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 (патент РФ 2084830 по кл. G 01 F 1/38. Бюл. 20, 1997).

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 потока при его частичном блокировании 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 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 одновременно 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 (патент РФ 2132539 по кл. G 01 F 1/46, 1/66, 5/00. Бюл. 18, 1999 (прототип)).

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, двух генераторов зондирующих импульсов, 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 информационных сигналов, формируемых в процессе проведения одного цикла измерения.

Задача изобретения - повышение разрешающей способности.

Относительно способа измерения расхода воды в трубопроводе путем определения скоростного напора в заданной области поперечного сечения потока при его частичном блокировании в этой области, заключающегося в том, что задают первую и вторую плоскости излучения акустических сигналов и в начале очередного цикла измерения в первой и во второй плоскостях излучения одновременно формируют соответственно первый и второй зондирующие импульсы, решение поставленной задачи заключается в том, что совмещают с первой плоскостью излучения первую плоскость регистрации акустических сигналов, совмещают с 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, преобразуют механическое воздействие полного давления воды в трубопроводе 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, преобразуют механическое воздействие статического давления воды в трубопроводе в линейное смещение второй плоскости отражения в направлении второй плоскости регистрации и в линейное смещение первой плоскости отражения в направлении увеличения расстояния до первой плоскости регистрации, спустя время, отсчитываемое от момента излучения и необходимое для распространения акустических сигналов по траектории: первая плоскость излучения - первая плоскость отражения - первая плоскость регистрации, производят переизлучение первого зондирующего импульса, спустя время, отсчитываемое от момента излучения и необходимое для распространения акустических сигналов по траектории: вторая плоскость излучения - вторая плоскость отражения - вторая плоскость регистрации, производят переизлучение второго зондирующего импульса, периодически повторяют операции переизлучения первого и второго зондирующих импульсов, в моменты одновременной регистрации первого и второго зондирующих импульсов формируют по одному информационному сигналу, считывают последовательность информационных сигналов и по частоте их следования судят о мгновенном расходе, а по их количеству - о суммарном расходе.

Относительно устройства для реализации способа измерения расхода воды в трубопроводе, содержащего исполнительный узел в составе первой измерительной трубки, первой напорной трубки, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока, второй напорной трубки, ориентированной перпендикулярно направлению потока, и двух ультразвуковых преобразователей, и электронный блок в составе генератора зондирующих импульсов, двух усилителей, пяти электронных ключей 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 первой напорной трубки смонтированы соответственно первый и второй исполнительные элементы, на торцах второй напорной трубки смонтированы соответственно третий и четвертый исполнительные элементы, на одном из торцов первой и второй измерительных трубок смонтированы соответственно пятый и шестой исполнительные элементы, на другом - 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 напорные трубки заполнены жидкой средой, полости первой и второй измерительных трубок соединены дополнительной трубкой, первая напорная трубка установлена в монтажном корпусе с обеспечением механического воздействия полного давления воды в трубопроводе на первый исполнительный элемент, вторая напорная трубка установлена в монтажном корпусе с обеспечением механического воздействия статического давления потока воды в трубопроводе на третий исполнительный элемент, первая измерительная трубка установлена в монтажном корпусе с обеспечением механического контакта между вторым и пятым исполнительными элементами, вторая измерительная трубка установлена в монтажном корпусе с обеспечением механического контакта между четвертым и шестым исполнительными элементами, а в состав электронного блока дополнительно включены два диода, логический элемент И и логический элемент ИЛИ, при этом к выходу генератора зондирующих импульсов подключены вход первого и вход второго электронных ключей, к выходу первого электронного ключа подключены запирающий вход указанного ключа, вход и отпирающий вход третьего электронного ключа и первый ультразвуковой преобразователь, к выходу второго электронного ключа подключены запирающий вход указанного ключа, вход и отпирающий вход четвертого электронного ключа и второй ультразвуковой преобразователь, к выходу третьего электронного ключа подключен вход первого усилителя, к выходу четвертого электронного ключа подключен вход второго усилителя, к выходу первого усилителя подключены отпирающий вход первого и запирающий вход третьего электронных ключей, первые входы логических элементов, а через первый диод - вход генератора зондирующих импульсов, к выходу второго усилителя подключены отпирающий вход второго и запирающий вход четвертого электронных ключей, вторые входы логических элементов, а через второй диод - вход генератора зондирующих импульсов, к выходу логического элемента И и к выходу логического элемента ИЛИ подключены соответственно вход и отпирающий вход пятого электронного ключа, а к выходу указанного ключа подключены его запирающий вход и вход схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов.

Заявляемые способ и устройство для измерения расхода воды поясняются следующими графическими материалами. На фиг.1 изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа, на фиг.2 - схема его электронного блока, а 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 первой напорной трубки 4 с первым и вторым исполнительными элементами 5 и 6, второй напорной трубки 7 с третьим и четвертым исполнительными элементами 8 и 9, первой и второй измерительных трубок 10 и 11 с пятым и шестым исполнительными элементами 12 и 13, дополнительной трубки 14 и двух ультразвуковых преобразователей 15 и 16 и электронный блок 17 (фиг.1).

В состав электронного блока включены генератор 18 зондирующих импульсов, два усилителя 19, 20, два диода 21, 22, пять электронных ключей 23-27, логический элемент И 28, логический элемент ИЛИ 29 и схема 30 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).

Напорные и измерительные трубки заполнены жидкой средой. При этом первая напорная трубка 4, изогнутая в направлении, противоположном направлению потока, установлена с обеспечением механического воздействия полного давления Р_х воды в трубопроводе 1 на исполнительный элемент 5, вторая напорная трубка 7 - с обеспечением механического воздействия статического давления Р_о воды в трубопроводе 1 на исполнительный элемент 8.

Первая измерительная трубка 10 установлена с обеспечением механического контакта между исполнительными элементами 6 и 12, вторая измерительная трубка 11 - с обеспечением механического контакта между исполнительными элементами 9 и 13.

Предлагаемый способ осуществляется путем определения скоростного напора в заданной области поперечного сечения потока при его частичном блокировании в этой области. При этом полное давление Р_х воды в трубопроводе 1 воспринимает исполнительный элемент 5 первой напорной трубки 4, а статическое давление Р_о - исполнительный элемент 8 второй напорной трубки 7 устройства для реализации предлагаемого способа.

При монтаже исполнительного узла устройства рабочими плоскостями первого и второго ультразвуковых преобразователей 15 и 16 задают соответственно первую и вторую плоскости "А" и "В" излучения акустических сигналов. Использование преобразователей 15 и 16 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" задают соответственно первую и вторую плоскости "Е" и "F" отражения акустических сигналов и в исходном состоянии исполнительного узла устройства совмещают с плоскостью "Е" пятый исполнительный элемент 12, а с плоскостью "F" - шестой исполнительный элемент 13.

Исходное состояние исполнительный узел принимает при равенстве значений полного и статического давлений Р_х и Р_о. В этом случае механическое воздействие, передаваемое первой напорной трубкой 4 пятому исполнительному элементу 12, уравновешивается механическим воздействием, передаваемым второй напорной трубкой 7 шестому исполнительному элементу 13.

При наличии потока за счет разницы значений Р_х и Р_о равновесие в исполнительном узле устройства нарушается и жидкая среда из первой измерительной трубки 10 исполнительным элементом 12 по дополнительной трубке 14 частично вытесняется во вторую измерительную трубку 11, вызывая соответствующее смещение исполнительного элемента 13. В результате расстояние L₀ между плоскостями "А" ("С") и "Е" (между первым ультразвуковым преобразователем 15 и исполнительным элементом 12) уменьшится до значения L₁, а между плоскостями "В" ("D") и "F" (между вторым ультразвуковым преобразователем 16 и исполнительным элементом 13) увеличится до значения L₂.

В начале первого цикла измерения на выходе генератора 18 зондирующих импульсов формируют сигнал, который проходит открытый в исходном состоянии первый электронный ключ 23, запирает его за собой, отпирает третий электронный ключ 25 и поступает на первый ультразвуковой преобразователь 15. Одновременно сигнал с выхода генератора 18 проходит открытый в исходном состоянии второй электронный ключ 24, запирает его за собой, отпирает четвертый электронный ключ 26 и поступает на второй ультразвуковой преобразователь 16. В результате в первой и во второй плоскостях излучения одновременно сформируются соответственно первый и второй зондирующие импульсы 31 и 36 (фиг.3).

Первый зондирующий импульс 31 проходит вдоль оси первой измерительной трубки 10 расстояние L₁ до исполнительного элемента 12, переотражается им в обратном направлении и спустя время T₁ после излучения, равное разности значений Т₀ и Т_х (где Т₀ - время, необходимое для прохождения акустическим сигналом расстояния 2L₀, а Т_х - интервал времени по длительности, пропорциональный разности давлений Р_х и Р₀) в виде акустического сигнала 41 достигает первую плоскость регистрации "С", преобразуется первым ультразвуковым преобразователем 15 в электрический сигнал и через третий электронный ключ 25 поступает на вход первого усилителя 19. Соответствующий акустическому сигналу 41 электрический импульс 51, сформированный на выходе усилителя 19, возвращает в исходные состояния электронные ключи 23 и 25 и через первый диод 21 поступает на вход генератора 18, посылающего через первый электронный ключ 23 очередной электрический сигнал на первый ультразвуковой преобразователь 15. Возбуждаясь, преобразователь 15 в виде акустического сигнала 32 производит первое переизлучение первого зондирующего импульса 31. Акустический сигнал 32 повторяет путь распространения зондирующего импульса 31 по траектории: первая плоскость излучения "А" (ультразвуковой преобразователь 15) - первая плоскость отражения "Е" (исполнительный элемент 12) - первая плоскость регистрации "С" (ультразвуковой преобразователь 15). При этом периодически повторяющаяся операция переизлучения зондирующего импульса 31 сопровождается излучением очередных акустических сигналов 32-35, регистрацией акустических сигналов 42-45 и формированием электрических импульсов 52-55.

Второй зондирующий импульс 36 проходит вдоль оси второй измерительной трубки 11 расстояние L₂ до исполнительного элемента 13, переотражается им в обратном направлении и спустя время Т₂ после излучения, равное сумме значений Т₀ и Т_х, в виде акустического сигнала 46 достигает вторую плоскость регистрации "D", преобразуется вторым ультразвуковым преобразователем 16 в электрический сигнал и через четвертый электронный ключ 26 поступает на вход второго усилителя 20. Соответствующий акустическому сигналу 46 электрический импульс 56, сформированный на выходе усилителя 20, возвращает в исходные состояния электронные ключи 24 и 26 и через второй диод 22 поступает на вход генератора 18, посылающего через второй электронный ключ 24 очередной электрический сигнал на второй ультразвуковой преобразователь 16. Возбуждаясь, преобразователь 16 в виде акустического сигнала 37 производит первое переизлучение второго зондирующего импульса 36. Акустический сигнал 37 повторяет путь распространения зондирующего импульса 36 по траектории: вторая плоскость излучения "В" (ультразвуковой преобразователь 16) - вторая плоскость отражения "F" (исполнительный элемент 13) - вторая плоскость регистрации "D" (ультразвуковой преобразователь 16). При этом периодически повторяющаяся операция переизлучения зондирующего импульса 36 сопровождается излучением очередных акустических сигналов 37-40, регистрацией акустических сигналов 47-50 и формированием электрических импульсов 57-60.

Как показано на фиг.3, при наличии потока в контролируемом трубопроводе электрический импульс 56 запаздывает относительно электрического импульса 51 на время 2Т_х, пропорциональное значению скоростного напора. После первого переизлучения зондирующих импульсов время запаздывания достигает значения 4Т_x и увеличивается на величину 2Т_x с каждым последующим переизлучением. При достижении значения 2N_xT_x, равного T₁, импульсы 55 и 60 поступают соответственно на первый и на второй входы логического элемента И 28 одновременно. Сформированный логическим элементом 28 первый информационный сигнал 61 (фиг. 4) проходит пятый электронный ключ 27, запирает его за собой и поступает на вход схемы 30 регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов. Первый цикл измерения заканчивается, начинается второй (очередной) цикл, при завершении которого логический элемент 28 сформирует очередной информационный сигнал 61.

Пятый электронный ключ 27 предназначен для блокирования входа схемы 30 при отсутствии потока в трубопроводе 1 и открывается сигналом с выхода логического элемента ИЛИ 29 при поступлении на его первый вход электрического сигнала 51. При равенстве давлений Р_x и Р_o интервалы времени T₁ и Т₂ принимают значение Т₀, поэтому при одновременной регистрации акустических сигналов 41 и 46 (электрические импульсы 51 и 56) сигнал на выходе логического элемента 29 не сформируется и не подключит вход схемы 30 к выходу логического элемента 28.

Значение периода t_1(2,3) (частоты) следования последовательности информационных сигналов 61, регистрируемых схемой 30, определяется соотношением значений интервалов времени T₁ и Т₂, т.е. зависит от разности давлений Р_х и Р_о. Это позволяет судить о мгновенном расходе по частоте следования импульсов 61, а по их количеству - о суммарном расходе воды в контролируемом трубопроводе.

Как показано на примере (фиг.4), с понижением значения полного давления Р_х, равного P₁, до значения P₂ период следования t₁ последовательности информационных сигналов 61 увеличивается до значения t₂ и вместо шести изображенных сигналов за тот же интервал времени электронный блок 17 сформирует четыре. С повышением давления Р_x до значения Р₃ период t₁ уменьшается до значения t₃ и за указанный интервал времени блок 17 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 зондирующих импульсов, производимых в процессе проведения одного цикла измерения, не является величиной постоянной, а напротив, определяется значением скорости потока, что позволяет повысить разрешающую способность.

Для определения скоростного напора в заданной области поперечного сечения потока на трубопроводе монтируют устройство, в состав исполнительного узла которого входят заполненные жидкой средой две напорные трубки полного и статического давления воды в трубопроводе с исполнительными элементами на их торцах и две измерительные трубки, на одном торце каждой из которых смонтирован исполнительный элемент, на другом - ультразвуковой преобразователь, а их полости соединены дополнительной трубкой. Электронный блок устройства включает в себя генератор зондирующих импульсов, два усилителя, два диода, пять электронных ключей, логический элемент И, логический элемент ИЛИ, схему регистрации и индикации. В процессе цикла измерения производят ряд переизлучений зондирующих импульсов (акустических сигналов ультразвуковых преобразователей) и в моменты их одновременной регистрации формируют по одному информационному сигналу, считывают последовательность этих сигналов и по частоте их следования судят о мгновенном расходе, а по количеству - о суммарном расходе. Изобретения обеспечивают повышение разрешающей способности. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения расхода воды в трубопроводе путем определения скоростного напора в заданной области поперечного сечения потока при его частичном блокировании в этой области, заключающийся в том, что задают первую и вторую плоскости излучения акустических сигналов и в начале очередного цикла 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 с 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, преобразуют механическое воздействие полного давления воды в трубопроводе 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, преобразуют механическое воздействие статического давления воды в трубопроводе в линейное смещение второй плоскости отражения в направлении второй плоскости регистрации и в линейное смещение первой плоскости отражения в направлении увеличения расстояния до первой плоскости регистрации, спустя время, отсчитываемое от момента излучения и необходимое для распространения акустических сигналов по траектории первая плоскость излучения - первая плоскость отражения - первая плоскость регистрации, производят переизлучение первого зондирующего импульса, спустя время, отсчитываемое от момента излучения и необходимое для распространения акустических сигналов по траектории вторая плоскость излучения - вторая плоскость отражения - вторая плоскость регистрации, производят переизлучение второго зондирующего импульса, периодически повторяют операции переизлучения первого и второго зондирующих импульсов, в моменты одновременной регистрации первого и второго зондирующих импульсов формируют по одному информационному сигналу, считывают последовательность информационных сигналов и по частоте их следования судят о мгновенном расходе, а по их количеству - о суммарном расходе. 2. Устройство для реализации способа измерения расхода воды в трубопроводе, содержащее исполнительный узел в составе первой измерительной трубки, первой напорной трубки, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока, второй напорной трубки, ориентированной перпендикулярно направлению потока, и двух ультразвуковых преобразователей и электронный блок в составе генератора зондирующих импульсов, двух усилителей, пяти электронных ключей 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 первой напорной трубки смонтированы соответственно первый и второй исполнительные элементы, на торцах второй напорной трубки смонтированы соответственно третий и четвертый исполнительные элементы, на одном из торцов первой и второй измерительных трубок смонтированы соответственно пятый и шестой исполнительные элементы, на другом - 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 напорные трубки заполнены жидкой средой, полости первой и второй измерительных трубок соединены дополнительной трубкой, первая напорная трубка установлена в монтажном корпусе с обеспечением механического воздействия полного давления воды в трубопроводе на первый исполнительный элемент, вторая напорная трубка установлена в монтажном корпусе с обеспечением механического воздействия статического давления потока воды в трубопроводе на третий исполнительный элемент, первая измерительная трубка установлена в монтажном корпусе с обеспечением механического контакта между вторым и пятым исполнительными элементами, вторая измерительная трубка установлена в монтажном корпусе с обеспечением механического контакта между четвертым и шестым исполнительными элементами, а в состав электронного блока дополнительно включены два диода, логический элемент И и логический элемент ИЛИ, при этом к выходу генератора зондирующих импульсов подключены вход первого и вход второго электронных ключей, к выходу первого электронного ключа подключены запирающий вход указанного ключа, вход и отпирающий вход третьего электронного ключа и первый ультразвуковой преобразователь, к выходу второго электронного ключа подключены запирающий вход указанного ключа, вход и отпирающий вход четвертого электронного ключа и второй ультразвуковой преобразователь, к выходу третьего электронного ключа подключен вход первого усилителя, к выходу четвертого электронного ключа подключен вход второго усилителя, к выходу первого усилителя подключены отпирающий вход первого и запирающий вход третьего электронных ключей, первые входы логических элементов, а через первый диод - вход генератора зондирующих импульсов, к выходу второго усилителя подключены отпирающий вход второго и запирающий вход четвертого электронных ключей, вторые входы логических элементов, а через второй диод - вход генератора зондирующих импульсов, к выходу логического элемента И и к выходу логического элемента ИЛИ подключены соответственно вход и отпирающий вход пятого электронного ключа, а к выходу указанного ключа подключены его запирающий вход и вход схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов.