СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА И ОБЪЕМА МНОГОФАЗНОЙ ЖИДКОСТИ В УСЛОВИЯХ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ПОТОКА Российский патент 2007 года по МПК G01F1/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода и объема многофазной жидкости, например, сточных вод (СВ), в условиях пульсирующего потока, преимущественно канализационной насосной станции (КНС).

Современная КНС оснащается насосами (максимальное их количество, обычно, 4, из них один насос в резерве), накопительными камерами и обратными клапанами выходной магистрали для предотвращения ее полного осушения при выключении насосов.

КНС осуществляет первичный сбор СВ.

Цикл работы КНС состоит из двух частей (графически показан на чертеже):

- накопление СВ в накопительных камерах,

- перекачка СВ насосами для дальнейшей переработки.

Можно отметить следующие особенности этого процесса:

- СВ представляет собой крупнодисперсионную суспензию химически активных веществ;

- транспортировка СВ происходит по трубам с диаметрами 100 мм и более;

- транспортировка СВ происходит при быстроменяющемся статическом давлении в трубопроводе;

- широкий диапазон расходов при перекачке СВ;

- откачка СВ в циклическом режиме,

- импульсный режим работы КНС способствует образованию отложений на стенках резервуаров и трубопровода: во время выключения насосов крупнодисперсионная масса сохнет на стенках, затвердевает.

Известен геометрический способ измерения вместимости стальных вертикальных цилиндрических резервуаров [1].

Геометрический метод заключается в определении вместимости резервуара цилиндрической формы измерением его геометрических размеров и проведением расчетов для получения градуировочной характеристики, т.е. зависимости объема жидкости от уровня заполнения резервуара.

Способ основан на определении

- диаметров всех образующих поясов,

- высот поясов,

- толщины листов обшивки резервуара,

- степени нахлестки отдельных листов друг на друга,

- неровностей днища резервуара,

- объема вспомогательных узлов и оборудования, находящегося внутри резервуара.

Реальный резервуар, как всякая сварная конструкция, имеет множество отклонений от модели и не является геометрически правильным цилиндром. В силу этого для получения более достоверных данных о наружных диаметрах всех поясов в качестве опорного выбирается пояс резервуара, сечение которого в максимальной степени приближается к правильной окружности, а боковая поверхность содержит минимум дефектов. Считается, что этим требованиям лучше всего удовлетворяет нижний (первый) пояс резервуаров, который не содержит технологических трубопроводов и вспомогательной наружной арматуры.

В свою очередь, значение наружного диаметра D_i опорного пояса находят расчетным путем, исходя из соотношения D_i=L_i/π, где L_i - периметр внешнего сечения (горизонтального) опорного пояса.

Периметр L_i измеряют рулеткой, укладываемой вокруг наружной поверхности опорного пояса. При этом считают, что наружное горизонтальное сечение опорного пояса представляет окружность.

Чтобы найти значения наружных диаметров последующих поясов резервуара, измеряют отклонения их наружных боковых поверхностей от соответствующей поверхности опорного пояса. Для этой цели применяют специальную измерительную каретку, которую перемещают в вертикальной плоскости на наружной поверхности резервуара. Предварительно наружную поверхность опорного пояса в одном горизонтальном сечении разбивают по периметру на равные части и через точки деления условно проводят вертикали. При движении каретки по каждой такой условной направляющей производят измерение отклонений некоторых точек боковых поверхностей вышележащих поясов. При этом число точек для всех промежуточных поясов равно трем, для верхнего пояса - двум.

Размеры соответствующих высот поясов измеряются в процессе эксплуатации.

Толщину листов обшивки боковой поверхности резервуара измеряют толщиномером.

Неровности днища резервуара определяются следующим образом: принимается, что неровности днища по высоте не выходят за пределы первого пояса и жидкость в донной части резервуара занимает малый объем и редко участвует в обращении, то появляется возможность ввести в резервуар базовый уровень, от которого будет производиться измерение высоты налива жидкости в резервуар.

Размеры деталей, устройств, расположенных внутри резервуара, находят в результате прямых измерений или на основании конструкторской документации.

Известный способ не может быть использован для решения указанной ниже поставленной задачи, т.к. он реализован для резервуаров,

1) к которым есть доступ, т.е. не зарытых в землю,

2) не произвольной формы, а конкретной - цилиндрической,

3) геометрические параметры которых не меняются со временем из-за сильной загрязненности,

4) в силу его трудоемкости

- он не позволяет проводить многократные измерения,

- не учитывает возможное изменение высот поясов в зависимости от положения направляющей, вдоль которой перемещается рулетка с лотом,

- резервуар должен быть полностью опорожнен и зачищен от остатков жидкости, т.к. при геометрическом методе есть измерения, выполняемые внутри резервуара, например:

- определение объемов внутренних деталей;

- измерение вместимости «мертвой полости», за которую принимают нижнюю часть резервуара, из которой нельзя выбрать жидкость, используя сливную трубу, поэтому она ограничена сверху исходным уровнем;

- измерение базовой высоты резервуара.

Известен объемный способ измерения вместимости стальных вертикальных цилиндрических резервуаров [1].

Объемный метод заключается в непосредственном измерении объема жидкости, залитой в резервуар, и ее уровня для получения градуировочной характеристики.

Способ основан на

- предварительном расчете полной и сантиметровой вместимости резервуара по данным технической документации (диаметру и высоте резервуара) для получения исходных данных для настройки установки для градуировки,

- определении вместимости «мертвой полости» путем ее полного заполнения жидкостью и измерении исходного уровня,

- последовательном заполнении резервуара жидкостью с измерением объема и уровня ее после подачи каждой или нескольких доз,

- получении результатов измерений объема жидкости с нарастающим итогом и уровня.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что он реализован для резервуаров,

1) к которым есть доступ, т.е. не зарытых в землю,

2) не произвольной формы, а конкретной - цилиндрической,

3) геометрические параметры которых не меняются со временем из-за сильной загрязненности,

4) его реализация предусматривает определение вместимости «мертвой полости» и измерение уровней жидкости после подачи каждой или нескольких доз, для нахождения которых необходимы опорожнение и зачистка резервуара, что достаточно трудоемко в реальных условиях КНС.

Известен способ измерения объема жидкости, основанный на применении расходомеров переменного перепада давления [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения, относится то, что применение таких расходомеров не разрешено для циклического характера работы КНС, который приводит к изменению статического давления СВ в трубопроводе в широких пределах (практически от долей атмосферы до нескольких единиц). Кроме того, количество одновременно включенных насосов может меняться (в зависимости от скорости заполнения накопительных емкостей), что в широких пределах изменяет максимальный расход (более чем в 3 раза).

Известен косвенный способ измерения объема жидкости, основанный на применении насосов [3].

Известный способ реализуется следующим образом: на насосных станциях расходы воды устанавливаются по числу часов работы насосов и их производительности. Последняя определяется на основе эксплуатационных характеристик насосов, получаемых по результатам заводских испытаний в виде зависимостей напора, мощности и КПД от расходов воды. В этом случае расход снимают непосредственно с кривой Q-H по величине полного напора. При этом в специальном журнале указывается время включения и выключения каждого насоса.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения, относится то, что

- во время откачки насосами СВ известного объема из накопительной камеры в камеру продолжает подтекать неизвестный объем, разный в зависимости от сезона и времени суток,

- для выполнения измерений необходимо знать фактическую, не паспортную, производительность насосов.

Известны способы измерения объема жидкости, основанные на применении таких средств измерения расхода жидкости, как электромагнитные [2] или ультразвуковые [2], которые по совокупности признаков, являются наиболее близкими аналогами заявляемого изобретения.

Известные способы реализуются следующим образом:

- Электромагнитные расходомеры основаны на взаимодействии движущейся жидкости с магнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону электромагнитной индукции, согласно которому в жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Преобразователь ЭМР состоит из первичного преобразователя расхода (ППР) и электронного преобразователя (ЭП). Внутреннюю поверхность во избежание короткого замыкания ЭДС через стенку корпуса покрывают слоем диэлектрика - резиной, фторопластом, эмалью и т.д. Внутри ППР диаметрально расположены электроды из стали, предназначенные для съема ЭДС сигнала. ЭП - измерительное устройство совместно с отсчетным устройством текущего расхода и объема.

- По принципу действия большинство ультразвуковых расходомеров (УЗР) относятся к времяимпульсным, работа которых основана на измерении разности времен прохождения ультразвуковых сигналов по потоку жидкости в трубопроводе и против него и последующем пересчете в средние скорость и расход. По функциональному признаку УЗР выполняются для стационарной установки (с врезными датчиками) и в виде переносных (мобильных) приборов (с накладными датчиками). Система для измерения расхода УЗР состоит из двух основных подсистем: измерительного участка и электронного блока. Измерительный участок представляет собой участок трубы, на который установлены ультразвуковые преобразователи. Электронный блок подключается к преобразователям с помощью кабеля.

Первичные преобразователи расхода электромагнитного расходомера и ультразвукового не содержат в потоке вращающихся элементов и не создают никакой потери давления.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения, относится то, что

- приведенные средства измерения предназначены для использования на стационарных непрерывных потоках,

- они не имеют нормированных характеристик при импульсном режиме, как на КНС,

- образующиеся твердые, пористые отложения закупоривают электроды у электромагнитных расходомеров и создают препятствия для прохождения ультразвукового луча у ультразвуковых расходомеров.

Но установка таких приборов возможна на короткое время, например, для проведения калибровки накопительной камеры.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа измерения расхода и объема многофазной жидкости в условиях пульсирующего потока, преимущественно КНС.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в обеспечении возможности измерения расхода и объема многофазной жидкости в условиях пульсирующего потока, преимущественно КНС, с помощью накопительной камеры, калиброванной как мерная емкость, и стандартного электромагнитного (или ультразвукового) расходомера-счетчика для периодической калибровки этой камеры без остановки использования ее по назначению.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемого изобретения достигается тем, что в заявляемом способе измерения многофазной жидкости в условиях пульсирующего потока, преимущественно КНС, используется мерная емкость типа накопительной камеры, в отличие от известного способа недоступная для измерения геометрических размеров ни снаружи, ни изнутри, в отличие от известного способа любой формы, периодически калибруемая с помощью стандартного электромагнитного (или ультразвукового) расходомера-счетчика, в отличие от известных способов устанавливаемые на короткое время только для калибровки этой емкости, рабочий объем которой определяется двумя датчиками высоты, фиксируемыми в процессе калибровки, искомый объем СВ за нужный промежуток времени определяется как сумма объемов за каждый конкретный цикл, в который входит полное заполнение камеры СВ и ее полная откачка насосами, производительность которых, в отличие от известного способа, не является влияющим фактором для выполнения измерений, где объем за каждый цикл вычисляется по формуле где k - конкретный цикл, V_калибр - рабочий объем накопительной камеры, установленный при калибровке, V_{подтекания} - дополнительный объем СВ, сверх определенного при калибровке, подтекающий в камеру во время откачки СВ, - время полной откачки емкости в k-цикле, - средний расход в k-цикле, вычисляемый по формуле , где - время заполнения камеры СВ в k-цикле.

Устройство для реализации заявляемого способа содержит

- накопительную камеру для приема СВ,

- стандартный расходомер (электромагнитный или ультразвуковой) для калибровки накопительной камеры,

- устройство для фиксирования времени включения/выключения насосов,

- два датчика уровней заполнения накопительной камеры.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

Вместимость, геометрические параметры накопительной камеры для приема сточных вод есть величина, изменяющаяся во времени, в связи с большой загрязненностью. Поэтому для измерения объема СВ заявляемым способом необходимо калибровать ее как мерную емкость.

Для этого фиксируются два датчика высоты

- нижний датчик, когда резервуар пустой,

- верхний, когда включаются насосы для откачки.

Нижний датчик - некоторая нулевая точка, с которой резервуар начинает заполняться. Рабочий объем накопительной камеры V_калибр (м³) определяется между двумя датчиками высоты, и принимается, что он откачивается полностью, независимо от скорости откачки. Соответственно, когда насосы останавливаются, камера заполняется на рабочий объем, который определяется при калибровке - (V_калибр).

Для калибровки камеры и только на время калибровки используется стандартный ультразвуковой (или электромагнитный) расходомер-счетчик.

Время заполнения камеры , где k - конкретный цикл, - разное в зависимости от времени суток и сезона, например засушливое лето или сильные дожди.

По формуле вычисляется средний расход в каждом конкретном k-м цикле.

Время опустошения камеры тоже может быть разным в зависимости от того, сколько насосов работает по откачке СВ. В специальном журнале указывается время включения и выключения каждого насоса для расчета времени опустошения камеры в каждом конкретном цикле.

Во время работы насосов по откачиванию рабочего объема (V_калибр) сточных вод, в накопительную камеру продолжает подтекать неизвестный дополнительный объем (V_{подтекания}), который зависит от времени суток и сезона - дождливый или засушливый. Полностью откачанный объем является изменяющейся величиной и за конкретный цикл "k" определяется по формуле где - время полной откачки емкости в k-цикле, - средний расход в k-цикле.

Искомый объем СВ за нужный период (за k полных циклов) находится по формуле: .

Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.

Источники информации:

1. МИ 1823-87. Методические указания. ГСИ. Вместимость стальных вертикальных цилиндрических резервуаров. Методика выполнения измерений геометрическим и объемным методами.

2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Машиностроение, 1989, с.409 и 440, 593.

3. «Форма первичной учетной документации по использованию воды» ПОД-12, утвержденная Минводхозом СССР 30.11.82 г. №6/6-04-458 в соответствии с постановлением Совета Министров СССР от 10.03.75 г. №197.

Изобретение относится к области измерения расхода и объема жидкости, в частности к области измерения расхода и объема многофазной жидкости в условиях пульсирующего потока, и может быть использовано на канализационной станции для измерения указанных параметров сточных вод. Сущность: рабочий объем камеры определяется между двумя датчиками высоты, которые фиксируются в процессе калибровки. Калибровку осуществляют стандартным ультразвуковым (или электромагнитным) расходомером-счетчиком. Расходомер-счетчик устанавливается только на время калибровки. Периодичность калибровки проводится в зависимости от скорости зарастания камеры. Искомый объем сточных вод за нужный промежуток времени определяется как сумма рабочих объемов за каждый конкретный цикл. При этом в каждый цикл входит полное заполнение камеры сточными водами и ее полная откачка насосами. Технический результат: расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Способ измерения расхода и объема многофазной жидкости в условиях пульсирующего потока, отличающийся тем, что искомый объем определяется для камеры любой формы, к которой нет доступа, рабочий объем которой определяется при калибровке камеры стандартным ультразвуковым (или электромагнитным) расходомером-счетчиком, устанавливаемым на короткое время только для калибровки этой емкости, периодичность калибровки которой проводится в зависимости от скорости зарастания камеры, рабочий объем которой определяется двумя датчиками высоты, фиксируемыми в процессе калибровки, искомый объем сточных вод за нужный промежуток времени определяется как сумма объемов за каждый конкретный цикл, в которой входит полное заполнение камеры сточными водами и ее полная откачка насосами, производительность которых не является влияющим фактором для выполнения измерений, где объем за каждый цикл вычисляется по формуле:

,

где k - конкретный цикл; V_{калибр.} - рабочий объем накопительной камеры, установленный при калибровке; V_{подтекания} - дополнительный объем сточных вод, сверх определенного при калибровке, подтекающий в камеру во время откачки сточных вод; - время полной откачки камеры в k-цикле; - средний расход в k-цикле, вычисляемый по формуле , где - время заполнения камеры сточными водами в k-цикле.