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

 

Изобретения предназначены для учета производительности магистральных трубопроводов. По измерительной трубке отводят поток из области его частичного блокирования линией полного давления в область продольного сечения потока. С помощью двух ультразвуковых преобразователей, установленных на измерительной трубке, задают по две плоскости излучения и регистрации зондирующих импульсов. В начале очередного цикла измерения формируют первый зондирующий импульс, в момент достижения которым плоскостей регистрации формируют передний и задний фронты информационного сигнала. В первой плоскости излучения формируют второй зондирующий импульс, в момент достижения которым первой плоскости регистрации формируют стандартные и счетные импульсы. В момент регистрации заданного стандартного импульса прекращают формирование указанных импульсов и по количеству счетных импульсов судят о мгновенном расходе. Период следования стандартных импульсов выбирают пропорциональным длительности информационного сигнала, а период следования счетных импульсов корректируют в зависимости от длительности интервала между моментом излучения первого зондирующего импульса и моментом регистрации второго зондирующего импульса. Изобретения обеспечивают повышение разрешающей способности. 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 [2].

Устройство для реализации известного способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра содержит датчик скорости, установленный на несущей трубе с обеспечением возвратно-поступательного смещения вдоль потока воды в трубопроводе, электромеханический блок, связанный с датчиком скорости посредством контактной системы, и вторичный прибор в составе схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования последовательности стандартных импульсов, схемы формирования кратковременных импульсов, схемы учета первого информационного импульса и схемы считывания.

Недостатком известного способа и устройства для его реализации является зависимость разрешающей способности 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 разрешающей способности.

Поставленная цель достигается тем, 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, 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 очередного цикла измерения одновременно в первой и второй плоскостях излучения формируют первый зондирующий импульс, который посылают в направлении первой и в направлении второй плоскостей регистрации, в момент достижения первым зондирующим импульсом первой плоскости регистрации формируют передний фронт информационного сигнала, в момент достижения первым зондирующим импульсом второй плоскости регистрации формируют задний фронт информационного сигнала и производят в первой плоскости излучения формирование второго зондирующего импульса, в момент достижения вторым зондирующим импульсом первой плоскости регистрации приступают к формированию последовательности стандартных импульсов и к формированию последовательности счетных импульсов, регистрируют последовательность стандартных импульсов и в момент регистрации заданного по порядковому номеру стандартного импульса прекращают формирование указанных последовательностей, считывают количество счетных импульсов, сформированных за время проведения очередного цикла измерения, и по результату считывания судят о мгновенном расходе, суммируют счетные импульсы, сформированные при проведении очередного цикла измерения, со счетными импульсами, сформированными при проведении предыдущих циклов измерения, и по результату суммирования судят о суммарном расходе, при этом, значение периода следования стандартных импульсов выбирают пропорциональным длительности информационного сигнала, а значение периода следования счетных импульсов предварительно корректируют в зависимости от длительности интервала времени между моментом излучения первого зондирующего импульса и моментом регистрации второго зондирующего импульса.

Относительно устройства для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащего датчик скорости и вторичный прибор в составе схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования последовательности стандартных импульсов и схемы считывания, поставленная задача решается тем, что в состав датчика скорости включены корпус, смонтированный на трубопроводе, измерительная трубка, соединяющая подведенные к корпусу линию полного давления и линию статического давления в трубопроводе, и установленные в корпусе на стенках измерительной трубки на базовом расстоянии друг от друга первый и второй ультразвуковые преобразователи, а в состав вторичного прибора дополнительно включены схема запуска и схема формирования последовательности счетных импульсов, при этом в состав схемы формирования информационных сигналов вторичного прибора включены первый генератор импульсов, к первому выходу которого подключен первый ультразвуковой преобразователь, размещенный перед линией полного давления, второй генератор импульсов, к первому выходу которого подключен второй ультразвуковой преобразователь, размещенный перед линией статического давления, первый электронный ключ, вход и отпирающий вход которого подключены соответственно к первому и второму выходам первого генератора импульсов, второй электронный ключ, вход и отпирающий вход которого подключены соответственно к первому и второму выходам второго генератора импульсов, первый усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу первого электронного ключа, а к выходу подключены запирающий вход первого электронного ключа и вход первого генератора импульсов, второй усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа, третий электронный ключ, вход которого соединен с запирающим входом второго электронного ключа и подключен к выходу второго усилителя-формирователя, четвертый электронный ключ, вход которого соединен со входом третьего электронного ключа, и диод, через который вход первого генератора импульсов подключен к выходу схемы запуска, в состав схемы формирования последовательности стандартных импульсов включены первый триггер, первый установочный вход которого соединен с запирающим входом третьего электронного ключа, с отпирающим входом четвертого электронного ключа и подключен к выходу третьего электронного ключа, а второй установочный вход подключен к выходу первого усилителя-формирователя, и первый ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу первого триггера, в состав схемы формирования последовательности счетных импульсов включены второй триггер, первый установочный вход которого соединен со входом второго генератора импульсов и подключен к выходу схемы запуска, а второй установочный вход соединен с запирающим входом четвертого электронного ключа, с отпирающим входом третьего электронного ключа и подключен к выходу четвертого электронного ключа, и второй ждущий мультивибратор, первый установочный вход которого соединен с первым установочным входом первого ждущего мультивибратора и подключен к выходу четвертого электронного ключа, а управляющий вход подключен к выходу второго триггера, а в состав схемы считывания включены первый счетчик, вход которого подключен к выходу первого ждущего мультивибратора, второй счетчик, вход сброса показаний которого соединен со вторым установочным входом первого ждущего мультивибратора, со вторым установочным входом второго ждущего мультивибратора и подключен к выходу первого счетчика, и третий счетчик, вход которого соединен со входом второго счетчика и подключен к выходу второго ждущего мультивибратора.

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

Устройство для реализации способа монтируется на трубопроводе 1 посредством седелки 2. В состав его датчика скорости включены линия 3 полного давления, линия 4 статического давления, измерительная трубка 5 и корпус 6, в котором установлены первый и второй ультразвуковые преобразователи 7-8 (фиг. 1).

Вторичный прибор 9, подключенный к датчику скорости устройства посредством линии 10 связи, содержит схему 11 запуска, схему формирования информационных сигналов в составе первого и второго генераторов 12 и 13 импульсов, первого и второго электронных ключей 14 и 15, первого и второго усилителей-формирователей 16 и 17, третьего и четвертого электронных ключей 18 и 19 и диода 20, схему формирования последовательности стандартных импульсов в составе первого триггера 21 и первого ждущего мультивибратора 22, схему формирования последовательности счетных импульсов в составе второго триггера 23 и второго ждущего мультивибратора 24 и схему считывания в составе первого, второго и третьего счетчиков 25, 26 и 27 (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 3 полного давления Px, изогнутой в направлении, противоположном направлению потока. При этом линией 4 статического давления задают область продольного сечения потока, которую посредством измерительной трубки 5 соединяют с линией 3 полного давления (фиг. 1).

Вдоль потока, протекающего по измерительной трубке 5, и на базовом расстоянии L₀ друг от друга задают базовые плоскости, с первой из которых совмещают рабочую плоскость первого ультразвукового преобразователя 7, а со второй - рабочую плоскость второго ультразвукового преобразователя 8.

Установленные на стенках измерительной трубки 5 ультразвуковые преобразователи 7-8 предназначены для работы как в режиме излучения, так и в режиме приема акустических сигналов, поэтому рабочую плоскость первого преобразователя 7 принимают за первую плоскость излучения и вторую плоскость регистрации зондирующих импульсов, а рабочую плоскость второго преобразователя 8 - за первую плоскость регистрации и за вторую плоскость излучения указанных импульсов.

В начале очередного цикла измерения электрический импульс 28 схемы 11 запуска поступает на первый установочный вход второго триггера 23, приступающего к формированию строба 40. Кроме того импульс 28 поступает на вход первого и вход второго генераторов 12 и 13, которые срабатывают и возбуждают ультразвуковые преобразователи 7 и 8 (фиг. 2). В результате, одновременно в первой и во второй плоскостях излучения датчика скорости сформируется первый зондирующий импульс 29, который в виде акустического сигнала J₁ посылают в направлении первой, а в виде сигнала J₂ - в направлении второй плоскостей регистрации.

Акустический сигнал J₁ проходит вдоль потока воды в измерительной трубке 5 базовое расстояние L₀ между ультразвуковыми преобразователями 7-8 и спустя время (T₀-T_v) после излучения (где T₀ - время прохождения зондирующим импульсом расстояния L₀ при отсутствии потока, а T_v - приращение к значению T₀, пропорциональное скорости потока) в виде акустического сигнала 31 достигает первую плоскость регистрации, преобразуется вторым ультразвуковым преобразователем 8 в электрический и через второй электронный ключ 15 поступает на вход второго усилителя-формирователя 17. Соответствующий сигналу 31 электрический импульс 34 с выхода усилителя 17 поступает на запирающий вход второго электронного ключа 15 и на вход открытого в исходном состоянии третьего электронного ключа 18, запирает указанный ключ за собой, отпирает четвертый ключ 19 и поступает на первый установочный вход первого триггера 21, формирующего передний фронт информационного сигнала 38.

Акустический сигнал J₂, излученный в направлении второй плоскости регистрации, распространяется в измерительной трубке 5 против потока. Поэтому вторую плоскость регистрации он в виде акустического сигнала 32 достигает спустя время (T₀+T_v) после момента излучения. Преобразованный ультразвуковым преобразователем 7 в электрический, сигнал 32 через первый электронный ключ 14 поступает на вход первого усилителя-формирователя 16. Соответствующий сигналу 32 электрический импульс 35 с выхода усилителя 16 поступает на запирающий вход первого электронного ключа 14 и на второй установочный вход первого триггера 21. В момент возвращения в исходное состояние триггер 21 формирует задний фронт информационного сигнала 38. Поступая на управляющий вход первого ждущего мультивибратора 22, информационный сигнал 38 своей длительностью 2T_v задает значение периода следования стандартных импульсов 39 ждущего мультивибратора 22 пропорциональным скорости потока в трубопроводе 1.

Электрический импульс 35 направляют также на вход первого генератора 12, подключенного к первому ультразвуковому преобразователю 7 и, тем самым, производят в первой плоскости излучения формирование второго зондирующего импульса 30. Спустя время (T₀-T_v) импульс 30 в виде акустического сигнала 33 достигает первой плоскости регистрации, преобразуется в электрический, усиливается и в виде импульса 36 поступает через четвертый электронный ключ 19 на второй установочный вход второго триггера 23, формирующего задний фронт строба 40. Кроме того, электрический импульс 38 закрывает за собой электронный ключ 19, открывает третий электронный ключ 18 и поступает на первые установочные входы ждущих мультивибраторов 22 и 24. При этом первый мультивибратор 22 приступает к формированию последовательности стандартных импульсов 39, а второй мультивибратор 24 - к формированию последовательности счетных импульсов 41 (42).

Последовательность стандартных импульсов 39 регистрируют первым счетчиком 25, подключенным к выходу мультивибратора 22. В момент регистрации заданного по порядковому номеру N₀ стандартного импульса на выходе счетчика 25 формируется импульс 37 переполнения, поступающий на вторые установочные входы ждущих мультивибраторов 22 и 24, формирование которыми указанных последовательностей прекращается. Первый (второй) цикл измерения заканчивается. Спустя время T_t после его начала схемой 11 запуска формируют очередной импульс 28 и приступают к проведению следующего цикла.

Вторым счетчиком 26 считывают количество N_x(N'_x) счетных импульсов 41 (42), сформированных за время 2N₀T_v (2N₀T'_v) работы ждущего мультивибратора 22 при проведении очередного цикла измерения. По результату считывания судят о мгновенном расходе воды в трубопроводе 1. Показания счетчика 26 при завершении каждого цикла сбрасывают импульсом 37 переполнения первого счетчика 25.

Третьим счетчиком 27 производят суммирование счетных импульсов 42, сформированных при проведении очередного (второго на фиг. 3) цикла измерения, со счетными импульсами 41, сформированными при проведении предыдущих (первого на фиг. 3) циклов, и по результату суммирования судят о суммарном расходе.

Таким образом, предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, позволяет определять мгновенный и суммарный расходы воды в трубопроводах большого диаметра не по номеру поддиапазона скоростей потока, рекомендуемых для выбранного диаметра магистрального трубопровода, а по количеству дискретных импульсов в периодически формируемой 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 в 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 с второй базовой плоскостью первую плоскость регистрации и вторую плоскость излучения зондирующих импульсов и в начале очередного цикла измерения одновременно в первой и второй плоскостях излучения формируют первый зондирующий импульс, который посылают в направлении первой и в направлении второй плоскостей регистрации, в момент достижения первым зондирующим импульсом первой плоскости регистрации формируют передний фронт информационного сигнала, в момент достижения первым зондирующим импульсом второй плоскости регистрации формируют задний фронт информационного сигнала и производят в первой плоскости излучения формирование второго зондирующего импульса, в момент достижения вторым зондирующим импульсом первой плоскости регистрации приступают к формированию последовательности стандартных импульсов и к формированию последовательности счетных импульсов, регистрируют последовательность стандартных импульсов и в момент регистрации заданного по порядковому номеру стандартного импульса прекращают формирование указанных последовательностей, считывают количество счетных импульсов, сформированных за время проведения очередного цикла измерения, и по результату считывания судят о мгновенном расходе, суммируют счетные импульсы, сформированные при проведении очередного цикла измерения, со счетными импульсами, сформированными при проведении предыдущих циклов измерения, и по результату суммирования судят о суммарном расходе, при этом значение периода следования стандартных импульсов выбирают пропорциональным длительности информационного сигнала, а значение периода следования счетных импульсов предварительно корректируют в зависимости от длительности интервала времени между моментом излучения первого зондирующего импульса и моментом регистрации второго зондирующего импульса.

2. Устройство для реализации способа определения расхода воды в трубопроводах большого диаметра, содержащее датчик скорости и вторичный прибор в составе схемы формирования информационных сигналов, схемы формирования последовательности стандартных импульсов и схемы считывания, отличающееся тем, что в состав датчика скорости включены корпус, смонтированный на трубопроводе, измерительная трубка, соединяющая подведенные к корпусу линию полного давления и линию статического давления в трубопроводе, и установленные в корпусе на стенках измерительной трубки на базовом расстоянии друг от друга первый и второй ультразвуковые преобразователи, а в состав вторичного прибора дополнительно включены схема запуска и схема формирования последовательности счетных импульсов, при этом в состав схемы формирования информационных сигналов вторичного прибора включены первый генератор импульсов, к первому выходу которого подключен первый ультразвуковой преобразователь, размещенный перед линией полного давления, второй генератор импульсов, к первому выходу которого подключен второй ультразвуковой преобразователь, размещенный перед линией статического давления, первый электронный ключ, вход и отпирающий вход которого подключены соответственно к первому и второму выходам первого генератора импульсов, второй электронный ключ, вход и отпирающий вход которого подключены соответственно к первому и второму выходам второго генератора импульсов, первый усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу первого электронного ключа, а к выходу подключены запирающий вход первого электронного ключа и вход первого генератора импульсов, второй усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа, третий электронный ключ, вход которого соединен с запирающим входом второго электронного ключа и подключен к выходу второго усилителя-формирователя, четвертый электронный ключ, вход которого соединен с входом третьего электронного ключа, и диод, через который вход первого генератора импульсов подключен к выходу схемы запуска, в состав схемы формирования последовательности стандартных импульсов включены первый триггер, первый установочный вход которого соединен с запирающим входом третьего электронного ключа, с отпирающим входом четвертого электронного ключа и подключен к выходу третьего электронного ключа, а второй установочный вход подключен к выходу первого усилителя-формирователя, и первый ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу первого триггера, в состав схемы формирования последовательности счетных импульсов включены второй триггер, первый установочный вход которого соединен с входом второго генератора импульсов и подключен к выходу схемы запуска, а второй установочный вход соединен с запирающим входом четвертого электронного ключа, с отпирающим входом третьего электронного ключа и подключен к выходу четвертого электронного ключа, и второй ждущий мультивибратор, первый установочный вход которого соединен с первым установочным входом первого ждущего мультивибратора и подключен к выходу четвертого электронного ключа, а управляющий вход подключен к выходу второго триггера, а в состав схемы считывания включены первый счетчик, вход которого подключен к выходу первого ждущего мультивибратора, второй счетчик, вход сброса показаний которого соединен с вторым установочным входом первого ждущего мультивибратора, с вторым установочным входом второго ждущего мультивибратора и подключен к выходу первого счетчика, и третий счетчик, вход которого соединен с входом второго счетчика и подключен к выходу второго ждущего мультивибратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3