Устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости

 

s l. СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК g4 G 01 P 5/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H A BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3547764/18-10 (22) 04.02. 83 (46) 23.06.86. Бюл. Ф 23 (71) Донецкий государственный университет (72) И.Л. Повх, A.Â; Аржанников, В.А. Цвикевич и И.Г. Дунаевский ,(53) 532.574(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 679878, кл. С 01 P 5/08, 1978.

Авторское свидетельство СССР

Р 775699, кл. G 01 р 5/08, 1979. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА ЖИДКОСТИ, содержащее магнитную систему с чередующимися полюсами, выполненную в виде тела вращения с зазорами, заполненными диэлектриком, в которых установлены две пары электродов, расположенные в вершинах квадрата, центр которого находится на оси тела вращения, а также измерительный блок, включающий схему сложения и две схемы вычитания, на входы которых подключены пары противолежащих электродов, „„SU,„, 1239604 А1 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения объема получаемой информации, зазоры выполнены во взаимно перпендикулярных диаметральных плоскостях, при этом в одном из них симметрично относительно оси тела вращения установлена пара дополнитель ных электродов, а в измерительный блок дополнительно введены три дифференци- альных усилителя и корреляционный измеритель средней скорости, к входам двух дополнительных дифференциальных усилителей подключены по две пары противолежащих электродов, расположенных в вершинах квадрата, выходы этих усилителей подключены к схеме сложения, к входу третьего дополнительного дифференциального усилителя подключены дополнительные электроды, на выходы корреляционного измерителя средней скорости подключены выходы двух дифференциальных усилителей, к входам которых подключены основная и дополнительная пары электродов, размещенных в общем зазоре.

1 12

Изобретение относится к области из мерений параметров движения, предназначено для исследования движения жидких сред и может быть использовано для измерения вектора пульсаций и средней скорости турбулентного потока в одном объеме измерения, что обеспечивает принципиальную возможность вычисления пространственного масштаба турбулентности и анизотропии при проведении гидрофизических исследований и изучении полей скорости водной среды морей, океанов и потоков в гидротехнических сооружениях.

Известно устройство для измерения пульсаций скорости потоков жидкости, содержащее постоянный магнит и электроды, однако это устройство позволяет измерять только пульсационные характеристики потока (Т) .

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости, содержащее магнитную систему с чередующимися полюсами, выполненную в виде тела вращения с,цвумя зазорами в рабочей части, заполненными диэлектриком, на поверхности которого установлены четыре электрода, а измерительный блок содержит схемы сложения и вычитания, к которым подключены электроды.

Реальное течение жидкости — это трехмерное турбулентное двоение, характеризуемое величиной вектора пульсаций скорости, пространственным масштабом и средней скоростью переноса. Таким образом, для полной характеристики турбулентного потока необходимы определение величины вектора пульсаций скорости, одновременное (в том же объеме) измерение средней скорости и вычисление пространственного масштаба.

Известные устройства не предназначены для одновременного измерения трех компонент вектора пульсаций и средней скорости турбулетного потока и, следовательно, не обеспечивают возможности вычисления пространственного масштаба и анизотропии турбулентного потока.

Цель изобретения — увеличение объема получаемой информации.

Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем магнитную систеьц с чередующимися полюсами, выполненную в виде тела вращения с зазо19604 2 рами, наполненными диэлектриком, в которых ус гановлвны цве пары электродов, размещенные в вершинах квадрата, центр которого находится на оси тел» вращения, а также измерительный блок, включающий схему сложения и две схемы вычитания, на входы которых подключены пары противолежащих электродов, зазоры выполнены во взаимно перпендикулярных диаметральных плоскостях, при этом в одном из них симметрично относительно оси тела вращения ус-ановлена пара допол— нительггых электродов, а в измеритель1 ный блок дополнительно введены три дифференциальных усилителя и корреляционный измеритель средней скорости, .к входам двух ггополнительньгх,циффе1 р нциальггых усилителей подключены по

1 о Гцве пары противолежащих электродов, расположенных в вершинах квадрата, выходы этих. усилителей подключены к схеме сложения, к входу третьего дополнительного дифференциального усилителя подкггючены дополнительные элек троды, íà i:bõoäû корреляционного измерителя средней скорости подключены выходы двух дифференциальньгх усилителей, к входам которых подключены осн.овная и дополнительная пары электродов, размещенных в общем зазоре.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства с первичным измерительным ггреобразователем; на фиг. 2 — магнитная система с указанием точек распопr ложения электродов, вид спереди; на фиг. 3 — то же, вид сбоку; на фиг.4— развернутая схема магнитной системы с линиями направлений магнитных потоков в полюсах и зазорах; на фиг.5—

40 блок-схема корреляционного измерителя средней скорости; на фиг ° 6 — осциллограммы сигналов с выходов усилителей.

На корпусе 1 устройства размещены электроды 2 — 7, которые подключены к входам дифференциальных усилителей

8 — 12, связанным с сумматором 13 и корреляционным измерителем 14. средней.скорости. Измерительный блок также содержит усилители-ограничители

15 и 16, схемы 17 — 20 совпадения, стандартный последовательный регистр

21 сдвИга., счетчики 22 и 23, схему управления частотой генератора 24

TBKToBbLê импульсов 24 и генератор 25 тактовых импульсов.

Измерение компонент вектора пульсаций скорости производится в систез 1239604 4 ме координат, две оси которой совпа- чине компоненты U„, что подтверждаетдают по направлениям с осями зазоров, ся простыми формулами. Известно, что а третья — с продольной осью преобра т 4 р 5 к где К вЂ” постоянный коэффициент, имеющий размерность кг м/а, с (произведение магнитной индукции на расстояние), и сумма четырех электродов зователя.

Устройство работает следующим образом.

Примем, что вектор средней скорости потока (или направление движения первичного измерительного преобразователя) совпадает по направлению с продольной осью K системы координат, связанной с преобразователем, /Ч,+ Рф/ + /9 +95 =

Так как величина суммы от перестановки слагаемых не меняется, то тогда сумма величин потенциалов электродов преобразователя, расположен" ных в одной диаметральной плоскости, пропорциональна величине продольной компоненты вектора пульсаций скорости V а разности величин потенциа/Ч 2 + Ж f +/ 94 + рь / = 2КЧ и 2, выбранной системы координат, соответственно пропорциональны компонентам V> и Ч .

Учитывая созданные направления полей в зазорах магнитной системы, (фиг. 2) и направления векторов скорости обтекания, которые направлены вдоль зазоров, мгновенные значения

25 ;потенциалов на электродах 2 и 4, 3 и

5 всегда одинаковых знаков и на вы30 ходах дифференциальных усилителей 8 а и 9, подключенных к этим электродам, сигналы пропорциональны разности потенциалов на входе, т.е. пропорциональны компонентам вектора V и Ч» и являются выходными. 35

Для получения сигнала, пропорционального компоненте вектора пульсации скорости U, применена схема двойноro суммирования. Дифференциальные усилители 10 и 11 подключены соответ- 40 и

Дй ср тогда средняя скорость измеряемого потока определяется по формуле

У

C P — д ственно к электродам 2 и 3, 4 и 5, которые установлены в зазорах с различными (по отношению к обтекающему потоку) направлениями магнитных полей, и мгновенные значения потенциалов на электродах 2 и 3, 4 и 5 будут различных знаков, следовательно., на выходах усилителей 10 и 11 сигналы

Расстояние между парами электродов 2 и 4, 6 и 7 отсчитывается по направлению оси Х и его величина определяется следующим требованием.

Величина задержки gt не должна превышать (фиг. 4) половину периода Т максимальной частоты Й „„ полосы пропус.кания усилителей 8 и 1?. Тогда имеем

4 . V,p пропорциональны суммам входных сигна

55 лов (однако, эти суммы не пропорциональны компоненте Ч», так как электроды, подключенные к входам усилителей, находятся в разных диаметральных плоскостях). Сигналы с усилителей 10 и 11 поступают на вход сумматора 13, на выходе которого получим сумму потенциалов четырех электро су,щ п

2 cP, fbirl 2f дов, пропорциональную удвоенной велилов электродов в каждой из диаметральных плоскостей, совпадающих с осями 20

Следовательно, сумма потенциалов четырех электродов является выходным сигналом, пропорциональным продольной компоненте вектора пульсаций скорости U..

Измерение средней скорости потока в том же объеме, в котором измеряются компоненты вектора пульсаций, производится с помощью дополнительных электродов 6 и 7, установленных на расстоянии 1 от электрода 2 и 4 в тех же зазорах, показанных на фиг. 1 и 2. Сигналы на выходе дифференциального усилителя 12 (вход которого подключен к электродам 6 и 7) запаздывают от сигналов усилителя 8 (вход ко торого подключен к электродам 2 и 4) на время p t .пропорциональное средней скорости потока V . На фиг. 4 приведены осциллограммы сигналов с выходов усилителей 8 и 12 и показано аремя запаздывания дс. Это время определяется простой зависимостью

1739604

Измерение средней скорости по времени запаздывания случайных сигналов„

r.îëó÷åíHbòõ из различных точек движущейся среды, широко применяется н технике и, в частности, для измерения средней скорости проката металла.

Таким образом, для измерения средней скорости турбулентного потока жидкости с помощью первичного измерительного преобразователя магнито- гидродинамического типа обтекаемой формы при установке в зазорах одной диаметральной плоскости по одному дополнительному .электроду может быть применена корреляционная схема измерения средней скорости потока.

Для измерения средней скорости потока в предлагаемом устройстве ис-. пользуется корреляционныи измеритель скорости с дискретным полярным коррелятором, в котором в качеств блока переменной задержки применен регистр сдвига с переменной частотой тактовых (передвигающих) импульсов.

Сущность работы такого измерителя средней скорости заключается в автоматическом слежении за перемещением максимума функции взаимной корреляции двух сигналов, полученных из разных точек движущейся среды, что соответствует измерению времени задержки между сигналами с выходов усилителей 8 и 12.

Рассмотрим последовательность про35 хождения сигналов в блок-схеме и выработку выходного сигнала, пропорционального средней скорости потока.

Сигналы с выходов дифференциальных усилителей 8.и 12 поступают на усили4О тели-ограничители 15 и 16, где преобразуются (клиппируются) в последовательности прямоугольных импульсов. .Затем поступают на схемы 17 и 18 сов-! падений, на вторые входы которых nocgt < тупают короткие импульсы с генератора 25 тактовых импульсов. На выходах схем совпадения импульсы будут только в те моменты времени, когда последовательности прямоугольных импульсов усилителей 8 и 12 будут иметт>.

50 положительные значения. Импульсы со схемы 17 совпадения поступают на .стандартный последовательный регистр

19 сдвига, который выполняет функцжо блока переменной задержки. Регистр сдвига имеет два выхода, с которых импульсы поступают на две следующие схемы 20 и 21 совпадения, на вторые входы этих схем совпадения поступают импульсы канала усилителя 12, сдвину. тые по времени на величину gt. В схе. ах 20 и 21 совпадения (осуществляющих функцию перемножения) фактически производится оценка (сравнение) величины задержки импульсов канала усилителя 8 в регистре сдвига ь. с с величиной задержки gt, пропорциональной средней скорости потока. Разница в задержках с учетом знака (больше или меньше) спределяется счетчиками 22 и

23, выходы которых подключены к схеме 24 управления частотой генератора

25 тактовых импульсов.

Генератор тактовых импульсов по цепи обратной связи управляет величиной задержки в регистре сдвига. Управление производится таким образом, чтобы разница в задержках была равной пулю и это состояние автоматически поддерживается при изменении, т.е. средней скорости потока. При автоматическом слежении выполняется условие

Я с,= ht = НТ,„= ср откуда следует

L с Т си

Р ги где V -- числе ячеек регистра сдвига;

Т„ -- период частоты генератора тактовых импульсов;

Р— частота генератора тактовых импульсовj

Vi — постоянный коэффициент пропорциональности, равный и соответственно имеющий размерность длины, м.

В результате средняя скорость потока в принятой схеме линейно опреде ляется частотой генератора тактовых импульсов. Постоянный коэффициент может быть вычислен по конструктивным параметрам.

Таким образом, применение в устройстве магнитной системы с четырьмя зазсрами с принятым направлением магнитных полей и использование схемы двойного суммирования обеспечивает независимое измерение трех компонент вектора пульсаций скорости в выбранной системе координат, а установка дополнительных электродов с корреляционным измерителем скорости обеспечивает одновременное измерение сред7 17 ней скорости потока в том же объеме измерения.

Независимость измерения трех компонент вектора пульсации скорости в выбранной системе координат обусловлена ее симметрией относительно зазоров. Отклонение вектора скорости относительно оси Y в силу симметрии и совпадения осей с направлением зазоров вызывает изменение в разности потенциалов электродов, расположенных только по оси Y, а отклонения относительно.оси 2 повлияют только на разность потенциалов элект39ббч 8 родов осн X, что равносильно появлению соответствующих компонент вектора пульсаций скорости.

Предлагаемое устройство позволяет путем изменения магнитной системы, добавления электронных блоков, уста. новки дополнительных электродов и введения корреляционного измерителя скорости расширить его функциональщ ные возможности для измерения параметров турбулентного потока жидкости измерять среднюю скорость и обеспечивать возможность вычисления простран- ственяых масштабов и анизотропии.

1239604

Составитель В. Назарова

Техред О. Сопко Корректор M Демчик

Редактор Л. Гратилло

Заказ 3390/44

Подписное "

Тираж 778

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4