Устройство для измерения параметров турбулентности потока электропроводной жидкости
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРCTBEHHbll КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР СПИСАНИЕ ИЗОБРЕ ГЕНИЯ К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 (61) 1679338 (21) 4842703/25 (22) 27.06,90 (46) 15,08,92. Бюл, ¹ 30 (71) Донецкий государственный университет (72) С,Г. Личков (56) Авторское свидетельство СССР . ¹ 1679338, кл, G 01 N 27/02. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПОТОКА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ ЖИДКОСТИ (54) Использование: в экспериментальной гидродинамике для определения параметров турбулентности, в океанологии для измерения пульсаций скорости потока Изобретение относится к гидрофизйческим исследованиям и может найти применение в экспериментальной гидродинамике для определения параметров турбулентности, в океанологии для измерения в одной чувствительной зоне пульсаций скорости потока злектропроводной жидкости, удельной электропроводности и температуры и для исследования тонкой структуры вод океана, и является усовершенствованием известного устройства. По основному авт. св, N 1679338 известно устройство для измерения параметров турбулентности потока электропроводной жидкости, состоящего из четырехэлектродного первичного преобразователя, выполненного в виде тела вращения из покрытого диэлектриком постоянного магнита, в поперечном зазоре носовой части которого симметрично относительно оси симметрии электроды расположены попарно, причем „„SU,, 1755159А2 2 электропроводной жидкости, удельной электропровсдности и температуры, и для исследования тонкой структуры вод океана, Сущность изобретения; в автоматизированный измеритель кондуктометрического проточного типа дополнительно введей канал измерения температуры и ряд блоков вторичного преобразования сигнала. B связи с этим существенно расширяотся функцио-. нальные возможности устройства, так как . стало возможным измерить в одной чувствительной зоне пульсации потока электропроводной жидкости,- удельную электропроводность и температуру и по совокупности этих параметров определять пульсации солености и плотности при океанографических исследованиях, 2 ил. внешние электроды являются измерительными, а внутренниетоковыми, дифференциального усилителя, входы которого подключены к измерительным электродам, первого фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход является йервым выходом устройства, полосового фильтра, вход которого соединен с выходом диффе- ренциального усилителя, первого синхронного детектора, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, источника опорного напряжения, сумматора, входы которо-î,,соответственно, подключены к источнику опорного напряжения и выходу первого синхронного детектора, регулятора, вход которого соединен с выходом сумматора, управляемого генератора, управляющий вход которого соединен с выходом регулятора, преобразователя напряжение — ток, вход которого соединен с выходом управля1755159 емого генератора, а выходы которого соеди- . нены с токовыми электродами, второго синхронного детектора, вход KQTopot. соединен"с выходом управляемого генератора, компаратора, вход которого соединен 5 с выходом управляемого генератора, а выход соединен с опорными входами первого и второго синхронйых детектора, второго фильтра нижних частот и избирательного усилителя," входы которь(х соединейы с вы- 10 ходом второго- синхронного детектора, а выходы являются; соответствейно, вторым и третьим выходами устройства", Для вычйсления пульсаций плотности, потока тепла и переноса массы известное 15 устрой ство мож но прим еня ть тол ько при малых, близких к нулю, значейиях пульсаций солености. Так как в экспериментальных исследованиях пульсации- солености достаточно часто не равны нулю, то это при- 20 водит к погрешности определения пульса-. ций" плотности, йотока тепла и переноса масс ь(. Цель изобретения — повышение точности v.:ò. 4åðåíèé и расширение функциональ- 25 ных возможностей устройства за счет совместных измерений в одной чувствительной зоне пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температур ы.: ..- .::.;:, - 30 На фиг. 1 представлен первичный преобразователь; на фиг, 2 — функциональная схема предлагаемого устройства для измерения параметров турбулентности потока электропроводной жидкости, 35 Устройство содержит термопреобразователь 1, установленный соосно оси сим.:.метрии первичного преобразователя, выполненного в виде тела вращения из постоянного магнита 2, покрытого диэлектрл- 40 ком 3, В поперечном зазоре(вид А) носовой части первичного преоб эзователя симметрично относительно оси симметрии распо ложены попарно измерительные 4, 5 и токовые 6, 7 электроды. Устройство содер- 45 жит первый дифференциальный усилитель 8, второй преобразователь напряжение— ток 9, второй дифференциальный усилитель 10, первый полосовой фильтр 13, третий синхронный детектор 14, источник опорно- 50 го напряжения I5, первый синхронный детекгор 16, коммутатор 17, третий фильтр нижних частот 18, сумматор 19, компаратор 20, линеаризатор 21, второй синхронный детектор 22, регулятор 23, четвертый 55 фильтр нижних частот 24, фильтр верхних частот 25, второй фильтр нижних частот 26, избирательный усилитель 27, первый преобразователь напряжение — ток 28, управляемый генератор 29. Термопреобразователь 1 установлен соосно оси симметрии четырехэлектродного первичного преобразователя, при этом он установлен на внешней поверхности диэлектрического покрытия 3. Входы дифференциального усилителя 8 подключены к измерительным электродам 4 . и 5. Выход дифференциального усилителя 8 через фильтр 12 нижних частот подключен к зажиму первого выхода устройства, Одно временно выход дифференциального усилителя 8, через первый полосовой фильтр 11 подключен к входу синхронного детектора 16, Выход синхронного детектора 16 через последовательно соединенные сумматор 19, регулятор 23, управляемый генератор 29 и преобразователь 28 напряжение — ток, соединен с токовымл электродами 6, 7, При этом второй вход сумматора 19 подключен к выходу источника опорного напряжения 15, Выход управляемого генератора 29 подключен к компаратору 20, выход которого подсоединен к опорным входам первого 16 и второго 22 синхронных детекторов,. причем слгнальный вход второго 22 синхронного детектора подключен к выходу управляемого генератора 29, а выход второго синхронного детектора 22 через второй фильтр нижних частот 26 и избирательный усилитель 27 подключен соответственно к зажимам второго и третьего выхода устройства. Вход коммутатора 17 соединен с источником опорного напряжения 15, опорный вход коммутатора 17 соединен с выходом компаратора 20, а выход соединен с входом второго полосового фильтра 13, выход которого соединен с входом второго преобразователя 9 напряжение — ток, выходы которого соединены с выходами чувствительного элемента термопреобразоватепя 1, которые соединены с входами второго дифференциального усилителя IO, выход которого соединен с входом третьего синхронного детектора 20, а выход соединен с входом третьего фильтра нижних частот 18, выход которого соединен с первым входом линеаризатора 21, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 15, а выход подключен ко входам четвертого фильтра нижних частот 24 и фильтра верхних частот 25, выходы которых являются соответственно четвертым и пятым выходами устройства, Устройство работает следующлм образом. На токовые электроды 6 и 7 с двух выходов первого преобразователя 28 напряжение — ток подается переменный ток! синусоидальной формы, величина которого определяется следующим соотношением; I< =- Ощ/R<, где Огр — выходное напряжение 1755159 Г1ропорционально ин гегральный регулятор 23 осущестнляетнепрерыннае регули5 равание выходного напряжения U29 управляемого генератора 29 таким образам, чтобы поддерживать вйходное напряжение 019 сумматора 19 равным нулю, Поэтому выходное напрял<ение 029 управляемого ге10 нератора определяется следующлм соотношением, 15 где А — кондуктивная,постоянная преобразователя удельной электрапронадности; к— величина мгновенных зйачений удельной злектропроводности, Второй синхронйый детектор 22 осуще20 ствляет детектирование выходного напряжения U29. Ега выходное напряжение пряма пропорционально значениям к . Второй фильтр нижних частот 26 выделяет и усиливает в К1 раз средние значения кудельной 25 электропроваднастл, Его выходное напряжение 1125 ОпределяетсЯ следующим саат ношением: (2) U12 = К1 K2 Кпр Ч Первый паласовой фильтр 11 настроен на частоту выходного напряжения управля- емого генератора 29. Его выходное напряжение о11 определяется следующим соотношением: 35 Коммутатор 17 вырабатывает днухпа40 лярный сигнал прямоугольной формы, который синфазен выходному сигналу, управляемого генератора 29, причем ега амплитуда pBBHG либо 1115, либО -015, Второй полосанай фильтр 13 также настроен на частоту выходного напряжения управляемого генератора 29. Поэтому его выходное напряжение 01з имеет синусоидальную форму, которое синфазно с напряжением U29. Второй преобразователь 9 напряжение— 50 так формирует ток 12 синусоидальной формы, который1 подается на ныноды чувствительного элемента термопреобразавателя 1 и определяется следующим соотношением, . l2 = U15/82, где В2 Tof Второй дифференциальный усилитель 10 измеряет и усиливает в К5 раз напряжение на чувствительном элементе термопреабразователя 1, который для исключения влилуправляемого генератора 29, R1 — токовый резистор первого преобразователя 28 напряжение — ток, Первый дифференциальный усилитель 8 измеряет и усиливает в К1 раз разность патенциалан измерительных электродов 4 и 5, Выходное напряжение Ug первого дифференциального усилителя 8 определяется следующим соотношением: Uff = 11(В„+ 1/jf в с)) К1 - К1 К.р V,,(1) где Hж — активное сопротивление раствора электролита между токаными электродами с — суммарная емкость двойного электрического слоя токовых электродов, М- круговая частота. ныходного напряжения управляемого генератора 29; Клр — коэффициент преобразования пульсации скорости Ч н 1 напряжение, С целью выделения второй составляющей соотношения (1) используется fiepBblA фильтр нижних частот 12, который усиливает эту составляющую в 1<2 раз. Выходное напряжение U12 перво о фильтра нижних частот 12, пряма пропорциональ ное пульсациям скорости потока злектропроводной жидкости, определяется следующим соотношением: О11 = 11 (Кж + 1/(j в с)) К1 Кз, (3) где Кз — коэффициент усиления первого noffocoBol o фильтра 11. Первый синхрон н ый детектор 16 осуществляет детектирование выходного напряжения U11. Так как поступающий сигнал компаратора 20 на опорный вход первого слнхранного детектора 16 и выходной сигнал U29 управляемого генератора 29 синфазны, то однополярное выходное напряжение U15 первого синхронного детектора 16 Определяется следующим соотношением; U16= l1 1 ж К1 Кз (4) Сумматор 19 осуществляет суммирование разнополярных выходных напряжений U1s и U15. соответственно, первого синхройнога детектора 16 и источника опорного напряжения 15. Его выходное напряжение 019 определяется следующим соотношением: U19 = U15+ U29 ж К1 Кз/Н1 (5} U29 = U15 1 1 < /(К1 Кз А) (6) 1- 26 = 1- 15 R1 Кл t< /(K1 Кз A) Избирательный усилитель 27 выделяет и усиливает в К5 раз пульсации удельной электрапроводностйк. Его выходное напряжение Ц27 определяется следующим соотношением: U27 = -%5 В1 К5 к /(K1 Кз А). (8) 1755159 ния сопротивления подводящих проводов включен по четырехпроводной схеме. Выходное напряжение 111в второго дифференциального усиллтеля 10 определяется следующим соотношениемМ1о = 12 Вт К5, где RT — сопротивление чувствительного элемента термопреобразователя; .Третий синхронный детектор 14 осуществляет детектирование напряжения 01о. Так как опорный сигнал третьего синхронного детектора 14 синфазен с напряжением 01I>, то выходное однополярное напря>кение 314 третьего синхронного детектора прямо пропорционально зн". ениям RT, Третий фильтр нижних частот 18 фильтрует напряжение 011, причем его граничная частота, соответствующая уровню — 3 дБ, равна верхней граничной частоте избирательного усилителя 27, Так как сопротивление RT чувствительного элемента термопреобразователя является нелинейной функцией RT = ФЯ от температуры Т, то для линеаризации этой зависимости применяется линеаризатор 21, на 5 - рой вход которого для формирования кусочно.-линейной аппроксимации подключен источник опорного напряжения 15, Выходное напряжение U21 линеаризатора 21 определяется следующим соотношением; I 9) 021 =- 1.115 Кб Кт (1 — То)/ 2 024 =1115 К5 Кт К7 (Т вЂ” То)/В2 (10) Фильтр верхних частот 25 выделяет и усиливает в Кз раз пульсации температуры Т, причем его граничная частота равна ни>«ней граничной частоте избирательного усилителя 27. Его выходное напряжение U25 определяется следующим соотношением: 025= U15 К5 Кт КВТ /R2 I Из соотношений {2), (8) и (11) видно, что выходные сигналы пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температуры не зависят друг от друга. Для того, чтобы исключить взаимное влияние питающих токов псрвичного преобразователя пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температугце Т вЂ” величина мгновенных значений температуры; To — значение температуры из ее диапазона измерений; Кт — коэффициент преобразования линеаризатора. Четвертый фильтр нижних .астот 24 выделяет л усиливает в К7 раз среднле значения температуры T. Его выходное напряжение U2< определяется следующим соотношением: 20 симально утопленным в коопус для того, чтобы он не оказывал влияния на первичный преобразователь пульсаций скорости потока, Именно поэтому, термопреобразователь уста:1овлен так, что его чувствлтельный элемент расположен на внешней поверхности диэлектрического покрытия первичного поеобразователя, Б качестве термопреобразователя можно испо ьзовать термистор FP 07, граничная частота f> которого определяется из -0,5 следующего соотношения FT =.25,7 V, где V — безмерная величина средней скорости перемещения первичного преобразователя, причем при V =- 1 м/с, fT = 25,7 Гц. Так как граничные волновые числа первичных преобразователей пульсаций скорости потока и удельной электропроводности составляют приблизительно 15,5 1/м, то для средних скоростей перемещения первичного преобразователя 0 — 4 м/с можно считать, что измеряемые параметры первичного преобразователя пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температуры имеют практически одинаковые полосЫ пропускания, Так как предлагаемое устройство может измерять в одной чувствительной зоне пульсации потока электропроводной жидкости, удельной электропроводности и температуры, то по значениям этих параметров можно для всех встречающихся условий в океанологических исследованиях определять пульсации солености S - и пульсации плотности р по следующим соотношениям; Я = а(к, Т) к +Р (к, Т) Т, р =-у(к, T) с + д (к,т) Т ; у2) где а(@ Т),/> Я Т), y(ic,, Т) и д(к,Т)— размерные коэффициенты, вычисляемые по ры они запитываются синфазными синусоидальными токами, Поэтому в выходных сигналах этих преобразователей отсутству от биения, которые образуются из-за несовпа5 дения питающих токов либо по частоте, либо по фазе. Установка термопреобразователя соосно оси симметрии первичного преобразователя позволит в середине чувствительной зоне первичного преобразователя пульсаций скорости потока и удельной электропроводности измерить еще и значения температуры. При этом, с одной стороны, чувствительный элемент термопреобразо.вателя для повышения его быстродействия должен обмываться со всех сторон жидкостью, чтобы исключить влияние покрытого диэлектриком корпуса, а с другой стороны, термопреобразователлль должен быть мак1755159 шкале практической солености и уравнению состояния морской воды по средним значениям удельной электропроводностиГи температуры Т, которые определяются, соответственно, по соотношениям (7) и (10), 5 Формула изобретения Устройство для измерения параметров турбулентности потока электропроводной жидкости по авт, св. N. 1679338, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения 10 тоности измерений и расширения функциональных возможностей устройства за счет совместных измерений в одной чувствительной зоне пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температу- 15 ры, в него введены термопреобразователь, второй преобразователь напряжение — ток, второй дифференциальный усилитель, трети синхронный детектор, линеаризатор, третий и четвертый фильтры нижних частот, 20 фильтр верхних частот, второй полосовой фильтр и коммутатор, вход которого соединен с источником опорного напряжения, опорный вход коммутатора соединен с выходом компаратора, а выход соединен с 25 входом втсрого полосового фильтра, выход которого соединен с входом второго преобразователя напряжение — ток, выходы которого соединены с выводами чувствительного злемента термоп реобразователя, соединенными с входами второго дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом третьего синхронного детектора, опорный вход которого соединен с выходом компэратора, а выход соединен с входом третьего фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом линеаризатора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход подключен к входам четвертого фильтра нижних частот и фильтра верхних частот, выходы которых являются соответственно четвертым и пятым выходами устройства, причем термопреобразователь установлен соосно оси симметрии первичного преобразователя, при атом чувствительный элемент термопреобразователя расположей на внешней поверхности дизлектрического покрытия первичного преобразователя. 1755159 Составитель КЗ. Коршунов Техред M,Mîðãåíòàë Корректор Л.Лукач Редактор M.Ïîâõàí Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2888 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5
