ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2014 года по МПК G01L19/00 

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, а именно к определению гидростатического давления жидкости в грунтовых массивах.

Известно устройство для определения гидростатического давления жидкости в грунтовых массивах, представленное электрическим датчиком давления жидкости [1], например пьезодинамометром, который оснащен приемником давления жидкости, чувствительным элементом, преобразующим давление в электрический сигнал, и электрическим кабелем питания.

Закладные электрические датчики давления жидкости в период эксплуатации не могут быть извлечены из грунтового массива для выполнения их поверки и калибровки и не могут быть заменены. В результате этого при изменении метрологических характеристик их чувствительных элементов точность измерений с течением времени снижается. Существенным недостатком применения электрических датчиков давления является и то, что в точках сооружений и основания, куда доступ с помощью буровых скважин затруднен или невозможен, после поломки электрических датчиков полностью утрачивается возможность контроля гидростатического давления жидкости.

Известны устройства для определения уровня жидкости в емкостях, в водоемах и в наблюдательных скважинах, представленные барботажными уровнемерами различных модификаций [2, 3, 4], которые в качестве основных элементов включают барботажную трубку, погруженную в жидкость, источник сжатого воздуха, пневматическую линию подачи сжатого воздуха от источника сжатого воздуха на вход в барботажную трубку и электрический датчик давления или манометр, подключенный к пневматической линии.

При наблюдениях гидростатического давления жидкости в грунтовых массивах барботажные устройства (уровнемеры) могут найти весьма ограниченное применение, а именно только в грунтах, не затрудняющих отвод газа из барботажных трубок в атмосферу. Но и при таком ограниченном их использовании существенный недостаток этого применения будет заключаться в высокой стоимости обустройства сооружения барботажными уровнемерами и большой трудоемкости проведения наблюдений.

К заявляемому изобретению наиболее близок по его назначению первый рассмотренный аналог - электрический датчик давления жидкости.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении достоверности результатов наблюдений за гидростатическим давлением жидкости в тех точках грунтового массива, куда доступ с помощью буровых скважин затруднен или невозможен.

Достигаемый при этом технический результат заключается в обеспечении возможности выполнения периодических поверок и калибровок электрического оснащения датчика давления жидкости, а также в обеспечении возможности проведения наблюдений и после отказа его электрического оснащения.

Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что датчик давления жидкости, оснащенный приемником давления, чувствительным элементом, преобразующим давление в электрический сигнал, и кабелем питания, согласно изобретению снабжен полым приемником давления и сообщающейся с ним пневматической линией подачи сжатого газа, которая на входе оснащена соединением для подключения образцового измерителя давления газа и источника сжатого газа.

Дополнительно:

- приемник давления оснащен сигнализатором уровня жидкости в его полости;

- элемент датчика, передающий давление на его чувствительный элемент, снабжен камерой гидравлического затвора;

- приемник давления и/или пневматическая линия оснащены датчиками температуры;

- в качестве линии подачи сжатого газа используется полость внутри кабеля его питания;

- приемник давления удлинен барботажной трубкой;

- объем полости приемника давления удовлетворяет условию:

$$V_{пр}\ge V_{лин}\times \left(\frac{P_{макс}}{P_{мин}}-1\right)$$ ,

где V_пр - объем полости приемника давления;

V_лин - объем полости пневматической линии;

Р_макс, Р_мин - максимальный и минимальный пределы диапазона определений давления жидкости путем измерения давления сжатого газа в пневматической линии, перекрытой на входе после вытеснения из нее жидкости до уровня установки сигнализатора уровня жидкости. Именно оснащение датчика давления жидкости полым приемником давления и сообщающейся с ним пневматической линией подачи сжатого газа, которая на входе оснащена соединением для подключения образцового измерителя давления газа и источника сжатого газа, обеспечивает решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата.

Изобретение поясняется чертежом на фиг.1, на котором представлен датчик давления жидкости, установленный в основании плотины. Фрагменты плотины на чертеже изображены схематично.

Датчик давления жидкости 1, установленный при строительстве плотины в ее основании 2 под противофильтрационным экраном 3, т.е. в месте, куда в период эксплуатации плотины доступ с помощью буровых скважин уже невозможен, оснащен приемником давления 4, удлиненным барботажной трубкой 5, перфорированной в нижней ее части 6, и подключенными к приемнику давления 4 электрическим датчиком давления жидкости 7 с чувствительным элементом 8, преобразующим давление в электрический сигнал, и сигнализатором уровня жидкости 9, например наиболее долговечным контактным сигнализатором, срабатывающим при замыкании водой его оголенных электрических контактов.

Дополнительно к этому датчик давления 1 снабжен кабелем питания 10 электрического датчика давления 7, кабелем питания 11 сигнализатора уровня жидкости 9 и пневматической линией 12 подачи сжатого газа, сообщающейся с полостью его приемника давления 4.

Кабели питания 10 и 11 выведены из грунтового массива на пульт управления (не показан).

Пневматическая линия 12 на входе (за пределами грунтового массива) оснащена запорной арматурой (задвижки 13 и 14), соединением 15 для подключения источника сжатого газа 16 (компрессора или баллона со сжатым газом) и соединением 17 для подключения образцового измерителя давления газа 18 (образцового манометра или высокоточного датчика давления).

Для контроля температуры сжатого газа с заданным шагом по длине к пневматической линии 12 подключены датчики температуры (не показаны).

На чертежах обозначены и другие элементы датчика давления жидкости 1 и среды, а именно:

19 - камера гидравлического затвора, предотвращающего поступление газа к электрическому датчику давления 7;

20 - уровень воды в полости приемника давления 4 перед поверкой и/или калибровкой электрического датчика давления 7;

21 - поверхность депрессии фильтрационного потока в низовом клине плотины;

22 - берма на низовом откосе плотины.

Датчик давления жидкости 1 работает следующим образом.

После ввода плотины в эксплуатацию, подъема уровня воды в грунтовом массиве выше отметки установки датчика давления жидкости 1 и заполнения водой полости приемника давления жидкости 4 в межповерочные и межкалибровочные интервалы времени гидростатическое давление воды в точке установки перфорированного приемника жидкости 6 определяется с использованием электрического датчика давления 7.

Измерения преимущественно выполняются при открытых задвижках 13 и 14 и отсоединенном источнике сжатого газа 16, т.е. при атмосферном давлении в пневматической линии 12. При необходимости ограничения заполнения пневматической линии 12 водой, например при наблюдениях за подмерзлотными напорными грунтовыми водами, в пневматической линии 12 может быть создано избыточное давление сжатого газа, поддерживающее ее промерзающую часть в осушенном состоянии и снижающее испарение воды в ней. В этом случае после создания в пневматической линии 12 избыточного давления сжатого газа измерения электрическим датчиком давления 7 выполняются при закрытой задвижке 14.

В обоих рассмотренных случаях полное гидростатическое давление воды Р_ж,i в точке установки перфорированного приемника жидкости 6 вычисляется по формуле:

Р_ж,i=P_ж.пр,i+ρ_ж,i×h,

где P_ж.пр,i - полное гидростатическое давление воды в полости приемника давления 4, измеренное электрическим датчиком давления 7, кг/м²;

ρ_ж,i - плотность воды в приемнике давления 4 при ее фактической температуре, кг/м³;

h - высота возвышения электрического датчика давления 7 над перфорированным приемником жидкости 6 барботажной трубки 5, м.

Поверка и/или калибровка электрического датчика давления 7 выполняется периодически, в назначенные сроки, без его извлечения из грунтового массива.

Для проведения поверки и/или калибровки электрического датчика давления 7 после подключения к пневматической линии 12 источника сжатого газа 16 проводится вытеснение сжатым газом воды из полости приемника давления 4 до момента поступления сигнала от сигнализатора уровня 9. Затем в процессе ступенчатого повышения давления в пневматической линии 12 каждый раз при прекращении подачи сжатого газа выполняются измерения гидростатического давления воды в камере гидравлического затвора 19 и одновременно давления сжатого газа в начале пневматической линии 12. В случае наличия препятствий к выпуску газа в поры грунта, например, при размещении барботажной трубки 5 в слабоводопроницаемых грунтах основания 2, повышение давления сжатого газа прекращается до момента вытеснения всей воды из барботажной трубки 5.

В процессе ступенчатого повышения давления сжатого газа гидростатическое давление воды в камере гидравлического затвора 19 измеряется электрическим датчиком давления 7, подлежащим поверке и/или калибровке, контроль давления сжатого газа в начале пневматической линии 12 осуществляется с помощью образцового измерителя давления газа 18.

Ряд погрешностей δ_i электрического датчика давления 7 в пределах диапазона измеренных им давлений, исходя из равенства полных давлений двух сред у границы их раздела, вычисляется по формуле:

δ_I=(P_г,i+ρ_г,i×h_г)-(P_ж,i-ρ_ж×h_ж),

где Р_г,i - полное давление газа в начале пневматической линии 12 в точке подключения образцового измерителя давления газа 18, кг/м²;

ρ_г,i -расчетная плотность сжатого газа в пневматической линии 12 при давлении P_г,i в ее начале и фактической температуре сжатого газа, кг/м³;

h_г - высота возвышения образцового измерителя давления газа 18 над уровнем воды в камере гидравлического затвора 19, м;

Р_ж,i - измеренное электрическим датчиком давления 7 полное гидростатическое давление воды в камере гидравлического затвора 19, кг/м;

ρ_ж - расчетная плотность воды в камере гидравлического затвора 19 при ее фактической температуре, кг/м;

h_ж - высота возвышения уровня воды в камере гидравлического затвора 19 над электрическим датчиком давления 7, м.

После вычисления ряда погрешностей δ_i определяются поправки выходных сигналов электрического датчика давления 7, необходимые для получения правильных результатов измерений.

В случае непригодности электрического датчика давления 7 к дальнейшей эксплуатации далее периодические наблюдения проводятся с использованием образцового измерителя давления газа 18. При этом для сокращения времени на вытеснение воды из пневматической линии 12 и из приемника давления 4 в них при закрытой задвижке 14 сохраняется избыточное давления сжатого газа, поддерживающее приемник давления 4 близко к полупустому состоянию.

При высоком уровне воды в приемнике давления 4 непосредственно перед контрольным измерением давления сжатого газа в пневматической линии 12 выполняется вытеснение воды из приемника давления 4 до уровня установки сигнализатора уровня жидкости 9. При низком уровне воды в приемнике давления 4 перед контрольным измерением давления сжатого газа в пневматической линии 12 выполняется снижение давления сжатого газа до момента заполнения приемника давления 4 водой до уровня установки сигнализатора уровня жидкости 9.

При контрольном измерении давления сжатого газа полное гидростатическое давление воды Р_ж,i в точке установки перфорированного приемника жидкости 6 вычисляется по формуле:

P_ж,i=P_г,i+ρ_г,i×h_г+ρ_ж,i×h,

где P_г,i - полное давление газа в начале пневматической линии 12 в точке подключения образцового измерителя давления газа 18, кг/м;

ρ_г,i - расчетная плотность сжатого газа в пневматической линии 12 при давлении P_г,i и фактической температуре сжатого газа, кг/м³;

h_г -высота возвышения образцового измерителя давления газа 18 над сигнализатором уровня жидкости 9, м;

ρ_ж,i - плотность воды в приемнике давления 4 при ее фактической температуре, кг/м³;

h - высота возвышения сигнализатора уровня жидкости 9 над перфорированным приемником жидкости 6, м.

Имея результаты контрольного измерения давления сжатого газа и определения гидростатического давления воды при ее уровне в приемнике давления 4, равном уровню установки сигнализатора уровня жидкости 9, дальнейшие определения гидростатического давления воды некоторое время могут проводиться без дополнительной подачи сжатого газа в приемник давления 4 и без выпуска сжатого газа из него.

При расположении сигнализатора уровня жидкости 9 по центру приемника давления 4 допускаемый диапазон определений давления воды без дополнительной подачи сжатого газа в приемник давления 4 и без выпуска сжатого газа из него для используемого в данном конкретном случае датчика давления 1 может быть определен из следующих зависимостей:

$$P_{ж,i}=\frac{P_{макс}+P_{мин}}{2}$$

$$\frac{P_{макс}}{P_{мин}}=\frac{V_{пр}+V_{лин}}{V_{лин}}$$ ,

где Р_ж,i - гидростатическое давление воды в точке установки перфорированного приемника жидкости 6 при контрольном его определении;

Р_макс, Р_мин - максимальный и минимальный пределы диапазона определений давления воды путем измерения давления сжатого газа в пневматической линии 12, перекрытой на входе после вытеснения из нее воды до уровня установки сигнализатора уровня жидкости 9;

V_пр - объем полости приемника давления 4;

V_лин - объем полости пневматической линии 12.

Гидростатическое давление воды Р_ж,i в допускаемом диапазоне определений давления путем измерения давления сжатого газа в пневматической линии 12, перекрытой на входе после вытеснения из нее воды до уровня установки сигнализатора уровня жидкости 9, может быть вычислено по формуле:

Р_ж,i=P_г,i+ρ_г,i×h_г,i+ρ_ж,i×h_i,

где P_г,i - полное давление газа в начале пневматической линии 12, кг/м²;

ρ_г,i -расчетная плотность сжатого газа в пневматической линии 12 при давлении P_г,i и его фактической температуре, кг/м³;

$$h_{г,i}=\frac{P_{г,i}}{P_{г,кон}}\times \frac{{\rho }_{г,кон}}{{\rho }_{г,i}}\times h_{г,кон}$$ - высота возвышения образцового измерителя давления газа 18 над уровнем воды в приемнике давления 4, м;

Р_г,кон - полное давление газа в начале пневматической линии 12 при контрольном измерении давления после вытеснения из нее воды до уровня установки сигнализатора уровня жидкости 9, кг/м²;

ρ_г,кон - расчетная плотность сжатого газа в пневматической линии 12 при давлении Р_г,кон и его фактической температуре, кг/м³;

h_г,кон - высота возвышения образцового измерителя давления газа 18 над сигнализатором уровня жидкости 9, м;

ρ_ж,i - плотность воды в приемнике давления 4 при ее фактической температуре, кг/м³;

h_i=h_г,кон+h-h_г,i - высота возвышения уровня воды в приемнике давления 4 над перфорированным приемником жидкости 6, м;

h - высота возвышения сигнализатора уровня жидкости 9 над перфорированным приемником жидкости 6, м.

Настоящее изобретение не ограничивается представленным примером, в котором описана одна из возможных комплектаций датчика давления жидкости 1. В конструкцию датчика давления жидкости 1 могут быть внесены различные модификации и изменения без отхода от объема изобретения, например:

- в приемнике давления и в барботажной трубке могут быть установлены дополнительные сигнализаторы уровня жидкости, что позволит упростить подготовку датчика к поверке и калибровке его электрического оснащения;

- размер датчика может быть существенно уменьшен при установке в одном корпусе чувствительного элемента для измерения давления жидкости, чувствительного элемента для измерения температуры и сигнализатора уровня жидкости;

- использование в конструкции датчика универсального элемента, передающего давление на чувствительный элемент, например мембраны, обеспечивающей передачу давления и жидкостей, и газов, позволит отказаться от оснащения датчика камерой гидравлического затвора;

- в случае отсутствия препятствий для выпуска газа из приемника давления в поры грунта размер датчика может быть дополнительно уменьшен за счет отказа от установки сигнализатора уровня жидкости, уменьшения объема полого приемника давления и сокращения длины барботажной трубки или полного отказа от нее;

- в качестве образцового измерителя давления может быть использован дистанционный электрический датчик давления газа, способный в случае поломки электрического оснащения датчика давления жидкости обеспечить некоторую автоматизацию наблюдений;

- в качестве линии подачи сжатого газа может использоваться полость внутри кабеля питания датчика.

Конструкция описанного в заявляемом изобретении датчика давления жидкости является достаточно надежной и не менее удобной в эксплуатации, чем у обычного дистанционного электрического датчика давления. При этом более высокие затраты на его изготовление окупаются за счет увеличения срока его гарантированной службы.

Использованные источники

1. Контрольно-измерительные системы и аппаратура гидротехнических сооружений ГЭС. Условия создания. Нормы и требования. ОАО РАО «ЕЭС России». 2008 (СТО 17330282.27.140.004-2008).

2. Патент Российской Федерации на полезную модель №121925, кл. G01F 23/16, опубл. 10.11.2012.

3. Модуль гидростатического давления МГД-1Б. Техническое описание. ООО «МИКРОТЕРМ»,

4. Патент Российской Федерации №2124702, кл. G01F 23/16, опубл. 10.01.1999.

Обозначения

1 - датчик давления жидкости

2 - основание плотины

3 - противофильтрационный экран плотины

4 - приемник давления

5 - барботажная трубка

6 - перфорированный приемник жидкости

7 - электрический датчик давления жидкости

8 - чувствительный элемент (датчика давления 7)

9 - сигнализатор уровня жидкости

10 - кабель питания электрического датчика давления

11 - кабель питания сигнализатора уровня жидкости

12 - пневматическая линия

13 - задвижка

14 - задвижка

15 - соединение

16 - источник сжатого газа

17 - соединение

18 - образцовый измеритель давления газа

19 - камера гидравлического затвора, предотвращающего поступление газа к электрическому датчику давления 7

20 - уровень жидкости в полости приемника давления 4 перед поверкой и/или калибровкой электрического датчика давления 7;

21 - поверхность депрессии фильтрационного потока в низовом клине плотины;

22 - берма на низовом откосе плотины.

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при наблюдениях за гидростатическим давлением жидкости в порах грунта в точках сооружений и основания. Датчик давления жидкости содержит чувствительный элемент, преобразующий давление в электрический сигнал, кабель питания, полый приемник давления и сообщающуюся с приемником давления пневматическую линию подачи сжатого газа, которая на входе оснащена запорной арматурой и соединениями для подключения образцового измерителя давления газа и источника сжатого газа. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и расширение функциональных возможностей устройства. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Датчик давления жидкости, оснащенный приемником давления, чувствительным элементом, преобразующим давление в электрический сигнал, и кабелем питания, отличающийся тем, что он снабжен полым приемником давления и сообщающейся с ним пневматической линией подачи сжатого газа, которая на входе оснащена соединением для подключения образцового измерителя давления газа и источника сжатого газа.

2. Датчик давления жидкости по п.1, отличающийся тем, что приемник давления оснащен сигнализатором уровня жидкости в его полости.

3. Датчик давления жидкости по п.1, отличающийся тем, что элемент датчика, передающий давление на его чувствительный элемент, снабжен камерой гидравлического затвора.

4. Датчик давления жидкости по п.1, отличающийся тем, что приемник давления и/или пневматическая линия оснащены датчиками температуры.

5. Датчик давления жидкости по п.1, отличающийся тем, что в качестве линии подачи сжатого газа используется полость внутри кабеля его питания.

6. Датчик давления жидкости по п.2, отличающийся тем, что приемник давления удлинен барботажной трубкой.

7. Датчик давления жидкости по п.2, отличающийся тем, что объем полости приемника давления удовлетворяет условию:
,
где V_np - объем полости приемника давления;
V_лин - объем полости пневматической линии;
P_макс, P_мин - максимальный и минимальный пределы диапазона определений давления жидкости путем измерения давления сжатого газа в пневматической линии, перекрытой на входе после вытеснения из нее жидкости до уровня установки сигнализатора уровня жидкости.