PL B1. SZKOŁA GŁÓWNA GOSPODARSTWA WIEJSKIEGO W WARSZAWIE, Warszawa, PL BUP 11/13

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. G01F 23/14 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Piezometryczny zestaw pomiarowy (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 11/13 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 03/16 (73) Uprawniony z patentu: SZKOŁA GŁÓWNA GOSPODARSTWA WIEJSKIEGO W WARSZAWIE, Warszawa, PL (72) Twórca(y) wynalazku: SŁAWOMIR BAJKOWSKI, Warszawa, PL ZYGMUNT PIETRASZEK, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Grażyna Padée

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest piezometryczny zestaw pomiarowy przeznaczony do pomiaru poziomu wody, zwłaszcza na modelach fizycznych budowli wodnych. Pomiary poziomu wody na modelach fizycznych budowli wodnych, prowadzone w laboratoriach hydraulicznych, wykonywane są przy użyciu wodowskazów szpilkowych lub połączonych do modelu mierników ciśnienia. Impuls pomiarowy jest wtedy określany bezpośrednio w miejscu jego wystąpienia pomiaru. Aktualne napełnienie jest obliczane, jako różnica wskazania urządzenia i wartości odniesienia. Dla mechanicznych wodowskazów szpilkowych wartością odniesienia jest zazwyczaj ustalony poziom zwany zerem. W miernikach elektronicznych ciśnienia, obliczając głębokości wody należy wskazania przetwornika zredukować o wartość aktualnego ciśnienia atmosferycznego. W zautomatyzowanym procesie pomiarowym, gdy wymagany jest pomiar z dużą częstotliwością, stosuje się wyłącznie mierniki elektroniczne. W cyklicznych pomiarach punktowych korzystniej jest zamiast mierników ciśnienia stosować mierniki różnicy ciśnień skonfigurowane w samodzielne zestawy pomiarowe. Rozwiązanie takiego zestawu jest przedmiotem niniejszego wynalazku. Piezometryczny zestaw pomiarowy według wynalazku zawiera dwie kolumny piezometryczne kolumnę wysokiego ciśnienia i kolumnę niskiego ciśnienia przymocowane w sposób stały do rurki regulacji poziomu, do której jest również zamocowany przetwornik różnicy ciśnień oraz przymiar liniowy. Na przymiarze jest przesuwnie umocowany miernik odległości do kontroli położenia naczynia kalibracyjnego, które jest przymocowane w sposób stały do tego miernika. Ponadto zestaw jest wyposażony w piezometry odniesienia niskiego poziomu oraz wysokiego poziomu, które lokalizuje się na stanowisku badawczym, oraz w zawory. Elementy zestawu są połączone elastycznymi przewodami ciśnieniowymi, przy czym kolumna piezometryczna wysokiego ciśnienia jest połączona z zaworem wyrównującym, zaworem spustowym oraz z przetwornikiem różnicy ciśnień za pomocą zaworu odcinającego, zaś kolumna piezometryczna niskiego ciśnienia jest połączona z zaworem wyrównującym, z piezometrem odniesienia niskiego poziomu za pośrednictwem zaworu niskiego ciśnienia i bezpośrednio z przetwornikiem różnicy ciśnień. Ponadto zestaw jest wyposażony w zawór wysokiego poziomu, który w trakcie procedury kalibracyjnej jest połączony z przewodem naczynia kalibracyjnego, a w trakcie pomiarów jest połączony z piezometrem wysokiego poziomu. Zestaw jest umocowany na umieszczonej na podstawie stabilizacyjnej rurce nośnej, do której jest przymocowana w sposób przesuwny rurka regulacji poziomu. Rurka regulacji poziomu jest wyposażona w element ustalający jej wysokościowe położenie na rurce stabilizacyjnej, korzystnie śrubę. Tablica zaworów jest korzystnie umieszczona na podstawie. Rurka stabilizacyjna posiada w dolnej części zagłębienia, które współpracują ze śrubą ustalającą poziom wysokościowy zestawu. Piezometr odniesienia niskiego poziomu lokalizuje się w miejscu i na poziomie odniesienia głębokości, a piezometr wysokiego poziomu wbudowuje się w stanowisko badawcze, w miejscu dokonywania pomiaru napełnienia, nie niżej niż poziom ulokowania piezometru odniesienia niskiego poziomu. Zastosowanie w zestawie rurki nośnej i rurki regulacji poziomu pozwala na prowadzenie pomiarów na różnych poziomach, bez zmiany zakresu pomiarowego przetwornika różnicy ciśnień. Zastosowanie przesuwu pozwala także na pełne wykorzystanie długości kolumn piezometrycznych w zakresie pomiarowym. Zestaw według wynalazku umożliwia wykonanie pomiarów oraz jego kalibrację, w wyniku której uzyskujemy równanie prostej cechowania układu. Piezometryczny zestaw pomiarowy został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny pionowy zestawu, fig. 2 przekrój poprzeczny pionowy, fig. 3 przekrój poprzeczny poziomy przez kolumny piezometryczne, fig. 4 przekrój poprzeczny poziomy przez naczynie kalibracyjne, fig. 5 schemat ustawienia zaworów dla procedury kalibracyjnej K0, fig. 6 schemat ustawienia zaworów dla procedury kalibracyjnej KP, fig. 7 schemat ustawienia zaworów dla procedury pomiarowej P0, fig. 8 schemat ustawienia zaworów dla procedury pomiaru statycznego PS, a fig. 9 schemat ustawienia zaworów dla procedury pomiaru dynamicznego PD. Piezometryczny zestaw pomiarowy według wynalazku jest przystosowany do wykonywania procesu kalibracyjnego oraz pomiarów na stanowisku badawczym. Proces jest realizowany według niżej opisanych procedur. Procedura kalibracyjna wykorzystywana jest do ustalania charakterystyki zestawu. Do zaworu pomiarowego wysokiego poziomu 18 za pomocą elastycznej rurki ciśnieniowej podłączany jest zbiornik kalibracyjny 9. Zerowanie przetwornika 6 wykonuje się dla najniższego położenia zbiornika 9. Kali-

3 PL B1 3 brację wykonujemy w zakresie długości przymiaru liniowego. Wartość różnicy ciśnienia określamy z miernika długości 8, a odpowiadające napięcie ze wskazań multimetru przetwornika różnicy ciśnień 6. Procedura kalibracyjna umożliwia ustalenie charakterystyki zastawu w zakresie roboczym przetwornika. Procedura pomiarowa jest prowadzona w trakcie wykonywania pomiarów zasadniczych. Z zaworem wysokiego poziomu 18 łączy się piezometr pomiarowy wysokiego poziomu 13. Gdy zadane ciśnienia są wolnozmienne pomiar definiowany jest jako pomiar statyczny. Dla ciśnień szybkozmiennych pomiar określamy jako pomiar dynamiczny. Charakter zmian impulsu pomiarowego wpływa na ustawienie pozycji zaworów. W ramach poszczególnych procedur dokonywane są czynności realizacyjne związane z konfiguracją i kalibracją zestawu, oraz z pomiarem właściwym. W procedurze kalibracyjnej K zestaw pomiarowy kalibruje się w przewidzianym zakresie pomiarowym. Procedura kalibracyjna umożliwia ustalenie charakterystyki przetwornika pomiarowego różnicy ciśnień 6. Czynności realizacyjne procedury są następujące: KK konfiguracja zestawu polega na tym, że naczynie kalibracyjne 9 podłącza się do ustawionego w najniższym położeniu przymiaru 7 z zaworem 18, za pomocą elastycznego przewodu ciśnieniowego. Zawory ustawia się według pozycji pokazanej na schemacie przedstawionym na fig. 5, a naczynie kalibracyjne 9 ustawia się w dolnym położeniu listwy pomiarowej 7. Tak utworzony system naczyń połączonych napełnia się wodą destylowaną, w sposób gwarantujący nie przelanie się wody ponad krawędzią naczynia kalibracyjnego 9. Otwarty przelotowy zawór 14 umożliwia wyrównanie się poziomów wody w kolumnach 3 i 4 oraz w naczyniu kalibracyjnym 9. K0 po ustabilizowaniu się poziomów i odpowietrzeniu się wody w naczyniach system zeruje się. Odpowietrzenie i zerowanie przetwornika należy wykonać zgodnie z instrukcją eksploatacji przetwornika podaną przez producenta. W ramach tych czynności należy wykonać odpowietrzenie komór pomiarowych przetwornika różnicy ciśnień 6 oraz ustawienie zera pomiarowego. Następnie wykonuje się odczyt z miernika położenia 8 oznaczając go H0, oraz wskazania wyjścia napięciowego V0 przetwornika 6 jako stałą zerowania układu. W ten sposób uzyskujemy parę zdarzeń (H0 = 0, V0). KP pomiar wykonany dla aktualnego położenia naczynia kalibracyjnego. Zawory ustawia się według schematu pokazanego na fig. 6. W czasie pomiaru otwarty jest zawór wysokiego poziomu 18, a zamknięty zawór odcinający 16. Położenie naczynia ustala się stosownie do długości zakresu kalibracyjnego, w sposób pozwalający uzyskać wymaganą liczbę zdarzeń do statystycznego ustalenia prostej kalibracyjnej. Nie powinno być mniej niż 10 przedziałów obejmujących zakres kalibracyjny zestawu. W ustalaniu położenia naczynia kalibracyjnego dopuszcza się wykorzystanie zasady stałego, jak i dowolnego przyrostu wysokości kolejnego podwyższenia naczynia. W ustalonym położeniu, po zablokowaniu przymiaru 8 i ustabilizowaniu się zwierciadła wody, wykonuje się odczyt wskazań przymiaru precyzyjnego H1 oraz wskazań wyjścia napięciowego przetwornika V1. Z różnicy wskazań przymiaru precyzyjnego H1 i H0 uzyskuje się wartość przewyższenia wynoszącą DH1 = H1 H0, odpowiadającą różnicy ciśnień wyrażonej w m lub cm słupa wody. Uzyskane wartości DH1 oraz V1 wyznaczają kolejne zdarzenie w procesie kalibracyjnym. Ki pomiar kolejny wykonuje się według czynności procedury KP dla następnego położenia naczynia kalibracyjnego. Przewyższenie naczynia kalibracyjnego 9 zwiększa się, aż do najwyższego położenia odpowiadającego zakresowi pomiarowemu. Uzyskuje się w ten sposób n par zdarzeń wyznaczających prostą kalibracyjną dla zwiększających się wartości napełnień. Zdarzenia te opisane są parami wartości DHi dla i = 1 do i = n. W celu ustalenia stabilności prostej kalibracyjnej serię pomiarową należy wykonać również dla zmniejszających się napełnień, wykonując pomiary przy obniżaniu naczynia kalibracyjnego. Uzyskuje się w ten sposób serię dla malejących napełnień, o liczebności m zdarzeń opisanych parami wartości DHj i Vj dla j = 1 do j = m. Procedura kalibracyjna K pozwala ustalić prostą cechowania przetwornika różnicy ciśnień. W tym celu wykorzystując metody statystyczne ustalamy równanie prostej kalibracyjnej. Stabilność układu szacujemy ustalając dwie proste kalibracyjne: rosnącą i malejącą. Gdy układ nie wykazuje histerezy, to prostą kalibracyjną wyznaczamy wykorzystując wszystkie n + m par zdarzeń. Dla układu cechującego się histerezą ustalamy dwie proste: jedną dla rosnących, drugą dla malejących zmian napełnień. Prosta kalibracyjna jest podstawą do szacowania rzeczywistych napełnień w czasie wykonywania pomiarów. Po ustaleniu prostej kalibracyjnej zestaw pomiarowy może być wykorzystany do określania napełnień w wyznaczonym miejscu stanowiska pomiarowego, w trakcie realizacji procesu badawczego, według procedury pomiarowej P. Kolumna pomiarowa powinna być skonfigurowana do wymagań

4 4 PL B1 procesu badawczego, ustalony powinien być poziom i miejsce założenia piezometru odniesienia niskiego poziomu 12 oraz miejsce instalacji piezometru pomiarowego wysokiego poziomu 13. Realizacja procesu pomiarowego zależy od dynamiki zmian impulsu wysokiego ciśnienia. Procedura pomiarowa obejmuje następujące czynności: PK konfiguracja zestawu do potrzeb pomiarowych procesu badawczego oraz konstrukcji stanowiska i modelu badawczego. Wykorzystując elastyczne przewody ciśnieniowe łączy się kolumny piezometryczne 3 i 4 z piezometrami 12 i 13 wbudowanymi we wskazanych miejscach, w których będzie wyznaczane napełnienie. Poziom ustawienia zestawu należy tak dobrać, aby otwory piezometrów nie znajdowały sie poniżej poziomu dna rurowych kolumn zestawu. P0 zerowanie punktu odniesienia mierzonego napełnienia. Zawory ustawia się w konfiguracji pokazanej na fig. 7 oraz uzupełnia się układ wodą destylowaną w ilości wymaganej na napełnienie kolumn 3 i 4 do poziomu, aż nastąpi przelanie się wody przez otwory rurki piezometru niskiego poziomu 12 podłączonej do kolumny niskiego ciśnienia 4, oraz przez otwór rurki piezometru wysokiego poziomu 13. Otwarty zawór przelotowy 14 umożliwia wyrównanie się poziomów wody w kolumnach 3 i 4 do poziomu ustalonego położeniem rurki piezometru 12. PS pomiar statyczny ciśnienia zadanego na piezometr 13 podłączony do kolumny wysokiego ciśnienia 3. Zawory ustawia się według schematu pokazanego na fig. 8. Zadane ciśnienie wody na piezometr spowoduje wyrównanie się wody w kolumnie 3 do poziomu pomiarowego. Po ustaleniu się poziomów wody w podłączonym do układu piezometrze 13 i w kolumnie piezometrycznej 3, wykonuje się odczyt napięcia wyjściowego przetwornika 6 w ustalonym przedziale czasowym, a według prostej kalibracyjnej oblicza się aktualną różnicę poziomów wody w kolumnie 3 w stosunku do ustalonego poziomu odniesienia w kolumnie 4. Wyraża ona napełnienie odniesione do poziomu założenia piezometru odniesienia 12. PD pomiar dynamiczny ciśnienia zadanego na piezometr podłączony do kolumny wysokiego ciśnienia 3. Zawory ustawia się według schematu pokazanego na fig. 9. Pomiary wykonuj się z częstotliwością dostosowaną do wymaganej procedurą pomiarową i konfiguracją rejestratora impulsów przetwornika 6. Procedura ta pozwala zarejestrować w ustalonym odstępie czasowym wartości ciśnień zadanych na piezometr 13 podłączony do zestawu. Aktualne napełnienie określa się z równania prostej kalibracyjnej. Odpowiadają one przewyższeniu poziomu wody na piezometrze 13 względem poziomu piezometru 12 lub poziomu wody w kolumnie 4. P r z y k ł a d Pomiary zasadnicze prowadzimy z wykorzystaniem piezometrycznego zestawu pomiarowego po wykonaniu procedury kalibracyjnej, gdy dysponujemy równaniem prostej kalibracyjnej. Tak przygotowany zestaw łączy się ze stanowiskiem badawczym instalując piezometr 12 na poziomie, względem którego będziemy określali napełnienie. Wylot rurki piezometrycznej 13 lokalizuje się w miejscu pomiaru napełnienia. Tak przygotowany zestaw uzupełnia się wodą destylowaną. Wykorzystanie wody destylowanej ogranicza rozwój mikroorganizmów mogących zakłócić proces rejestracji i zwiększyć niepewności pomiaru napełnienia. W trakcie napełniania należy usunąć pęcherzyki powietrza z przewodów ciśnieniowych. Swobodny wypływ wody z rurek piezometrycznych uzyskuje się podwyższając poziom wody w kolumnach. Gdy przewody piezometryczne są podłączone do jednej rurki piezometrycznej, wtedy miejsce i poziom założenia piezometrów 12 i 13 są takie same. W tym układzie procedury pomiarowe PS i PD prowadzi się przy zamkniętym zaworze 17. Ustawia się zawory w pozycjach pokazanych na fig. 8, gdy realizuje się procedurę PS lub pokazanych na fig. 9 dla procedury PD. Woda pojawiająca się ponad piezometrem 13 powoduje wzrost wskazań napięcia wyjściowego przetwornika 6. Wprowadzając wartości odczytów z multimetru do równania prostej kalibracyjnej uzyskuje się wartość aktualnego napełnienia odniesiona do poziomu założenia piezometru 12. Do realizacji procesu rejestracji i gromadzenia danych, oraz wykonywania niezbędnych obliczeń można wykorzystać odpowiednio skonfigurowany system komputerowy. Zastrzeżenia patentowe 1. Piezometryczny zestaw pomiarowy, znamienny tym, że zawiera dwie kolumny piezometryczne: kolumnę wysokiego ciśnienia (3) i kolumnę niskiego ciśnienia (4), przymocowane w sposób stały do rurki regulacji poziomu (10), do której jest również zamocowany przetwornik różnicy ciśnień (6) oraz przymiar liniowy (7), zaś na przymiarze (7) jest przesuwnie umocowany miernik odległości (8) do

5 PL B1 5 kontroli położenia naczynia kalibracyjnego (9), które jest przymocowane w sposób stały do miernika (8), a ponadto zestaw jest wyposażony w piezometr odniesienia niskiego poziomu (12) oraz piezometr wysokiego poziomu (13), oraz w zawory: wyrównujący (14), spustowy (15), odcinający (16), niskiego poziomu (17) i wysokiego poziomu (18), zaś elementy zestawu są połączone elastycznymi przewodami ciśnieniowymi, przy czym kolumna piezometryczna wysokiego ciśnienia (3) jest połączona z zaworem wyrównującym (14), z zaworem spustowym (15) oraz z przetwornikiem różnicy ciśnień (6) za pomocą zaworu odcinającego (16), zaś kolumna piezometryczna niskiego ciśnienia (4) jest połączona z zaworem wyrównującym (14), z piezometrem odniesienia niskiego poziomu (12) za pośrednictwem zaworu niskiego poziomu (17) i bezpośrednio z przetwornikiem różnicy ciśnień (6), przy czym zawór wysokiego poziomu (18) w trakcie procedury kalibracyjnej jest połączony z naczyniem kalibracyjnym (9), zaś w trakcie pomiarów jest połączony z piezometrem wysokiego poziomu (13), przy czym zestaw jest umocowany na umieszczonej na podstawie (1) stabilizacyjnej rurce nośnej (2), do której jest przymocowana w sposób przesuwny rurka regulacji poziomu (10), która jest wyposażona w element ustalający jej wysokościowe położenie na rurce stabilizacyjnej (2). 2. Zestaw według zastrz. 1, znamienny tym, że zawory są umieszczone na podstawie (1). 3. Zestaw według zastrz. 1, znamienny tym, że rurka stabilizacyjna (2) posiada w dolnej części zagłębienia. 4. Zestaw według zastrz. 1, znamienny tym, że rurka regulacji poziomu (10) jest wyposażona w śrubę (11).

6 6 PL B1 Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)