ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ
LIQUID PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, а именно к определению гидростатического давления жидкости в грунтовых массивах.
Известно устройство для определения гидростатического давления жидкости в грунтовых массивах, представленное электрическим датчиком давления жидкости [1], например пьезодинамометром, который оснащен приемником давления жидкости, чувствительным элементом, преобразующим давление в электрический сигнал, и электрическим кабелем питания.
Закладные электрические датчики давления жидкости в период эксплуатации не могут быть извлечены из грунтового массива для выполнения их поверки и калибровки и не могут быть заменены. В результате этого при изменении метрологических характеристик их чувствительных элементов точность измерений с течением времени снижается. Существенным недостатком применения электрических датчиков давления является и то, что в точках сооружений и основания, куда доступ с помощью буровых скважин затруднен или невозможен, после поломки электрических датчиков полностью утрачивается возможность контроля гидростатического давления жидкости.
Известны устройства для определения уровня жидкости в емкостях, в водоемах и в наблюдательных скважинах, представленные барботажными уровнемерами различных модификаций [2, 3, 4], которые в качестве основных элементов включают барботажную трубку, погруженную в жидкость, источник сжатого воздуха, пневматическую линию подачи сжатого воздуха от источника сжатого воздуха на вход в барботажную трубку и электрический датчик давления или манометр, подключенный к пневматической линии.
При наблюдениях гидростатического давления жидкости в грунтовых массивах барботажные устройства (уровнемеры) могут найти весьма ограниченное применение, а именно только в грунтах, не затрудняющих отвод газа из барботажных трубок в атмосферу. Но и при таком ограниченном их использовании существенный недостаток этого применения будет заключаться в высокой стоимости обустройства сооружения барботажными уровнемерами и большой трудоемкости проведения наблюдений.
К заявляемому изобретению наиболее близок по его назначению первый рассмотренный аналог - электрический датчик давления жидкости.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении достоверности результатов наблюдений за гидростатическим давлением жидкости в тех точках грунтового массива, куда доступ с помощью буровых скважин затруднен или невозможен.
Достигаемый при этом технический результат заключается в обеспечении возможности выполнения периодических поверок и калибровок электрического оснащения датчика давления жидкости, а также в обеспечении возможности проведения наблюдений и после отказа его электрического оснащения.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что датчик давления жидкости, оснащенный приемником давления, чувствительным элементом, преобразующим давление в электрический сигнал, и кабелем питания, согласно изобретению снабжен полым приемником давления и сообщающейся с ним пневматической линией подачи сжатого газа, которая на входе оснащена соединением для подключения образцового измерителя давления газа и источника сжатого газа.
Дополнительно:
- приемник давления оснащен сигнализатором уровня жидкости в его полости;
- элемент датчика, передающий давление на его чувствительный элемент, снабжен камерой гидравлического затвора;
- приемник давления и/или пневматическая линия оснащены датчиками температуры;
- в качестве линии подачи сжатого газа используется полость внутри кабеля его питания;
- приемник давления удлинен барботажной трубкой;
- объем полости приемника давления удовлетворяет условию:
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>л</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>×</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
пр
где V - объем полости приемника давления;
лин
V - объем полости пневматической линии;
макс
мин
Р, Р - максимальный и минимальный пределы диапазона определений давления жидкости путем измерения давления сжатого газа в пневматической линии, перекрытой на входе после вытеснения из нее жидкости до уровня установки сигнализатора уровня жидкости. Именно оснащение датчика давления жидкости полым приемником давления и сообщающейся с ним пневматической линией подачи сжатого газа, которая на входе оснащена соединением для подключения образцового измерителя давления газа и источника сжатого газа, обеспечивает решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата.
Изобретение поясняется чертежом на фиг.1, на котором представлен датчик давления жидкости, установленный в основании плотины. Фрагменты плотины на чертеже изображены схематично.
Датчик давления жидкости 1, установленный при строительстве плотины в ее основании 2 под противофильтрационным экраном 3, т.е. в месте, куда в период эксплуатации плотины доступ с помощью буровых скважин уже невозможен, оснащен приемником давления 4, удлиненным барботажной трубкой 5, перфорированной в нижней ее части 6, и подключенными к приемнику давления 4 электрическим датчиком давления жидкости 7 с чувствительным элементом 8, преобразующим давление в электрический сигнал, и сигнализатором уровня жидкости 9, например наиболее долговечным контактным сигнализатором, срабатывающим при замыкании водой его оголенных электрических контактов.
Дополнительно к этому датчик давления 1 снабжен кабелем питания 10 электрического датчика давления 7, кабелем питания 11 сигнализатора уровня жидкости 9 и пневматической линией 12 подачи сжатого газа, сообщающейся с полостью его приемника давления 4.
Кабели питания 10 и 11 выведены из грунтового массива на пульт управления (не показан).
Пневматическая линия 12 на входе (за пределами грунтового массива) оснащена запорной арматурой (задвижки 13 и 14), соединением 15 для подключения источника сжатого газа 16 (компрессора или баллона со сжатым газом) и соединением 17 для подключения образцового измерителя давления газа 18 (образцового манометра или высокоточного датчика давления).
Для контроля температуры сжатого газа с заданным шагом по длине к пневматической линии 12 подключены датчики температуры (не показаны).
На чертежах обозначены и другие элементы датчика давления жидкости 1 и среды, а именно:
19 - камера гидравлического затвора, предотвращающего поступление газа к электрическому датчику давления 7;
20 - уровень воды в полости приемника давления 4 перед поверкой и/или калибровкой электрического датчика давления 7;
21 - поверхность депрессии фильтрационного потока в низовом клине плотины;
22 - берма на низовом откосе плотины.
Датчик давления жидкости 1 работает следующим образом.
После ввода плотины в эксплуатацию, подъема уровня воды в грунтовом массиве выше отметки установки датчика давления жидкости 1 и заполнения водой полости приемника давления жидкости 4 в межповерочные и межкалибровочные интервалы времени гидростатическое давление воды в точке установки перфорированного приемника жидкости 6 определяется с использованием электрического датчика давления 7.
Измерения преимущественно выполняются при открытых задвижках 13 и 14 и отсоединенном источнике сжатого газа 16, т.е. при атмосферном давлении в пневматической линии 12. При необходимости ограничения заполнения пневматической линии 12 водой, например при наблюдениях за подмерзлотными напорными грунтовыми водами, в пневматической линии 12 может быть создано избыточное давление сжатого газа, поддерживающее ее промерзающую часть в осушенном состоянии и снижающее испарение воды в ней. В этом случае после создания в пневматической линии 12 избыточного давления сжатого газа измерения электрическим датчиком давления 7 выполняются при закрытой задвижке 14.
ж,i
В обоих рассмотренных случаях полное гидростатическое давление воды Р в точке установки перфорированного приемника жидкости 6 вычисляется по формуле:
ж,i
ж.пр,i
ж,i
Р=P+ρ×h,
ж.пр,i
2
где P - полное гидростатическое давление воды в полости приемника давления 4, измеренное электрическим датчиком давления 7, кг/м;
ж,i
3
ρ - плотность воды в приемнике давления 4 при ее фактической температуре, кг/м;
h - высота возвышения электрического датчика давления 7 над перфорированным приемником жидкости 6 барботажной трубки 5, м.
Поверка и/или калибровка электрического датчика давления 7 выполняется периодически, в назначенные сроки, без его извлечения из грунтового массива.
Для проведения поверки и/или калибровки электрического датчика давления 7 после подключения к пневматической линии 12 источника сжатого газа 16 проводится вытеснение сжатым газом воды из полости приемника давления 4 до момента поступления сигнала от сигнализатора уровня 9. Затем в процессе ступенчатого повышения давления в пневматической линии 12 каждый раз при прекращении подачи сжатого газа выполняются измерения гидростатического давления воды в камере гидравлического затвора 19 и одновременно давления сжатого газа в начале пневматической линии 12. В случае наличия препятствий к выпуску газа в поры грунта, например, при размещении барботажной трубки 5 в слабоводопроницаемых грунтах основания 2, повышение давления сжатого газа прекращается до момента вытеснения всей воды из барботажной трубки 5.
В процессе ступенчатого повышения давления сжатого газа гидростатическое давление воды в камере гидравлического затвора 19 измеряется электрическим датчиком давления 7, подлежащим поверке и/или калибровке, контроль давления сжатого газа в начале пневматической линии 12 осуществляется с помощью образцового измерителя давления газа 18.
i
Ряд погрешностей δ электрического датчика давления 7 в пределах диапазона измеренных им давлений, исходя из равенства полных давлений двух сред у границы их раздела, вычисляется по формуле:
I
г,i
г,i
г
ж,i
ж
ж
δ=(P+ρ×h)-(P-ρ×h),
г,i
2
где Р - полное давление газа в начале пневматической линии 12 в точке подключения образцового измерителя давления газа 18, кг/м;
г,i
г,i
3
ρ-расчетная плотность сжатого газа в пневматической линии 12 при давлении P в ее начале и фактической температуре сжатого газа, кг/м;
г
h - высота возвышения образцового измерителя давления газа 18 над уровнем воды в камере гидравлического затвора 19, м;
ж,i
Р - измеренное электрическим датчиком давления 7 полное гидростатическое давление воды в камере гидравлического затвора 19, кг/м;
ж
ρ - расчетная плотность воды в камере гидравлического затвора 19 при ее фактической температуре, кг/м;
ж
h - высота возвышения уровня воды в камере гидравлического затвора 19 над электрическим датчиком давления 7, м.
i
После вычисления ряда погрешностей δ определяются поправки выходных сигналов электрического датчика давления 7, необходимые для получения правильных результатов измерений.
В случае непригодности электрического датчика давления 7 к дальнейшей эксплуатации далее периодические наблюдения проводятся с использованием образцового измерителя давления газа 18. При этом для сокращения времени на вытеснение воды из пневматической линии 12 и из приемника давления 4 в них при закрытой задвижке 14 сохраняется избыточное давления сжатого газа, поддерживающее приемник давления 4 близко к полупустому состоянию.
При высоком уровне воды в приемнике давления 4 непосредственно перед контрольным измерением давления сжатого газа в пневматической линии 12 выполняется вытеснение воды из приемника давления 4 до уровня установки сигнализатора уровня жидкости 9. При низком уровне воды в приемнике давления 4 перед контрольным измерением давления сжатого газа в пневматической линии 12 выполняется снижение давления сжатого газа до момента заполнения приемника давления 4 водой до уровня установки сигнализатора уровня жидкости 9.
ж,i
При контрольном измерении давления сжатого газа полное гидростатическое давление воды Р в точке установки перфорированного приемника жидкости 6 вычисляется по формуле:
ж,i
г,i
г,i
г
ж,i
P=P+ρ×h+ρ×h,
г,i
где P - полное давление газа в начале пневматической линии 12 в точке подключения образцового измерителя давления газа 18, кг/м;
г,i
г,i
3
ρ - расчетная плотность сжатого газа в пневматической линии 12 при давлении P и фактической температуре сжатого газа, кг/м;
г
h -высота возвышения образцового измерителя давления газа 18 над сигнализатором уровня жидкости 9, м;
ж,i
3
ρ - плотность воды в приемнике давления 4 при ее фактической температуре, кг/м;
h - высота возвышения сигнализатора уровня жидкости 9 над перфорированным приемником жидкости 6, м.
Имея результаты контрольного измерения давления сжатого газа и определения гидростатического давления воды при ее уровне в приемнике давления 4, равном уровню установки сигнализатора уровня жидкости 9, дальнейшие определения гидростатического давления воды некоторое время могут проводиться без дополнительной подачи сжатого газа в приемник давления 4 и без выпуска сжатого газа из него.
При расположении сигнализатора уровня жидкости 9 по центру приемника давления 4 допускаемый диапазон определений давления воды без дополнительной подачи сжатого газа в приемник давления 4 и без выпуска сжатого газа из него для используемого в данном конкретном случае датчика давления 1 может быть определен из следующих зависимостей:
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>ж</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>л</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>л</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
ж,i
где Р - гидростатическое давление воды в точке установки перфорированного приемника жидкости 6 при контрольном его определении;
макс
мин
Р, Р - максимальный и минимальный пределы диапазона определений давления воды путем измерения давления сжатого газа в пневматической линии 12, перекрытой на входе после вытеснения из нее воды до уровня установки сигнализатора уровня жидкости 9;
пр
V - объем полости приемника давления 4;
лин
V - объем полости пневматической линии 12.
ж,i
Гидростатическое давление воды Р в допускаемом диапазоне определений давления путем измерения давления сжатого газа в пневматической линии 12, перекрытой на входе после вытеснения из нее воды до уровня установки сигнализатора уровня жидкости 9, может быть вычислено по формуле:
ж,i
г,i
г,i
г,i
ж,i
i,
Р=P+ρ×h+ρ×h
г,i
2
где P - полное давление газа в начале пневматической линии 12, кг/м;
г,i
г,i
3
ρ -расчетная плотность сжатого газа в пневматической линии 12 при давлении P и его фактической температуре, кг/м;
<mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>г</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>г</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>г</mi><mo>,</mo><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>г</mi><mo>,</mo><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>г</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mi>г</mi><mo>,</mo><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow>
- высота возвышения образцового измерителя давления газа 18 над уровнем воды в приемнике давления 4, м;
г,кон
2
Р - полное давление газа в начале пневматической линии 12 при контрольном измерении давления после вытеснения из нее воды до уровня установки сигнализатора уровня жидкости 9, кг/м;
г,кон
г,кон
3
ρ - расчетная плотность сжатого газа в пневматической линии 12 при давлении Р и его фактической температуре, кг/м;
г,кон
h - высота возвышения образцового измерителя давления газа 18 над сигнализатором уровня жидкости 9, м;
ж,i
3
ρ - плотность воды в приемнике давления 4 при ее фактической температуре, кг/м;
i
г,кон
г,i
h=h+h-h - высота возвышения уровня воды в приемнике давления 4 над перфорированным приемником жидкости 6, м;
h - высота возвышения сигнализатора уровня жидкости 9 над перфорированным приемником жидкости 6, м.
Настоящее изобретение не ограничивается представленным примером, в котором описана одна из возможных комплектаций датчика давления жидкости 1. В конструкцию датчика давления жидкости 1 могут быть внесены различные модификации и изменения без отхода от объема изобретения, например:
- в приемнике давления и в барботажной трубке могут быть установлены дополнительные сигнализаторы уровня жидкости, что позволит упростить подготовку датчика к поверке и калибровке его электрического оснащения;
- размер датчика может быть существенно уменьшен при установке в одном корпусе чувствительного элемента для измерения давления жидкости, чувствительного элемента для измерения температуры и сигнализатора уровня жидкости;
- использование в конструкции датчика универсального элемента, передающего давление на чувствительный элемент, например мембраны, обеспечивающей передачу давления и жидкостей, и газов, позволит отказаться от оснащения датчика камерой гидравлического затвора;
- в случае отсутствия препятствий для выпуска газа из приемника давления в поры грунта размер датчика может быть дополнительно уменьшен за счет отказа от установки сигнализатора уровня жидкости, уменьшения объема полого приемника давления и сокращения длины барботажной трубки или полного отказа от нее;
- в качестве образцового измерителя давления может быть использован дистанционный электрический датчик давления газа, способный в случае поломки электрического оснащения датчика давления жидкости обеспечить некоторую автоматизацию наблюдений;
- в качестве линии подачи сжатого газа может использоваться полость внутри кабеля питания датчика.
Конструкция описанного в заявляемом изобретении датчика давления жидкости является достаточно надежной и не менее удобной в эксплуатации, чем у обычного дистанционного электрического датчика давления. При этом более высокие затраты на его изготовление окупаются за счет увеличения срока его гарантированной службы.
Использованные источники
1. Контрольно-измерительные системы и аппаратура гидротехнических сооружений ГЭС. Условия создания. Нормы и требования. ОАО РАО «ЕЭС России». 2008 (СТО 17330282.27.140.004-2008).
2. Патент Российской Федерации на полезную модель №121925, кл. G01F 23/16, опубл. 10.11.2012.
3. Модуль гидростатического давления МГД-1Б. Техническое описание. ООО «МИКРОТЕРМ»,
4. Патент Российской Федерации №2124702, кл. G01F 23/16, опубл. 10.01.1999.
Обозначения
1 - датчик давления жидкости
2 - основание плотины
3 - противофильтрационный экран плотины
4 - приемник давления
5 - барботажная трубка
6 - перфорированный приемник жидкости
7 - электрический датчик давления жидкости
8 - чувствительный элемент (датчика давления 7)
9 - сигнализатор уровня жидкости
10 - кабель питания электрического датчика давления
11 - кабель питания сигнализатора уровня жидкости
12 - пневматическая линия
13 - задвижка
14 - задвижка
15 - соединение
16 - источник сжатого газа
17 - соединение
18 - образцовый измеритель давления газа
19 - камера гидравлического затвора, предотвращающего поступление газа к электрическому датчику давления 7
20 - уровень жидкости в полости приемника давления 4 перед поверкой и/или калибровкой электрического датчика давления 7;
21 - поверхность депрессии фильтрационного потока в низовом клине плотины;
22 - берма на низовом откосе плотины.