и второй зондирующие импульсы, в момент достижения вторым зондирующим импульсом второй плоскости регистрации производят переизлучение первого и второго зондирующего импульса, периодически повторяют операцию переизлучения, вырабатывают заданное количество информационных сигналов, передний и задний фронт каждого из которых по времени формирования соответствует моменту очередной регистрации соответственно первого и второго зондирующих импульсов, вырабатывают заданное количество информационных сигналов, суммарную длительность которых используют для формирования информационного интервала времени, заполняют информационный интервал времени счетными импульсами, период следования которых предварительно корректируют в начале очередного цикла измерения, и по количеству счетных импульсов, сформированных за время проведения текущего цикла измерения, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству счетных импульсов, сформированных за время проведения предыдущих циклов измерения, судят о суммарном расходе [2].

Устройство для реализации известного способа содержит исполнительный узел в составе измерительной трубки, первой напорной трубки, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока, второй напорной трубки, ориентированной перпендикулярно направлению потока, и двух ультразвуковых преобразователей, смонтированных на стенках измерительной трубки, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов, первого генератора зондирующих импульсов, к первому выходу которого подключен ультразвуковой преобразователь, размещенный перед линией полного давления, второй генератор зондирующих импульсов, к первому выходу которого подключен ультразвуковой преобразователь, размещенный перед линией статического давления, двух усилителей, двух триггеров, шести электронных ключей, ждущего мультивибратора, одновибратора и схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов.

Недостатком известного способа и устройства для его реализации является зависимость разрешающей способности от количества переизлучений зондирующих импульсов, производимых в процессе формирования одного информационного интервала времени.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить разрешающую способность.

Сущность способа измерения расхода воды в трубопроводе заключается в том, что задают первую и вторую плоскости излучения акустических сигналов и в начале очередного цикла измерения в указанных плоскостях одновременно формируют соответственно первый и второй зондирующие импульсы, решение поставленной задачи заключается в том, что на базовом расстоянии от первой и второй плоскостей излучения задают соответственно первую и вторую плоскости отражения акустических сигналов, совмещают с первой плоскостью излучения первую плоскость регистрации акустических сигналов, совмещают с второй плоскостью излучения вторую плоскость регистрации акустических сигналов, преобразуют механическое воздействие скоростного напора на область частичного блокирования потока в линейное смещение первой плоскости отражения в направлении первой плоскости регистрации и в линейное смещение второй плоскости отражения в направлении увеличения расстояния до второй плоскости регистрации, спустя время, отсчитываемое от момента излучения и необходимое для прохождения удвоенного расстояния до первой плоскости отражения, регистрируют первый зондирующий импульс и производят переизлучение первого и второго зондирующих импульсов, периодически повторяют операцию переизлучения, спустя время, отсчитываемое от момента излучения и необходимое для прохождения удвоенного расстояния до второй плоскости отражения, регистрируют второй зондирующий импульс, формируют первую последовательность информационных сигналов, передний фронт каждого из которых соответствует моменту очередной регистрации первого зондирующего импульса, формируют вторую последовательность информационных сигналов, передний фронт каждого из которых соответствует моменту очередной регистрации второго зондирующего импульса, исключают из первой последовательности информационные сигналы, сформированные в моменты формирования информационных сигналов второй последовательности, считывают информационные сигналы первой последовательности и по частоте их следования судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству о суммарном расходе.

Устройство для реализации способа измерения расхода воды в трубопроводе содержит исполнительный узел в составе первой измерительной трубки, напорной трубки, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока, и двух ультразвуковых преобразователей, и электронный блок в составе генератора зондирующих импульсов, двух усилителей и схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов, поставленная задача решается тем, что в состав исполнительного узла, размещенного в монтажном корпусе, включена вторая измерительная трубка, на торцах напорной трубки смонтированы соответственно первый и второй исполнительные элементы, на одном из торцов первой и второй измерительных трубок смонтированы соответственно третий и четвертый исполнительные элементы, на другом торце - соответственно первый и второй ультразвуковые преобразователи, исполнительные элементы смонтированы посредством защитных чехлов с обеспечением возможности возвратно-поступательного смещения вдоль осей симметрии соответствующих трубок, измерительные и напорная трубки заполнены жидкой средой, полости первой и второй измерительных трубок соединены дополнительным шлангом, напорная трубка установлена в монтажном корпусе с обеспечением механического воздействия скоростного напора в трубопроводе на первый исполнительный элемент, первая измерительная трубка установлена в монтажном корпусе с обеспечением механического контакта между вторым и третьим исполнительными элементами, а в состав электронного блока дополнительно включены два диода и три вентиля, при этом к выходу генератора зондирующих импульсов подключены запирающий вход первого вентиля, запирающий вход второго вентиля, через первый диод - вход первого вентиля и первый ультразвуковой преобразователь, а через второй диод - вход второго вентиля и второй ультразвуковой преобразователь, к выходу первого вентиля подключен вход первого усилителя, к выходу второго вентиля подключен вход второго усилителя, к выходу первого усилителя подключены вход третьего вентиля и вход генератора зондирующих импульсов, к выходу второго усилителя подключен запирающий вход третьего вентиля, а к выходу третьего вентиля подключен вход схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов.

На фиг. 1 изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа, на фиг. 2 - схема его электронного блока, на фиг.3-4 приведены временные диаграммы, поясняющие способ и работу устройства.

Устройство для реализации способа монтируется на трубопроводе 1 посредством седелки 2. Оно содержит смонтированный в корпусе 3 исполнительный узел в составе напорной трубки 4 с исполнительными элементами 5-6, первой и второй измерительных трубок 7-8 с исполнительными элементами 9-10, двух ультразвуковых преобразователей 11-12 и дополнительного шланга 13, линию связи 14 и электронный блок 15 (фиг.1).

В состав электронного блока включены генератор 16 зондирующих импульсов, усилители 17-18, диоды 19-20, вентили 21-23 и схема 24 регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов (фиг.2).

Исполнительные элементы устройства смонтированы посредством защитных чехлов с обеспечением возможности возвратно-поступательного смещения вдоль осей симметрии соответствующих трубок (в направлении стрелок на фиг.2).

Напорная трубка 4, изогнутая в направлении, противоположном направлению потока, смонтирована с обеспечением механического воздействия скоростного напора в трубопроводе 1 на первый исполнительный элемент 5. Первая измерительная трубка 7 смонтирована с обеспечением механического контакта между вторым и третьим исполнительными элементами 6 и 9.

Измерительные и напорная трубки заполнены жидкой средой. Полости измерительных трубок 7-8 соединены дополнительным шлангом 13.

Предлагаемый способ осуществляется путем определения скоростного напора V_x в заданной области поперечного сечения трубопровода при частичном блокировании потока воды в этой области. При этом скоростной напор воды в трубопроводе 1 воспринимает первый исполнительный элемент 5 напорной трубки 4, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока.

При монтаже исполнительного узла устройства рабочими плоскостями первого и второго ультразвуковых преобразователей 11-12 задают соответственно первую и вторую плоскости "А" и "В" излучения акустических сигналов. Использование преобразователей 11-12 для работы как в режиме излучения, так и в режиме приема акустических сигналов позволяет совместить с плоскостью "А" первую плоскость "С" регистрации, а с плоскостью "В" - вторую плоскость "D" регистрации акустических сигналов (фиг.2).

На базовом расстоянии L₀ от плоскостей "А" и "В" излучения задают соответственно первую и вторую плоскости "Е" и "F" отражения акустических сигналов и в исходном состоянии исполнительного узла устройства (при отсутствии потока воды в трубопроводе 1) совмещают с плоскостью "Е" третий исполнительный элемент 9, а с плоскостью "F" - четвертый исполнительный элемент 10.

При наличии потока в результате механического воздействия скоростного напора на первый исполнительный элемент 5 и преобразования его напорной трубкой 4 в линейное смещение второго и, соответственно, третьего исполнительных элементов 6 и 9 жидкая среда из первой измерительной трубки 7 по дополнительному шлангу 13 частично вытеснится во вторую измерительную трубку 8, вызывая соответствующее линейное смещение четвертого исполнительного элемента 10. В результате расстояние L₀ между плоскостями "А" и "Е" (между первым ультразвуковым преобразователем 11 и исполнительным элементом 9) уменьшится до значения L₁, а между плоскостями "В" и "F" (между вторым ультразвуковым преобразователем 12 и исполнительным элементом 10) увеличится до значения L₂.

В начале процесса измерения на первом выходе генератора 16 зондирующих импульсов формируется сигнал, который через первый диод 19 по линии связи 14 поступает на первый ультразвуковой преобразователь 11, а через второй диод 20 - на второй ультразвуковой преобразователь 12. В результате в первой и во второй плоскостях "А" и "В" излучения одновременно сформируются соответственно первый и второй зондирующие импульсы 25 и 32 (фиг.3). При этом на время, необходимое для возбуждения ультразвуковых преобразователей 11-12, входы первого и второго усилителей 17-18 блокируются соответственно первым и вторым вентилями 17-18, запирающие входы которых подключены ко второму выходу генератора 16.

Первый зондирующий импульс 25 проходит вдоль оси первой измерительной трубки 7 расстояние L₁ до исполнительного элемента 9, переотражается им в обратном направлении и, спустя время t₁ после излучения, равное разности значений t₀ и t_x (где t₀ - время, необходимое для прохождения акустическими сигналами расстояния 2L₀, a t_x - интервал времени по длительности, пропорциональный значению скорости V_x потока), в виде акустического сигнала 39 достигает первую плоскость "С" регистрации, преобразуется первым ультразвуковым преобразователем 11 в электрический сигнал, который по линии связи 14 через первый вентиль 21 поступает на вход первого усилителя 17. Соответствующий акустическому сигналу 39 электрический импульс 51, сформированный на выходе усилителя 17, поступает на вход генератора 18, посылающего через первый и второй диоды 19-20 очередной электрический сигнал на первый и второй ультразвуковые преобразователи 11-12. Возбуждаясь, преобразователь 11-12 в виде акустических сигналов 26 и 33 производит первое переизлучение соответственно первого и второго зондирующих импульсов 25 и 32. Акустический сигнал 26 повторяет путь распространения зондирующего импульса 25 по траектории: первая плоскость излучения "А" (ультразвуковой преобразователь 11) - первая плоскость отражения "Е" (исполнительный элемент 9) - первая плоскость регистрации "С" (ультразвуковой преобразователь 11). При этом периодически повторяющаяся операция переизлучения зондирующею импульса 25 сопровождается излучением очередных акустических сигналов 26-31, регистрацией акустических сигналов 40-44 и формированием первой последовательности информационных сигналов 52-56.

Второй зондирующий импульс 32 и акустические сигналы 33-38 проходят вдоль оси второй измерительной трубки 8 расстояние L₂ до исполнительного элемента 10, отражаются им в обратном направлении и, спустя время t₁ после излучения, равное сумме значений t₀ и t_x, в виде акустических сигналов 45-50 достигают вторую плоскость регистрации "D", преобразуются вторым ультразвуковым преобразователем 12 в электрические сигналы, которые по линии связи 14 через вентиль 22 поступают на вход второго усилителя 18. В результате на выходе усилителя 18 сформируется вторая последовательность информационных сигналов 57-62.

Первая последовательность информационных сигналов 51-56 через третий вентиль 23 поступает на вход схемы 24 регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов. Вентиль 23 предназначен для исключения из первой последовательности сигналов 54 и 55, сформированных в моменты формирования информационных сигналов 60 и 61 второй последовательности. Как показано на фиг. 3, при наличии потока в трубопроводе 1 информационные сигналы 57-59 и 62 второй последовательности запаздывают относительно информационных сигналов 51-53 и 56 первой последовательности на время t_x, пропорциональное значению скорости V_x потока, и, следовательно, не препятствуют регистрации схемой 24 указанных сигналов первой последовательности. При отсутствии потока интервалы времени t₁ и t₂ принимают значение t_o, поэтому информационные сигналы 54 и 60, а также 55 и 61 поступят на вход и на запирающий вход третьего вентиля 23 одновременно. В результате вентиль 23 отключит вход схемы 24 от выхода первого усилителя 17.

Значение периода t₁ следования информационных сигналов первой последовательности, считываемых схемой 24, определяется значением скорости V_x потока воды в трубопроводе 1, что позволяет судить о мгновенном расходе по частоте следования сигналов 51-53 и 56, а по их количеству - о мгновенном расходе воды в контролируемом трубопроводе.

Как показано на примере (фиг.4), с понижением значения скорости V_x потока, равного V₁, до значения V₂ период t₁ следования информационных сигналов увеличивается от значения Т₁ до значения Т₂ и вместо шести изображенных сигналов за тот же интервал времени электронный блок 15 сформирует четыре. С повышением скорости V_x до значения V₃ период t₁ уменьшается до значения Т₃ и за указанный интервал времени блок 15 сформирует десять информационных сигналов.

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый способ позволяет производить измерения без непосредственного зондирования акустическими сигналами контролируемого потока, что позволяет не производить периодическую корректировку результатов измерения в зависимости от температуры контролируемой среды. Кроме того, количество переизлучений зондирующего импульса в предлагаемом способе соответствует количеству информационных сигналов, формируемых в процессе измерения, что позволяет повысить разрешающую способность.

Источники информации
1. Патент РФ 2084830 по кл. G 01 F 1/38. Бюл. 20, 1997 г.

2. Патент РФ 2132539 по кл. G 01 F 1/46, 1/66, 5/00. Бюл. 18, 1999 г. (прототип).

Для определения скорости потока по величине скоростного напора в заданной области поперечного сечения трубопровода на последнем монтируют устройство, содержащее смонтированный в корпусе исполнительный узел, включающий заполненные жидкой средой напорную трубку с двумя исполнительными элементами на ее торцах и две измерительные трубки, на одном торце каждой из которых смонтирован исполнительный элемент, на другом торце - ультразвуковой преобразователь, а их полости соединены дополнительным шлангом. Исполнительные элементы смонтированы посредством защитных чехлов с обеспечением возвратно-поступательного смещения вдоль осей соответствующих трубок под действием потока. Электронный блок устройства содержит генератор зондирующих импульсов, два усилителя, два диода, три вентиля и схему регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов. В процессе измерения осуществляют переизлучение зондирующих импульсов (акустических сигналов) ультразвуковых преобразователей. Изобретения обеспечивают повышение разрешающей способности, а также позволяют исключить периодическую корректировку результатов измерения в зависимости от температуры. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения расхода воды в трубопроводе, основанный на принципе определения скорости потока по величине скоростного напора в заданной области поперечного сечения трубопровода, заключающийся в том, что задают первую и вторую плоскости излучения акустических сигналов и в начале процесса измерения в первой и во второй плоскостях излучения одновременно формируют соответственно первый и второй зондирующие импульсы, отличающийся тем, что совмещают с первой плоскостью излучения первую плоскость регистрации акустических сигналов, совмещают со второй плоскостью излучения вторую плоскость регистрации акустических сигналов, задают на базовом расстоянии от первой плоскости излучения первую плоскость отражения акустических сигналов, задают на базовом расстоянии от второй плоскости излучения вторую плоскость отражения акустических сигналов, задают в области поперечного сечения трубопровода плоскость частичного блокирования потока, преобразуют механическое воздействие скоростного напора в возвратно-поступательное смещение плоскости блокирования, преобразуют смещение плоскости блокирования в направлении потока в линейное смещение первой плоскости отражения в направлении первой плоскости регистрации и второй плоскости отражения в направлении увеличения расстояния до второй плоскости регистрации, спустя время, отсчитываемое от момента излучения, и необходимое для прохождения акустическими сигналами удвоенного расстояния до первой плоскости отражения, регистрируют первый зондирующий импульс и производят переизлучение первого и второго зондирующих импульсов, периодически повторяют операцию переизлучения, спустя время, отсчитываемое от момента излучения, и необходимое для прохождения акустическими сигналами удвоенного расстояния до второй плоскости отражения, регистрируют второй зондирующий импульс, формируют первую последовательность информационных сигналов, передний фронт каждого из которых соответствует моменту очередной регистрации первого зондирующего импульса, формируют вторую последовательность информационных сигналов, передний фронт каждого из которых соответствует моменту очередной регистрации второго зондирующего импульса, исключают из первой последовательности информационные сигналы, сформированные в моменты формирования информационных сигналов второй последовательности, считывают информационные сигналы первой последовательности и по частоте их следования судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству - о суммарном расходе. 2. Устройство для реализации способа измерения расхода воды в трубопроводе, содержащее исполнительный узел в составе первой измерительной трубки, напорной трубки, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока, и двух ультразвуковых преобразователей, и электронный блок в составе генератора зондирующих импульсов, двух усилителей и схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов, отличающееся тем, что в состав исполнительного узла, размещенного в монтажном корпусе, включена вторая измерительная трубка, на торцах напорной трубки смонтированы соответственно первый и второй исполнительные элементы, на одном из торцов первой и второй измерительных трубок смонтированы соответственно третий и четвертый исполнительные элементы, на другом торце - соответственно первый и второй ультразвуковые преобразователи, исполнительные элементы смонтированы посредством защитных чехлов с обеспечением возможности возвратно-поступательного смещения вдоль осей симметрии соответствующих трубок, измерительные и напорная трубки заполнены жидкой средой, полости первой и второй измерительных трубок соединены дополнительным шлангом, напорная трубка установлена в монтажном корпусе с обеспечением механического воздействия скоростного напора в трубопроводе на первый исполнительный элемент, первая измерительная трубка установлена в монтажном корпусе с обеспечением механического контакта между вторым и третьим исполнительными элементами, а в состав электронного блока дополнительно включены два диода и три вентиля, при этом к выходу генератора зондирующих импульсов подключены запирающий вход первого вентиля, запирающий вход второго вентиля, через первый диод - вход первого вентиля и первый ультразвуковой преобразователь, а через второй диод - вход второго вентиля и второй ультразвуковой преобразователь, к выходу первого вентиля подключен вход первого усилителя, к выходу второго вентиля подключен вход второго усилителя, к выходу первого усилителя подключены вход третьего вентиля и вход генератора зондирующих импульсов, к выходу второго усилителя подключен запирающий вход третьего вентиля, а к выходу третьего вентиля подключен вход схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов.