РАСХОДОМЕР ЖИДКИХ СРЕД В ОТКРЫТЫХ ВОДОЕМАХ Российский патент 2009 года по МПК G01F1/52 G01F1/28 G01F23/36 

Изобретение относится к измерительной технике по расходомерам, а именно к устройствам измерения объемного расхода жидких сред в открытых водоемах - каналах, ненапорных трубопроводах большого сечения и сточных лотках.

Известен ультразвуковой расходомер РВУ - 1, включающий ультразвуковые датчики, шаговые двигатели, кабель связи, тросы механизма перемещения шаговых двигателей, крепление тросов на бермах водоема, вторичный блок (см. статью М.А.Варичев. Техническое обоснование и результаты исследований ультразвукового расходомера РВУ - 1. - Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. статей ФГНУ «РосНИИПМ» / Под ред. В.Н.Щедрина. - Новочеркасск: ООО «Геликон», 2007. - Вып.38. - 198 с. - С.131-134. Копия статьи прилагается).

К недостаткам описанного расходомера РВУ - 1, несмотря на декларируемую погрешность измерений 5%, относятся низкая точность измерений и высокие затраты труда и времени.

Наиболее близким аналогом к заявленному объекту относится расходомер жидких сред в открытых водоемах, содержащий блок измерения уровня жидкости и блок измерения средней скорости потока жидкости, а также электронный блок приема и обработки сигналов, в котором блок измерения жидкости выполнен в виде поворотного рычага с поплавком сферической формы, погруженный в жидкость на глубину меньше величины радиуса сферы, причем чувствительный элемент измерения угла вертикального перемещения поплавка изготовлен на основе микросхемы ADXL и закреплен на рычаге, при этом блок измерения скорости потока жидкости выполнен в форме поворотной лопасти, конец которой сопряжен с осью вертикального поворота, а другой конец свободно погружен в жидкость, в свою очередь, чувствительный элемент измерения угла поворота лопасти выполнен на основе второй аналогичной микросхемы типа серии ADXL и закреплен к лопасти (RU, патент №2251080. С1. МПК⁷ G01F 1/00. Расходомер жидких сред в открытых водоемах. / С.Н.Зимин, В.Н.Кожин, А.Ф.Писарев, Н.В.Тингаев, В.В.Трофимов (RU). - Заявка №2003123875/28; Заявлено 30.07.2003; Опубл. 27.04.2005, Бюл. №12).

К недостаткам описанного расходомера жидких сред в открытых водоемах относится низкая точность измерения расхода воды в каналах, связанная как с большой ошибкой в измерении глубины водоема, так и скорости истечения жидкости.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - получение достоверных сведений о производительности водоемов-каналов, ненапорных трубопроводов большого сечения и сточных лотков.

Технический результат - повышение точности измерений и снижение затрат труда и времени на постановку и выполнение опытов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном расходомере жидких сред в открытых водоемах, содержащем блок измерения уровня жидкости в виде поворотного рычага, поплавка и чувствительного элемента для регистрации положения поплавка, блок измерения средней скорости потока жидкости в виде погруженной в жидкость лопасти с чувствительным элементом и электронный блок приема и обработки сигналов чувствительных элементов, согласно изобретению, он снабжен механизмом дистанционного управления положением расходомера по ширине водоема, выполненным в виде каретки, установленной с возможностью перемещения посредством соответствующего механизма вдоль штанги, концы которой зафиксированы в стойках, установленных на бермах открытого водоема, блок измерения уровня жидкости и блок измерения средней скорости потока смонтированы на каретке, при этом блок измерения уровня жидкости выполнен в виде объемного четырехзвенного параллелограммного механизма с базовым звеном, образованным параллельными ребрами жесткости на плите каретки, передние концы которых смонтированы на осях, размещенных в отверстиях указанных ребер жесткости, а также двумя парами тяг, полой втулки с цапфами на задних концах тяг, поплавка, размещенного в нижней части полой втулки, и чувствительного элемента в виде линейного реохорда, установленного по диагонали параллелограммного механизма, блок измерения средней скорости потока жидкости содержит вертикальные и горизонтальные лопасти, в точке пересечения которых и с равным удалением от нее вдоль лопастей размещены чувствительные элементы, выполненные в виде мембраны, с площадью мембраны не менее 100 мм², сопряженные с тензорезисторными датчиками, лопасть блока измерения средней скорости потока жидкости смонтирована в полой втулке параллелограммного механизма; штанга сварной конструкции выполнена в виде пары профилей или круглого, или квадратного, или прямоугольного сечений и перемычек в виде пластин между ними; каждая стойка снабжена парой втулок с цанговыми захватами для фиксации конца штанги и цапфой с резьбовым хвостовиком в верхней части стойки; механизм перемещения каретки вдоль штанги выполнен в виде двух шкивов, размещенных с возможностью свободного вращения на цапфах стоек, и каната, концы которого посредством средств натяжения размещены на каретке, а ветви каната многократно охватывают шкивы; по крайней мере один шкив имеет ручку для вращения шкива на цапфе стойки; каждое средство натяжения каната выполнено в виде резьбовой втулки, установленного в ней полого болта с конической полостью в головке и усеченного конуса на конце каната, при этом резьбовая втулка установлена на ребре жесткости каретки; каретка образована плитой с ребрами жесткости на одной стороне и опорными роликами на другой стороне, установленными с охватом поверхности штанг; поплавок либо в виде полого тора, либо в форме полой шайбы смонтирован соосно полой втулке четырехзвенного параллелограммного механизма посредством резьбовой муфты и контргайки на резьбовом участке упомянутой втулки; лопасть блока измерения средней скорости потока жидкости смонтирована в полой втулке параллелограммного механизма посредством штанги и зафиксирована быстросъемным пальцем.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показан расходомер жидких сред в открытых водоемах, вид в плане.

На фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, продольно-вертикальный разрез расходомера жидких сред в открытых водоемах.

На фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1, поперечно-вертикальный разрез блока измерения средней скорости потока жидкости.

На фиг.4 - сечение В-В на фиг.1, поперечно-вертикальный разрез левой стойки механизма дистанционного управления по положению расходомера по ширине водоема.

На фиг.5 - сечение Г-Г на фиг.1, продольно-вертикальный разрез каретки и штанги механизма дистанционного управления.

На фиг.6 - сечение Д-Д на фиг.3, продольно-вертикальный разрез чувствительного элемента для регистрации средней скорости потока жидкости.

На фиг.7 - сечение Е-Е на фиг.1, поперечно-вертикальный разрез средств натяжения концов ветвей каната механизма дистанционного управления положения расходомера.

Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленного изобретения, заключаются в следующем.

Расходомер жидких сред в открытых водоемах (см. фиг.1 и 2) содержит блок 1 измерения уровня жидкости в виде поворотного рычага, поплавка 2, чувствительного элемента 3 для регистрации положения поплавка 2 относительно донной части водоема, блок 4 измерения средней скорости потока жидкости в виде погруженной в жидкость лопасти 5 с чувствительным элементом 6 и электронный блок приема и обработки электрических сигналов чувствительных элементов.

Расходомер жидких сред в открытых водоемах (см. фиг.1, 2, 4, 5 и 7) снабжен механизмом 7 дистанционного управления положением расходомера по ширине водоема 8. Механизм 7 дистанционного управления положением расходомера в виде блоков 1 и 4 выполнен в виде каретки 9 (фиг.1, 2 и 5), штанги 10, стоек 11 и 12, механизма 13 перемещения каретки 9 вдоль штанги 10.

Каретка 9 установлена с возможностью перемещения посредством соответствующего механизма вдоль штанги 10. Штанга 10 сварной конструкции размещена на стойках 11 и 12 с возможностью демонтажа и фиксации в рабочем положении. Стойки 11 и 12 установлены вертикально на бермах 14 и 15 открытого водоема 8 (см. фиг.1 и 2).

На каретке 9 с возможностью демонтажа смонтированы блок 1 измерения уровня жидкости и блок 4 измерения скорости потока жидкости. Каретка 9 образована плитой 16 с ребрами жесткости 17 на одной стороне и на другой стороне - опорными роликами 18. Опорные ролики 18 парами размещены с охватом верхней и нижней поверхностей штанги 10.

Штанга 10 (см. фиг.1, 2 и 5) выполнена в виде пары профилей или круглого, или квадратного, или прямоугольного сечений и перемычек 19 в виде пластин между ними. Штанга 10 является базовым элементом, и к ее конструкции предъявлены высокие требования по материалоемкости, плоскостности, параллельности положения профилей и к геометрической форме сечения.

Каждая стойка 11(12) (фиг.2 и 4) в виде полой трубы снабжена парой втулок 20 и 21 для фиксации свободных концов 24 и 25 штанги 10. На верхнем конце стойки 11(12) смонтирована цапфа 26 с резьбовым хвостовиком 27 в верхней части. В цапфе 26 выполнены осевые и радиальные каналы для подачи консистентной смазки через пресс-масленку 28.

Механизм 13 перемещения каретки 9 вдоль штанги 10 (см. фиг.1, 2, 4, 5 и 7) выполнен в виде двух шкивов 29 и 30, связанных канатом 31 с кареткой 9. Шкивы 29 и 30 размещены с возможностью свободного вращения на цапфах 26 стоек 11 и 12. В ступице каждого шкива 29 (30) запрессован подшипник скольжения 32 (фиг.4). Ветви каната 31 многократно охватывают шкивы 29 и 30. Концы 33 и 34 каната 31 посредством средств натяжения размещены на каретке 9 (фиг.7).

Для управления положением каретки 9 на штанге 10 по крайней мере один шкив 29 имеет ручку 35 для вращения шкива 29, а через канат 31 и шкива 30, размещенных на цапфах 26 стоек 11 и 12.

Каждое средство натяжения каната 31 (см. фиг.7) выполнено в виде резьбовой втулки 36. Втулка 36 сварными швами зафиксирована на наклонном ребре 37 жесткости (см. фиг.5, 7 и 2). В резьбовой втулке 36 установлен полый болт 38 с конической полостью 39 в головке 40. В конической полости 39 болта 38 установлены конец 34 каната 31 с усеченным конусом 41. Усеченный конус 41 охватом установлен на конце 31 каната и на нем зафиксирован либо пайкой, либо обжимом, либо склеиванием с образованием неразъемного соединения. Осевые смещения шкивов 29, 30 на цапфах 26 стоек 11 и 12 ограничены шайбами 42 и средствами крепления 43 (фиг.4).

Каждому опорному ролику 18 придана форма поверхности профилей штанги 10. Опорный ролик 18 посредством подшипника 44 качения разовой смазки установлен на оси 45. Ось 45 с подшипником 44 посредством средств 46 крепления и дистанционной втулки 47 установлены на плите 16 каретки 9 механизма 7. Описанная конструкция каретки 9 обеспечивает ее перемещение вдоль штанги 10. Размещенный на механизме 7 дистанционного управления положением расходомера по ширине водоема 8 блок 1 измерения уровня жидкости выполнен в виде объемного четырехзвенного параллелограммного механизма (см. фиг.1, 2, 3 и 5). Базовое звено указанного механизма образовано параллельными ребрами 17 жесткости на плите 16 каретки 9. В отверстиях ребер 17 жесткости размещены оси 48. На осях 48 через дистанционную втулку и шарнир чувствительного элемента 3 размещены передние концы двух пар тяг 49. Задние концы тяг 49 посредством цапф 50 смонтированы на полой втулке 51. Поплавок 2 размещен в нижней части полой втулки 51.

Поплавок 2 (см. фиг.2 и 3) либо в форме полого тора, либо в форме полой плоской шайбы смонтирован соосно полой втулке 51 четырехзвенного параллелограммного механизма посредством резьбовой муфты 52 и контргайки 53 на резьбовом участке упомянутой втулки 51.

Чувствительный элемент 3 (см. фиг.1 и 2) в виде линейного реохорда установлен по диагонали четырехзвенного параллелограммного механизма. Один из шарниров элемента 3 установлен на оси 48 каретки 9, а другой его шарнир смонтирован на нижней цапфе 50 полой втулки 51 (см. фиг.3).

Блок 4 измерения средней скорости потока жидкости содержит вертикальные и горизонтальные лопасти 5 (фиг.3). Чувствительные элементы 6 размещены в точке пересечения лопастей 5 и с равным удалением от нее вдоль вертикальных и горизонтальных лопастей 5.

Фронтальной части каждой лопасти 5 придана заостренная форма с режущей кромкой 54 для разделения потоков жидкости (фиг.6). Вертикальная лопасть 5 блока 4 измерения средней скорости потока жидкости посредством штанги 55 смонтирована в полой втулке 51 (фиг.3) параллелограммного механизма и зафиксирована быстросъемным пальцем 56. На штанге 56 выполнена группа отверстий под диаметр пальца 56 для изменения положения блока 4 относительно поплавка 2.

Между частями лопасти 5 сварными швами закреплены втулки 57 с коническими внутренними поверхностями (фиг.6). Во втулке 57 установлен корпус 58 чувствительного элемента 6 блока 4 измерения скорости потока жидкости. Корпусу 58 придана форма полого усеченного конуса. Большим основанием конуса корпус 58 обращен против движения потока жидкости. На утолщенной части большого основания конуса на фронтальной части выполнена кольцевая канавка 59 для размещения уплотнительного кольца 60. На цилиндрической части утолщения корпуса 58 выполнена резьба 61 с мелким шагом для размещения крышки 62 в виде кольца. В крышке 62 выполнена канавка 63 для установки уплотнительного кольца 64. Диаметры уплотнительных колец 60 и 64 выполнены одинаковыми. Между кольцами 60 и 64 установлена мембрана 65. Мембрана 65 может быть выполнена как из тонкого углеродистого металлического листа, так из полиэтилена высокого давления или из пластических масс. Рабочая поверхность мембраны 65 выполнена с площадью 100 мм² для упрощения всех расчетов и калибровки чувствительного элемента 6. Резьбовой крышкой 62 мембрана 65 зафиксирована между кольцами 60 и 64 на фронтальной части корпуса 58.

На малом основании конуса в полости корпуса 58 в кольцевой канавке 66 размещено уплотнительное кольцо 67 для исключения попадания жидкости в полость корпуса 58. На цилиндрической части 68 корпуса 58 выполнена резьба для навинчивания фасонной гайки 69. Фасонной гайкой 69 корпус 58 зафиксирован во втулке 57 между лопастями 5.

В цилиндрической части 68 корпуса 58 выполнены ступенчатые соосные цилиндрические отверстия для размещения чувствительного элемента 6 и гайки 70 для его фиксации на резьбовом хвостовике 71.

Чувствительный элемент 6 выполнен в виде стержня из закаленной углеродистой стали. Закругленная часть 72 стержня элемента 6 сопряжена с мембраной 65. На утонченной части 73 стержня наклеены тензорезисторные датчики 74 сопротивления. Токопроводящие концы датчиков 74 пропущены через радиальные и осевые каналы 75 в стержне чувствительного элемента 6.

Электронный блок приема и обработки электрических сигналов включает блок усиления электрических сигналов с девятью чувствительными датчиками 6, блок регистрации десяти электрических сигналов с чувствительных датчиков 6 и 3 и отметчик времени через каждые 0,01 с и 0,1 с, блок питания напряжением 6 и 9 В, процессор для обработки цифровых данных с получением средних величин, ошибок измерений, точности, доверительного интервала, выбраковки случайных величин.

Расходомер жидких сред в открытых водоемах функционирует следующим образом.

С незначительным удалением от берм 14 и 15 водоема 8 устанавливают стойки 11 и 12. Штангу 10 устанавливают по уровню. Концы 24 и 25 профилей штанги 10 цанговыми захватами 22 фиксируют во втулках 20 и 21 на стойках 11 и 12. На шкивы 29 и 30 наматывают ветви каната 31. Концы 33 и 34 каната 31 вместе болтами 38 устанавливают в резьбовые втулки 36. Вывинчиванием болтов 38 из резьбовых втулок 36 производят натяжение ветвей каната 31. Вращением шкива 30 посредством ручки 35 механизма 15 проверяют перемещение каретки 9 механизма 7 вдоль штанги 10.

Далее поплавок 2 опускают на поверхность водоема 8. За счет продольных тяг 49 объемного четырехзвенного параллелограммного механизма блок 1 измерения уровня жидкости вступает в работу. Чувствительный элемент 3 в виде линейного реохорда, установленный по диагонали параллелограмма, прямо пропорционально изменяет величину вертикального перемещения поплавка 2 по отношению к донной части водоема 8.

Пропускная способность водоема 8 определяется расчетом по формуле

где F_K - поперечное сечение канала, м²;

V - средняя скорость течения потока жидкости, м/с.

Площадь сечения канала определяется следующим образом:

где b_cp - средняя ширина водоема, м;

H_b - уровень воды в канале, м.

Уровень воды в канале определяют расчетом по формуле:

где Н - высота размещения верхней оси 48 от донной части водоема, м;

H₁ - отметка размещения поплавка 2 от верхней оси 48 четырехзвенного параллелограммного механизма, м.

Таким образом чувствительным элементом 3 определяется величина отметки H₁:

где k₁ - коэффициент пропорциональности;

h - отметка отклонения луча осциллографа на осциллограмме, фиксирующего положение поплавка 2 на поверхности водоема 8.

Средняя скорость течения потока жидкости в водоеме определяется по формуле:

где k₂ - коэффициент пропорциональности;

P_ср - среднее усилие давления мембраны 65 на чувствительный элемент 6.

Перед началом проведения исследований чувствительные элементы 6 подвергают статической и динамической калибровке. Электрические сигналы с чувствительных элементов 3 и 6 обрабатывались на ЭВМ по соответствующей программе.

Таким образом, заявленный расходомер обеспечивает достижение указанного выше технического результата.

Изобретение предназначено для измерения объемного расхода жидкости в каналах, ненапорных трубопроводах большого сечения и сточных лотках. На каретке 9 механизма дистанционного управления положением расходомера по ширине водоема, установленной с возможностью перемещения вдоль штанги 10, смонтированы блок 1 измерения уровня и блок 4 измерения средней скорости потока жидкости. Блок 1 выполнен в виде объемного четырехзвенного параллелограммного механизма, поплавка 2 и чувствительного элемента 3 в виде линейного реохорда. Блок 4 содержит вертикальные и горизонтальные лопасти 5, в точке пересечения которых размещены чувствительные элементы 6 в виде мембран, сопряженных с тензорезисторными датчиками. Лопасть 5 смонтирована в полой втулке 51 параллелограммного механизма, в нижней части которой размещен поплавок 2. Чувствительные элементы связаны с электронным блоком приема и обработки электрических сигналов. Изобретение повышает точность измерений и снижает их трудоемкость. 8 з.п. ф-ы. 7 ил.

1. Расходомер жидких сред в открытых водоемах, содержащий блок измерения уровня жидкости в виде поворотного рычага, чувствительного элемента для регистрации положения поплавка, блок измерения средней скорости потока жидкости в виде погруженной в жидкость лопасти с чувствительным элементом и электронный блок приема и обработки сигналов чувствительных элементов, отличающийся тем, что он снабжен механизмом дистанционного управления положением расходомера по ширине водоема, выполненным в виде каретки, установленной с возможностью перемещения посредством соответствующего механизма вдоль штанги, концы которой зафиксированы в стойках, установленных на бермах открытого водоема, блок измерения уровня жидкости и блок измерения средней скорости потока смонтированы на каретке, при этом блок измерения уровня жидкости выполнен в виде объемного четырехзвенного параллелограммного механизма с образованным параллельными ребрами жесткости на плите каретки базовым звеном, двумя парами тяг, передние концы которых смонтированы на осях, размещенных в отверстиях указанных ребер жесткости, а также полой втулки с цапфами на задних концах тяг, поплавка, размещенного в нижней части полой втулки, и чувствительного элемента в виде линейного реохорда, установленного по диагонали параллелограммного механизма, блок измерения средней скорости потока жидкости содержит вертикальные и горизонтальные лопасти, в точке пересечения которых и с удалением от нее вдоль лопастей, размещены чувствительные элементы, выполненные в виде мембран, с площадью мембраны не менее 100 мм², сопряженных с тензорезисторными датчиками, лопасть блока измерения средней скорости потока жидкости смонтирована в полой втулке параллелограммного механизма.

2. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что штанга сварной конструкции выполнена в виде пары профилей или круглого, или квадратного, или прямоугольного сечения и перемычек в виде пластин между ними.

3. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что каждая стойка снабжена парой втулок с цанговыми захватами для фиксации конца штанги и цапфой с резьбовым хвостовиком в верхней части стойки.

4. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что механизм перемещения каретки вдоль штанги выполнен в виде двух шкивов, размещенных с возможностью свободного вращения на цапфах стоек, и каната, концы которого посредством средств натяжения размещены на каретке, а ветви каната многократно охватывают шкивы.

5. Расходомер по п.4, отличающийся тем, что по крайней мере один шкив имеет ручку для вращения шкива на цапфе стойки.

6. Расходомер по п.4, отличающийся тем, что каждое средство натяжения каната выполнено в виде резьбовой втулки, установленного в ней полого болта с конической полостью в головке и усеченного конуса на конце каната, при этом резьбовая втулка установлена на ребре жесткости каретки.

7. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что каретка образована плитой с ребрами жесткости на одной стороне и опорными роликами на другой стороне, установленными с охватом поверхности штанги.

8. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что поплавок либо в форме полого тора, либо в форме полой шайбы смонтирован соосно полой втулке четырехзвенного параллелограммного механизма посредством резьбовой муфты и контргайки на резьбовом участке упомянутой втулки.

9. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что лопасть блока измерения средней скорости потока жидкости смонтирована в полой втулке параллелограммного механизма посредством штанги и зафиксирована быстросъемным пальцем.