Способ регулирования уровня и расхода жидкости в емкости и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к гидравлическим устройствам для автоматического поддержания заданного уровня жидкости в емкости и ее расходов. Устройство содержит емкость с подводящим трубопроводом 1, регулирующий орган с отверстиями на боковой поверхности, датчик уровня. Для достижения требуемого технического результата - расширения функциональных возможностей путем обеспечения автоматического поддержания заданными расхода, приводимого в емкость и отводимого из нее, и уровня соответствующим фиксированным положением датчика уровня, регулируемая часть подводящего трубопровода 1 выполнена с рядами отверстий 2, регулирующий орган выполнен в виде ползуна 3, имеющего возможность смещения снаружи подводящего трубопровода с отверстиями в зависимости от положения датчика уровня, выполненного в виде поплавка 6, кроме того, расход жидкости, отводимой из емкости, регулируют изменением площади истечения жидкости из выполненных в подводящем трубопроводе отверстий 2, перекрываемых отверстиями регулирующего органа, в обратной зависимости от уровня жидкости в емкости, величину заданного расхода из подводящего трубопровода 1 и расхода, отводимого из емкости, поддерживают изменением фиксированного положения датчика уровня в емкости, а расход через максимально открытые отверстия в подводящем трубопроводе больше или равен заданному расходу, отводимому из емкости. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к гидравлическим устройствам для автоматического поддержания заданного уровня жидкости в емкости и ее расходов, подводимой к емкости и отводимой от нее, в том числе при изменении давления в подводящем трубопроводе, а также измерения расхода преимущественно во внутрихозяйственной распределительной сети систем орошения и водоснабжения.

Известно устройство для дозирования жидкости в непрерывном потоке. Оно содержит указывающий ротаметр, регулировочный вентиль, установленные на подводящем трубопроводе, бак и поплавковый регулятор.

По способу, известному по этому техническому решению, изменение установившегося расхода жидкости осуществляют изменением величины открывания вентиля, после чего расход оставляют постоянным, соответствующим изменившемуся сопротивлению системы при постоянном статическом напоре жидкости.

Недостатками этого технического решения являются те, что регулирование расхода вентилем не позволяет автоматически поддерживать заданными уровень в баке и расходы подводимой к баку и отводимой от него жидкости при колебаниях давления в подводящем трубопроводе, а также необходимость наличия ротаметра для осуществления ручного регулирования расхода вентилем.

Известен регулятор уровня жидкости, содержащий расположенную в емкости сливную трубу с отверстиями на ее боковой поверхности, кольцевой затвор, выполненный с возможностью смещения по сливной трубе, поплавок, связанный с кольцевым затвором тягами регулируемой длины, подводящий трубопровод с вентилем.

Поступление жидкости в емкость регулируют вентилем на подводящем трубопроводе, уровень жидкости в емкости регулируют изменением ее сброса подъемом или опусканием затвора.

Такое техническое решение не обеспечивает автоматическое поддержание заданным расхода жидкости, поступающей из подводящего трубопровода в емкость, а следовательно, и поддержание заданным отводимого расхода при изменении давления в подводящем трубопроводе. Так, при изменении давления в подводящем трубопроводе соответственно изменяется расход жидкости, поступающей из него в емкость, а автоматически удержать расход заданным нельзя с помощью вентиля, регулировку расхода которым осуществляют вручную, и известного способа сброса жидкости из емкости путем подъема и опускания затвора по сливной трубе.

Известно устройство для поддержания уровня жидкости в емкости, включающее подводящий с вентилем и сливной трубопроводы, емкость и установленный на отводящем трубопроводе струйный насос, всасывающая полость которого соединена со сливным трубопроводом, Это техническое решение позволяет повысить быстродействие устройства, но недостатки остаются.

Наиболее близкими по технической сущности к изобретению являются устройство и способ его осуществления. Устройство содержит емкость, подводящий трубопровод, регулирующий орган с отверстиями на его боковой поверхности, частично расположенный внутри подводящего трубопровода, датчик уровня. По способу расход жидкости в подводящем трубопроводе изменяют регулирующим органом с отверстиями на его боковой поверхности в зависимости от ее уровня и для его поддержания в емкости.

Недостатками этого технического решения являются ограниченность функциональных возможностей, а именно невозможность задавать и поддерживать фиксированным положением датчика уровня заданными расход из подводящего трубопровода и расход из емкости при заданном уровне жидкости в емкости, а также повышенные гидравлические потери.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей путем обеспечения автоматического поддержания заданными расхода, подводимого в емкость и отводимого из нее, и уровня соответствующим фиксированным положением датчика уровня, а также уменьшение гидравлических потерь.

Цель достигается тем, что по способу расход жидкости, отводимой из емкости, регулируют изменением площади истечения через выполненные в подводящем трубопроводе отверстия, перекрываемые отверстиями регулирующего органа в обратной зависимости от уровня жидкости в емкости, тогда как величину заданного расхода из подводящего трубопровода и расхода, отводимого из емкости, поддерживают изменением фиксированного положения датчика уровня в емкости. При этом необходимо, чтобы расход через максимально открытые отверстия в подводящем трубопроводе был больше или равен заданному расходу, отводимому из емкости.

В устройстве достижение цели обеспечивают тем, что регулируемую часть подводящего трубопровода выполняют с рядами отверстий, перекрываемыми извне отверстиями регулирующего органа, выполненного в виде ползуна, имеющего возможность смещения снаружи по части подводящего трубопровода с отверстиями в зависимости от положения датчика уровня, выполненного в виде поплавка, связанного кинематически с ползуном, при этом регулируемая часть подводящего трубопровода с отверстиями, регулирующий орган и поплавок расположены в емкости.

Подводящий трубопровод может быть расположен горизонтально, а поплавок соединен шарнирно с ползуном и с неподвижной стенкой, тогда как тяги выполнены с возможностью изменения и фиксации их длины и изменения положения в вертикальной плоскости.

При вертикальном расположении подводящего трубопровода поплавок может быть установлен с возможностью перемещения вдоль ползуна и жесткой фиксации на нем.

Признак, касающийся изменения площади истечения, является необходимым условием обеспечения между подводимыми к емкости и отводимыми от нее расходами и уровнем жидкости в ней взаимосвязи, которая необходима для автоматического поддержания заданными расхода и уровня, а также их измерения. Изменением фиксированного положения датчика уровня емкости обеспечивают требуемое значение отводимого расхода в зависимости от отметки уровня жидкости в емкости. Признак, по которому установлена взаимосвязь расхода через максимально открытые отверстия в подводящем трубопроводе и расходом, отводимым из емкости, является существенным для обеспечения работоспособности, так как если последний больше первого из названных расходов, то исключается автоматическое поддержание заданными расхода и уровня. Таким образом, все приведенные признаки по способу являются существенными для достижения цели, а в совокупности позволяют ее достичь.

Выполнение регулируемой части подводящего трубопровода с рядами отверстий, соответственно перекрываемыми регулирующим органом в виде ползуна, обеспечивает возможность изменения площади истечения через отверстия, а в результате и величины расхода из подводящего трубопровода смещением ползуна Наличие кинематической связи поплавка с ползуном дает возможность смещать ползун, а следовательно, автоматически изменять расход из подводящего трубопровода в зависимости от изменения фиксированного положения поплавка. Возможность смещения снаружи по регулируемой части подводящего трубопровода ползуна упрощает кинематическую связь с поплавком, чем повышают надежность обеспечения требуемой взаимосвязи уровня жидкости в емкости и расходов из подводящего трубопровода и отводимого из емкости. Размещение регулируемой части подводящего трубопровода с отверстиями, регулирующего органа и поплавка в емкости позволяет уменьшить гидравлические потери при отводе жидкости из подводящего трубопровода, так как исключает необходимость двойного последовательного пропуска жидкости через отверстия, перекрываемые регулирующим органом, а именно сначала подачи жидкости через отверстия из подводящего трубопровода внутрь регулирующего органа, а только из него через аналогичные отверстия из регулирующего органа уже в емкость.

Соединение поплавка шарнирно с ползуном и с неподвижной стенкой при горизонтальном положении подводящего трубопровода дает возможность смещать ползун в горизонтальном направлении при вертикальном смещении поплавка, а выполнение тяги с возможностью изменения и фиксации их длины, а также изменения их положения в вертикальной плоскости обеспечивает автоматическое поддержание необходимой площади истечения жидкости через отверстия подводящего трубопровода, чем определяют заданный расход из трубопровода при заданном вертикальном положении поплавка в емкости.

Установка поплавка с возможностью перемещения вдоль ползуна и жесткой фиксации на нем обеспечивает необходимую связь между уровнем жидкости в емкости, расходом из подводящего трубопровода и расходом, отводимым из емкости, при вертикальном расположении подводящего трубопровода.

Приведенные признаки по устройству являются существенными, а их совокупность позволяет достичь цель.

Изобретение поясняется схемой, приведенной на фиг.1; на фиг.2 показано устройство для осуществления предлагаемого способа при горизонтальном положении подводящего трубопровода, имеющего три ряда отверстий, поперечный разрез; на фиг.3 то же, при двух рядах отверстий и самописце уровня, подключенном к поплавку; на фиг.4 устройство при вертикальном положении подводящего трубопровода, имеющего один ряд отверстий.

Устройство регулирования уровня и расхода жидкости, осуществляющее способ их регулирования в емкости, содержит подводящий трубопровод 1, на регулируемой части которого расположены один или несколько рядов отверстий 2, регулирующий орган, например, выполненный в виде ползуна 3, представляющего отрезок трубы и имеющего внутренний диаметр, близкий к внешнему диаметру трубопровода 1, обеспечивающему возможно малый зазор между ними, но одновременно возможность надежного смещения ползуна 3 по регулируемой части трубопровода 1 без поворота ползуна 3 относительно трубопровода 1. Ползун 3 имеет отверстия 4 и их ряды, аналогичные им в трубопроводе 1, и при горизонтальном положении регулируемой части шарнирно соединен жесткими тягами 5 с датчиком уровня, выполненным в виде поплавка 6, и стенкой 7 емкости 8, в которой расположены регулируемая часть трубопровода 1, ползун 3 и поплавок 6. Тяги 5 выполнены регулируемой длины с возможностью жесткой ее фиксации и изменяющими свое положение в одной вертикальной плоскости, проходящей через их шарниры (см.фиг.1 и 2). Расстояние между рядами отверстий 2 и 4 больше, чем линейный размер каждого из них вдоль смещения ползуна 3 по трубопроводу 1. Возможность поворота ползуна 3 относительно трубопровода 1 исключается, например, с помощью выступа-зуба на внутренней поверхности ползуна 3 и продольного паза на внешней поверхности трубопровода 1, по которому смещают выступ-зуб (не показан). Ползун 3 соединен через блок 9 гибкой связью 10 с самописцем 11 уровня воды (см.фиг.3). В емкости 8 между трубопроводом 1 и сливом 12 установлен гидравлический успокоитель 13. Слив 12 в стенке 14 выполнен, например, в виде водослива с тонкой стенкой (фиг.1) или отверстия с насадком (5) (фиг.4).

При вертикальном положении трубопровода 1 (фиг.4) или глухого отвода от него, например, имеющего верхний торец подводящего отвода глухим в емкости 8 (не показан), поплавок 6 выполнен с возможностью смещения вдоль ползуна 3 и жесткой фиксации на ползуне 3, например, с помощью винтовых фиксаторов 15. На ползуне 3 может быт установлен для дополнительного гашения энергии струй, выходящих из отверстий трубопровода 1 и ползуна 3, гидравлический успокоитель 16, а в емкости 8 успокоитель 17. Сливаемая через водослив 12 жидкость по водоводу 18 поступает потребителю. Поплавок 6 соединен жесткой шарнирной связью 19, например, с ваттметром 20, одна из цепей которого силы тока или напряжения регулируется соответственно изменению положения поплавка по силе тока или напряжения соответственно изменению расхода через водослив. На подводящем трубопроводе 1 установлены ограничители 21 сдвига ползуна 3 от положения, при котором отверстия и их ряды на трубопроводе 1 и ползуне 3 совпадают, позволяющие смещение от этого положения на длину, большую продольному по регулируемой части трубопровода 1 размеру отверстий, причем расстояние между рядами отверстий больше, чем продольный размер этих отверстий. Регулирующая часть трубопровода может быть размещена по расходу относительно верхней кромки ползуна. В емкости 8 может быть установлена также гидрометрическая рейка для измерения уровня жидкости в ней (не показана). Гидрометрическая рейка также устанавливается в водоводе 18.

Способ регулирования уровня и расхода жидкости в емкости осуществляют следующим образом. Заданный расход и уровень воды из подводящего трубопровода 1 регулируют автоматическим изменением площади истечения жидкости через один или несколько рядов отверстий 2 трубопровода 1 обратно отклонению в емкости 8 отметки уровня жидкости, обеспечивающей заданный расход через водоизмерительное устpойство, путем кинематической связи датчика отметки уровня жидкости, например поплавка 6, с органом регулирования площади истечения жидкости, например ползуном 3, на подводящем трубопроводе 1. Для этого датчик уровня, например поплавок 6, устанавливают на отметке, при которой через слив 12, например через прямоугольный неподготовленный водослив, в стенке 14 поступает заданный расход. Необходимую отметку для заданного расхода определяют по формуле Q m_ob H^3/2 где Q расход; m_o коэффициент расхода; b ширина водослива; h ускорение силы тяжести; Н напор.

При пустой емкости 9 эту отметку воды устанавливают вертикальным фиксированным положением поплавка 6 со сдвигом ползуна 3 относительно трубопровода 1 до совпадения их отверстий 4 и 2. Расход Q_m через полностью совпадающие отверстия 4 и 2 должен быть больше или равен расходу Q_с через водослив 12 при максимальном уровне воды в емкости 8. Так как Q_c≅Q_m, то уровень воды в емкости 8 продолжает увеличиваться. В результате поплавок начинает всплывать, при этом он через тяги 5 смещает ползун 3 и уменьшает площадь истечения жидкости через отверстия 2 и 4, чем уменьшают расход Q₁, поступающий из трубопровода 1 в емкость 8 (фиг.1 и 2). Чем больше вертикальное смещение поплавка, вызванное повышением уровня воды в емкости 8, тем больше сдвиг отверстий 4 относительно отверстий 2 и тем меньше площадь истечения жидкости из трубопровода 1 в емкость 8 через эти отверстия, а следовательно, и расход Q₁. При уменьшении расхода Q₁ до значений меньше Q_с происходит уменьшение отметки жидкости в емкости 8, поплавок под действием своей силы тяжести смещает ползун 3 в обратном вышеприведенному направлении, чем увеличивают площадь истечения жидкости из отверстий, а следовательно, увеличивают расход Q₁, чем останавливают падение уровня жидкости в емкости 8 и автоматически устанавливают заданный расход жидкости через водослив 12, в том числе и в случае изменения или колебаний давлений в трубопроводе 1. Точность поддержания заданного расхода зависит от линейного размера отверстий по смешении ползуна 3 по трубопроводу 1. Чем меньше отверстия 2 и 4, тем больше точность поддержания заданного расхода, так как изменение расхода, поступающего из трубопровода 1 в емкость 8 при перемещении ползуна 3 на расстояние, равное продольному по длине трубопровода 1 размеру отверстия, практически изменяется от Q_m до нуля при уменьшении площади истечения отверстий и от нуля до Q_m при ее увеличении. Так как заданное значение Q₁ всегда Q_m > Q₁ > 0, то в пределах перемещения ползуна 3 на одну такую длину отверстия, а следовательно, в пределах его соответствующего изменения ΔН устанавливается расход Q₂, который отличается от заданного Q₃ на величину, не большую, чем ΔQ f(ΔH), где ΔQ изменение расхода через водослив 12 при отклонении напора от заданного на величину ΔН.

Для изменения величины заданного расхода поплавок устанавливают на отметке, соответствующей новому фиксированному расходу, путем регулирования длины тяг 5 (фиг.2 и 3) или изменения положения поплавка 6 непосредственно на ползуне 3 (фиг.4).

Устройство работает следующим образом.

При горизонтальном положении подводящего трубопровода 1, на части которого расположен регулирующий орган, через отверстия 2 поступает жидкость в емкость 8 при положении ползуна 3 на трубопроводе 1, при котором отверстия 2 и 4 частично или полностью совпадают.

Если поплавок 6 установлен на отметке, при которой он плавает на поверхности жидкости в емкости 8 и при которой через слив 12 протекает заданный расход жидкости, то жидкость выполняет емкость 8 до уровня, при котором поплавок 6 начинает всплывать и, всплывая, через тяги 5 смещает ползун 3 и автоматически уменьшает площадь истечения жидкости через отверстия до тех пор, пока не наступает равенство расхода, вытекающего из трубопровода 1 и через слив 12. Изменяя длину тяг 5, изменяют положение поплавка, а следовательно, и отметку, при которой он начинает всплывать, смещать ползун 3 и уменьшать площадь истечения жидкости из трубопровода 1.

При вертикальном положении трубопровода 1 или его отвода (фиг.4) уровень воды, при котором автоматически начинается поддержание расхода, соответствующего заданному уровню через слив 12, определяется положением поплавка 6 непосредственно на ползуне 3.

Предлагаемое устройство может служить в качестве запорного устройства. В этом случае поплавок 6 располагают на отметке ниже порога слива 12. В этом случае поплавок удерживает ползун 3 в положении, при котором он полностью перекрывает отверстия 2 трубопровода 1, и жидкость не отводится из трубопровода 1.

Регистрацию уровня воды в емкости 8 во времени осуществляют, например, с помощью одного из известных длительновременных самописцев уровня воды расход соответственно пересчитывают, например, по вышеприведенной формуле, если используется водослив. Полученный график Н f₁(t), где Н напор на водослив; t время, пересчитывается в график Q f₂(t), а интегрируя его в заданных промежутках времени, получают график W f₃(t), где W объем воды, протекающей через слив 12.

Визуальное наблюдение за величиной расхода можно осуществлять также по гидрометрическим рейкам, градуированным как по Н, так и по Q.

При использовании других видов водосливов или насадок используют соответствующую им зависимость.

При размещении регулируемой части трубопровода 1 с ползуном 3 и поплавком 6 непосредственно в водоводе 18 (без емкости 8, водоизмерительного устройства и стенки 14) устройство позволяет поддерживать заданный уровень в водоводе 18, а в случае равномерного движения жидкости в нем и заданный расход без водоизмерительного устройства (фиг.1). В этом случае значение расхода, соответствующее глубине жидкости в водоводе 18, определяют по связи Q ϕ(H). При неравномерном или неустановившемся движении воды в водоводе 18, вызванном, например, неравномерным во времени или по длине режимом забора воды из водовода 18 потребителем, заданный уровень воды поддерживается в створе регулирования независимо от вида движения жидкости (фиг.1).

Предлагаемое устройство также можно использовать для регулирования расхода и уровня воды при подводе воды в открытые каналы гидромелиоративных систем, имеющих водосливы, пороги и гидрометрические лотки с однозначной связью зависимости Н f(Q). В этом случае поплавок 6 целесообразно использовать одновременно в качестве датчика цифрового уровнемера с регистрацией уровня во времени. Это позволяет обеспечить автоматическое поддержание требуемого расхода в пунктах забора воды и выдачу ее потребителям, а также измерить объем воды, прошедший через устройство на заданный промежуток времени, что существенно не только с точки зрения технологии подачи воды потребителю, но и организации надежного водоучета для рационализации водопотребления и правильного взымания платы за воду.

Формула изобретения

1. Способ регулирования уровня и расхода жидкости в емкости, включающий в себя изменение расхода жидкости в подводящем трубопроводе регулирующим органом с отверстиями на его боковой поверхности в зависимости от уровня жидкости в емкости, отличающийся тем, что расход жидкости, отводимой из емкости, регулируют изменением площади истечения жидкости из выполненных в подводящем трубопроводе отверстий, перекрываемых отверстиями регулирующего органа, в обратной зависимости от уровня жидкости в емкости, причем величину заданного расхода из подводящего трубопровода и расхода, отводимого из емкости, поддерживают изменением фиксированного положения датчика уровня в емкости, а расход через максимально открытые отверстия в подводящем трубопроводе больше или равен заданному, отводимому из емкости.

2. Устройство для регулирования уровня и расхода жидкости, содержащее емкость, подводящий трубопровод, регулирующий орган с отверстиями на его боковой поверхности, датчик уровня, отличающееся тем, что регулируемая часть подводящего трубопровода выполнена с рядами отверстий, перекрываемыми отверстиями регулирующего органа, выполненного в виде ползуна, имеющего возможность смещения снаружи подводящего трубопровода с отверстиями в зависимости от положения датчика уровня, выполненного в виде поплавка, связанного кинематически с ползуном, причем регулируемая часть подводящего трубопровода с отверстиями, регулирующий орган и поплавок расположены в емкости.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что подводящий трубопровод расположен горизонтально, а поплавок соединен шарнирно с ползуном и с неподвижной стенкой, причем жесткие тяги выполнены с возможностью изменения и фиксации их длины и изменения их положения в вертикальной плоскости.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что подводящий трубопровод расположен вертикально, а поплавок установлен с возможностью перемещения вдоль ползуна и жесткой фиксации на нем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4