Способ измерения расхода воды в трубопроводе и устройство для его реализации

 

Для периодического контроля скорости V_x потока в течение циклов измерения, выполненных через равные интервалы времени, используют устройство, содержащее первую и вторую измерительные линии, каждая из которых соединяет линию полного и статического давления, и электронный блок. На стенках каждой измерительной линии на базовом расстоянии L₀ друг от друга установлены два акустических преобразователя, один из которых работает в режиме излучения, а другой - в режиме приема акустических сигналов (зондирующих импульсов). По количеству регистраций зондирующего импульса, излученного акустическим преобразователем во второй измерительной линии за время проведения цикла измерения, судят о мгновенном расходе воды в трубопроводе. Электронный блок включает в себя генератор стандартных импульсов, два генератора зондирующих импульсов, два усилителя, два диода, три электронных ключа, логический элемент И и схему регистрации и индикации. Изобретение обеспечивает повышение разрешающей способности. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля, управления и регулирования параметров технологических процессов, например, при определении расхода хозяйственно-питьевой и технической воды, используемой в промышленных целях.

Известны способы определения расхода воды в трубопроводе 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 (Патент РФ 2084830 по кл. G 01 F 1/38. Бюл. 20, 1997 г.).

Устройства для реализации известных способов содержат 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.

Недостатком известных способов и устройств для их реализации является зависимость разрешающей способности от количества поддиапазонов, на которые разбит диапазон скоростей потока, рекомендуемый для заданного диаметра трубопровода.

В качестве прототипа выбран способ определения расхода воды в трубопроводе, заключающийся в том, что в поперечном сечении трубопровода задают область частичного блокирования потока, отводят поток из области его частичного блокирования в поперечном сечении в заданную область в продольном сечении трубопровода, вдоль отведенного потока на базовом расстоянии друг от друга задают первую и вторую базовые плоскости, в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, из первой базовой плоскости в направлении второй базовой плоскости излучают зондирующий импульс, в момент излучения первого зондирующего импульса из второй базовой плоскости в направлении первой базовой плоскости излучают второй зондирующий импульс, в момент регистрации второго зондирующего импульса в первой базовой плоскости производят переизлучение первого и второго зондирующего импульса, периодически повторяют операцию переизлучения, вырабатывают заданное количество информационных сигналов, передний и задний фронт каждого из которых по времени формирования соответствует моменту очередной регистрации соответственно первого и второго зондирующего импульса, вырабатывают заданное количество информационных сигналов, суммарную длительность которых используют для формирования информационного интервала времени, заполняют информационный интервал времени счетными импульсами, период следования которых предварительно корректируют в начале очередного цикла измерения, и по количеству счетных импульсов, сформированных за время проведения текущего цикла измерения, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству счетных импульсов, сформированных за время проведения предыдущих циклов измерения, судят о суммарном расходе (Патент РФ 2132539 по кл. G 01 F 1/46,1/66,5/00. Бюл. 18, 1999 г.).

Устройство для реализации данного способа содержит исполнительный узел в составе измерительной линии, соединяющей линию полного давления с линией статического давления, и двух ультразвуковых преобразователей, установленных на стенках измерительной линии на базовом расстоянии друг от друга, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов, первого генератора зондирующих импульсов, к первому выходу которого подключен ультразвуковой преобразователь, установленный на стенках измерительной линии со стороны линии полного давления, второго генератора зондирующих импульсов, к первому выходу которого подключен ультразвуковой преобразователь, установленный на стенках измерительной линии со стороны линии статического давления, двух усилителей, двух триггеров, шести электронных ключей, ждущего мультивибратора, одновибратора и схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов.

Недостатком известного способа и устройства для его реализации является зависимость разрешающей способности от количества информационных сигналов, формируемых в процессе проведения одного цикла измерения.

Задача изобретения - повышение разрешающей способности.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе определения расхода воды в трубопроводе, заключающемся в том, что в поперечном сечении трубопровода задают первую область частичного блокирования потока, отводят поток из первой области его частичного блокирования в поперечном сечении в заданную область в продольном сечении трубопровода, вдоль отведенного потока на базовом расстоянии друг от друга задают первую и вторую базовые плоскости, и в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, из первой базовой плоскости в направлении второй базовой плоскости излучают зондирующий импульс, в поперечном сечении трубопровода задают вторую область частичного блокирования потока, отводят поток из второй области его частичного блокирования в поперечном сечении в заданную область в продольном сечении трубопровода, в направлении, противоположном направлению отведенного потока, на базовом расстоянии друг от друга задают третью и четвертую базовые плоскости, и в начале первого и последующих циклов измерения из третьей базовой плоскости в направлении четвертой базовой плоскости излучают второй зондирующий импульс, спустя время, отсчитываемое от момента излучения и необходимое для прохождения базового расстояния, производят регистрацию первого зондирующего импульса во второй базовой плоскости, в момент регистрации первого зондирующего импульса производят его переизлучение из первой базовой плоскости, периодически повторяют операцию переизлучения первого зондирующего импульса, спустя время, отсчитываемое от момента излучения и необходимое для прохождения базового расстояния, производят регистрацию второго зондирующего импульса в четвертой базовой плоскости, в момент регистрации второго зондирующего импульса производят его переизлучение из третьей базовой плоскости, периодически повторяют операцию переизлучения второго зондирующего импульса, в момент одновременной регистрации первого и второго зондирующих импульсов прекращают проведение операций их переизлучения и по количеству регистраций второго зондирующего импульса, произведенных за время проведения одного цикла измерения, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству регистрации, произведенных за время проведения предыдущих циклов измерения, судят о суммарном расходе воды в трубопроводе.

Относительно устройства для реализации способа определения расхода воды в трубопроводе, содержащего исполнительный узел в составе первой измерительной линии, соединяющей первую линию полного давления с первой линией статического давления, и двух ультразвуковых преобразователей, установленных на стенках первой измерительной линии на базовом расстоянии друг от друга, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов, первого генератора зондирующих импульсов, к выходу которого подключен ультразвуковой преобразователь, установленный на стенках первой измерительной линии со стороны первой линии полного давления, второго генератора зондирующих импульсов, двух усилителей, трех электронных ключей и схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов, поставленная задача решается тем, что исполнительный узел снабжен монтажным корпусом, в состав исполнительного узла дополнительно включены вторая измерительная линия, соединяющая вторую линию полного давления со второй линией статического давления, и два ультразвуковых преобразователя, установленных на стенках второй измерительной линии на базовом расстоянии друг от друга, а в состав электронного блока дополнительно включены два диода и логический элемент "И", при этом к выходу второго генератора зондирующих импульсов подключен ультразвуковой преобразователь, установленный на стенках второй измерительной линии со стороны второй линии статического давления, к ультразвуковому преобразователю, установленному на стенках первой измерительной линии со стороны первой линии статического давления, подключен вход первого усилителя, к ультразвуковому преобразователю, установленному на стенках второй измерительной линии со стороны второй линии полного давления, подключен вход второго усилителя, к выходу генератора стандартных импульсов через первый диод подключены отпирающий вход первого электронного ключа и вход первого генератора зондирующих импульсов, а через второй диод - отпирающий вход второго электронного ключа и вход второго генератора зондирующих импульсов, к выходу первого усилителя подключены вход первого электронного ключа, вход и отпирающий вход третьего электронного ключа и первый вход логического элемента, к выходу второго усилителя подключены вход второго электронного ключа и второй вход логического элемента, к выходу логического элемента подключены запирающие входы первого, второго и третьего электронных ключей, к выходу первого электронного ключа подключен вход первого генератора зондирующих импульсов, к выходу второго электронного ключа подключен вход второго генератора зондирующих импульсов, а к выходу третьего электронного ключа подключен вход схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов.

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 способа монтируется на трубопроводе 1 посредством седелки 2. Оно содержит монтажный корпус 3, линии 4, 5 полного давления Р_х воды в трубопроводе, линии 6, 7 статического давления Р_o воды в трубопроводе, исполнительный узел в составе первой измерительной линии 8 с двумя ультразвуковыми преобразователями 9, 10 и второй измерительной линии 11 с двумя ультразвуковыми преобразователями 12, 13, линию связи 14 и электронный блок 15 (фиг.1).

В состав электронного блока включены генератор 16 стандартных импульсов, два генератора 17, 18 зондирующих импульсов, два усилителя 19, 20, два диода 21, 22, три электронных ключа 23-25, логический элемент И 26 и схема 27 регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов (фиг.2).

Способ заключается в следующем.

Предлагаемый способ определения расхода воды в трубопроводе 1 заключается в периодическом контроле скорости V_х потока в двух областях его частичного блокирования в поперечном сечении трубопровода 1. Указанные области задают соответственно первой и второй линиями 4,5 полного давления _х, изогнутыми в направлении, противоположном направлению потока воды в трубопроводе 1. При этом первой и второй измерительными линиями 8 и 11, входящими в состав исполнительного узла устройства, потоки воды из заданных областей частичного блокирования отводят в области продольного сечения трубопровода 1, задаваемые первой и второй линиями 6, 7 статического давления Р_o (фиг.1).

Вдоль первого отведенного потока, протекающего по линиям 4, 6 и 8, на базовом расстоянии L_o друг от друга задают две базовые плоскости, с первой из которых, с плоскостью "А" совмещают рабочую плоскость первого ультразвукового преобразователя 9, а со второй, с плоскостью "В" - рабочую плоскость второго ультразвукового преобразователя 10. В направлении, противоположном направлению второго отведенного потока, протекающего по линиям 5, 7 и 11, на базовом расстоянии L_o друг от друга задают третью и четвертую базовые плоскости "С" и "D", с которыми совмещают рабочие плоскости соответственно третьего и четвертого ультразвукового преобразователя 12 и 13 (фиг.2).

Размещенные в защитном корпусе 3 и установленные на стенках измерительных линии 8 и 11 ультразвуковые преобразователи 9 и 12 предназначены для работы в режиме излучения, а преобразователи 10 и 13 - в режиме приема акустических сигналов, поэтому к выходу первого генератора 17 зондирующих импульсов электронного блока 15 устройства подключают первый ультразвуковой преобразователь 9, установленный на стенках первой измерительной линии 8 со стороны первой линии 4 полного давления Р_х, ко второму ультразвуковому преобразователю 10, установленному на стенках первой измерительной линии 8 со стороны первой линии 6 статического давления Р_o, подключают вход первого усилителя 19, к выходу второго генератора 18 зондирующих импульсов подключают третий ультразвуковой преобразователь 12, установленный на стенках второй измерительной линии 11 со стороны второй линии 7 статического давления Р_o, а к четвертому ультразвуковому преобразователю 13, установленному на стенках второй измерительной линии 11 со стороны второй линии 5 полного давления Р_х, подключают вход второго усилителя 20 (фиг.2).

В начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, генератор 16 вырабатывает стандартный импульс 28, который через первый и через второй диоды 21, 22 отпирает первый и второй электронные ключи 23, 24 и поступает на вход первого и на вход второго генераторов 17, 18 (фиг.2 и 3).

Сформированные генераторами 17, 18 электрические сигналы по линии связи 14 поступают соответственно на первый и на третий ультразвуковые преобразователи 9 и 12. В результате в первой и в третьей базовых плоскостях "А" и "С" одновременно сформируются соответственно первый и второй зондирующие импульсы 29 и 34 (акустические сигналы J₁ и J₂ на фиг.2).

Первый зондирующий импульс 29 (акустический сигнал J₁), излученный в направлении второй базовой плоскости "В", проходит вдоль потока в первой измерительной линии 8 базовое расстояние L_o и, спустя время T₁ после излучения, равное разности значений Т₀ и Т_х (где Т₀ - время, необходимое для прохождения акустическими сигналами J₁ и J₁ расстояния L_o при отсутствии потока, а Т_х - интервал времени по длительности, пропорциональный скорости V_х потока) в виде акустического сигнала 39 достигает вторую базовую плоскость "В", преобразуется вторым ультразвуковым преобразователем 10 в электрический сигнал и по линии 14 связи поступает на вход первого усилителя 19 электронного блока 15.

Соответствующий акустическому сигналу 39 электрический импульс 49, сформированный на выходе усилителя 19, отпирает закрытый в исходном состоянии третий электронный ключ 25 и поступает на первый вход логического элемента 26, а через первый электронный ключ 23 - на вход первого генератора 17 зондирующих импульсов. Генератор 17 посылает очередной электрический сигнал на первый ультразвуковой преобразователь 9. Возбуждаясь, преобразователь 9 в виде акустического сигнала 30 производит первое переизлучение зондирующего импульса 29. При этом периодически повторяющаяся операция переизлучения первого зондирующего импульса 29 сопровождается формированием очередных акустических сигналов 30-33, регистрацией акустических сигналов 40-43 и формированием электрических импульсов 50-53.

Второй зондирующий импульс 34 (акустический сигнал J₂), излученный в направлении четвертой базовой плоскости "D", проходит вдоль потока во второй измерительной линии 11 базовое расстояние L_o и спустя время Т₂ после излучения, равное сумме значений Т₀ и Т_х, в виде акустического сигнала 44 достигает четвертую базовую плоскость "D", преобразуется четвертым ультразвуковым преобразователем 13 в электрический сигнал и по линии 14 связи поступает на вход второго усилителя 20 электронного блока 15. Соответствующий акустическому сигналу 44 электрический импульс 54, сформированный на выходе усилителя 20, поступает на второй вход логического элемента 26, а через второй электронный ключ 24 - на вход второго генератора 18 зондирующих импульсов. Генератор 18 посылает очередной электрический сигнал на третий ультразвуковой преобразователь 12. Возбуждаясь, преобразователь 12 в виде акустического сигнала 35 производит первое переизлучение зондирующего импульса 34. При этом периодически повторяющаяся операция переизлучения второго зондирующего импульса 34 сопровождается формированием очередных акустических сигналов 35-38, регистрацией акустических сигналов 45-48 и формированием электрических импульсов 55-58.

Как показано на фиг.3, при наличии потока в контролируемом трубопроводе 1 электрический импульс 54 запаздывает относительно электрического импульса 49 на время 2Т_х, пропорциональное значению скорости V_х отведенных потоков. После первого переизлучения зондирующих импульсов время запаздывания достигает значения 4Т_х и пропорционально увеличивается с каждым последующим переизлучением до достижения значения 2N_хT_х, равного Т₁, при котором импульсы 53 и 58 поступают соответственно на первый и на второй входы логического элемента И 26 одновременно. Сформированный логическим элементом 26 сигнал запирает электронные ключи 23-25. Проведение операций переизлучения первого и второго зондирующих импульсов 29 и 34 прекращается.

Третий электронный ключ 25, через который схема 27 регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов подключена к первому усилителю 19, предназначен для блокирования входа схемы 27 при отсутствии потока в трубопроводе 1 и открывается электрическим импульсом 49, соответствующим первой регистрации первого зондирующего импульса 29. При равенстве полного и статического давлений _х и Р_o воды в трубопроводе 1 интервалы времени T₁ и Т₂ принимают значение Т₀, поэтому при одновременной регистрации акустических сигналов 39 и 44 (электрические импульсы 49 и 54) сигнал логического элемента 26 посредством электронных ключей 23-25 заблокирует входы первого и второго генераторов 17-18 зондирующих импульсов и вход схемы 27.

При наличии потока в трубопроводе 1 схемой 27 за время проведения одного цикла измерения считываются электрические импульсы 50-53 первого усилителя 19, количество которых равно количеству N_х регистрации второго зондирующего импульса 34 (количеству импульсов 44-48 второго усилителя 20). Поэтому по количеству N_х судят о мгновенном расходе воды в трубопроводе 1, а по суммарному количеству регистрации второго зондирующего импульса 34, произведенных за время проведения предыдущих циклов измерения, судят о суммарном расходе.

Таким образом, по сравнению с известными в предлагаемом способе и устройстве для его реализации количество информационных сигналов (зондирующих импульсов), формируемых в процессе проведения одного цикла измерения, не является величиной постоянной, а напротив определяется значением скорости потока контролируемой среды, что позволяет повысить разрешающую способность.

Формула изобретения

1. Способ определения расхода воды в трубопроводе, заключающийся в том, что в поперечном сечении трубопровода задают первую область частичного блокирования потока, отводят поток из первой области его частичного блокирования в поперечном сечении в заданную область в продольном сечении трубопровода, вдоль отведенного потока на базовом расстоянии друг от друга задают первую и вторую базовые плоскости и в начале первого и последующих циклов измерения, выполняемых через равные интервалы времени, из первой базовой плоскости в направлении второй базовой плоскости излучают зондирующий импульс, отличающийся тем, что в поперечном сечении трубопровода задают вторую область частичного блокирования потока, отводят поток из второй области его частичного блокирования в поперечном сечении в заданную область в продольном сечении трубопровода, в направлении, противоположном направлению отведенного потока, на базовом расстоянии друг от друга задают третью и четвертую базовые плоскости, в начале первого и последующих циклов измерения из третьей базовой плоскости в направлении четвертой базовой плоскости излучают второй зондирующий импульс, спустя время, отсчитываемое от момента излучения и необходимое для прохождения базового расстояния, производят регистрацию первого зондирующего импульса во второй базовой плоскости, в момент регистрации первого зондирующего импульса производят его переизлучение из первой базовой плоскости, периодически повторяют операцию переизлучения первого зондирующего импульса, спустя время, отсчитываемое от момента излучения и необходимое для прохождения базового расстояния, производят регистрацию второго зондирующего импульса в четвертой базовой плоскости, в момент регистрации второго зондирующего импульса производят его переизлучение из третьей базовой плоскости, периодически повторяют операцию переизлучения второго зондирующего импульса, в момент одновременной регистрации первого и второго зондирующих импульсов прекращают проведение операций их переизлучения и по количеству регистрации второго зондирующего импульса, произведенных за время проведения одного цикла измерения, судят о мгновенном расходе, а по суммарному количеству регистраций, произведенных за время проведения предыдущих циклов измерения, судят о суммарном расходе воды в трубопроводе.

2. Устройство для реализации способа определения расхода воды в трубопроводе, содержащее исполнительный узел в составе первой измерительной линии, соединяющей первую линию полного давления с первой линией статического давления, и двух ультразвуковых преобразователей, установленных на стенках первой измерительной линии на базовом расстоянии друг от друга, и электронный блок в составе генератора стандартных импульсов, первого генератора зондирующих импульсов, к выходу которого подключен ультразвуковой преобразователь, установленный на стенках первой измерительной линии со стороны первой линии полного давления, второго генератора зондирующих импульсов, двух усилителей, трех электронных ключей и схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов, отличающееся тем, что исполнительный узел снабжен монтажным корпусом, в состав исполнительного узла дополнительно включены вторая измерительная линия, соединяющая вторую линию полного давления со второй линией статического давления и два ультразвуковых преобразователя, установленных на стенках второй измерительной линии на базовом расстоянии друг от друга, а в состав электронного блока дополнительно включены два диода и логический элемент И, при этом к выходу второго генератора зондирующих импульсов подключен ультразвуковой преобразователь, установленный на стенках второй измерительной линии со стороны второй линии статического давления, к ультразвуковому преобразователю, установленному на стенках первой измерительной линии со стороны первой линии статического давления, подключен вход первого усилителя, к ультразвуковому преобразователю, установленному на стенках второй измерительной линии со стороны второй линии полного давления, подключен вход второго усилителя, к выходу генератора стандартных импульсов через первый диод подключены отпирающий вход первого электронного ключа и вход первого генератора зондирующих импульсов, а через второй диод - отпирающий вход второго электронного ключа и вход второго генератора зондирующих импульсов, к выходу первого усилителя подключены вход первого электронного ключа, вход и отпирающий вход третьего электронного ключа и первый вход логического элемента, к выходу второго усилителя подключены вход второго электронного ключа и второй вход логического элемента, к выходу логического элемента подключены запирающие входы первого, второго и третьего электронных ключей, к выходу первого электронного ключа подключен вход первого генератора зондирующих импульсов, к выходу второго электронного ключа подключен вход второго генератора зондирующих импульсов, а к выходу третьего электронного ключа подключен вход схемы регистрации и индикации значений мгновенного и суммарного расходов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3