СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ
METHOD TO MEASURE LIQUID FLOW

Изобретение относится к способам измерения расхода жидкости, протекающей через канал произвольного сечения, и может быть использовано для измерения объемного расхода жидкости в действующих гидроэнергетических установках и в других применениях водопроводящих каналов большого сечения.
Известен способ определения объемного расхода жидкости в гидравлических установках, заключающийся в измерении средней скорости потока с использованием акустического метода и определении объемного расхода воды по измеренному параметру скорости и постоянному коэффициенту расхода, определенному при энергетических испытаниях на конкретном объекте (патент РФ №2201579, МПК G01F 1/66, опубл. 27.03.2003 г.). Определение средней скорости потока в сечении спиральной камеры производят акустическим способом с размещением акустических преобразователей в горизонтальной плоскости в пределах высоты статорных колонн. Один из акустических преобразователей устанавливается на оголовке статорной колонны, а второй - в горизонтальной плоскости на стенке спиральной камеры.
Недостатком данного способа является невысокая точность измерения скорости потока и неудобство обслуживания акустических преобразователей, заключающееся в том, что для этого требуется осушение канала.
В качестве прототипа выбран способ определения объемного расхода турбин низконапорных гидроэлектростанций (варианты), (патент РФ №2369771, МПК F03B 13/06, опубл. 10.10.2009 г.). Способ заключается в измерении средней скорости потока с использованием акустического метода и определении объемного расхода воды по измеренному параметру скорости и постоянному коэффициенту расхода.
Недостатком прототипа является невысокая точность измерений, а также то, что обслуживание возможно только при осушении места установки датчиков.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения расхода, обеспечение обслуживания без осушения и даже без остановки гидроагрегата.
Поставленная задача решается тем, что для измерения расхода жидкости, протекающей через канал, в сечении канала выбирают сложную виртуальную измерительную поверхность, перекрывающую полностью все сечение канала, затем, в ее геометрическом центре или центрах устанавливают ультразвуковой источник или источники, формирующие группу узконаправленных лучей, пронизывающих виртуальную измерительную произвольную поверхность с заданным шагом по широте и долготе так, что она покрывается сеткой точек пересечения каждого луча с виртуальной измерительной поверхностью, причем каждый луч перпендикулярен поверхности в точке пересечения, затем для каждого луча проводят измерение скорости потока вдоль луча в точке пересечения с виртуальной измерительной поверхностью в направлении нормали к упомянутой поверхности по доплеровскому смещению частоты эхосигнала от точки пространства на виртуальной измерительной поверхности, после чего проводят интегрирование по всем точкам сетки.
В одном из конкретных вариантов реализации способа в качестве виртуальной произвольной измерительной поверхности выбрана виртуальная сфера, в единственном геометрическом центре которой располагается единственный многолучевой ультразвуковой источник.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано расположение виртуальной сферы с полным перекрытием сечения канала, на фиг.2 показано расположение ультразвукового источника в центре виртуальной сферы и сечение виртуальной сферы лучами.
На фиг.1: сечение канала 1, направление течения потока 2, виртуальная сфера 3, перекрывающая все сечение канала.
На фиг.2: точки пересечения с виртуальной сферой 4, узконаправленные лучи 5, ультразвуковой источник 6, А - угол между лучами в горизонтальной плоскости, В - угол между лучами в вертикальной плоскости.
Способ осуществляют следующим образом. В качестве ультразвукового источника 6 используется многолучевой эхолот, узконаправленные лучи 5 которого распространяются в пространстве под выбранным углом А, так чтобы пересекать виртуальную сферу 3 по всей ширине сечения канала с одинаковым шагом (фиг.2). Все узконаправленные лучи 5 лежат в плоскости перпендикулярной стенкам канала. Плоскость узконаправленных лучей 5 начинают механически вращать сверху вниз, вращая сам ультразвуковой источник 6, причем во время вращения плоскость узконаправленных лучей 5 остается перпендикулярной стенкам канала. Допустим, что при вращении фиксируются несколько угловых положений с шагом по углу места В.
Для каждого углового положения по вертикали проводят зондирование пространства всеми узконаправленными лучами 5 ультразвукового источника 6 и определяют доплеровское смещение именно в точках пересечения узконаправленных лучей 5 и виртуальной сферы 3, по которому и определяют скорость потока в указанных точках 4 пересечения с виртуальной сферой в направлении, перпендикулярном поверхности виртуальной сферы 3 в искомых точках. Получают искомую сетку точек и значение скоростей потока в них. Эти данные используют для расчета суммарного потока через канал.
Количество и частота точек определяется величинами А и В. Чем меньше эти величины, тем больше точек будет участвовать в расчетах, и соответственно более точным будет результат. Для течений с высокой турбулентностью необходимо более часто располагать точки.
Текущий расход в некоторый момент времени для небольших углов А и В определяют по формуле 1
где Р - текущий расход в некоторый момент времени,
R - радиус сферы,
А и В - углы между лучами по горизонтали и вертикали соответственно,
Vi - скорость в точке с номером i,
Σ - сумма по всем просканированным точкам.
Небольшим, считается угол, если на площадке виртуальной сферы с угловым размером А*В, для достижения точности измерения в каждом конкретном случае, можно считать постоянной скорость потока. Это есть условие выбора величины шага по углам.
Вариантов сканирования может быть большое множество. Механическое вращение нескольких лучей в одной из плоскостей, как описано выше, электронное одномерное или двумерное сканирование или любые другие комбинации электронного, механического сканирования или непосредственного использования большой двумерной матрицы лучей.
Предлагаемый способ позволяет измерять расход жидкости в канале и производить обслуживание без осушения и даже без остановки гидроагрегата.