Способ измерения скорости течения жидкости

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости течения жидкости в естественных водоемах, а также в некоторых типах трубопровода. Целью изобретения является повышение точности измерений. Суть способа заключается в воздействии на поток жидкости неоднородным пространственно периодическим поляризующим магнитным полем, длительность воздействия которого определяется в зависимости от времени спин-решеточной релаксации исследуемой жидкости; после воздействия регистрируют сигнал свободной ядерной прецессии исследуемой жидкости в магнитном поле Земли, при этом измеряют набег фазы сигнала свободной ядерной прецессии относительно фазы опорного сигнала, частота которого равна частоте прецессии ядер в неподвижной жидкости; скорость течения жидкости определяют по известной величине расстояния между центрами поляризующих (они же приемные) катушек и по величине промежутка времени, при котором набег фазы составляет ±.п (или кратное значение этой величины). 2 ил. сл С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 P 5/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР ) / q

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (21) 4741589/10 (22) 26.09.89 (46) 15.04.92. Бюл. № 14 (71) Ленинградский государственный университет (72) П.M..Áîðîäèí и А.А.Морозов (53) 532.574 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 439756, кл. G 01 P 5/00, 1972. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости течения жидкости в естественных водоемах, а также в некоторых типах трубопровода. Целью изобретения является повышение точности измерений.

Суть способа заключается в воздействии на поток жидкости неоднородным и ространстИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости течения жидкости в естественных водоемах, а также в некоторых типах трубопроводов.

Цель изобретения — повышение точности измерений в случае несимметричного расположения потока относительно источника поляризующего магнитного поля.

Суть способа заключается в следующем.

Жидкость, находящаяся в магнитном поле Земли В0, подвергается воздействию дополнительного достаточно сильного поляризующего магнитного поля Kp/ïðè условии Bp » В0/, после выключения которого

„„SU „, 1727084 A1 венно периодическим поляризующим магнитным .полем, длительность воздействия которого определяется в зависимости от времени спин-решеточной релаксации исследуемой жидкости; после воздействия регистрируют сигнал свободной ядерной прецессии исследуемой жидкости в магнитном поле Земли, при этом измеряют набег фазы сигнала свободной ядерной прецессии относительно фазы опорного сигнала, частота которого равна частоте прецессии ядер в неподвижной жидкости; скорость течения жидкости определяют по известной величине расстояния между центрами поляризующих (они же приемные) катушек и по величине промежутка времени, при котором набег фазы составляет ч- г (или кратное значение этой величины). 2 ил.

Ю возникает свободная прецессия созданной полем ВР ядерной намагниченности жидко- С) сти М в поле В0, для чего начальное значе- (© ние М(о) ориентируется перпендикулярно Д, земному полю. Неоднородное пространстеенно периодическое поле Вр создается системой нескольких одинаковых плоских рамочных поляризующих катушек, расположенных в ряд последовательно друг за другом вдоль контролируемого потока и включенных таким образом, что в центре соседних катушек вектор магнитной индукции ВР имеет противоположные направления.

Расположение поляризующих катушек относительно поля В0 и вектора скорости

1727084

dE = -N — -, dt потока V показано на фиг. 1. Сигнал свободной прецессии формируется в системе приемных катушек, в качестве которых целесообразно использовать поляризующие катушки (или некоторые из них).

ЭДС сигнала свободной прецессии, наведенного в приемной катушке прецессирующим в поле Во магнитным моментом,и (х, у, z, t) = М(х, у, z, t)dv элементарного объема жидкости с координатами (х, у, z), равна где N — число витков приемной катушки;

Ф вЂ” магнитный поток, создаваемый моментом,и в поперечном сечении приемной катушки, при этом

Ф=Фоехр(- — )cos,в t — Р ), (2) с 20

Тг где м — частота прецессии ядер в поле B>(u=

=1В,, где у — гиромагнитное отношение ядра); 25

Тг — время поперечной релаксации ядер, Амплитуда Фо и фаза Р осциллирующего потока является функциями координат объема dy и времени: 30

Ф = Фo (x, у, z, t) и P =P (x, у, z, t).

Используя теорему взаимности, можно связать величину магнитного потока Ф со 35 значением индукции магнитного поля Вк(х, у, г), которое создавалось бы приемной катушкой в ней при пропускании постоянного тока . С учетом этого амплитуда Фо осциллирующего магнитного потока Ф определя- 40 ется положением рассматриваемого объема

dv относительно приемной катушки и максимальным значением проекции прецессирующего вектора Q(x, у, z, t) на направление силовой линии векторного поля l3> в точке 45 (х, у, z, k), Значение фазы Р определяется взаимной ориентацией векторов М(х, у, z, О) и B (x, у, z), где М(х, у, z, О) — вектор ядерной намагниченности в момент начала свободной прецессии t = О. 50

Через фиксированный элементарный объем пространства dy протекают объемы жидкости dy, которые в момент t = 0 имели различные значения вектора М вследствие неоднородности поляризующего поля Вр, поэтому амплитуда Фо и фаза Р магнитного потока Ф, создаваемого объемом dy, являются функциями не только координат, но и времени, причем их зависимость от времени связана лишь с движением жидкости.

Интегрирование выражения (1) с учетом (2) по всему объему v движущейся жидкости дает

E(t) = Ep(t) ехр(- ) sin(on — а (t)). (3)

Тг

Явные выражения для амплитуды сигнала Eo(t) и фазы а(1), полученные с использованием теоремы взаимности, имеют следующий вид;

Eo(t) = во4Г(t) + Is (t): (4) а (t) = arctg (5) где

I<(t) = /,и1 (х, y, z, t) К1(х, y, z) созе (х, у, z, t) — д) (х,"у, z))dy, 4(с) =,й1 (х, у, z, t) К1(х, у, z) sin((х, у, z, t) — р(х, у, z))dy. (7) Величины Mt, К1, Qp в подинтегральном выражении (6) и (7) определены следующим образом. Введена векторная функция

М(х, у, z, t), которая характеризует изменение вектора М в точке (х, у, z), связанное только с движением жидкости (без учета прецессии и релаксации), а также векторная функция К(х, у, z) = Вк(х, у, z,) Г . Функции

М1(х„.у, z, t) и К1(х, у, z) — компоненты векторов М(х, у, z, t} и К(х, у, г), перпендикулярные поля Bo. "tP (х, у, z, t) и р (х, у, z) — углы, характеризующие ориентацию векторов М и

K1 е плоскости, перпендикулярной В . Соотношения (3) — (7) описывают сигнал свободной ядерной прецессии от движущейся жидкости при условии, что поле Во в объеме

dy является однородным.

Функции Ео(t) и a(t) характеризуют амплитудную и фазовую модуляцию сигнала

СП, вызванную движением жидкости, Для неподвижной жидкости Ео и а являются постоянными величинами и(3) представляет собой обычный сигнал свободной ядерной прецессии с частотой а и экспоненциальной затухающей амплитудой. Движение жидкости приводит к временной зависимости амплитуды и фазы сигнала свободной прецессии только в том случае, когда поля«Ф ризующее поле Вр(х, у, z) и соответственно созданная им ядерная намагниченность

M(x, у, z) являются пространственно неоднородными. Для заданной конструкции поляризующих и приемных катушек характер

1727084 модуляции зависит только от гидродинамических параметров жидкости. При несимметричном расположении потока степень амплитудной модуляции уменьшается при увеличении несимметрии и при односторон- 5 нем расположении потока амплитудная модуляция проявляется весьма незначительно, что приводит к малой точности измерения. Для рассматриваемой конструкции поляризующих катушек, 10 создающих и ростра нствен но периодическое поле типа Bp(x+ kl, у, г) =(-1) Bp(x, у, z) (где k — целое число, — расстояние между центрами катушек), функции а (t) содержат параметр, зависящий только от скорости 15 потока. Таким параметром является промежуток времени, в течение которого фаза сигнала получает приращение+Ел. Если to и ц характеризуют начало и конец этого промежутка и а (tk) — и (tp) =+kfi, то скорость 20 течения V определяется соотношением:

V= -l

К.tk to (8) 25

Способ реализуется с помощью устройства (см. фиг. 2),-которое содержит гидродинамический стенд 1 с ламинарным потоком жидкости, многокатушечный датчик 2 сигналов ЯМР, связанный с системой 3, предназ- 30 наченной для наблюдения свободной прецессии ядер в магнитном поле и содержащей поляризующей катушки с источником тока, усилитель и амплитудный детектор, генератор 5 опорного сигнала, вы- 35 ход которого соединен с входами осциллографа 4 для наблюдения фигур Лиссажу и параллельно ему фазометра 6 для измерения разности фаз сигналов, а другие входы фазометра 6 и осциллографа 4 соединены с 40 первым выходом усилителя системы 3, выход фазометра 6 подключен через преобразователь "время-напряжение" и АЦП с самописцем 8 и осциллографом 9, а также с магнитофоном 10 для наглядной регистра- 45 ции изменения фазы сигнала СПЯ во времени на носители разных видов и визуально.

Способ осуществляют следующим образом.

Систему поляризующих и приемных ка- 50 тушек (датчик ЯМР 2) помещают в исследуемый поток жидкости. Производят возбуждение пространственно периодического магнитного поля В пропусканием тока через поляризующие катушки системы 3. 55

Длительность воздействия Лt устанавливают, исходя из времени спин-решеточной релаксации ядер T>: Лt = (2-3) T>: например, для воды l-lzO ht=(5-7) с. После выключения поля Вр наблюдается сигнал свободной ядерной прецессии в магнитном поле Земли

Во, индуцированный в приемных катушках.

После усиления сигнала поступает на измеритель фазы 6. Фаза сигнала свободной прецессии измеряется относительно фазы опорного гармонического напряжения, создаваемого генератором 5, частота которого равна частоте прецессии. В качестве опорного напряжения целесообразно использовать дополнительный сигнал свободной ядерной прецессии от неподвижного обьема жидкости, находящегося в том же поле

Во. В этом случае обеспечивается равенство частот обоих сигналов независимо от вариации магнитного поля Земли. При измерении набега фазы определяют промежуток времени, в течение которого величина его достигнет= а (или кратное: !сл ). По известному расстоянию между центрами катушек и величине промежутка времени, опреде.— ленного по заданному набегу, фазы по формуле (8) вычисляют скорость течения жидкости.

Формула изобретения

Способ измерения скорости течения жидкости, заключающийся в воздействии на поток жидкости неоднородным пространственно периодическим поля ризующим магнитным полем, длительность воздействия которого устанавливают в зависимости от времени спин-решеточной релаксации контролируемой жидкости, движущейся во внешней области датчика сигналом ЯМР, регистрации сигнала свободной ядерной процессии жидкости в магнитном поле Земли, измерении параметра модуляции сигнала свободной ядерной прецессии, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений в условиях несимметричного расположения потока относительно источника поляризующего магнитного поля, формируют опорный сигнал, частота которого устанавливается равной частоте прецессии ядер в магнитном поле

Земли для неподвижной контролируемой жидкости, измеряют набег фазы сигнала свободной ядерной процессии относительно фазы опорного сигнала, а скорость течения жидкости определяют по величине времени Л t, при котором набег фазы составляет величину km, где К = 1, 2,..., в соответствии с выражением:

V=I

К где — расстояние между центрами катушек датчика.

1727084 Риг.2

Составитель ДМорозов

Редактор Г.Мозжечкова Техред М.Моргентал Корректор М,Кучерявая

Заказ 1277 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