СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ ЖИДКОСТИ
METHOD OF MEASURING FLOW RATE OF ELECTROCONDUCTIVE LIQUID

Предлагаемый способ измерения расхода электропроводной жидкости относится преимущественно к способам замера расхода воды в системах водоснабжения и в различных технологических процессах при переработке продуктов на водной основе.
Известен ряд способов замера расхода жидкости: объемный, скоростной, дроссельный, обтекания, переменного уровня, ультразвуковой, электромагнитный.
Электромагнитный способ основан на измерении электродвижущей силы, индуктированной в потоке электропроводной жидкости под воздействием внешнего магнитного поля, создаваемого электромагнитом. При протекании жидкости по трубопроводу из немагнитного материала она пересекает силовые линии магнитного поля и в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная средней скорости потока, которая снимается двумя электродами.
Известны электромагнитные расходомеры РФ (а.с. №684312, кл. G01F 1/58, опубл. 1979 г., а.с. №1112232, кл. G01F 1/58 опубл. 1984 г., патент №2241961, кл. G01F 1/58, опубл. 2004 г.), которые основаны на рассмотренном выше способе замера. Применительно к современным условиям при установке их у потребителя, особенно на трубопроводах малого диаметра (4-12 мм), известные решения обладают существенными недостатками: занимают место, требуют обслуживания и имеют высокую стоимость.
Известно изобретение РФ №1610284, (кл. G01F 1/58, опубл. 1990 г.): «Электромагнитный расходомер для жидкостей ионной проводимости».
В описании к а.с. №1610284 изложен способ измерения расхода жидкости, по которому на участке трубопровода устанавливают основные электроды и закрепляют их на линии перпендикулярной оси постоянных магнитов. Магниты и электроды совместно выполняют роль датчиков. Дополнительные электроды устанавливают в трубопроводе в одном сечении с основными и под углом к ним. Основные и дополнительные электроды соединяют попарно между собой, а выводы этих пар подключают в общую цепь с измерительным устройством. На выходе измерительного устройства получают преобразованный сигнал, пропорциональный расходу жидкости. При использовании способа достигается повышение точности измерения расхода с помощью дополнительных электродов, замеряющих только электрохимическую ЭДС и подключенных к основным электродам по схеме вычитания.
К недостаткам, препятствующим использованию способа измерения расхода жидкости способом, описанным в а.с. №1610284, относятся:
- сложность и ненадежность, связанная с использованием электромагнитов;
- величина замеряемой ЭДС недостаточна для измерения стандартными приборами, требуется существенное усиление;
- недостаточная точность измерений при осуществлении замеров у потребителя, особенно в трубопроводах малого диаметра (4-12 мм);
- высокая стоимость расходомеров, реализующих электромагнитный способ измерения.
По совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату изобретение по а.с. №1610284 является наиболее близким техническим решением, которое было выбрано в качестве прототипа.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа замера расхода электропроводной жидкости у потребителя преимущественно во внутридомовых трубопроводах малого диаметра с обеспечением надежности и точности, снижением стоимости замера.
Предлагаемый способ при использовании обеспечивает достижение следующего технического результата:
- повышение точности замера расхода электропроводной жидкости;
- многократное уменьшение размеров датчиков, обеспечивающих возможность замеров в трубопроводах малого диаметра;
- повышение надежности при снижении стоимости процесса замера.
Указанный технический результат достигается тем, что способ измерения расхода электропроводной жидкости, по которому на контролируемом участке внутри трубопровода устанавливают два основных электрода, выполняющих функцию электродного датчика, закрепляют их и подключают в электрическую цепь с измерительным прибором и источником питания, измеряют электрический параметр и преобразовывают измеряемую величину в единицы расхода жидкости, отличающийся тем, что один электрод крепят через упругий элемент с обеспечением возможности перемещения этого электрода под действием потока жидкости относительно неподвижно закрепленного электрода, измеряют электропроводность жидкости в зазоре между основными электродами и по величине электропроводности определяют расход жидкости на контролируемом участке трубопровода.
Для исключения отклонений по точности от результатов замера реального расхода, связанных с возможным изменением электропроводности жидкости в результате колебания состава, температуры и других факторов, на контролируемом участке в трубопроводе рядом с основным неподвижно закрепленным электродом устанавливают дополнительный неподвижный электрод, выполняющий функцию электродного датчика, на расстоянии, сопоставимом с расстоянием между основными электродами, основной и дополнительный неподвижно закрепленные электроды подключают в дополнительную электрическую цепь с дополнительным измерительным прибором, а расход жидкости в трубопроводе определяют по величине электропроводности основной цепи (Q), скорректированной в соответствии со степенью изменения электропроводности дополнительной электрической цепи.
Предпочтительно рабочие поверхности электродов выполнять плоскими (в виде пластин, дисков, колец) или скругленными, например цилиндрическими, или тороидальными, или шаровидными.
В качестве материала электродов могут быть использованы нержавеющие металлы, или сплавы, или углепластики, или электропроводные композиции на полимерной основе. Практическим требованиям почти всегда (более 90%) удовлетворяет самая распространенная марка нержавеющей стали AISI 304, содержащая 9% никеля.
При этом токоподводы к неподвижным электродам целесообразно выполнять также из нержавеющей стали. Для уменьшения токов утечки и повышения точности измерений на поверхность токоподводов наносят электроизоляционное покрытие.
Упругий элемент может быть исполнен в виде пружин известных конструкций. Для изготовления упругих элементов применяют пружинную проволоку из коррозионно-стойкого металла (нержавеющая сталь, бронза и др.). Высокая электропроводность позволяет использовать такие упругие элементы в качестве токоподводов.
Хорошую стабильность работы обеспечивают упругие элементы, выполненные из углеродных волокон.
Упругие элементы, выполняющие роль токоподводов, также покрывают электроизоляционным слоем.
Для исключения искажений значений расхода, связанных с влиянием силы тяжести и зависящих от положения подвижного электрода относительно горизонтальной плоскости, средняя плотность материала подвижного электрода совместно с упругим элементом должна соответствовать по величине плотности контролируемой жидкости. Это может быть достигнуто, например, путем изготовления электрода из материала с закрытыми порами или с внутренней полостью. Высокую точность достижения необходимой средней плотности можно получить путем установки на электроде поплавка из легкого материала.
Предпочтительно, чтобы токоподводы и упругие элементы были герметично зафиксированы в электроизоляционном корпусе, который выполнен с возможностью крепления в стенке трубы или в детали трубопровода на резьбе, клеем и др. При этом на внешней стороне трубопровода должны быть выполнены электрические контакты для подключения проводников, соединяющих электроды с электрической схемой.
Измерение расхода электропроводной жидкости может быть выполнено, если рабочие поверхности электродов расположены перпендикулярно направлению потока жидкости, а также, если расположены вдоль потока жидкости.
Степень изменения электропроводности дополнительной цепи может быть определена отношением значения электропроводности (Q1) дополнительной цепи при стандартных условиях к ее изменившемуся значению (Q2), а величина электропроводности, по которой определяют расход жидкости, может быть вычислена, как произведение значения электропроводности (Q) основной цепи и степени изменения электропроводности дополнительной цепи (Q1\Q2).
Для обеспечения измерения расхода электропроводной жидкости предлагаемым способом необходимо провести предварительные действия по тарировке измерительного электрического прибора, например миллиамперметра.
При тарировке шкалы миллиамперметра в единицах расхода (литр в минуту) жидкости в трубопроводе известного внутреннего диаметра сначала организуют с помощью запорной арматуры или специальной насосной установки движение жидкости (последовательно) с различными значениями стабильной скорости (расхода), а замер проходящей жидкости определяют с помощью мерных емкостей.
В составе простейшей измерительной схемы к электродному датчику последовательно подключают стабилизированный источник переменного тока (трансформатор ТБС 3-0,063 ГОСТ 5.1360 со стабилизатором, миллиамперметр Э 377) и образуют электрическую цепь, которая замыкается жидкостью в зазоре между рабочими поверхностями электродов. В электрической цепи течет ток, который фиксируется с помощью измерительного прибора (миллиамперметра). Величина тока при неподвижной жидкости в трубопроводе соответствует нулевому значению расхода. При движении жидкости подвижный электрод перемещается относительно неподвижного, величина электропроводности жидкости в зазоре между рабочими поверхностями изменяется и соответственно изменяются показания измерительного прибора. На реальном объекте, например в многоквартирном доме, измерительную цепь каждого электродного датчика на контролируемом участке трубопровода (находящегося у потребителя) подключают к многоканальному измерителю, работающему совместно с ЭВМ, которая обрабатывает информацию о расходе воды на контролируемом участке, и в удобном для потребителя виде публикует на соответствующем сайте в Интернете. Изменение величины электропроводности жидкости в зазоре между рабочими поверхностями при перемещении подвижного электрода относительно неподвижного осуществляют преимущественно двумя путями:
- приближением (удалением) рабочих поверхностей;
- увеличением (уменьшением) площади взаимодействия рабочих поверхностей.
Первый путь применяют преимущественно при расположении рабочих поверхностей электродов перпендикулярно направлению потока жидкости. В соответствии с этим вариантом можно изготавливать предельно простые по конструкции с размерами несколько миллиметров, дешевые, надежные электродные датчики, соответствующие современным требованиям по точности измерений (0,5-1%). Этот вариант преимущественно реализуется в бытовых приборах.
Второй путь позволяет в широком диапазоне менять площадь взаимодействия рабочих поверхностей и соответственно электропроводность при перемещении подвижного электрода с обеспечением линейной зависимости электропроводности от расхода жидкости и за счет этого на порядок повысить точность измерения. Одним из наиболее эффективных путей реализации второго пути является расположение рабочих поверхностей электродов вдоль потока жидкости. В частности, в случае выполнения рабочих поверхностей в виде цилиндра, при перемещении подвижного электрода диаметром 2 мм на длину 25 мм внутри полого неподвижного электрода с внутренним диаметром 3 мм (при напряжении 3 В) электропроводность в водопроводной воде линейно меняется (от 3 до 80 µА). Такие характеристики датчика позволяют осуществлять замер расхода с точностью в пределах 0,05-0,1%.
При реализации первого пути электроды, выполняющие функцию датчика, устанавливают на контролируемом участке, например в квартире потребителя, а при осуществлении второго пути - устанавливают на другом контролируемом участке, например, на стояковых трубопроводах и в самом начале системы внутридомового водопровода и с их помощью осуществляют непрерывную поверку и дублирование замеров датчиков, установленных непосредственно у потребителя, что практически полностью исключает возможность ошибки в результатах замера.
Сущность предлагаемого способа поясняется на примерах.
Пример 1 (иллюстрация использования п.1 формулы изобретения)
Электроды выполняют из стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 5582-75) в виде дисков диаметром 2 мм и толщиной 0,3 мм. К одному из них электронно-лучевой сваркой приваривают токоподвод из пружинной высокопрочной проволоки 12Х18Н10Т-В (ГОСТ 5632-72) диаметром 0,8 мм, а к другому приваривают С-образный упругий элемент из проволоки той же марки диаметром 0,2 мм. К свободным концам токоподвода и упругого элемента приваривают электроконтакты. Непосредственно у электрода на упругий элемент закрепляют поплавок в виде шарика из полипропилена диаметром 3 мм. На токоподвод и упругий элемент наносят электроизоляционное покрытие из полиуретана толщиной 0,02 мм. Литьем в форму изготавливают из полипропилена патрубок длиной 30 мм с внутренним диаметром 6 мм и раструбами на концах под сварку нагретым инструментом. В процессе изготовления патрубка основные электроды - подвижный электрод с упругим элементом и неподвижный (с токоподводом) закрепляют последовательно друг за другом (по центру проходного сечения перпендикулярно оси трубопровода) на расстоянии 8 мм между рабочими поверхностями электродов. Рабочие поверхности направлены перпендикулярно потоку жидкости.
Затем патрубок с датчиком в виде основных электродов (подвижный - с упругим элементом и неподвижный - с токоподводом) вваривают (контролируемый участок) в полипропиленовый трубопровод с внутренним диаметром 6 мм, подводящий водопроводную воду к крану потребителя. С помощью ленточного кабеля, закрепленного на трубопроводе и подсоединенного к блоку контроля и управления системой снабжения многоквартирного дома питьевой водой, каждый электродный датчик подключают к одному из каналов многоканального измерителя ОВЕН ТРМ 200 с встроенным интерфейсом RS-485 и компьютеру с соответствующим программным обеспечением, тарировочными данными и выходом в Интернет.
Предварительно датчик в виде электродов тарируют на стенде, обеспечивающем изменение расхода от 0 до 2,0 л/мин соответствующей жидкости (московской водопроводной воды) в трубопроводе с внутренним диаметром 6 мм. Основные электроды (электродный датчик) подключают в основную измерительную цепь, содержащую источники питания (3 В, 50 гц) и миллиамперметр (0-10 µА).
По данным замеров электропроводности в зазоре между электродами при направлении потока воды от подвижного к неподвижному электроду составляют тарировочную таблицу, в которой с определенным шагом (например, 0,1 л/мин) для каждого значения расхода определяют значение электропроводности. Результаты получают при стандартных условиях: температура воды (например) 20°С, состав воды соответствует стандартному составу воды городского водопровода.
Данные таблицы закладывают в программу ЭВМ системы контроля.
Приведенная ниже тарировочная таблица составлена при использовании воды стандартного состава московского водопровода при 20°С.
Расход воды, л/мин
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0.5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Электропроводность, µА
4,41
4,56
4,71
4,87
5,03
5,20
5,38
5,56
5,75
5,94
6,14
Расход воды, л/мин
1.1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
Электропроводность, µА
6,34
6,55
6,76
6,98
7,20
7,43
7,67
7,92
8,18
8,45
При открытии крана у потребителя вода движется по контролируемому участку трубопровода, перемещая вдоль потока основной подвижный электрод относительно неподвижного основного электрода, при этом величина тока, протекающего в зазоре между основными электродами, изменяется, в измерителе преобразуется в цифровое значение, а в компьютере по соответствующей программе определяют расход воды. Информация в режиме реального времени по каждому контролируемому участку (кран у потребителя) публикуется на сайте эксплуатирующей организации.
Пример 2 (иллюстрация использования способа с учетом п.2 формулы изобретения)
Изготавливают электродный датчик, аналогичный датчику по Примеру 1. Рядом с неподвижно закрепленным основным электродом на расстоянии 6 мм устанавливают дополнительный неподвижный электрод, основной и дополнительный неподвижно закрепленные электроды с токоподводами подключают в дополнительную электрическую цепь с дополнительным измерительным прибором аналогичным прибору в основной цепи, рабочие поверхности электродов направлены вдоль потока жидкости, а расход жидкости на контролируемом участке трубопровода определяют с учетом степени изменения электропроводности в дополнительной электрической цепи.
Например, в результате снижения температуры воды в трубопроводе электропроводность в дополнительной электрической цепи снизилась с Q1=5,20 µA (электропроводность при стандартных условиях) до Q2=5,15 µА. Эта информация учитывается при определении расхода путем умножения значения электропроводности в основной цепи (Q=6,08 µA) на степень изменения электропроводности в дополнительной цепи (Q1\Q2=1,01). Расчет: 6,08×1,01=6,14. По таблице это значение электропроводности соответствует расходу воды - 1 л/мин.
При возрастании величины электропроводности (в результате изменения, например, состава воды) электропроводность в дополнительной цепи увеличивается с Q1=5,20 µA до Q2=5,28 µA. Значение электропроводности основной цепи составило Q=6,23 µА. Степень изменения электропроводности в дополнительной цепи составляет Q1\Q2=0,98. Расчет: 6,23×0,98=6,14. По таблице это значение также соответствует расходу воды - 1 л/мин.
В обоих случаях в соответствии с тарировочными данными расход воды составляет 1,0 л/мин.
Изменение электропроводности, связанное с внешними факторами, не оказывает влияния на точность измерения расхода электропроводной жидкости при использовании всей совокупности существенных признаков п.1 и п.2 формулы изобретения. Значения электропроводности приводят к значению в стандартных условиях, при которых осуществлялась тарировка.
На предприятии «НПО САМОС» в лаборатории (г.Долгопрудный) изготовлено и смонтировано экспериментальное оборудование системы водоснабжения с контрольными участками, снабженными электродными датчиками, позволяющими измерять и контролировать расход воды с помощью предлагаемого способа. Результаты измерений на экспериментальной системе водоснабжения в течение нескольких месяцев позволяют сделать вывод о работоспособности и эффективности способа, который обеспечивает оперативный контроль и точность измерений расхода жидкости при небольших финансовых затратах.
Предложенная совокупность существенных признаков не известна из уровня техники, а достижение указанного результата не следует явным образом для специалиста в данной области техники. Заявленный способ отвечает всем признакам охраноспособности по действующему законодательству и направлено на решение поставленной задачи.