УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ В ОТКРЫТЫХ КАНАЛАХ
DEVICE TO MEASURE LIQUID FLOW IN OPEN CANALS

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к области водоизмерения и водоучета в гидромелиоративных системах, в частности к устройствам ультразвукового типа для измерения расхода жидкости (воды) с переменным уровнем в открытых каналах, и может быть использовано на гидромелиоративных и водохозяйственных системах.
Известно множество устройств различного типа, предназначенных для измерения объемного расхода жидкости в каналах, ненапорных трубопроводах большого сечения и сточных лотках (Пат. РФ №2307327, кл. G01F 1/52, 2005; Пат. РФ №2375681, кл. G01F 1/52, 2008; Пат. РФ №2380657, кл. G01F 1/52, 2008; Пат. РФ №2069314, кл. G01F 1/66, 1993; Пат. РФ №2112928, кл. G01F 1/66, 1995).
В известном расходомере жидких сред в открытых водоемах (Пат. РФ №2375681) на каретке механизма дистанционного управления положением расходомера по ширине водоема, установленной с возможностью перемещения посредством соответствующего механизма вдоль штанги, концы которой зафиксированы в стойках, установленных на бермах открытого водоема, смонтированы блок измерения уровня и блок измерения средней скорости потока жидкости. Блок измерения уровня жидкости выполнен в виде объемного четырехзвенного параллелограммного механизма, поплавка и чувствительного элемента в виде линейного реохорда. Блок измерения средней скорости потока жидкости содержит вертикальные и горизонтальные лопасти, в точке пересечения которых размещены чувствительные элементы в виде мембран, сопряженных с тензорезисторными датчиками. Лопасть смонтирована в полой втулке параллелограммного механизма, в нижней части которой размещен поплавок. Чувствительные элементы связаны с электронным блоком приема и обработки электрических сигналов.
Расходомер жидких сред, в открытых водоемах и водотоках (Пат. РФ №2380657) содержит блок измерения уровня жидкости, блок измерения средней скорости потока жидкости, электронный блок приема и обработки сигналов. Блоки измерения уровня и средней скорости потока жидкости размещены между понтоном и балластом. Блок измерения средней скорости потока жидкости выполнен в виде смонтированных посредством осей и дистанционных втулок шарнирных параллелограммных механизмов, между которыми посредством штанг, неподвижных и подвижных муфт установлены гидрометрические вертушки. В диаметральной плоскости корпуса каждой вертушки установлены постоянные ферромагниты, а в сквозных каналах каждой неподвижной муфты размещены нормально разомкнутые и/или нормально замкнутые магнитоуправляемые контакты. Блок измерения уровня жидкости выполнен в виде двойного линейного реохорда. Балласт для погружения и фиксации в донной части водоема или водотока блока измерения средней скорости потока жидкости выполнен в виде емкости обтекаемой формы, соединенной с концами тяг параллелограммных механизмов и нижним концом каната механизма подъема балласта, смонтированного на понтоне.
Достоинством известных расходомеров является их высокая информативность, обусловленная возможностью производить замеры средней скорости потока жидкости по всей высоте канала или водотока с учетом положения расходомера по ширине водоема. Недостаток их заключается в невысокой точности измерений из-за передачи данных за счет механических приспособлений, а также сложности измерительной системы, конструкции расходомера в целом, трудоемкости подготовки его к работе и эксплуатации.
Хорошо известен класс расходомеров ультразвукового типа, принцип действия которых основан на эффекте Доплера, а также класс расходомеров на основе метода бокового сноса узкого звукового луча. При доплеровском методе звуковая волна, распространяясь по или против течения жидкости на заданном отрезке пути, приобретает временной сдвиг, а также фазовый и частотный набеги, которые пропорциональны скорости потока. Из этих данных расчетным путем определяется объемный расход жидкости. В случае использования второго указанного ультразвукового метода скорость потока находится по величине бокового сноса звукового луча за время поперечного прохождения через слой движущейся жидкости.
Известен расходомер жидкости (Пат. РФ. №2069314, кл. G01F 1/66, 1993), содержащий устройство измерения скорости, включающее по меньшей мере одну пару приемопередающих датчиков, устройство измерения уровня жидкости, включающее по меньшей мере один приемопередающий датчик, связанные с прибором для формирования ультразвуковых импульсов в датчиках и вычисления и отображения информации о расходе. Расходомер жидкости снабжен измерительным каналом, ограниченным стенками желобчатого корпуса, в котором в горизонтальной плоскости размещены приемопередающие датчики и который устанавливают на дно в поток жидкости. Устройство измерения уровня жидкости снабжено отражателем ультразвуковых сигналов, установленным на противоположной от приемопередающего датчика стенке измерительного канала под углом 45°. Измерение ультразвукового сигнала производят под углом к направлению потока жидкости и против направления потока, а при измерении уровня жидкости ультразвуковой сигнал излучают в горизонтальной плоскости на отражатель и далее снизу к поверхности жидкости, измерение уровня жидкости и вычисление скорости и расхода производят в горизонтальной плоскости в измерительном канале трубопровода.
Недостатком известного расходомера является низкая точность измерения скорости потока жидкости, обусловленная тем, что измерение осуществляют только в нижней части потока, пренебрегая различием скорости по глубине, а также проявление значительных погрешностей измерений, так как желобчатый корпус с приемопередающими датчиками, устанавливаемый на дно в поток жидкости, требует твердого и ровного дна канала, его крепление на дне канала должно быть неподвижно, без допуска колебаний устройства.
Известен расходомер жидкости (Пат. РФ №2112928, кл. G01F 1/66, 1995, прототип), включающий измерительный модуль, устройство измерения скорости потока жидкости, содержащее по меньшей мере одну пару приемопередающих датчиков, и устройство измерения высоты уровня жидкости, содержащее по меньшей мере один приемопередающий датчик, связанные с прибором для управления формированием ультразвуковых импульсов, вычисления и отображения информации о расходе. Измерительный модуль выполнен в виде лотка, на разных боковых сторонах которого закреплены приемопередающие датчики устройства измерения скорости потока, а устройство измерения высоты уровня жидкости выполнено в виде функционального узла, закрепленного на основании лотка и представляющего собой брусок из твердого проницаемого для ультразвука материала, в котором герметично вмонтирован приемопередающий датчик и выполнена отражающая ультразвук поверхность. Измерение расхода текущих жидкостей в открытых и закрытых потоках с переменным уровнем включает определение времени распространения ультразвуковых импульсов под углом к направлению потока по и против течения, по которому вычисляют среднюю скорость потока. Высоту уровня жидкости определяют путем пропускания ультразвуковых импульсов через твердую среду, находящуюся в потоке, в направлении поверхности жидкости.
Недостатком известного расходомера, как и предыдущего, является значительная погрешность измерения средней скорости жидкости, обусловленная тем, что не учитывается различие скорости потока жидкости по глубине и ширине канала, а также - погрешность измерения уровня жидкости с изменением ее уровня за счет временного сдвига ультразвукового сигнала вследствие возникающих в потоке жидкости водоворотов и завихрений.
Задача, решаемая заявленным изобретением, заключается в получении достоверных и оперативных сведений, повышении точности измерения расхода жидкости (воды) с переменным уровнем в открытых каналах гидромелиоративных и водохозяйственных систем.
Технический результат от решения поставленной задачи заключается в повышении точности водоучета гидромелиоративных систем, результаты которого могут быть направлены на разработку мер по улучшению действия дренажа и повышению эффективности использования дренируемых минеральных почвогрунтов, а также при совершенствовании проектирования, строительства и эксплуатации дренажных систем.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения расхода жидкости в открытых каналах, содержащем блок измерения средней скорости потока жидкости, включающем по меньшей мере пару приемопередающих датчиков, и блок измерения уровня жидкости, включающем по меньшей мере один приемопередающий датчик, связанные с устройством для управления формированием ультразвуковых импульсов, вычисления и отображения информации о расходе жидкости, блок измерения средней скорости потока жидкости выполнен в виде двух телескопических штанг, одна из которых установлена на боковой стенке канала и имеет шарнирное соединение с закрепленным на берме канала основанием с возможностью определения угла наклона откоса к горизонту и снабжена ультразвуковыми приемопередающими датчиками по всей ее длине с возможностью регулирования их положения, другая телескопическая штанга установлена горизонтально в одной вертикальной плоскости с первой телескопической штангой, при этом один ее конец снабжен барабаном ручной лебедки и закреплен, например, на штативе, установленном на берме канала, на другом конце телескопической штанги установлен направляющий блок для перемещения троса фиксированной длины с грузом на конце и с отражателями ультразвуковых импульсов, установленными на тросе, причем ультразвуковые приемопередающие датчики установлены в одной горизонтальной плоскости с отражателями ультразвуковых импульсов на расстоянии друг от друга, равном расстоянию между отражателями ультразвуковых импульсов, а блок измерения уровня жидкости выполнен в виде установленного на горизонтальной телескопической штанге ультразвукового приемопередающего датчика, кроме того, обе телескопические штанги установлены с возможностью перемещения их вдоль канала.
Конструкция блока измерения средней скорости потока жидкости проста и позволяет производить измерение средней скорости потока жидкости одновременно в нескольких параллельных горизонтальных плоскостях, расположенных одна над другой по глубине канала, используя при этом расходомеры ультразвукового типа. Среднюю скорость потока жидкости определяют как среднюю скорость от суммарной средней скорости в каждой параллельной горизонтальной плоскости, расположенной одна над другой по глубине канала, при этом задают расстояние прохождения импульсами по потоку и против потока жидкости и по ширине канала. Кроме того, установленный на горизонтальной телескопической штанге ультразвуковой приемопередающий датчик позволяет одновременно производить и измерение уровня потока жидкости. Таким образом, учитывая различие скорости потока жидкости по глубине и ширине канала, удается получить достоверные и оперативные сведения, а используя для этой цели ультразвуковые приемопередающие датчики - повысить точность измерения расхода жидкости с переменным уровнем в открытых каналах гидромелиоративных и водохозяйственных систем, что в конечном результате повысит точность водоучета гидромелиоративных систем, результаты которого могут быть направлены на разработку мер по улучшению действия дренажа и повышению эффективности использования дренируемых минеральных почвогрунтов, а также при совершенствовании проектирования, строительства и эксплуатации дренажных систем.
На фиг.1 изображено устройство для измерения расхода жидкости в открытых каналах; на фиг.2 - то же, вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 показана структурная блок-схема устройства для измерения расхода жидкости в открытых каналах.
Устройство для измерения расхода жидкости в открытых каналах содержит блок измерения средней скорости потока жидкости и блок измерения уровня жидкости, связанные с блоком обработки полученных данных ультразвукового расходомера водоучета.
Блок измерения средней скорости потока жидкости выполнен в виде двух телескопических штанг 1 и 2. Телескопическая штанга 1 установлена на боковой стенке 3 канала и имеет шарнирное соединение с закрепленным на берме канала 4 основанием 5. На телескопической штанге 1 по всей ее длине с возможностью регулирования их положения крепятся на специальных трубках 6 ультразвуковые приемопередающие датчики 7 и 8. Шарнирное соединение телескопической штанги 1 с основанием 5 позволяет с помощью приспособления 9 в форме градуированной шкалы определять угол наклона откоса к горизонту. Через соединительные провода 10 осуществляется передача сигналов от датчиков 7, 8 к блоку обработки 11 ультразвукового расходомера водоучета. Другая телескопическая штанга 2 установлена горизонтально в одной вертикальной плоскости с телескопической штангой 1. Один конец штанги 2 снабжен барабаном ручной лебедки 12 и закреплен на штативе 13, установленном на берме канала 4. На другом конце телескопической штанги 2 установлен направляющий блок 14 для перемещения троса 15 фиксированной длины с грузом 16 на конце, необходимым для фиксации троса 15 в потоке. Для определения глубины потока воды в канале на тросе 15 и барабане лебедки 12 выполнены отметки. На тросе 15 с помощью патрубков с зажимами закреплены отражатели ультразвуковых импульсов 17. Расстояние между ультразвуковыми приемопередающими датчиками 7, 8 на телескопической штанге 1 равно расстоянию между отражателями ультразвуковых импульсов 17 на тросе 15, при этом ультразвуковые приемопередающие датчики 7, 8 находятся с отражателями ультразвуковых импульсов 17 в одной горизонтальной плоскости - необходимое условие работоспособности заявленного устройства. Устойчивость штанги 2 обеспечивается регулируемой подставкой 18. Обе телескопические штанги 1, 2 установлены с возможностью их перемещения вдоль канала.
Блок измерения уровня жидкости выполнен в виде установленного на горизонтальной телескопической штанге 2 ультразвукового датчика 19.
Структурная блок-схема устройства для измерения расхода жидкости в открытых каналах поясняет принцип его действия. На объекте контроля ОК осуществляют измерение средней скорости потока на различной глубине и уровень воды в открытом канале. Среднюю скорость потока по глубине канала определяют с помощью первичных преобразователей ПП1 - ультразвуковых приемопередающих датчиков, работающих совместно с пассивными отражателями ультразвуковых импульсов. Измерение уровня воды в открытом канале осуществляют за счет установки первичного преобразователя ПП - ультразвукового приемопередающего датчика. Сигналы от первичных преобразователей поступают на преобразователь, передающий измерительный ППИ, и далее - на ультразвуковой расходомер водоучета УЗРВ, работающие от блока питания БП. УЗРВ вычисляет среднюю скорость потока по глубине, определяет расход воды в открытом канале, информация передается на запоминающее устройство ЗУ.
Устройство для измерения расхода жидкости в открытых каналах работает следующим образом.
Прежде чем приступить к проведению необходимых замеров, осуществляют подготовку устройства к работе. Замеряют глубину потока воды в канале. Для этого на берме канала 4 устанавливают штатив 13 и закрепляют горизонтальную телескопическую штангу 2, устойчивость которой обеспечивается регулируемой подставкой 18. На дно канала с помощью троса 15 опускают груз 16. С помощью выполненных на тросе 15 и барабане лебедки 12 отметок определяют глубину (уровень) потока воды в канале как разность отметки дна и отметки соприкосновения груза 16 с поверхностью воды. Затем на тросе 15 с помощью патрубков с зажимами закрепляют не менее пяти отражателей ультразвуковых импульсов 17 на задаваемом расстоянии друг от друга в зависимости от глубины потока. На телескопической штанге 1, установленной на боковой стенке 3 канала, фиксируют положение приемопередающих датчиков 7 и 8 с учетом угла наклона откоса к горизонту и расстояний между установленными отражателями 17 таким образом, чтобы обеспечить горизонтальное прохождение ультразвуковых импульсов от приемопередающих датчиков 7, 8 к отражателям 17. Телескопическую штангу 1 закрепляют на берме канала 4 напротив установленных в поток воды отражателей 17 в одной вертикальной плоскости с телескопической штангой 2. В случае большой ширины канала трос 15 с отражателями 17 устанавливают на максимальную, позволяющую штангой 2, удаленность от приемопередающих датчиков 7, 8. На горизонтальной телескопической штанге 2 закрепляют датчик 19 для измерения уровня воды.
Среднюю скорость потока воды в открытом канале на заданной глубине определяют путем нахождения разности времени прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против потока, излучаемых датчиками 7 и 8, работающими совместно с отражателем ультразвуковых импульсов 17. Таким образом, ультразвуковой импульс, посланный от датчика 7 по течению под углом, отражается от отражателя 17 и под аналогичным углом приходит в датчик 8, который является приемником. Вместе с тем от датчика 8 посылается против течения под углом ультразвуковой сигнал на отражатель 17 и принимается датчиком 7. Значение времени прохождения ультразвукового импульса по потоку и против потока воды в канале передается по соединительным проводам 10 к блоку обработки 11. В результате обработки данных получают значение средней скорости потока воды на заданной глубине в открытом канале. Таких измерений осуществляют не менее пяти, по которым определяют среднюю скорость потока воды. Одновременно с определением средних скоростей потока по глубине осуществляют измерение уровня воды. От датчика 19 посылают вертикально вниз ультразвуковой сигнал, который, достигая поверхности воды, отражается от нее и поступает обратно на датчик 19. Далее сигнал передается в блок обработки 10, после чего производится расчет уровня воды в открытом канале. Полученные данные средней скорости потока и уровня воды обрабатываются и определяется расход воды в открытом канале.
Заявленное устройство для измерения расхода жидкости в открытых каналах промышленно применимо, так как может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо.