Устройство для измерения расхода жидкости Советский патент 1993 года по МПК G01F1/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при эксплуатации гидростанций для водно- энергетических расчетов.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет увеличения функциональности вычислительного устройства, конструктивного улучшения датчика открытия направляющего аппарата и применения устройства, позволяющего учитывать напор посредством уровнемеров.

Теоретической основой предлагаемого изобретения является принцип решения математического уравнения, определяющего расход воды. Расходы воды через гидравлическую турбину определяется как расход через затопленное отверстие и равен:

- коэффициент расхода, который зависит от геометрических размеров и конфигурации отверстий, в частности проходов между лопатками направляющего аппарата турбины и. угла разворота лопастей турбины. При регулировании мощности турбины величина меняет свое значение:

о) - площадь отверстия, через которое происходит истечение жидкости, в данном случае эта величина определяется величиной S открытия направляющего аппарата;

Z0 - разность уровней перед отверстием и после него. С учетом скорости подхода воды эта разность будет равна:

& 2g

м,

где Н - разность уровней верхнего и нижнего бьефов с учетом потери напора на сороу- держивающей решетке.

Скорость подхода V0 в верхнем бьефе очень мала и ею можно пренебречь. Таким образом, величина расхода через турбину (при отсутствии деривации) будет:

Q SKV2gH,M3/c, где К - коэффициент пропорциональности. При наличии деривации необходимо учитывать потери напора в напорном туннеел

с

00

о

го

XJ

ел

ле или в турбинном водоводе, Эти потери пропорциональны квадрату расхода через турбину:

, м,

где b - коэффициент пропорциональности. Тогда при наличии водовода расход через турбину равен:

Q- ft SКV2g(H-Ah), м3/с.

Новым признаком предлагаемого объекта является то, что он содержит вычислительные блоки, которые решают данное уравнение. Для каждой турбины на основании натурных испытаний определяется нелинейная зависимость Q fS, которая является физической характеристикой данной турбины. Обычно конфигурации этих кривых идентичны при разных напорах на турбину и отражают изменения коэффициента расхода в зависимости от изменения открытия направляющего аппарата турбины. Открытие направляющего аппарата турбины устройство выявляет посредством измерительного преобразоаателя углового перемещения, кинематически связанного с регулирующим органом турбины через профильный клин. Клин служит не только для выявления открытия направляющего аппарата турбины, но и дает коррекцию на изменение коэффициента расхода при регулировании открытия направляющего аппарата. Это достигается тем. что профиль рабочей поверхности клина выполнен не прямолинейным, а в виде кривой . Длина клина равна или пропорциональна полной длине хода Змакс поршня сервомотора направляющего аппарата турбины. Высота клина соответствует наибольшему открытию направляющего аппарата, пропорциональна наибольшему расходу воды через турбину и является определяющей для максимального угла поворота ротора измерительного преобразователя углового перемещения в электрический сигнал.

Применение устройства, измеряющего напор на турбину (преобразователь перепада давлений), является новым признаком объекта и основано на том, что содержит датчики уровня и схему измерения . Датчик уровня представляет собой рейку, длина которой соответствует диапазону колебаний уровня, с размещенными в ней по всей длине электродами с расчетом, исключающим образование мениска жидкости между ними. Рейка опускается в жидкость вертикально и закрепляется в неподвижном состоянии. При повышении уровня электроды замыкаются жидкостью, при этом замыкается электрическая цепь, состоящая из шин с постоянными напряжением, резисторов и

конденсатора, размещенных в рейке и залитых компаундом. Конденсатор при этом заряжается, пропустив импульс по электрической цепи. При понижении уровня жидкости электроды размыкаются и конденсатор разряжается через резистор. Импульсы заряда-разряда конденсатора преобразуются формирователем импульсов и поступают в логическую схему, Логическая схема, играющая роль схемы измерения, состоит из триггеров и логических элементов, формирующих информацию о повышении или понижении уровня. Импульсы отдатчика уровня верхнего бассейна, возникающие при повышении уровня, поступают на один

общий ввод схемы измерения. На другой общий ввод поступают импульсы от датчиков верхнего и нижнего бассейнов, возникающие при понижении уровня верхнего бассейна и при повышении уровня нижнего

бассейна. Все физические величины, определяющие расход через турбину, выявленные датчиком открытия направляющего аппарата и устройством по определению напора, преобразуются в электрические сигналы, которые поступают на вычислительное устройство, вычисляющее расход и сток воды через турбину (см.а.с.№ 1262992).

На фиг.1 изображена структурная электрическая схема устройства для определения расхода и стока через турбину; на фиг,2 - схема профильного клина и его геометрические параметры в системе координат. Устройство для определения расхода и

стока через турбину (фиг.1) состоит из датчиков 1 уровня, расположенных в верхнем и нижнем бассейнах. Датчики электрически связаны с распределителем импульсов 2 (интегратор), который расположен там же,

где и вычислительное устройство, и представляет из себя реверсивный счетчик импульсов. Интегратор 2 связан- с вычислительным устройством, которое состоит из сумматора 3, масштабного усилите0 ля 4, блока 5 возведения в степень.

Другую электрическую цепь к вычислительному устройству образует датчик б от- .крытия направляющего аппарата, кинематически связанный с сервомотором

5 направляющего аппарата турбины. Электрический сигнал от датчика 6 поступает на масштабный усилитель 7 вычислительного устройства. Сигналы от датчиков уровня и открытия направляющего аппарата, приведенные к общей системе величин, последовательно проходят вычислительные блоки и показывающие приборы: множительный блок 8, блок 9 возведения в степень, масштабный усилитель 10, показывающий интегрирующий прибор 11, представляющий из себя счетчик электрической энергии, прота- рированный в единицах стока, или прибор подобной -конструкции, специально изготовленный для данной цели, показывающий прибор 12, выполненный в виде вольтметра или амперметра, отградуированный в единицах расхода. Датчик открытия направляющего аппарата состоит из преобразователя углового перемещения 13, выполненного с применением, синусно-косинус- ного поворотного трансформатора. Преобразователь 13 посредством рычага 14 связан с профильным клином 15, профиль которого описывается уравнением . Для защиты преобразователя 13 от воздействия сырой среды предусмотрена его установка в сухом помещении. Тросик 16 с блоком 17 связывает преобразователь 13 со штоком 18 сервомотора направляющего аппарата. Кинематическую схему уравновешивает противовес 19.

Устройство для определения расхода и стока воды через гидравлическую турбину работает следующим образом.

Импульсы, исходящие от датчика, при

повышении уровня верхнего бьефа и понижении уровня нижнего бьефа поступают на

один общий вход измерительной схемы - интегратора 2, а импульсы от датчиков уровня 1 верхнего и нижнего бьефов, возникающие при понижении уровня верхнего бьефа и повышении уровня нижнего бьефа, поступают на другой общий вход измерительной схемы, которая для вычисления расхода создает на своем выходе код числа, соответствующий действующему напору, и сообщает вычислительному устройству. Сюда же поступает сигнал от датчика 6. Сумматор 3 от величины напора вычитает поправку на потери напора во входной магистрали. Блок 5 извлекает квадратный корень из полной величины напора, масштабные усилители 4 и 7 приводят сигналы от датчиков 1 и 6 к общей для вычислительного устройства системе величин. Конечные результаты от обработки сигналов от датчиков 1 и 6 поступают на множительный блок 8. По одному из в.ыходов из множительного блока 8 через блок 9 возведения в степень и масштабный усилитель 10 направляется сигнал в сумматор 3, представляющий величину потери напора в деривации для коррекции значения полного напора. Второй выход направлен к прибору 11, интегрирующему расход и показывающему сток через турбину. Третий выход направлен к прибору 12 - индикатору расхода.

Датчик открытия направляющего аппарата работает следующим образом.

5Для изменения .выдаваемой гидроагрегатом мощности меняют открытие направляющего аппарата турбины с помощью сервомотора, шток 18 которого приобретает прямолинейное движение. К штоку 18 при0 креплен тросик 16, который с помощью блока 17 осуществляет дистанционную передачу движения профипьному клину 15, снабженному противовесом 19. Профиль-, ный клин при своем движении разворачива5 ет рычаг 14, который, в свою очередь,

поворачивает поворотный трансформатор

преобразователя 13 углового перемещения.

Предлагаемое устройство может быть

полезным в деле создания единых систем

0 автоматического управления и контроля работы энергетического объединения с входящими в него гидроэлектростанциями. Устройство, принцип действия которого основан на измерении электрических вели5 чин. более точное и надежное, как и электроизмерительные приборы, чем диф- манометрические приборы. При наличии вычислительных машин для решения комплексных задач при автоматическом управле0 нии стоимость предлагаемого уровнемера уменьшится, так как отпадает необходимость в индивидуальном вычислительном устройстве.

5Формула изобретения

Устройство для измерения расхода жидкости, содержащее турбомашину с регулирующим органом, соединенным с преобразователем углового перемещения,

0 входную и выходную магистрали, преобразователь перепада давлений, вычислительное устройство, включающее сумматор и первый блок возведения в степень, и индикатор расхода, отличающееся тем, что,

5 с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей за счет измерения стока жидкости, в него введены профилированный клин, датчик положения регулирующего органа, множительный блок

0 и интегратор, первый, второй и третий масштабные усилители, второй блок возведе- - ния в степень и интегрирующий прибор, турбомашина выполнена в виде гидравлической турбины, преобразователь давления

5 выполнен из двух уровнемеров, сопряженных с полостями входной и выходной магистралей соответственно и соединенных с сумматором, при этом регулирующий орган соединен с преобразователем углового перемещения через профилированный клин,

преобразователь углового перемещения последовательно соединен с датчиком положения регулирующего органа, первым масштабным усилителем, множительным

матором, третьим масштабным усилителем и вторым блоком возведения в степень, выход которого соединен с вторым входом множительного блока, выходы которого соблоком, первым блоком возведения в сте- 5 единены с индикатором расхода и интегриру- пень, вторым масштабным усилителем, сум- ющим прибором соответственно.

матором, третьим масштабным усилителем и вторым блоком возведения в степень, выход которого соединен с вторым входом множительного блока, выходы которого со

Использование: в измерительной технике учета водно-энергетического баланса гидростанций. Сущность изобретения: гидравлическая турбина установлена между двумя уровнемерами и содержит ругулирующий орган, соединенный с преобразователем углового перемещения через профилированный клин, выходы вычислительного устройства соединены с индикатором расхода и интегрирующим прибором. 2 ил.