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

 

Изобретения могут быть использованы в городских и промышленных системах водоснабжения для учета производительности сооружений водопровода. Для периодического измерения скорости V_х потока посредством линии полного давления Р_с отводят часть потока из заданной области его поперечного сечения в область продольного сечения, которую задают линией статического давления Р_о. Вдоль потока, протекающего по измерительной трубке, соединяющей линии Р_о и Р_х, размещают два ультразвуковых преобразователя (УП), работающих в режиме излучения и в режиме приема акустических сигналов. С помощью электронного блока организуют переизлучение зондирующего импульса, посылаемого одновременно обоими УП. Формируют последовательность информационных сигналов, суммарную длительность которых используют для формирования информационного интервала времени. Заполняют информационный интервал времени последовательностью стандартных импульсов. Скорость V_х потока, а соответственно и мгновенный расход определяют по количеству стандартных импульсов за время одного цикла измерения. Изобретения обеспечивают повышение разрешающей способности, а также 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 насосных станций, водоводов и других сооружений водопровода.

Известны способы определения расхода воды в трубопроводе 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, милливольтмера или частотомера.

Недостатком известных способом является наличие в потоке постоянного 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 [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 и счетчика циклов измерения.

Недостатком известного способа и устройства для его реализации является зависимость разрешающей способности от количества поддиапозонов, на которые разбивается диапозон скоростей потока, ограниченный значением максимальной скорости и рекомендуемый для данного диаметра трубопровода при его использовании в качестве внешней сети водопровода.

Задача изобретения - повышение разрешающей способности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра путем переодического измерения скорости потока в заданной области его поперечного сечения при частичном блокировании потока этой области задают область продольного сечения потока, посредством соединительной линии заданной протяженностью отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в область продольного сечения, вдоль потока, протекающего по соединительной линии, задают первую и вторую базовые плоскости, перпендикулярно ориентированные направлению потока, совмещают с первой базовой плоскостью первую плоскость излучения и вторую плоскость регистрации зондирующих импульсов, совмещают со второй базовой плоскостью первую плоскость регистрации и вторую плоскость излучения зондирующих импульсов, и в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, формируют зондирующий импульс одновременно в первой и второй плоскостях излучения, посылают зондирующий импульс в направлении первой и в направлении второй плоскостей регистрации, в момент достижения второй плоскости регистрации производят переизлучение зондирующего импульса, периодически повторяют операцию переизлучения, формируют последовательность информационных сигналов, передний фронт и задний фронт каждого из которых по времени формирования соответствует моменту достижения зондирующим импульсом соответственно первой и второй плоскости регистрации, ограничивают количество информационных сигналов в формируемой последовательности заданным количеством переизлучений зондирующего импульса, используют суммарную длительность информационных сигналов для формирования информационного интервала времени, заполняют информационный интервал времени последовательностью стандартных импульсов, период следования которых предварительно корректируют в зависимости от длительности интервала времени между моментом излучения зондирующего импульса в начале текущего цикла измерения и моментом формирования переднего фронта второго информационного сигнала, и по количеству стандартных импульсов, сформированных за время проведения текущего цикла измерения, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству стандартных импульсов, сформированных за время проведения предыдущих циклов измерения, судят о суммарном расходе.

Относительно устройства для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащего исполнительный узел и электронный блок в составе схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования групп стандартных импульсов и схемы считывания, поставленная задача решается тем, что исполнительный узел выполнен в виде измерительной трубки, соединяющей линию полного давления с линией статического давления, и двух ультразвуковых преобразователей, установленных на стенах измерительной трубки на базовом расстоянии друг от друга, а в электронный блок дополнительно включена схема запуска, при этом в состав схемы формирования информационных сигналов электронного блока включены первый генератор импульсов, к первому выходу которого подключен ультразвуковой преобразователь, размещенный перед линией полного давления, второй генератор импульсов, к первому выходу которого подключен ультразвуковой переобразователь, размещенный перед линией статического давления, первый электронный ключ, выход и отпирающий вход которого подключены соответственно к первому и второму выходам первого генератора, второй электронный ключ, вход и отпирающий вход которого подключены соответственно к первому и второму выходам второго генератора, первый усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу первого электронного ключа, а выход соединен со входом первого генератора импульсов через третий электронный ключ, второй усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа, и первый триггер, первый установочный вход которого соединен с запирающим входом второго электронного ключа и подключен к выходу второго усилителя-фомирователя, а второй установочный вход соединен с запирающим входом первого электронного ключа и со входом третьего электронного ключа, и подключен к выходу первого усилителя-формирователя, в состав схемы формирования группы стандартных импульсов включены четвертый электронный ключ, вход которого соединен с отпирающим входом третьего электронного ключа, со входом первого генератора импульсов со входом второго генератора импульсов и подключен к выходу схемы запуска, пуска, пятый электронный ключ, вход которого подключен к выходу второго усилителя-формирователя, отпирающий вход соединен со входом четвертого электронного ключа, шестой электронный ключ, вход и отпирающий вход которого подключены к выходу пятого электронного ключа, второй триггер, первый установочный вход которого соединен с запирающим входом четвертого электронного ключа и подключен к выходу указанного электронного ключа, а второй установочный вход соединен с запирающим входом шестого электронного ключа, с запирающим входом пятого электронного ключа и подключен к выходу шестого электронного ключа, и ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу второго триггера, первый установочный вход соединен с запирающим входом третьего электронного ключа, а второй установочный вход соединен с отпирающим входом четвертого электронного ключа, в состав схемы считывания включены первый счетчик, вход которого подключен к выходу первого усилителя-формирователя, одновибратор, вход которого соединен с первым установочным входом ждущего мультивибратора и подключен к выходу первого счетчика, к выходу одновибратора подключен второй установочный вход ждущего мультивибратора, а управляющий вход одновибратора подключен к выходу первого триггера, второй счетчик, вход сброса показаний которого подключен к выходу схемы запуска, и третий счетчик, вход которого соединен со входом второго счетчика и подключен к выходу ждущего мультивибратора.

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

Устройство для реализации 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 в составе измерительной трубки 8 и двух ультразвуковых преобразователей 8 - 9, и электронный блок 10 (фиг. 1).

Электронный блок включает в себя схему запуска 11, схему 12 формирования информационных сигналов, схему 13 формирования группы стандартных импульсов и схему 14 считывания, в состав которых включены генераторы 15 - 16 импульсов, усилители-формирователи 17 - 18, триггеры 19 - 20, ждущий мультивибратор 21, одновибратор 22, электронные ключи 23 - 28 и счетчики 29 - 31 (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 воды в этой области посредством линии 5 полного давления P_x, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока. При этом линией 6 статического давления задают область продольного сечения потока, которую посредством измерительной трубки 7 соединяют с линией 5 полного давления (фиг. 1).

Благодаря наличию заслонки 3 и шлюзовой камеры 4, установленных на седелке 2, линии 5 - 6 исполнительного узла монтируется в трубопроводе 1 без перерыва подачи воды, Вдоль потока, протекающего по измерительной трубке 7, и на расстоянии L_o друг от друга задают две базовые плоскости, с первой из которых совмещают рабочую плоскость первого ультразвукового преобразователя 8, со второй - рабочую плоскость второго ультразвукового преобразователя 9.

Установленные на стенках измерительной трубки 7 ультразвуковые преобразователи 8 - 9 предназначены для работы как в режиме излучения, так и в режиме приема акустических сигналов, поэтому за первую плоскость излучения и вторую плоскость регистрации принимают рабочую плоскость первого преобразователя 8, а за первую плоскость регистрации и за вторую плоскость излучения - рабочую плоскость второго преобразователя 9.

В начале первого и каждого последующего циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени T_t, на вход первого генератора 15 и на вход второго генератора 16 схемы 12 поступает электрический импульс 32 схемы 11 запуска. Генераторы 15 - 16 срабатывают и возбуждают ультразвуковые преобразователи 8 и 9. В результате, одновременно в первой и второй плоскостях излучения сформируется зондирующий импульс 33, обозначенный на фиг. 2 символами J₁ и J₂ (фиг. 3).

Импульс 32 схемы 11 поступает также на отпирающие входы третьего и пятого электронных ключей 25 и 27, сбрасывает показания второго счетчика 30, проходит открытый в исходном состоянии четвертый электронный ключ 26, закрывает его за собой и запускает второй триггер 20, который приступает к формированию строба 59 (фиг. 2).

Зондирующий импульс 33, излученный в направлении первой плоскости регистрации (импульс J₁ на фиг. 2) проходит вдоль потока в измерительной трубке 7 расстояние L_o, равное суммарному значению расстояний 2L₁ и L₂ (фиг. 1), и спустя время (T_o-T_v) после излучения (где T_v - интервал времени, длительность которого пропорциональна скорости потока в измерительной трубке 7) в виде акустического сигнала 39 (40 - 43) достигает вторую плоскость регистрации, преобразуется в электрический и через второй электронный ключ 24 поступает на вход второго усилителя-формирователя 18. Соответствующий сигналу 39 (40 - 43) электрический импульс 49 (50 - 53) с выхода усилителя 18 поступает на запирающий вход второго электронного ключа 24 и на первый установочный вход первого триггера 19. Триггер 19 приступает к формированию первого сигнала 60 последовательности информационных сигналов 60 - 64 длительностью 2T_v.

Электрический импульс 49 (50 - 53) поступает также на вход открытого импульсом 32 пятого ключа 27, проходит его и поступает на отпирающий вход шестого электронного ключа 28.

Зондирующий импульс 33, излученный в направлении второй плоскости регистрации (импульс J₂) против потока расстояния L_o, и, спустя время (T_o+T_v) после излучения, достигает в виде акустического сигнала 44 (45 - 48) вторую плоскость регистрации, преобразуется в электрический и, через электронный ключ 23, поступает на вход первого усилителя-формирователя 17. Соответствующий сигналу 44 (45 - 48) импульс 54 (55 - 58) с выхода усилителя 17 поступает на запирающий вход первого электронного ключа 23, на вход первого счетчика 29 и на второй установочный вход первого триггера 19. Триггер 19 возвращается в исходное состояние и формирует задний фронт информационного сигнала 60, Поступая на управляющий вход одновибратора 22, первый информационный сигнал 60 длительностью 2T_v устанавливает величину его временной задержки в срабатывании при формировании на выходе счетчика 29 импульса 65 переполнения.

Кроме того, электрический импульс 54 (55 - 58) через третий электронный ключ 25 поступает на входы первого и второго генераторов 15 и 16. Срабатывая, генераторы 15 - 16 возбуждают первый и второй ультразвуковые преобразователи 8 и 9, которые производят первое (второе, третье и т.д. переизлучение зондирующего импульса 33 (акустические сигналы 34 - 38). При этом формируемую в процессе излучения акустических сигналов 33 - 38 последовательность информационных сигналов 60 - 64 направляют на управляющий вход одновибратора 22, увеличивая величину временной задержки 2NT_v в его срабатывании на величину 2T_v при каждом очередном переизлучении зондирующего импульса 33.

При реализации предлагаемого способа схему одновибратора 22 можно составить, например, из N-го количества генераторов одиночных импульсов, вход каждого последующего из которых подключен к выходу предыдущего генератора и подключить их управляющие входы к выходу триггера 19 через коммутатор, обеспечивающий установление времени срабатывания очередного генератора в зависимости от длительности соответствующего информационного сигнала.

В результате, при поступлении на вход первого генератора одиночных импульсов импульса 65 переполнения первого счетчика 29, электрический импульс на выходе данного генератор сформируется спустя время, равное длительности 2T_v первого информационного сигнала 60, на выходе второго генератора - спустя время 4T_v, равное суммарной длительности первого и второго информационных сигналов 60 и 61, и т.д. Т.е. последний из генераторов одиночных импульсов сформирует импульс 67 спустя время 2NT_v после момента формирования импульса 65 переполнения.

Использование суммарной длительности информационных сигналов 60 - 64 для формирования информационного интервала времени 2NT_v позволяет повысить разрешающую способность, а также точность измерения при изменениях скорости U_x контролируемого потока, происходящих в течение времени проведения одного цикла измерения.

В зависимости от режима течения потока в трубопроводе 1 емкостью N первого счетчика 29 задают количество переизлучений зондирующего импульса зондирующего импульса 33 (количество акустических сигналов 34 - 38) и, тем самым, ограничивают количество информационных сигналов 60 - 64, формируемых первым триггером 19 за один цикл измерения.

При переполнения емкости "N" первого счетчика 29 формируемый на его выходе импульс 65 переполнения поступает на запирающий вход электронного ключа 25 и отключает первый и второй генераторы 15 - 16 от усилителя-формирователя 17, т.е. прекращает процесс переизлучения зондирующего импульса 33.

Импульс 65 переполнения поступает также на первый установочный вход ждущего мультивибратора 21, который приступает к формированию последовательности стандартных импульсов 67, регистрируемых вторым и третьим счетчиками 30 и 31. Период следования импульсов 67 предварительно корректируют в зависимости от длительности 2T_o, формируемого триггером 20 строба 59, передний фронт которого соответствует моменту времени излучения зондирующего импульса 33, а задний фронт - моменту формирования переднего фронта второго информационного сигнала 61 (в момент времени регистрации акустического сигнала 40). Соответствующий сигналу 40 электрический импульс 50 с выхода усилителя-формирователя 18 проходит пятый и шестой электронные ключи 27 - 28, закрывает их за собой и, поступает на второй установочный вход триггера 20, возвращает его в исходное состояние.

Считывание стандартный импульсов 67 счетчиками 30 - 31 производится до момента срабатывания одновибратора 22, импульс 66, с выхода которого поступает на второй установочный вход ждущего мультивибратора 21 и останавливает его работу. Кроме того, импульс 66 поступает на отпирающий вход четвертого электронного ключа 26 и, тем самым, подготавливает схему 13 электронного блока к проведению второго цикла измерения, начинающего спустя время T_t после начала проведения первого цикла.

О мгновенном расходе судят по результату считывания стандартных импульсов 67 вторым счетчиком 30, показания которого в начале каждого очередного цикла измерения сбрасывают импульсом 32 схемы запуска 11, а о суммарном расходе судят по показаниям третьего счетчика 31, считывающего суммарное количество стандартных импульсов 67, сформированных в процессе измерения.

Таким образом, предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, позволяет определить мгновенный и суммарный расходы воды в трубопроводах большого диаметра не по номеру поддиапозона скоростей потока, рекомендуемых для выбранного диаметра магистрального трубопровода, а по количеству стандартных импульсов в периодически формируемой их последовательности, что позволяет повысить разрешающую способность.

Литература: 1. Лобачев П.В., Шевелев Ф.А. "Водомеры для водопроводов и канализации", Изд. лит. по строительству, М., 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, отличающийся тем, что задают область продольного сечения потока, посредством соединительной линии заданной протяженности отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в область продольного сечения, вдоль потока, протекающего по соединительной линии, задают первую и вторую базовые плоскости, перпендикулярно ориентированные направлению потока, совмещают с первой базовой плоскостью первую плоскость излучения и вторую плоскость регистрации зондирующих импульсов, совмещают со второй базовой плоскостью первую плоскость регистрации и вторую плоскость излучения зондирующих импульсов, и в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, формируют зондирующий импульс одновременно в первой и второй плоскостях излучения, посылают зондирующий импульс в направлении первой и в направлении второй плоскостей регистрации, в момент достижения второй плоскости регистрации производят переизлучение зондирующего импульса, периодически повторяют операцию переизлучения, формируют последовательность информационных сигналов, передний фронт и задний фронт каждого из которых по времени формирования соответствует моменту достижения зондирующим импульсом соответственно первой и второй плоскости регистрации, ограничивают количество информационных сигналов в формируемой последовательности заданным количеством переизлучений зондирующего импульса, используют суммарную длительность информационных сигналов для формирования информационного интервала времени, заполняют информационный интервал времени последовательностью стандартных импульсов, период следования которых предварительно корректируют в зависимости от длительности интервала времени между моментом излучения зондирующего импульса в начале текущего цикла измерения и моментом формирования переднего фронта второго информационного сигнала, и по количеству стандартных импульсов, сформированных за время проведения текущего цикла измерения, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству стандартных импульсов, сформированных за время проведения предыдущих циклов измерения, судят о суммарном расходе.

2. Устройство для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащее исполнительный узел и электронный блок в составе схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования групп стандартных импульсов и схемы считывания, отличающееся тем, что исполнительный узел выполнен в виде измерительной трубки, соединяющей линию полного давления с линией статического давления, и двух ультразвуковых преобразователей, установленных на стенках измерительной трубки на базовом расстоянии друг от друга, а в электронный блок дополнительно включена схема запуска, при этом в состав схемы формирования информационных сигналов электронного блока включены первый генератор импульсов, к первому выходу которого подключен ультразвуковой преобразователь, размещенный перед линией полного давления, второй генератор импульсов, к первому выходу которого подключен ультразвуковой преобразователь, размещенный перед линией статического давления, первый электронный ключ, вход и отпирающий вход которого подключены соответственно к первому и второму выходам первого генератора, второй электронный ключ, вход и отпирающий вход которого подключены соответственно к первому и второму выходам второго генератора, первый усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу первого электронного ключа, а выход соединен со входом первого генератора импульсов через третий электронный ключ, второй усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа, и первый триггер, первый установочный вход которого соединен с запирающим входом второго электронного ключа и подключен к выходу второго усилителя-формирователя, а второй установочный вход соединен с запирающим входом первого электронного ключа и со входом третьего электронного ключа и подключен к выходу первого усилителя-формирователя, в состав схемы формирования группы стандартных импульсов включены четвертый электронный ключ, вход которого соединен с отпирающим входом третьего электронного ключа, со входом первого генератора импульсов, со входом второго генератора импульсов и подключен к выходу схемы запуска, пятый электронный ключ, вход которого подключен к выходу второго усилителя-формирователя, а отпирающий вход соединен со входом четвертого электронного ключа, шестой электронный ключ, вход и отпирающий вход которого подключены к выходу пятого электронного ключа, второй триггер, первый установочный вход которого соединен с запирающим входом четвертого электронного ключа и подключен к выходу указанного электронного ключа, а второй установочный вход соединен с запирающим входом шестого электронного ключа, с запирающим входом пятого электронного ключа и подключен к выходу шестого электронного ключа, и ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу второго триггера, первый установочный вход соединен с запирающим входом третьего электронного ключа, а второй установочный вход соединен с отпирающим входом четвертого электронного ключа, в состав схемы считывания включены первый счетчик, вход которого подключен к выходу первого усилителя-формирователя, одновибратор, вход которого соединен с первым установочным входом ждущего мультивибратора и подключен к выходу первого счетчика, к выходу одновибратора подключен второй установочный вход ждущего мультивибратора, а управляющий вход одновибратора подключен к выходу первого триггера, второй счетчик, вход сброса показаний которого подключен к выходу схемы запуска, и третий счетчик, вход которого соединен с входом второго счетчика и подключен к выходу ждущего мультивибратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3