Способ определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра и устройство для его реализации

 

Изобретения могут быть использованы в городских и промышленных системах водоснабжения. Воздействие полного Р_х и статического давлений Р_о в трубопроводе преобразуют в линейное смещение соответственно первой и второй областей блокирования в виде поршней со штоками. Периодически механическим воздействием в направлении, противоположном направлению воздействия Р_х и Р_о смещают поршни в первое крайнее положение. В моменты достижения указанного положения прекращают механическое воздействие и возобновляют его в моменты достижения вторым поршнем второго крайнего положения. Задают измерительный участок траектории линейного смещения поршней, разбивают его на заданное количество равных отрезков и при проведении очередного цикла измерения формируют одну группу информационных импульсов, по количеству которых судят о мгновенном расходе. Приводят в соответствие со значением времени формирования группы информационных импульсов значение частоты следования счетных импульсов, по количеству которых судят о суммарном расходе. Изобретения обеспечивают повышение точности измерения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в городских и промышленных системах водоснабжения для учета производительности и установления рациональных режимов работы насосных станций, водоводов и других сооружений водопровода.

Известны способы определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра путем периодического измерения скорости потока в заданной области его поперечного сечения при частичном блокировании потока этой области и преобразования механического воздействия потока в угловое смещение области блокирования [1].

Устройства для реализации известных способов содержат датчик скорости типа вертушки и вторичный прибор в виде электронного потенциометра, милливольтметра или частотомера.

Недостатком известных способов является наличие в потоке постоянно движущихся частей датчика скорости и необходимость вследствие этого иметь относительно сложную систему их смазки.

Известен способ определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра путем периодического измерения скорости потока в заданной области его поперечного сечения при частичном блокировании потока этой области и преобразования механического воздействия потока в линейное смещение области блокирования из первого крайнего положения [2].

Устройство для реализации известного способа содержит исполнительный узел, установленный на несущей трубе с обеспечением возвратно-поступательного смещения вдоль потока воды в трубопроводе, электромеханический блок, связанный с исполнительным узлом посредством контактной системы, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов, схемы формирования групп стандартных импульсов, схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования кратковременных импульсов, схемы учета первого информационного импульса, схемы считывания информационных импульсов и считчика циклов измерения.

Недостатком известного способа является сложность его реализации, влияющая на надежность работы, а также зависимость точности определения суммарного расхода от количества поддиапазонов, на которые разбивается диапазон скоростей потока, ограниченный значением максимальной скорости и рекомендуемый для данного диаметра трубопровода при его использовании в качестве внешней сети водопровода.

Задача изобретения - повышение точности и надежности способа.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра путем периодического измерения скорости потока в заданной области его поперечного сечения при частичном блокировании потока этой области и преобразования воздействия полного давления воды в трубопроводе в линейное смещение первой области блокирования из первого крайнего положения, обеспечивают возможность преобразования воздействия статического давления воды в трубопроводе в линейное смещение второй области блокирования из первого крайнего положения, механическим воздействием в направлении, противоположном направлению воздействия полного и статического давлений, смещают первую и вторую области блокирования в направлении первого крайнего положения, в момент достижения которого прекращают указанное воздействие на области блокирования и возобновляют его в момент достижения второй областью блокирования второго крайнего положения, между первым и вторым крайними положениями задают измерительный участок траектории линейного смещения областей блокирования, разбивают измерительный участок на заданное количество равных отрезков, первый и последний из которых размешают на базовом расстоянии от соответственно первого и второго крайних положений областей блокирования, в моменты прохождения второй областью блокирования очередного отрезка измерительного участка, начиная с первого и заканчивая отрезком, предшествующим последнему отрезку участка, формируют по одному информационному импульсу, формируют последовательность электрических сигналов, передний и задний фронт каждого из которых соответствуют моментам достижения последнего отрезка измерительного участка первой и второй областями блокирования, заполняют формируемые электрические сигналы информационными импульсами, и по количеству указанных импульсов в каждом электрическом сигнале судят о мгновенном расходе, заполняют интервалы времени между формируемыми электрическими сигналами счетными импульсами, и по их суммарному количеству судят о суммарном расходе, при этом, частоту следования счетных импульсов периодически приводят в соответствие с длительностью электрического сигнала.

Относительно устройства для реализации предлагаемого способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащего исполнительный узел, электромеханический блок, связанный с исполнительным узлом посредством контактной системы, и электронный блок, поставленная задача решается тем, что исполнительный узел выполнен в виде корпуса, в первой и второй камерах которого размещено по одному поршню со штоком, входной канал первой камеры соединен с линией полного давления воды в трубопроводе, входной канал второй камеры - с линией статического давления, электромеханический блок выполнен в виде схемы питания и электромагнита с толкателем, установленным с возможностью обеспечения контакта со штоками исполнительного узла, контактная система выполнена в виде контактной группы и двух отдельных пар нормально разомкнутых контактов, подключенных к электронному блоку, а также в виде двух микровыключателей, подключенных к схеме питания, первый микровыключатель установлен с обеспечением срабатывания при первом крайнем положении первого поршня, второй - с обеспечением срабатывания при втором крайнем положении второго поршня, контактная группа составлена из заданного количества пар нормально разомкнутых контактов, первая пара из которых размещена на базовом расстоянии от первого крайнего положения поршней, и установлена с обеспечением последовательного срабатывания контактов при линейном смещении второго поршня из первого во второе крайнее положение, первая и вторая отдельные пары нормально разомкнутых контактов установлены с обеспечением срабатывания при линейном смещении соответственно первого и второго поршня из первого во второе крайнее положение и размещены на базовом расстоянии от второго крайнего положения поршней, а в состав электронного блока включены генератор постоянного напряжения, вентиль, триггер, ждущий мультивибратор и два счетчика импульсов, вход вентиля через контактную группу подключен к выходу генератора, вход первого счетчика подключен к выходу вентиля, вход второго счетчика - к выходу ждущего мультивибратора, первый установочный вход триггера, второй установочный вход ждущего мультивибратора и вход сброса показаний первого счетчика подключены к выходу генератора через первую отдельную пару нормально разомкнутых контактов, второй установочный вход триггера и первый установочный вход ждущего мультивибратора подключены к выходу генератора через вторую отдельную пару нормально разомкнутых контактов контактной системы, а управляющий вход вентиля и управляющий вход ждущего мультивибратора подключены к выходу триггера.

На фиг. 1 изображена схема устройства для реализации предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схема его электронного блока; на фиг. 3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для реализации способа монтируется на трубопроводе 1 посредством седелки 2, задвижки 3 и шлюзовой камеры 4 с сальником, оно содержит линию 5 полного давления, линию 6 статического давления, исполнительный узел 7, первая и вторая камеры 8-9 которого снабжены входными каналами 10-11, поршнями 12-13 и штоками 14-15, электромеханический блок в составе схемы 16 питания и электромагнита 17 с толкателем 18, контактную систему в составе двух микровыключателей 19-20, контактной группы 21 и двух отдельный пар 22-23 нормально разомкнутых контактов, и электронный блок 24 (фиг. 1).

Электронный блок устройства содержит генератор 25 постоянного тока, вентиль 26, триггер 27, ждущий мультивибратор 28, первый и второй счетчики 29-30 импульсов (фиг. 2).

Способ заключается в следующем.

В основу предлагаемого способа определения расхода заложен принцип измерения максимальной скорости потока по величине скоростного напора в заданной области поперечного сечения трубопровода 1 при частичном блокировании потока среды в этой области. При этом, с целью учета влияния на результаты измерения статического давления, в продольном сечении потока задают вторую область блокирования, для которой расстояние L₀ между первый и вторым крайними положениями при ее линейном смещении под действием статического давления выбирают равным расстоянию L₀ между первый и вторым крайними положениями первой области блокирования при ее линейном смещении под действием полного давления воды в трубопроводе 1.

В изображенном на фиг. 1 устройстве для реализации предлагаемого способа в качестве первой и второй областей блокирования используют поршни 12 и 13 со штоками 14-15, по одному размещенные в первой и второй камерах 8-9 исполнительного узла 7. Входные каналы 10-11 узла 7 подключены соответственно к линии 5 полного давления P_x и к линии 6 статического давления P₀. Величину L₀ хода поршней 12 и 13 между их первыми и вторыми крайними положениями задают микровыключателями 19-20 контактной системы, связывающими исполнительный узел 7 со схемой 15 питания электромагнита 17.

Схема 16 питания, электромагнит 17 и толкатель 18, установленный с возможностью обеспечения контакта со штоками 14-15 исполнительного узла 7, включены в состав электромеханического блока, предназначенного для периодического возвращения поршней 12-13 в первое крайнее положение. При этом, контактная система относительно узла 7 установлена с обеспечением срабатывания первого и второго микровыключателей 19 и 20 при размещении поршней 12 и 13 в первом и втором крайнем положении соответственно.

Между первым и вторым микровыключателями 19 и 20 задают измерительный участок L_и траектории линейного смещения поршней 12-13 (штоков 14-15), который разбивают на заданное количество равных отрезков. С этой целью контактную группу 21 составляют из отдельных нормально разомкнутых пар контактов и устанавливают таким образом, чтобы ее первая пара контактов отстояла от первого микровыключателя 19 на базовом расстоянии L_б, а первую и вторую отдельные пары 22-23 нормально разомкнутых контактов устанавливают на базовом расстоянии L_б от второго микровыключателя 20. При этом, относительно штоков 14-15 контактная система ориентирована таким образом, чтобы замыкание ее контактов происходило при линейном смещении поршней 12-13 в направлении второго крайнего положения.

Благодаря наличию заслонки 3 и шлюзовой камеры 4 монтаж устройства (линии 5 полного давления P_x, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока, и линии 6 статического давления P₀) производят без перерыва подачи воды в трубопроводе 1. При выключенной схеме 16 питания электромагнита 17 поршни 12 и 13 исполнительного узла 7 со штоками 14 и 15 после монтажа устройства под воздействием давлений P_x и P₀ принимают второе крайнее положение, при котором контакты второго микровыключателя 20 замкнуты штоком 15 второго поршня 13.

При включении устройства через контакты микровыключателя 20 сигнал 40, сформированный в схеме 16 питания, подключит выходы данной схемы к обмотке электромагнита 17, который, механически бездействуя толкателем 18 на штоки 14-15, начнет смещать поршни 12-13 в направлении, противоположном направлению воздействия на них полного и статического давлений P_x-P_о, вытесняя воду из камер 8-9 исполнительного узла 7.

Спустя время Т_c, необходимое для одновременного смещения поршней 12-13 в первое крайнее (исходное) положение, штоком 14 замкнутся контакты первого микровыключателя 19, вызывая формирование в схеме 16 сигнала 39, посредством которого производится отключение выходов указанной схемы от электромагнита 17 (задний фронт строба 41 на позиции 32). Обмотка электромагнита 17 обесточится и толкатель 18 под действием возвратной пружины возвратится в исходное состояние.

В результате прекращения механического воздействия электромагнита 17 на штоки 14-15 поршень 12 под воздействием полного, а поршень 13 - статического давлений P_x и P_о начнут смещаться в направлении второго крайнего положения и, спустя время T_б, необходимое для прохождения поршнем 13 базового расстояния L_б, шток 15 достигнет измерительного участка L_и траектории линейного смещения.

По мере смещения вдоль участка L_и шток 15 последовательно замыкает контакты контактной группы 21, периодически подключая к выходу генератора 25 вход вентиля 26 и, тем самым, формируя последовательность информационных импульсов 42 с периодом t_о, пропорциональным значению статического давления P_о [позиция 34 на фиг. 3].

Спустя время T₁ после момента обесточивания электромагнита 17 шток 14 первого поршня 12 воздействует на первую отдельную пару 22 контактов, формируя первый дополнительный информационный импульс 43 [позиция 35]. Импульс 43 сбрасывает показания первого счетчика 29 и одновременно воздействует на первый установочный вход триггера 27 и второй установочный вход ждущего мультивибратора 28, подтверждая его исходное состояние.

Триггер 27 запускается и электрический сигнал 45 [позиция 36] с его выхода начинает поступать на управляющий вход ждущего мультивибратора 28 и на управляющий вход вентиля 26, который, отпираясь, начинает пропускать информационные импульсы 42 на вход счетчика 29 [группы 46 импульсов на позиции 37].

Спустя время T₂ после момента обесточивания электромагнита 17 шток 15 второго поршня 13 воздействует на вторую отдельную пару 23 контактов, формируя второй дополнительный информационный импульс 44 [позиция 35], который одновременно поступает на второй установочный вход триггера 27 и на первый установочный вход ждущего мультивибратора 28.

Триггер 27 формирует задний фронт сигнала 45 и, возвращаясь в исходное состояние, закрывает вентиль 26, а на вход второго счетчика 30 с выхода ждущего мультивибратора 28 начинают поступать счетные импульсы 47 [позиция 38], частота (период t₁ и t₂) следования которых будет соответствовать длительности T_x предшествующего им сигнала 45.

Спустя время Т_о после момента обесточивания электромагнита 17 шток 15, сместившись на расстояние L_о, достигнет второго микровыключателя 20. Срабатывая, микровыключатель 20 способствует формированию схемой 16 сигнала 40, на основании которого с выходов схемы 16 начинает поступать питание на обмотку электромагнита 17 (передний фронт строба 41 на позиции 32).

Сместив за время Т_c поршни 12-13 в первое крайнее положение электромагнит обесточивается (задний фронт строба 41). Начинается следующий (второй) цикл измерения. Он, как и предыдущий (первый) цикл, заключается в формировании одной группы 46 информационных импульсов 42, регистрируемой счетчиком 29 в течение времени T_x, и в приведении в соответствие со значением длительности T_x сигнала 46 значение частоты следования счетных импульсов 47, регистрируемых счетчиком 30 в течение всего времени проведения измерений. При этом, по показаниям счетчика 29 в конце каждого очередного цикла измерения судят о мгновенном расходе, а по показаниям счетчика 30 - о суммарном расходе воды в контролируемом трубопроводе 1.

Таким образом предлагаемый способ позволяет значительно упростить схему формирования выходного сигнала, а также исключить, по сравнению с прототипом, зависимость точности определения суммарного расхода от количества поддиапазонов, на которые разбивается диапазон скоростей потока, ограниченный значением максимальной скорости и рекомендуемый для данного диаметра трубопровода при его использовании в качестве внешней сети водопровода. Это позволяет повысить как точность, так и надежность способа и устройства для его реализации.

Литература 1. Лобачев П.В., Шевелев Ф.А. Водомеры для водопроводов и канализации. М.: изд. лит. по строительству, 1964, с. 267-276.

2. Патент РФ N 2084830 по кл. G 01 F 1/38, Бюл. 20, 1997 г. (прототип).

Формула изобретения

1. Способ определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра путем периодического измерения скорости потока в заданной области его поперечного сечения при частичном блокировании потока этой области и преобразования воздействия полного давления воды в трубопроводе в линейное смещение первой области блокирования из первого крайнего положения, отличающийся тем, что обеспечивают возможность преобразования воздействия статического давления воды в трубопроводе в линейное смещение второй области блокирования из первого крайнего положения, механическим воздействием в направлении, противоположном направлению воздействия полного и статического давлений, смещают первую и вторую области блокирования в направлении первого крайнего положения, в момент достижения которого прекращают указанное воздействие на области блокирования и возобновляют его в момент достижения второй областью блокирования второго крайнего положения, между первым и вторым крайними положениями задают измерительный участок траектории линейного смещения областей блокирования, разбивают измерительный участок на заданное количество равных отрезков, первый и последний из которых размещают на базовом расстоянии от соответственно первого и второго крайних положений областей блокирования, в моменты прохождения второй областью блокирования очередного отрезка измерительного участка, начиная с первого и заканчивая отрезком, предшествующим последнему отрезку участка, формируют по одному информационному импульсу, формируют последовательность электрических сигналов, передний и задний фронт каждого из которых соответствуют моментам достижения последнего отрезка измерительного участка первой и второй областями блокирования, заполняют формируемые электрические сигналы информационными импульсами, и по количеству указанных импульсов в каждом электрическом сигнале судят о мгновенном расходе, заполняют интервалы времени между формируемыми электрическими сигналами счетными импульсами, и по их суммарному количеству судят о суммарном расходе, при этом частоту следования счетных импульсов периодически приводят в соответствие с длительностью электрического сигнала.

2. Устройство для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащее исполнительный узел, электромеханический блок, связанный с исполнительным узлом посредством контактной системы, и электронный блок, отличающееся тем, что исполнительный узел выполнен в виде корпуса, в первой и второй камерах которого размещено по одному поршню со штоком, входной канал первой камеры соединен с линией полного давления воды в трубопроводе, входной канал второй камеры - с линией статического давления, электромеханический блок выполнен в виде схемы питания и электромагнита с толкателем, установленным с возможностью обеспечения контакта со штоками исполнительного узла, контактная система выполнена в виде контактной группы и двух отдельных пар нормально разомкнутых контактов, подключенных к электронному блоку, а также в виде двух микровыключателей, подключенных к схеме питания, первый микровыключатель установлен с обеспечением срабатывания при первом крайнем положении первого поршня, второй - с обеспечением срабатывания при втором крайнем положении второго поршня, контактная группа составлена из заданного количества пар нормально разомкнутых контактов, первая пара из которых размещена на базовом расстоянии от первого крайнего положения поршней и установлена с обеспечением последовательного срабатывания контактов при линейном смещении второго поршня из первого во второе крайнее положение, первая и вторая отдельные пары нормально разомкнутых контактов установлены с обеспечением срабатывания при линейном смещении соответственно первого и второго поршня из первого во второе крайнее положение и размещены на базовом расстоянии от второго крайнего положения поршней, а состав электронного блока включены генератор постоянного напряжения, вентиль, триггер, ждущий мультивибратор и два счетчика импульсов, вход вентиля через контактную группу подключен к выходу генератора, вход первого счетчика подключен к выходу вентиля, вход второго счетчика - к выходу ждущего мультивибратора, первый установочный вход триггера, второй установочный вход ждущего мультивибратора и вход сброса показаний первого счетчика подключены к выходу генератора через первую отдельную пару нормально разомкнутых контактов, второй установочный вход триггера и первый установочный вход ждущего мультивибратора подключены к входу генератора через вторую отдельную пару нормально разомкнутых контактов контактной системы, а управляющий вход вентиля и управляющий вход ждущего мультивибратора подключены к выходу триггера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3