ультразвуковой способ измерения расхода воды в трубопроводах преимущественно на дюкерных переходах

Формула изобретения

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 предварительно на доступном сопрягаемом с исследуемым участке трубопровода измеряют скорость распространения акустического сигнала в материале трубопровода - V_зм , затем на созданной акустической базе между двумя доступными противоположными участками исследуемого трубопровода возбуждают акустический сигнал в диапазоне частот 30-100 кГц и измеряют время его прохождения в акустической базе по материалу трубопровода - Т_м, в воде по и против ее потока - Т₁ и Т₂, преобразуют величины измеренных интервалов времени T₁ и Т₂ в обратные величины и с учетом полученных значений V_зм и Т_м определяют скорость потока:

а расход воды за определенный промежуток времени Т с учетом площади поперечного сечения трубопровода S определяют по формуле Q=SV_пТ.

Описание изобретения к патенту

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

Дюкерные переходы (дюкеры) [1] - напорные водоводы - представляют собой стальные 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 проведение 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 отсутствующей в дюкере 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 определения 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 отсутствующей в дюкере 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 обеспечении возможности измерения расхода воды в дюкерном переходе без проведения существенных строительных работ по перекладке водовода.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемого изобретения достигается тем, что в заявляемом способе измерения расхода воды в трубопроводах, преимущественно на дюкерных переходах, использующем 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 определения разности между ними, пропорциональной величине расхода воды, в отличие от известного способа, предварительно на доступном, сопрягаемом с исследуемым участке трубопровода измеряют скорость распространения акустического сигнала в материале трубопровода V_зм, затем на созданной акустической базе между двумя доступными противоположными участками исследуемого трубопровода возбуждают акустический сигнал в диапазоне частот 30-100 кГц и измеряют время его прохождения в акустической базе по материалу трубопровода - Т_м, в воде по и против ее потока - T₁ и T₂, преобразуют величины интервалов времени T₁ и Т₂ в обратные величины и, с учетом полученных значений V_зм и Т_м, 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, сопрягающие дюкер с питающим и питаемым участками трубопроводами. На противоположных концах дюкера устанавливают друг против друга два обратимых ультразвуковых электроакустических преобразователя ультразвукового расходомера-счетчика, образующих акустическую базу дюкера.

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

Предварительно на доступном, сопрягаемом с исследуемым участке трубопровода известной длины с помощью источника и одного или двух приемников акустического сигнала измеряют скорость распространения звука по материалу трубопровода (металлу трубы) - V_зм, величина которой, согласно [7], находится в пределах 5050 -6100 м/с.

При возбуждении ультразвукового сигнала в заполняющей трубопровод воде акустический сигнал одновременно распространяется вдоль по материалу (металлу) трубы и по воде. В акустической базе дюкера длиной L измеряют время прохождения сигнала по материалу трубопровода Т_м и время T₁ и Т₂ прохождения сигнала в воде по и против ее потока соответственно. При прохождении сигнала в воде по ее потоку его скорость сигнала - V_зв увеличивается на скорость потока V_П, а при прохождении сигнала против потока его скорость, соответственно, на скорость потока V _П уменьшается.

где: V_П - скорость потока

Т _м - время прохождения сигнала в акустической базе по материалу трубопровода;

T₁ и Т₂ - время прохождения сигнала по акустической базе в воде, соответственно, по и против ее потока;

V_зм - скорость звука в материале трубопровода;

V_зв - скорость звука в воде;

Как видно, величина скорости потока V_П не зависит от скорости звука в исследуемой водной среде и пропорциональна разности обратных величин интервалов времени прохождения сигналом акустической базы по и против 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 и, в случае дюкерного перехода, будут задерживаться на его искривленных участках.

Ультразвуковые волны в воде на частоте в диапазоне 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 ультразвуковой расходомер-счетчик для измерения скорости потока в реках и каналах [4].

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. Кремлевский П.П.Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1975, с.345-354.

3. Кремлевский П.П.Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1975, с.416-421.

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. Таблица физических величин. Справочник под ред. Кокоина И.К. М.: Атомиздат, 1976. С.86.