Способ измерения пульсаций электропроводности турбулентного потока жидкости и устройство для его осуществления

 

1. Способ измерения пульсаций электропроводности турбулентного потока жидкости, заключающийся в преобразовании проводимости исследуемой жидкости в электрический сигнал с автоматической компенсацией постоянной составляющей сигнала и измерении переменной составляющей, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, чувствительности и расширения диапазона измерений, дополнительно преобразуют Q турбулентный поток жидкости в лами- S нарный, а его проводимости в турбул-ь лентной и лиминарной зонах преобра- J зуют в электрические сигналы и по их разности определяют величину пуль саций электропроводности турбулентного потока.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1(ДВ 0 01 N 27/02

3 I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3546510/18-25 (22) 21.01. 83 (46) 23. 05. 84. Вюл. 9 19 (72) В. H.Õàæóåâ и A.Â.Плошинский (53 ) 543. 257 (088..8 ) (56) 1. Gibson С. Н. Schwarz W. Н.

Detect ion of conductivity fluctuation

in à turbulent flow field. «rn» o<

Fluid Mechanics, ч. 16 part 3, 1963, р. 357-364.

2. Вершинский Н. В. и др. Опыт регистрации вертикальной микроструктуры температуры и электропроводимости в поверхностном слое океана с помощью всасывающего зонда.

"Океанология", т. ХХ1, вып. 4, 1981, с. 934-639 (прототип).

3. Авторское свидетельство СССР

М 859960, кл. 0 01 N 27/02, 1981 (прототип).

„.,SU„„56 A (54 ) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ измерения пульсаций электропроводности турбулентного потока жидкости, заключающийся в преобразовании проводимости исследуемой жидкости в электрический сигнал с автоматической компенсацией посто-янной составляккцей сигнала и измерении переменной составляющей, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности, чувствительности и расширения диапазона измерениЯ, дополнительно преобразуют турбулентный поток жидкости в ламинарный, а его проводимости в турбулентной и.лиминарной зонах преобразуют в электрические сигналы и по их разности определяют величину пульсаций электропроводности турбулентного потока.

1093956

2. Устройство для измерения пульсаций электропроводности турбулентного потока жидкости, содержащее четырехплечий мост переменного тока с датчиком электропроводности в измерительном плече, источник питания и,. регистратор, о. т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точноI

Изобретение Ятносится к гидроаэрофизическим измерениям и может быть использовано при исследовании процессов тепло- и массопередачи в турбулентных потоках, в метрологии при 5 создании образцовых средств измерений пульсаций, а также в промышленности в автоматизированных системах контроля состава.и свойств жидких и газообразных веществ. Ю

Известен способ измерения пульса-. ций удельной электропроводности ,(УЗП) турбулентного потока, использующий преобразование проводимости локального объема исследуемой среды в электрический сигнал с последующим выделением из него переменной составляющей, пропорциональной измеряемой величине. Устройства, реализующие этот способ, представляют собой четырехплечий мост переменного тока .с датчиком пульсаций в одном из плеч. Принцип действия этих устройств основан на измерении мгновенного значения УЭП в локальном объеме турбулентного потока. При подборе сопротивления в уравновешивающем плече моста, проводимость кото. poro эквивалентна средней УЭП жидкости,сигнал разбаланса моста приблизительно пропорционален отклонениям (пульсациям) от среднего фонового значения УЭП, и по его величине судят о значении пульсаций УЭП турбулентного потока f11.

Недостатками известных техническихз решений являются низкая точность, чувствительность и узкий диапазон измерений. Это обусловлено физической неидентичностью проводимости жидкости (проводник второго рода) и зкви-40 валентной проводимости уравновешивающего плеча (проводник первого рода), а также влиянием на результаты измерений изменений фоновых характеристйк турбулентного потока (температуры, 45

;концентрации, скорости) .

Известен способ измерения пульсаций электропроводности турбулентного потока, заключающийся в преобразовании проводимости исследуемой жидкости, расширения диапазона измерения и упрощения конструкции, устройство дополнительно содержит датчик электропроводности, установленный в уравновешивающее плечо моста, и гидродинамический преобразователь турбуленъ ного потокй в ламинарный, установленный между датчиками. сти в электрический сигнал с автоматической компенсацией постоянной составляющей сигнала и измерении переменной составляющей (2).

Известно устройство, реализующее известный f2) способ, содержащее четырехплечий мост переменного тока высокой частоты, в измерительное плечо которого включен. контактный датчик пульсаций УЭП. К диагоналям моста подключены источник питания

-и регистратор. Вход электронной схемы уравновешивания моста подключен к выходу регистратора, а выходк управляемой электрической проводимости шунтирующей проводимость датчика j3).

При погружении датчика в поток на него воздействует турбулентный сигнал, представляющий собой сумму постоянной (среднее значение УЗП) и переменной .(пульсации УЭП) составляю щихх. В процессе измерений мост автоматически балансируется электронной схемой. Балансировка моста осуществляется изменением проводимости элемента, подключенного параллельно к датчику. В качестве управляемого элемента используется полевой транзистор, иа вход которого заведена обратная связь с выхода регистратора раэбаланса. Это позволяет поддержи,вать суммарную электрическую проводимость измерительного плеча на фиксированном уровне и судить о величине пульсаций по регистрируемому сигналу разбаланса моста. Известное техническое решение стабилизирует коэффициент преобразования пульсаций при изменении фоновой УЭП.

Таким образом, недостатками известнох о технического решения являются низкая точность, чувствительность, ограниченный диапазон измерений пульсаций УЗП и сложность реализации устройства.

Целью изобретения является повышение точности, чувствительности и расширение диапазона измерений.

Поставленная цель достигается .тем, что согласно способу измерения

109395б пульсаций электропроводности турбулентного потока жидкости, заключающемуся в преобразовании проводимости исследуемой жидкости в электрический сигнал с автоматической компенсацией постоянной составляющей сигнала и измерении переменной составляющей, дополнительно преобразуют турбулентный поток жидкости в ламинарный, а

его проводимости в турбулентной и ламйнарной зонах преобразуют в электрические сигналы и по их разности определяют величину пульсаций электропроводности турбулентного потока.

Устройство для измерения пульсаций электропроводности турбулентного 15 потока жидкости, содержащее четырехплечий мост переменного тока с датчиком электропроводности в измерительном плече, источник питания и регистратор, дополнительно содержит дат- 20 чик электропроводности, установленный в уравновешивающее плечо моста, и гидродинамический преобразователь турбулентного потока в ламинарный, установленный между датчиками. 25

Это позволяет непосредственно в жидкости осуществить операцию гидродинамического разделения. входного сигнала на статический и динамиче» ский, обеспечить физическое соответ- 30 ствие сопротивлений в измерительном и уравновешивающих плечах моста,, автоматически компенсировать посто-. янную составляющую сигнала внутренней обратной связью моста в процессе измерений и исключить электронные цепи обратных связей.

На чертеже представлена схема устройства для измерения пульсаций электропроводности турбулентного потока жидкости.

: 40

Устройство для измерения пульсаций УЭП турбулентного потока жидкости содержит измерительный мост 1, образованный четырьмя плечами 2-5.

Источник питания б и регистратор 45 разбаланса 7 включены в соответствующие диагонали моста 1. Датчик пульсаци9 2, являющийся одним из плеч моста 1, установлен в исследуемом потоке в турбулентной зоне 8. 50

Гидродинамический преобразователь 9, например, с мелкими сотами или капиллярами 10 преобразует турбулентное течение потока в ламинарное в зоне 11, в которой установлен дополнительный датчик УЭП 3, являющийся также одним из плеч моста 1, причем смежным с плечом 2.

Способ осуществляют следующим образом. 60

В измерительном мосте 1 непрерывно сравниваются импедансы плеч 2 и 3 датчиков УЭП. Эти импедансы являются .проводниками второго рода. В двух других плечах моста 1 сравниваются инпедансы плеч 4 и 5, являющиеся проводниками первого рода, например прецизионные резисторы. Условием равновесия моста 1 является равенство произведений сопротивлений противоположных плеч. При отсутствии турбулентностей в турбулентной зоне 8 датчики 2 и 3 реагируют на среднее значение УЭП и уравновешенное нулевое) состояние моста 1 не зависит от скорости потока и абсолютной величины

УЭП. Величины импедансов плеч 2 и 3, а также плеч 4 и 5 подбираются, исходя из условия равновесия моста 1, причем импедансы плеч 2 и 3 (кондуктивные постоянные датчиков, умноженные на величину УЭП) могут быть равны между собой. В этом случае требуется также и равенство импедансов плеч 4 и 5. В состоянии равновесия моста 1 сигнал разбаланса на регистраторе разбаланса 7 отсутствует, поэтому по нулевому положению регистраторов можнО .судить об отсутствии пульсаций УЭП в турбулентной зоне 8.

При воздействии турбулентного потока с пульсациями УЭП на датчик 2 импеданс этого плеча изменяется в со-, ответствии с мгновенным значением

УЭП в турбулентной зоне 8. При про-. хождении турбулентного потока через гидродинамический преобразователь 9 в капиллярах 10 последнего происходит изменение характера течения и осуществляется перевод турбулентного течения в ламинарное. Поэтому в зоне 11 на выходе преобразователя 9, где размещен датчик 3, в потоке отсутствуют турбулентности с пульсациями УЭП, и импеданс плеча 3 изменятся только в соответствии со средним значением УЭП. В результате этого в плече 3 моста воздействует только статический сигнал, а в плече 2 как статический, так и динамический, т.е. вызванный пульсациями УЭП. В измерительной диагонали моста 1, в которую включен регистратор разбаланса 7, появляются флуктуации электрического сигнала, вызванные воздействием турбулентного потока с пульсациями УЭП на датчик 2. По регистратору разбаланса 7.в соответствующем амплитудно-частотном диапазоне судят о величине пульсаций УЭП в турбулентной зоне 8. Среднее, медленно изменяющееся значение УЭП воздействует на оба датчика 2 и 3, не влияя на разбаланс моста 1. Пульсации УЭП воздействуют только на датчик 2, поэтому разбаланс моста 1 вызван только электрическим сигналом, пропорциональным величине пульсаций УЭП в турбулентной зоне 8.

В качестве гидродинамического преобразователя 9 могут быть использованы сотовые выпрямители, Сглаживающие

1093956

ВНИИПИ Заказ 3415/35 . Тираж 823 Подписное филиал ППП Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 сетки, сужающие элементы, капилляры, трубки с большим гидравлическим сопротивлением. Основным требованием к преобразователю 9 является образование на его выходе ламинарной зоны 11.

Конструктивно гидродинамическнй преобразователь 9 может быть выполнен в виде отдельного погружного узла, жестко связанного с датчиками 2 и 3, или в виде гидродинамической трубы с датчиками 2 и 3 соответственНо на ее входе и выходе. Расположение преобразователя- 9 и датчиков 2 и 3 относительно вектора скорости набегающего потока может быть произвольным, последовательным, параллельным, последовательно-параллельным.

Основными требованиями при этом являются минимальное искажение структуры поля турбулентности в чувствительной 20 зоне датчика 2 и жесткость установки датчиков 2 и 3 и преобразователя 9 относительно друг друга. Это достига ется выбором известных гидродинамических профилей .погружных датчиков 2 25 и 3, установкой датчика 2 вне эоны отрыва потока от корпусов преобразователя 9 н датчика 3. При соблюдении обычных правил техники гидродинамических измерений и минимизации вносимых искажений величина сигнала рассогласования на выходе моста 1 зависит только от интенсивности исследуемого поля пульсаций УЭП.

Предлагаемый способ и реализующее его устройство применимы для измерения пульсаций в газоплаэменных и водных турбулентных потоках не только электропроводности, но и других физических величин, например скорости и температуры. При этом техническая реализация устройства может включать в себя существующую совокупность разновидностей датчиков и измерительных мостов. По сравнению с известным предлагаемое техническое решение улучшает чувствительность в 10 раз, на декаду расширяет диапазон измерений в область инфранизких частот, повышает точность измерения и значительно упрощает конструкцию за счет исключения интегратора и устройства управления конпенсатором постоянной составляюшей.