RU2525574C2 - Method to measure liquid flow - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: method to measure liquid flow passing via a canal consists in the fact that in the canal cross section they select a complex virtual metering surface, which covers fully the entire cross section of the canal, then, in its geometric centre or centres they install an ultrasonic source or sources, which form a group of straight beams, which penetrate the virtual metering arbitrary surface with the specified pitch in latitude and longitude so that it is covered with a grid of points of crossing of each beam with the virtual metering surface, besides, each beam is perpendicular to the surface in the point of crossing. Then for each beam they measure speed of the flow along the beam in the point of crossing with the virtual metering surface in direction of the normal line to the specified surface by Doppler shift of echo signal frequency from the point of space on the virtual metering surface, afterwards integration is carried out for all points of the grid.

EFFECT: increased accuracy of flow rate measurement, provision of service without canal drying and even without shutdown of hydropower plants.

2 cl, 2 dwg

Description

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.The invention relates to methods for measuring the flow rate of a fluid flowing through a channel of arbitrary cross section, and can be used to measure the volumetric flow rate of fluid in existing hydropower plants and in other applications of large cross-section water supply channels.

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.There is a method of determining the volumetric flow rate of fluid in hydraulic installations, which consists in measuring the average flow rate using the acoustic method and determining the volumetric flow rate of water by the measured velocity parameter and constant flow coefficient determined during energy tests at a specific object (RF patent No. 2201579, IPC G01F 1 / 66, published March 27, 2003). The average flow rate in the cross section of the spiral chamber is determined by the acoustic method with the placement of acoustic transducers in a horizontal plane within the height of the stator columns. One of the acoustic transducers is mounted on the head of the stator column, and the second in a horizontal plane on the wall of the spiral chamber.

Недостатком данного способа является невысокая точность измерения скорости потока и неудобство обслуживания акустических преобразователей, заключающееся в том, что для этого требуется осушение канала.The disadvantage of this method is the low accuracy of measuring the flow rate and the inconvenience of servicing acoustic transducers, which consists in the fact that this requires drainage of the channel.

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.As a prototype, a method for determining the volumetric flow rate of turbines of low-pressure hydroelectric power plants (options) was chosen (RF patent No. 2369771, IPC F03B 13/06, published on 10.10.2009). The method consists in measuring the average flow rate using the acoustic method and determining the volumetric flow rate of water from the measured velocity parameter and a constant flow coefficient.

Недостатком прототипа является невысокая точность измерений, а также то, что обслуживание возможно только при осушении места установки датчиков.The disadvantage of the prototype is the low accuracy of the measurements, as well as the fact that maintenance is possible only when draining the installation site of the sensors.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения расхода, обеспечение обслуживания без осушения и даже без остановки гидроагрегата.An object of the invention is to improve the accuracy of flow measurement, providing service without drainage, and even without stopping the hydraulic unit.

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.The problem is solved in that in order to measure the flow rate of the fluid flowing through the channel, a complex virtual measuring surface is selected in the channel section that covers the entire channel section, then an ultrasonic source or sources are formed in its geometric center or centers, forming a group of narrowly directed rays penetrating a virtual measuring arbitrary surface with a given step in latitude and longitude so that it is covered by a grid of points of intersection of each ray with a virtual a surface, and each beam is perpendicular to the surface at the point of intersection, then for each beam the flow velocity is measured along the beam at the point of intersection with the virtual measuring surface in the direction normal to the surface by the Doppler shift of the frequency of the echo signal from the point of space on the virtual measuring surface, and then Integrate over all grid points.

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.In one specific embodiment of the method, a virtual sphere is selected as a virtual arbitrary measuring surface, in the only geometric center of which there is a single multipath ultrasonic source.

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.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the location of the virtual sphere with a complete overlap of the channel section, figure 2 shows the location of the ultrasonic source in the center of the virtual sphere and the cross section of the virtual sphere by rays.

На фиг.1: сечение канала 1, направление течения потока 2, виртуальная сфера 3, перекрывающая все сечение канала.Figure 1: the cross section of the channel 1, the direction of flow of the stream 2, the virtual sphere 3, overlapping the entire cross section of the channel.

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.In Fig.2: the intersection point with the virtual sphere 4, narrow beams 5, ultrasonic source 6, A is the angle between the rays in the horizontal plane, B is the angle between the rays in the vertical plane.

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.The method is as follows. As an ultrasonic source 6, a multi-beam echo sounder is used, narrowly directed rays 5 of which propagate in space at a selected angle A, so as to cross the virtual sphere 3 over the entire width of the channel section with the same pitch (Fig. 2). All narrowly directed rays 5 lie in a plane perpendicular to the walls of the channel. The plane of narrowly directed rays 5 begins to mechanically rotate from top to bottom, rotating the ultrasonic source 6 itself, and during rotation, the plane of narrowly directed rays 5 remains perpendicular to the walls of the channel. Suppose that during rotation several angular positions are fixed in increments of elevation B.

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.For each angular vertical position, the space is probed with all narrowly directed rays 5 of the ultrasonic source 6 and the Doppler shift is determined precisely at the intersection points of the narrowly directed rays 5 and the virtual sphere 3, by which the flow velocity is determined at the indicated points 4 of the intersection with the virtual sphere in the direction perpendicular the surfaces of the virtual sphere 3 at the desired points. Get the desired grid of points and the value of the flow velocities in them. This data is used to calculate the total flow through the channel.

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.The number and frequency of points is determined by the values of A and B. The smaller these values, the more points will participate in the calculations, and accordingly, the result will be more accurate. For flows with high turbulence, it is necessary to more frequently locate points.

Текущий расход в некоторый момент времени для небольших углов А и В определяют по формуле 1The current flow rate at some point in time for small angles A and B is determined by the formula 1

где Р - текущий расход в некоторый момент времени,where P is the current flow rate at some point in time,

R - радиус сферы,R is the radius of the sphere,

А и В - углы между лучами по горизонтали и вертикали соответственно,A and B are the angles between the rays horizontally and vertically, respectively,

Vi - скорость в точке с номером i,Vi - speed at point i,

Σ - сумма по всем просканированным точкам.Σ is the sum of all scanned points.

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.A small angle is considered, if on the site of a virtual sphere with an angular size A * B, in order to achieve measurement accuracy in each specific case, the flow rate can be considered constant. This is a condition for choosing the step size in the corners.

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.Scanning options can be many. Mechanical rotation of several rays in one of the planes, as described above, electronic one-dimensional or two-dimensional scanning or any other combination of electronic, mechanical scanning or the direct use of a large two-dimensional matrix of rays.

Предлагаемый способ позволяет измерять расход жидкости в канале и производить обслуживание без осушения и даже без остановки гидроагрегата.The proposed method allows to measure the flow rate of the liquid in the channel and perform maintenance without drainage and even without stopping the hydraulic unit.

Claims (2)

1. Способ измерения расхода жидкости, протекающей через канал, заключающийся в том, что 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.1. A method of measuring the flow rate of a fluid flowing through a channel, namely, that a complex virtual measuring surface is selected in the channel section that covers the entire channel section, then an ultrasonic source or sources are installed in its geometric center or centers, forming a group of narrowly directed rays penetrating a virtual measuring arbitrary surface with a given step in latitude and longitude so that it is covered by a grid of points of intersection of each beam with a virtual measuring surface, and each beam is perpendicular to the surface at the point of intersection, then for each beam, the flow velocity is measured along the beam at the point of intersection with the virtual measuring surface in the direction normal to the surface by the Doppler shift of the frequency of the echo signal from the point of space on the virtual measuring surface, and then Integrate over all grid points. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сложной виртуальной измерительной поверхностью является виртуальная сфера, а единственной точкой установки одного многолучевого ультразвукового источника является геометрический центр этой сферы. 2. The method according to claim 1, characterized in that the complex virtual measuring surface is a virtual sphere, and the only installation point of one multipath ultrasound source is the geometric center of this sphere.

Images