Устройство для измерения угловой и тангенциальной скоростей потока электропроводной жидкости

 

Изобретение относится к измерению параметров движения и может быть использовано , в частности, при исследованиях гидродинамических полей морей и океанов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения. Устройство содержит электромагнит с сердечником 1, покрытым слоем 3 диэлектрика, причем один из полюсов сердечника 1 выполнен в виде тела вращения , и два измерительных электрода, установленных заподлицо с поверхностью слоя диэлектрика. При этом точечный электрод 4 расположен в лобовой части полюса на оси тела вращения, а кольцевой электрод 5 выполнен с разрезом и установлен соосно сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК (51)5 6 01 Р 5/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4219049/63 (22) 20.02,87 (46) 15.11.91, Бюл. га 42 (71) Донецкий государственный университет (72) И.Л,Повх, А.Н.Лихачев, Е.M.Ñèëåíêî, В.Г.Чеплюков и И.И,Худяков (53) 531.768 (088.8) (56) Корняк А.И., Птущенко И.В., Погребняк В.Д. Первичные преобразователи измерителя компонентов вихря. — В кн.:

Материалы И! Всесоюзного совещания.

Экспериментальные методы и аппаратура для иСследования турбулентности. Под ред.С.С,Кутателадзе, 10 — 12 октября 1979, Новосибирск, ИТФ СО АН СССР, 1980, с.106109.

Авторское свидетельство СССР

М 396626, кл. G 01 P 5/08, 1970.. Ж 1691757 А1

2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ И ТАНГЕНЦИАЛЬНОЙ СКОРОСТЕЙ ПОТОКА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ

ЖИДКОСТИ (57) Изобретение относится к измерению параметров движения и может быть использовано, в частности, при исследованиях гидродинамических полей морей и океанов.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения. Устройство содержит электромагнит с сердечником 1, покрытым слоем 3 диэлектрика, причем один из полюсов сердечника 1 выполнен в виде тела вра° щения, и два измерительных электрода, установленных заподлицо с поверхностью слоя диэлектрика, При этом точечный электрод 4 расположен в лобовой части полюса на оси тела вращения, а кольцевой электрод

5 выполнен с разрезом и установлен соосно

1691757

S — R

Vn — N, 2лй 2

=Ив телу вращения в области однородного магнитного поля. Устройство помещают в поток движущейся жидкости, подключают обмотку электромагнита к источнику переменного тока и измеряют разность потенциалов

Изобретение относится к измерению параметров движения и может быть использовано для измерения составляющей осредненной угловой скорости потока электропроводной жидкости при исследованиях гидродинамических полей морей и океанов.

Известен акустический датчик для определения компонент угловой скорости, основанный на измерении проекций линейной скорости на многоугольном контуре и последующем расчете нормальной к контуру компоненты угловой скорости, Недостатком датчика является малая точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству является датчик скорости, содержащий покрытый диэлектриком клиновидный постоянный магнит с обмоткой и измерительные электроды, позволяющие определить составляющие вектора осредненной скорости (продольную и поперечную). Один такой датчик не измеряет угловой скорости, однако, располагая в потоке жидкости несколько таких датчиков по окружности радиуса R таким образом, чтобы главная ось каждого датчика была . перпендикулярна плоскости окружности и пересекалась с окружностью в месте расположения общего заземленного электрода каждого датчика, можно приближенно рассчитать циркуляцию скорости потока каждого датчика по заданному контуру, которым является окружность

Г= f Vdf=, Ч AQ =2KR, Vn, где V> — поперечная относительно оси датчика и касательная к окружности компонента скорости потока жидкости; Лf — длина

2_#_ дуги окружности — Л Гп = —, а и — количеи ство датчиков. Это, в свою очередь, делает возможным приближенно рассчитать величину компоненты средней завихренности, ортогональной плоскости окружности в,;

à — Îõ S где S — площадь круга, 10

50 между точечным и кольцевым электродами.

Угловую и тангенциальную скорости потока определяют по частоте и амплитудному значению максимума спектральной плотности измеренной разности потенциалов, 3 ил.

Таким образом, суммарный сигнал системы из и датчиков пропорционален компоненте завихренности Й

Точность таких измерений определяется количеством датчиков, которые можно разместить в исследуемом потоке.

Понятно, что в силу конечных размеров преобразователей и громоздкости конструкции известное устройство не обеспечивает достаточной точности измерения.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения угловой и тангенциальной скоростей потока электропроводной жидкости, содержащем стержневой электромагнит с сердечником, покрытым слоем диэлектрика, и два измерительных электрода, один из полюсов сердечника выполнен в виде тела вращения, электроды установлены заподлицо с поверхностью слоя диэлектрика, причем один из электродов — точечный — расположен в r oGoaoA части полюса, на оси тела вращения, а другой— кольцевой — выполнен с разрезом и установлен соосно телу вращения в области однородного магнитного поля, создаваемого полюсом электромагнита. Тело вращения может быть, например, сферической, эллиптической или конусной формы. Разрез в кольцевом электроде необходим для исключения токов, индуцируемых в кольце переменным магнитным полем.

Область однородного магнитного поля по образующей можно достаточно корректно определить соотношением Bl — Во 1/Во 0,2, где Bl и Во соответственно i-e и максимальное вдоль образующей среднеквадратические значения индукции ма нитного поля. В случае использования эллиптического, а особенно сферического наконечника область однородного поля довольно протяженная и простирается практически до точки

1691757 (1) 35 виэм =K tlÎ, ,"" (ч,дв,)/в„,. "„" гав„,

40 ч =О В =const (2) 50 окончательно получаем: сопряжения. Конфигурация наконечника однозначно определяет распределение магнитного поля. Дополнительное ограничение на расположение кольцевого электрода, связанное с наличием области отрыва 5 потока, определяемой скоростью потока и формой поверхности наконечника, отсутствует,так как для конусной и эллиптической поверхностей возможный отрыв находится в области сопряжения с цилиндрической по- 10 верхностью электромагнита, а для сферической поверхности отрыв определяется телесным. углом 87О, что также практически совпадает с областью сопряжения, На фиг.1 изображена схема устройства, 15 в котором полюс магнита выполнен в виде конуса; на фиг.2 — направления векторов, поясняющие принцип работы устройства; на фиг.3 — возможное выполнение электродов(а — точечного, б — кольцевого). 20

Устройство содержит электромагнит с сердечником 1 и обмоткой 2, слой 3 дйэлектрика, точечный электрод 4 и кольцевой электрод 5 с разрезом.

Устройство работает следующим обра- 25 зом.

Устройство помещают в поток движущейся жидкости, подключают обмотку 2 электромагнита к источнику переменного тока, При этом между точечным электродом 30

4 и кольцевым электродом 5 измеряют разность потенциалов U

8 = fEdfy) r — радиус кольца; f — токи проводимости в жидкости; df<- элемент кольцевого электрода; о — электрическая проводимость. 45

Исходя из закона Фарадея, ЭДС можно записать как производную по времени от магнитного патокаФ где Ф= В d S — магнитный поток;В (t) = Во sin в, t — индукция перемен55 ного магнитного поля; dS- элемент конусной поверхности, заключенной между электродами; гоо — частота тока питания.

Учет в(1) слагаемого t/o в силу пропорциональности потока! индуцируемой электродвижущей силе е, сводится к введению градуировочного коэффициента К:

Преобразуем второе слагаемое выражения (3): где Ч вЂ” тангенциальная компонента скорости потока на кольцевом электроде: — rd = Й xV (5) .,"" JjiF„.7)vÄdtÄ drÄ.

В (5) учтено, что В (t)= I B (t) l и;

n — нормаль к поверхности;

4osp — орт образующей конусной поверхности; где Г = 1 Vq d f<- циркуляция вектора скорости по контуру. совпадающему с кольцевым электродом.

Используя теорему Стокса, 1 у з = - „J (Пго ч3 51 д ф

В() —,S= I B(t) lC(roiV)„, (7) где С вЂ” коэффициент, задаваемый геометрией устройства.

Измеряемая разность потенциалов имеет вид

1691757 (12) вп = (— (ror и)» ) . (10) О... =-К S+ д j-В дт (я)

+ К I B(t)! С(госУ),.

Спектральная плотность сигнала (Оизм),, рассчитанная путем разложения в ряд Фурье выражения (8)„равна (слэм) = К BoS " (9) и имеет максимум в точке в приусловии а(в

Частота вп определяет величину компоненты угловой скорости потока в.

В случае малых размеров датчика по сравнению с размером вихря, что имеет место в крупномасштабных установках и натурных гидрофизических исследованиях в море, существует возможность измерения тангенциальной компоненты скорости потока, Иэ выражения (3) имеем а18 c

М вЂ” С К I В (т) 1V, (11) где V - осредненная тангенциальная составляющая скорости потока. Усреднение проведено по поверхности конуса S, С вЂ” коэффициент, определяемый геометрией полюсного наконечника, (деизм) <д—

С Vf C0 S ClPQ йР ogj

Измеряя величину сигнала (Оиз ),д на максимуме спектральной плотности в единичной полосе, согласно (12),можно определить V

g 5Q (, UNSìM} ) . ()3)

Сй 5 Sg Bo

Формула изОбретения

Устройство для измерения угловой и

2Q тангенциальной скоростей потока электропроводной жидкости, содержащее стержневой электромагнит с сердечником, покрытым слоем диэлектрика, и два измерительных электрода, о т л и ч а ю щ е е с я тем, 25 что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности, один иэ полюсов сердечника выполнен в виде тела вращения, а электроды установлены заподлицо с поверхностью слоя диэлектри3{) ка, причем один из электродов — точечный— расположен в лобовой части полюса на оси тела вращения, а другой — кольцевой — выполнен с разрезом и установлен соосно с телом вращения в области однородного магнитного

35 поля, создаваемого полюсом электромагнита.

1691757

Составитель А.Ожередов

Тех ред M.Ìîðãåíòàë Корректор И.Муска

Редактор Ю.Середа

Заказ 3924 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород,-ул, Гагарина, 101