Ультразвуковой способ измерения расхода воды в трубопроводах, преимущественно на дюкерных переходах

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода воды в скрытых трубопроводах большого диаметра с малой скоростью потока, таких, как в находящихся в эксплуатации дюкерных переходах. На исследуемом трубопроводе создают две акустические базы: основную - между двумя доступными противоположными участками трубопровода, и дополнительную с фиксированной длиной на доступном прямолинейном участке питающей или питаемой сети трубопровода. На дополнительной базе определяют скорость распространения акустического сигнала в воде. Останавливают движение воды в трубопроводе, измеряют время прохождения сигнала, возбужденного в диапазоне частот 30-100 кГц, по основной базе и с учетом ранее определенной скорости распространения сигнала в воде определяют длину L основной базы. Возобновляют движение воды в трубопроводе, измеряют время прохождения T₁ и Т₂ такого же сигнала по и против потока в основной базе. По разности обратных величин интервалов времени T₁ и Т₂ и длине L определяют скорость потока, по которой затем определяют расход воды за определенный промежуток времени. Изобретение обеспечивает возможность измерения расхода в действующем дюкерном переходе с помощью стандартного ультразвукового расходомера - счетчика без существенных строительных работ по перекладке береговой части водовода.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода воды в скрытых протяженных трубопроводах большого диаметра с малой скоростью потока, таких, как в находящихся в эксплуатации дюкерных переходах.

Дюкерные переходы (дюкеры) [1] - напорные водоводы представляют собой трубопроводы большого диаметра, прокладываемые, как правило, в городах под руслом или по дну реки или канала, а в береговой зоне под набережными на глубине 3-7 м. Скорость потока в дюкере имеет малую скорость и может быть ниже 0,3 м/с.

Известны средства измерения расхода воды в трубопроводах большого диаметра с малой скоростью потока, такие, например, как тахометрические [2] или кариолисовые [3]. Однако в случае дюкерного перехода, тем более находящегося в эксплуатации, монтаж известных средств измерения скорости потока потребует прекращения работы дюкера на длительный период и проведения существенных строительных работ по перекладке береговой части водовода.

Известен ультразвуковой способ измерения скорости потока в реках и каналах и устройство для его осуществления [4] с разнесенными по разным берегам двумя парами преобразователей, блоком измерения и управления.

Известный способ использует зондирование исследуемого потока ультразвуковыми импульсами по двум траекториям под разными углами к вектору скорости потока и измерение времени прохождения сигналов.

Известный способ не может быть использован для решения указанной ниже поставленной задачи, однако устройство для его осуществления может обеспечить достижение указанного ниже технического результата при реализации заявляемого способа.

Известен ультразвуковой способ измерения малых расходов жидкости, т.е. с малой скоростью потока, реализуемый устройством [5]. Способ основан на определении скорости потока жидкости путем измерения времени прохождения ультразвуковым сигналом равных расстояний по потоку и против него в акустической базе на искусственно созданном прямолинейном участке трубопровода с подводящим и отводящим патрубками. Учитывая, что при малых расходах жидкости, при скоростях потока меньше 1 м/с, и незначительной длине акустической базы разница времен прохождения ультразвуковых колебаний по и против потока ничтожно мала, поэтому для достижения необходимой точности скорость потока определяют по сдвигам фаз сигналов, излученных по и против потока.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что его реализация предусматривает наличие доступной прямолинейной акустической базы известной длины со сформированным потоком.

Известен также ультразвуковой расходомер [6], реализующий ультразвуковой способ измерения расхода жидкости, который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого способа.

Известный способ использует измерение скорости потока путем посылки и измерения времени прохождения сигналов по и против потока в пределах акустической базы, преобразование интервалов времени в обратные величины и определение разности между ними, которая пропорциональна величине расхода и не зависит от скорости звука в среде.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что его реализация предусматривает наличие доступной прямолинейной акустической базы известной длины со сформированным потоком.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание средства измерения расхода воды в дюкерных переходах без проведения существенных строительных работ по перекладке водоводов.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в обеспечения возможности измерения расхода воды в дюкерном переходе стандартным ультразвуковым расходомером-счетчиком в реках и каналах без проведения существенных строительных работ по перекладке водоводов.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемого изобретения достигается тем, что в заявляемом способе измерения расхода воды в трубопроводах, преимущественно на дюкерных переходах, использующий измерение скорости потока путем посылки и измерения времени прохождения сигналов по и против потока в пределах акустической базы, преобразование величин этих интервалов времени в обратные величины и определение разности между ними, пропорциональной величине расхода воды, в отличие от известного способа создают две акустические базы - основную - между двумя доступными противоположными участками исследуемого трубопровода и дополнительную с фиксированной длиной на доступном прямолинейном участке сети трубопровода, на дополнительной акустической базе определяют скорость распространения акустического сигнала в воде, затем останавливают движение воды в исследуемом трубопроводе, измеряют время прохождения сигнала, возбужденного в диапазоне частот 30-100 кГц по основной акустической базе, и с учетом ранее определенной скорости распространения сигнала в воде определяют длину основной акустической базы L, затем возобновляют движение воды в трубопроводе, измеряют время прохождения такого же сигнала по и против потока воды в основной акустической базе - Т₁ и Т₂ и по разности обратных величин этих интервалов времени и длине основной акустической базы определяют скорость потока , а расход воды за определенный промежуток времени Т с учетом площади поперечного сечения трубопровода S определяют по формуле: Q=SV_пT.

Исследуемый трубопровод - дюкерный переход (дюкер), проложенный по дну реки или канала, имеет искривленные участки и сопрягающие дюкер с участками трубопровода в береговых зонах, которые, в свою очередь, соединены, соответственно, с питающей и питаемой сетью. На противоположных концах дюкера установлены друг против друга два обратимых ультразвуковых электроакустических преобразователя и ультразвукового расходомера-счетчика. Аналогичные преобразователи и установлены также на заданном расстоянии друг от друга на доступном прямолинейном участке, например, питаемой сети. Обе пары электроакустических преобразователей образуют, соответственно, основную и дополнительную акустические базы.

Заявляемый ультразвуковой способ измерения расхода воды на дюкерных переходах реализуется следующим образом.

На дополнительной акустической базе известной длины l в питаемой сети, заполненной водой с такой же температурой и химическим составом, как и в дюкере измеряют время τ₁ и τ₂ прохождения сигнала между электроакустическими преобразователями по и против потока воды, и, используя известную длину l дополнительной акустической базы, определяют скорость v распространения сигнала в воде .

Далее останавливают движение воды в дюкере и, учитывая, что скорость распространения по металлу больше, чем по воде, пропускают сигнал, пришедший по металлу, начинают измерять время Т_нв прохождения сигнала по основной акустической базе в воде и определяют длину основной акустической базы L=vT_нв с учетом ранее определенной скорости v распространения сигнала в воде.

Затем возобновляют движение воды в дюкере и измеряют время прохождения сигнала T₁ и Т₂, соответственно, по и против потока воды в основной акустической базе.

При прохождении сигнала в среде по потоку его скорость в акустической базе длиной L увеличивается на скорость V_п потока, а при прохождении сигнала против потока его скорость, соответственно, на скорость потока уменьшается.

Таким образом, по разности обратных величин и и ранее определенной длине L основной акустической базы 12 определяют скорость потока:

Расход воды Q в дюкерном переходе за определенный промежуток времени Т с учетом площади поперечного сечения трубопровода S определяют по формуле: Q=SV_пT.

Диапазон частот ультразвуковых колебаний ультразвуковых расходомеров составляет 30 кГц - 10 мГц, что соответствует длине волны в воде 50-0,15 мм.

Ультразвуковые волны в воде на частоте выше 100 кГц являются направленными и распространяются прямолинейно, поэтому в дюкерном переходе будут задерживаться на его искривленных участках.

Ультразвуковые волны в воде на частоте 30-100 кГц имеют сферическую форму и будут распространяться в соответствии с профилем водовода по всему дюкерному переходу с одного берега на другой, что позволит измерить среднюю скорость потока по всему водоводу.

В качестве устройства для измерения расхода воды на дюкерных переходах может быть использован - на основной акустической базе серийный ультразвуковой расходомер-счетчик для измерения скорости потока в реках и каналах, имеющий рабочую частоту 30-100 кГц, например [4], а на дополнительной - стандарный ультразвуковой расходомер импульсновременного принципа действия [7] для измерения скорости звука в воде.

Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.

Источники информации

1. Политехнический словарь. М.: «Советская энциклопедия», 1976, с.155.

2. Микрокомпьютерный расходомер-скоростемер. паспорт МКРС ЮАКС №407262.001 ПС.

3. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. «Машиностроение», 1989, с.348.

4. SU 1224586 А, кл. G 01 F 1/66, 15.03.86.

5. SU 918790, кл. G 01 F 1/66, 07.04.82.

6. DE 2431346, кл. G 01 F 1/66, 1976.

7. Расходомер-счетчик ультразвуковой «Взлет PC» (УРСВ-010М). B35.30-00.00 ТУ.

Ультразвуковой способ измерения расхода воды в трубопроводах, преимущественно на дюкерных переходах, использующий измерение скорости потока путем посылки и измерения времени прохождения сигналов по и против потока в пределах акустической базы, преобразование величин этих интервалов времени в обратные величины и определение разности между ними, пропорциональной величине расхода воды, отличающийся тем, что создают две акустические базы - основную между двумя доступными противоположными участками исследуемого трубопровода и дополнительную с фиксированной длиной на доступном прямолинейном участке питающей или питаемой сети трубопровода, на дополнительной акустической базе определяют скорость распространения акустического сигнала в воде, затем останавливают движение воды в исследуемом трубопроводе, измеряют время прохождения сигнала, возбужденного в диапазоне частот 30-100 кГц по основной акустической базе, и с учетом ранее определенной скорости распространения сигнала в воде определяют длину основной акустической базы L, затем возобновляют движение воды в трубопроводе, измеряют время прохождения такого же сигнала по и против потока в основной акустической базе T₁ и Т₂ и по разности обратных величин этих интервалов времени и длине основной акустической базы L определяют скорость потока , а расход воды за определенный промежуток времени Т с учетом площади поперечного сечения трубопровода S определяют по формуле Q=SV_пT.