Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ В ОТКРЫТОМ КАНАЛЕ

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к технике измерения уровня потока жидкости, протекающего по открытому каналу.

Вопросы защиты окружающей среды и экологии, в последнее время получившие большое значение, выдвинули более жесткие требования к контролю безнапорных потоков и их коммерческому учету, на основе которых определяются зачастую и штрафные санкции при сбросе загрязненных стоков, если они по физико-химическому составу и объему достигли значений выше нормированных.

Контроль уровня безнапорных потоков необходим в канализационных сооружениях при очистке сточных вод и загрязненных жидкостей, на гидростанциях при сливе в водоем использованной воды после охлаждения ею энергетических машин и агрегатов, в ирригационных и оросительных системах, широко применяется в угольной и горнорудной промышленности, например, при гидравлических способах добычи и транспортировании каменного угля, руды, породы и т.п.

Физико-химический состав жидкостей, протекающих по каналам, весьма широк. Обычно это многофазные (в том числе замутненные) водные потоки при температуре не более (30-50)°C, содержащие мелкие включения песка, глины, почвы, каменного угля, породы, нефтепродуктов, органических соединений, водорослей, растворенного воздуха, газов и т.п. В канализационных системах в составе сточных вод и загрязненных жидкостей содержится значительный процент фекалий, щелочей, кислот и солей, причем некоторые из примесей склонны к выпадению в осадок, особенно при малых скоростях потока.

Известно поплавковое устройство для измерения уровня потока жидкости, протекающей по открытому каналу [1]. Оно состоит из поплавка и гибкого каната, соединяющего поплавок с жестко закрепленным кронштейном, который расположен выше измеряемого уровня. Относительной мерой уровня является длина каната.

Недостатком поплавкового уровнемера является низкая точность и надежность измерения уровня. Точность измерения зависит от плотности и удельного веса поплавка и жидкости. Контакт поплавка с жидкостью не надежен, к дополнительным погрешностям измерения уровня приводят возможные налипания на поплавке частиц жидкости, снос поплавка потоком жидкости.

Известен резистивный струйный уровнемер, принцип действия которого основан на зависимости электрического сопротивления участка струи воды, ниспадающей с определенной высоты на поверхность жидкости, протекающей по каналу [2]. В струйном уровнемере контакт струи с жидкостью непрерывно обновляется и поэтому надежен. Резистивный, струйный уровнемер обладает более высокой точностью.

Уровнемер [2] состоит из первичного преобразователя и измерительного блока, имеющего источник переменного напряжения низкой частоты. Первичный преобразователь состоит из участка канала, по которому протекает поток жидкости, водопроводной линии, в виде шланга, на конце которого имеется кран, выполненный из электропроводного материала, причем кран открытым выходным устройством направлен вниз на поток жидкости в канале, и двух электродов, из которых один расположен по линии траектории струи, вытекающей из крана, приблизительно на ее середине и выше возможного максимального значения уровня заполнения канала жидкостью, а другой расположен на дне канала. Кран и электрод, расположенный на дне канала, подключены к источнику переменного напряжения низкой частоты, находящемуся в измерительном блоке, а электрод, расположенный приблизительно на середине струи, и электрод, расположенный на дне канала, подключены ко входу измерительного блока.

Недостатком уровнемера [2] является низкая стабильность контакта струи воды с электродом, расположенным в струе на средней части ее траектории. Источником нестабильности контакта электрода и струи являются отрывы струи от электрода, вызванные турбулентностью струи, пузырьками воздуха, воздействием на струю колебаний воздуха, образованных вентиляционными устройствами.

Целью изобретения является устранение этого недостатка. Эта цель достигается помещением струи в лоток, который защищает струю от движения воздуха и направляет ее в канал, причем лоток находится под углом α, меньшим π/2, к поверхности раздела сред «воздух - жидкость». Электрод, который должен контактировать со струей приблизительно на средней части траектории струи, крепится в полости лотка. Лоток выполнен из неэлектропроводного материала, обладающего малым углом смачиваемости с водой и хорошей адгезией, благодаря которым струя, истекающая из крана по полости лотка, «прилипает» к стенке лотка и тем самым стабилизируют обтекание струей электрода. Верхняя сторона лотка крепится к выходному устройству крана, а нижняя сторона располагаются вблизи электрода на дне канала.

Рис. 1 поясняет конструкцию и принцип действия предлагаемого устройства.

Устройство состоит из первичного преобразователя и измерительного блока 1. Первичный преобразователь имеет водопроводный кран 2, подсоединенный с помощью резинового шланга 3 к системе водопроводного снабжения. Кран выполнен из электропроводного материала, например резины. Между краном и дном канала 4 расположен лоток 5, который обеспечивает направление протекания струи воды из крана в жидкость под углом, приблизительно равным 45°, к поверхности раздела сред «воздух-жидкость» по направлению, противоположному движению потока жидкости. По траектории струи, приблизительно на ее середине в лотке, расположен электрод 6, который омывается струей, если она течет из крана. На дне канала находится еще один электрод 7. К крану и электроду 7 подведено напряжение U_n источника переменного тока низкой частоты, расположенного в измерительном блоке 1. Входная электрическая цепь измерительного блока подсоединена к электродам 6 и 7.

Устройство работает следующим образом.

Из крана вытекает струя водопроводной воды с поперечным сечением S порядка (100-200) мм². С помощью измерительного блока измеряется напряжение U_x между электродами 6 и 7. Величина напряжения U_n известна и находится в памяти измерительного блока. Кроме того, в памяти измерительного блока заложены константы: L - расстояние от крана до электрода 7 и L_b - расстояние от крана до электрода 6.

Из анализа схемы измерения, изображенной на рис. 1, можно записать следующую систему уравнений:

где I - ток, протекающий по струе и потоку жидкости от крана до электрода 7;

d - характерный линейный размер контактной площади струи с поверхностью раздела сред «воздух - жидкость», ;

σ - электропроводность водопроводной воды, вытекающей из крана, порядка (10^-2-10^-4) См/м;

σ_s - электропроводность жидкости, порядка (10²-10) См/м;

R_b - электрическое сопротивление участка струи воды, расположенного между краном и электродом 6;

R_x - электрическое сопротивление участка струи воды, расположенного между электродом 6 и контактом струи с поверхностью раздела сред «воздух - жидкость»;

R_s - электрическое сопротивление жидкости в канале между контактом струи с поверхностью раздела сред «воздух - жидкость» и электродом 7.

Сопротивление R_s пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлениями R_b и R_x.

В этом случае из решения системы уравнений (1)-(6) получаем значение уровня h по формуле

Изменения температуры, электропроводности, скорости потока струи и ее поперечного сечения не влияют на результат измерения уровня h, так как при изменении этих параметров изменяется погонное сопротивление струи, но остается постоянным отношение напряжений U_x/U_n. Иными словами, каждая отдельная частица жидкости со своими индивидуальными параметрами (размерами, температурой, электропроводностью и т.п.) и все частицы вместе непрерывно перемещаются по траектории струи и проходят по ее обоим участкам за десятые доли секунды. Поэтому сомневаться в одинаковости усредненных за некоторый интервал времени характеристик участков струи, кроме их длин, не приходится.

Таким образом, в устройстве решена задача линейного измерения величины уровня заполнения канала, при этом обеспечивается непрерывно обновляемый электрический контакт между струей и жидкостью в открытом канале, что существенно повышает надежность измерения.

Источники информации

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества, 1989, с.154, 440.

2. Патент РФ на изобретение №2162208, бюллетень №2, 2001 г.