Устройство для измерения пульсаций скорости потока жидкости
Владельцы патента RU 2412447:
Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины (МГИ НАН Украины) (UA)
Изобретение может быть использовано для измерения компонент вектора скорости течения электропроводящей жидкости при исследованиях мелкомасштабной турбулентности. В корпусе (1) в виде тела вращения из диэлектрика установлены магнитная система из четырех магнитов (2), четырех магнитопроводов (3) и основания (4) и две пары электродов (9), расположенные в вершинах четырехугольника. Электроды имеют развитые рабочие поверхности и герметично установлены, с возможностью извлечения из корпуса, в четырех камерах (8), сообщающихся с потоком жидкости посредством каналов (5), которые оканчиваются капиллярами (7), выходящими на поверхность корпуса в рабочем магнитном зазоре в вершинах квадрата, центр которого находится на оси корпуса. Каналы с капиллярами заполнены проницаемым для жидкости материалом (например, в виде хлопчатобумажных фитилей). Пары противолежащих электродов подключены ко входам схемы сложения и двух схем вычитания измерительного блока. Изобретение повышает точность измерений за счет обеспечения высокой пространственной разрешающей способности и повышения пороговой чувствительности. 4 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения пульсаций скорости потока электропроводящей жидкости, и может быть применено для измерения компонент вектора скорости течения с низким уровнем собственных шумов и, следовательно, с высокой разрешающей способностью, при исследованиях мелкомасштабной турбулентности в лабораторных и натурных условиях.
Известно устройство для измерения пульсаций скорости потока жидкости [1], содержащее магнитную систему с чередующимися полюсами с рабочей частью в виде клина с Х-образным зазором, расположенным симметрично относительно переднего ребра клина. В ветвях зазора установлены электроды. Ветви зазора расположены под острым углом к продольной оси магнитной системы на равном расстоянии от переднего ребра клина заподлицо на его наклонных плоскостях. Устройство содержит также измерительный блок, снабженный схемами суммы и разности, к которым подключены электроды. Сходными существенными признаками этого аналога и заявленного изобретения являются: магнитная система с чередующимися полюсами и электроды, подключенные к схемам суммы и разности измерительного блока. Это устройство для измерения пульсаций скорости потока жидкости имеет недостаточную пороговую чувствительность и точность из-за высокого уровня электрохимических шумов, лимитируемых снизу малой площадью электродов.
Известен кондукционный датчик скорости потока [2], содержащий обтекаемый корпус, магнитную систему и два электрода с развитой рабочей поверхностью. Электроды размещены в полостях, выполненных в корпусе, которые заполнены электропроводящей жидкостью и связаны с поверхностью корпуса капиллярными каналами. Сходными существенными признаками являются: обтекаемый корпус, магнитная система, электроды с развитой рабочей поверхностью, расположение электродов в полостях, заполненных электропроводящей жидкостью, связь полостей с поверхностью корпуса посредством капиллярных каналов. Недостатком этого датчика скорости потока является: отсутствие контроля за состоянием платинированных электродов и возможности их замены; возможность образования пузырьков воздуха в каналах и полостях при многократном пересечении датчиком границы раздела вода-воздух при спуске и подъеме с борта судна, что приводит к искажению результатов измерений; возможность загрязнения электродов и закупорка каналов при работе в потоках, содержащих взвесь или пленки нефтепродуктов, что также искажает получаемые данные; невозможность создания большого значения напряженности магнитного поля в области расположения электродов вследствие разомкнутости магнитной системы, что приводит к снижению чувствительности датчика.
В качестве прототипа выбрано устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости [3] как наиболее близкое по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению. Прототип содержит магнитную систему с чередующими полюсами, выполненную в виде тела вращения с двумя зазорами в рабочей части, заполненными диэлектриком. В зазорах установлены две пары электродов, расположенных в вершинах квадрата, центр которого находится на оси тела вращения. Зазоры выполнены во взаимно перпендикулярных диаметральных плоскостях. Измерительный блок устройства включает схему сложения и две схемы вычитания, на входы которых подключены пары противолежащих электродов. Устройство содержит пару дополнительных электродов, расположенных в одном из зазоров симметрично относительно оси тела вращения. Дополнительные электроды также подключены к измерительному блоку устройства.
Сходными существенными признаками прототипа и заявленного изобретения являются: магнитная система с чередующимися полюсами, вмонтированная соосно в корпус из диэлектрика; выполнение корпуса в виде тела вращения; размещение в корпусе двух пар электродов, которые расположены в плане в вершинах четырехугольника; измерительный блок, включающий схему сложения и две схемы вычитания; подключение пар противолежащих электродов к указанным схемам измерительного блока.
Недостатком прототипа является низкая пороговая чувствительность и точность из-за высокого уровня электрохимических шумов, лимитируемых снизу малой площадью электродов. Кроме того, из-за непосредственного контакта с исследуемой средой происходит загрязнение электродов, что также снижает точность измерений.
В основу изобретения поставлена задача создания устройства для измерения пульсаций скорости потока жидкости, в котором за счет признаков, характеризующих особенности выполнения электродов и их установки, а также за счет особенностей контакта электродов с исследуемой средой, обеспечивается технический результат изобретения - повышение пороговой чувствительности и точности измерений с обеспечением высокой пространственной разрешающей способности.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения пульсаций скорости потока жидкости, содержащем магнитную систему с чередующимися полюсами, вмонтированную соосно в корпус из диэлектрика, выполненный в виде тела вращения, в котором установлены две пары электродов, расположенных в вершинах четырехугольника, а также измерительный блок, включающий схему сложения и две схемы вычитания, к входам которых подключены пары противолежащих электродов, новым является то, что электроды имеют развитые рабочие поверхности и герметично установлены, с возможностью извлечения из корпуса, в четырех камерах, сообщающихся с потоком жидкости посредством каналов, которые оканчиваются капиллярами, выходящими на поверхность корпуса в рабочем магнитном зазоре в вершинах квадрата, центр которого находится на оси корпуса, при этом каналы с капиллярами заполнены проницаемым для жидкости материалом.
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей, на которых изображен в двух проекциях (фиг.1, фиг.2) с сечениями (фиг.3, фиг.4) конкретный пример исполнения устройства. Оно содержит цилиндрический обтекаемый корпус 1 из эпоксидной смолы с вмонтированной в него соосно магнитной системой с чередующимися полюсами. Магнитная система состоит из четырех магнитов 2, четырех магнитопроводов 3 и основания 4, которые выполнены из магнитной стали. В корпусе выполнены четыре канала 5, расположенных во взаимно перпендикулярных диаметральных плоскостях корпуса в пространствах между магнитами с магнитопроводами (фиг.3). Каналы заполнены проницаемым для жидкости материалом. В качестве такого заполнителя, например, может быть использован хлопчатобумажный материал в виде фитилей 6. Каждый канал 5 выполнен с капиллярной частью 7, диаметр которой в несколько раз меньше диаметра самого канала и равен, например, 0,1-0,3 мм. Эти капилляры 7 выходят на поверхность корпуса в рабочем магнитном зазоре устройства в заданных точках - в вершинах квадрата со стороной, например, 5-7 мм, причем центр этого квадрата лежит на оси корпуса (фиг.2). С другой своей стороны каждый канал 5 переходит в цилиндрическую камеру 8, которая значительно превышает канал по диаметру. Камеры 8 в плане размещены в вершинах четырехугольника, в данном случае квадрата, центр которого находится на оси корпуса. В этих четырех камерах установлены две пары электродов 9, при этом пары образуют противолежащие электроды (фиг.4). Электроды выполнены с развитыми рабочими поверхностями и изготовлены из черненой платины. Они установлены в камерах следующим образом: электроды жестко закреплены в четырех диэлектрических держателях - залиты в корпусы из эпоксидной смолы (на фиг.1 электроды в корпусах показаны как единое целое и обозначены позицией 9). Эти корпусы посредством резиновых прокладок 10 вставлены в камеры, герметизируя их снаружи. При этом выводы 11 пар электродов подключены посредством разъемного контакта (не показан) к измерительному блоку устройства (не показан). Держатели с электродами 9 опираются на опорную шайбу 12, которая соединена с корпусом 1, например, винтами 13. Такая конструкция обеспечивает возможность извлечения электродов 9 из корпуса 1. Корпус 1 через прокладки 14 в виде резиновых колец крепится гайкой 15 к стойке 16 устройства. Фитили 6 могут быть изготовлены из синтетических материалов. Заполнение каналов с капиллярами проницаемым для жидкости материалом обеспечивает сохранность в них жидкости в промежутках между пересечениями устройством границы раздела вода-воздух при спуске и подъеме устройства с борта судна. Кроме того, заполнитель является фильтром, защащающим капиллярные отверстия и электроды от загрязнений исследуемой среды.
Устройство работает следующим образом. При пересечении проводящей жидкостью магнитных силовых линий, созданных магнитной системой, в потоке индуцируется электродвижущая сила, значение которой пропорционально скорости потока. Разность потенциалов, возникающая в точках выхода капилляров 7 на рабочую площадку корпуса 1, воспринимается электродами 9, так как камеры 8 сообщаются с внешней средой каналами 5. Сигналы с электродов поступают на входы измерительного блока. Заявленное устройство для измерения пульсаций скорости потока жидкости осуществляет независимое измерение трех компонент вектора пульсаций скорости в выбранной системе координат.
Изобретение позволяет не только создать чувствительную зону устройства с требуемыми малыми размерами, но и применить электроды с развитыми рабочими поверхностями. При этом исключено загрязнение электродов и завоздушивание каналов, посредством которых электроды контактируют с исследуемым потоком жидкости. Это обусловливает повышение пороговой чувствительности и точности измерений с обеспечением высокой пространственной разрешающей способности и низкого уровня собственных шумов.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №679878, кл. G01Р 5/08, 1979.
2. Авторское свидетельство СССР №573755, кл. G01Р 5/08, 1977.
3. Авторское свидетельство СССР №1239604, кл. G01Р 5/08, 1983 - прототип.
Устройство для измерения пульсаций скорости потока жидкости, содержащее магнитную систему с чередующимися полюсами, вмонтированную соосно в корпус в виде тела вращения из диэлектрика, в котором установлены две пары электродов, расположенные в вершинах четырехугольника, а также измерительный блок, включающий схему сложения и две схемы вычитания, к входам которых подключены пары противолежащих электродов, отличающееся тем, что электроды имеют развитые рабочие поверхности и герметично установлены с возможностью извлечения из корпуса в четырех камерах, сообщающихся с потоком жидкости посредством каналов, которые оканчиваются капиллярами, выходящими на поверхность корпуса в рабочем магнитном зазоре в вершинах квадрата, центр которого находится на оси корпуса, при этом каналы с капиллярами заполнены проницаемым для жидкости материалом.
