Первичный измерительный преобразователь вектора скорости течения

 

Использование: измерительная техника , определение вектора скорости течения в геомагнитной системе координат. Сущность: преобразователь содержит корпус с установленным в нем электроприводом, на валу которого закреплен постоянный магнит, намагниченный перпендикулярно оси вращения , две взаимно перпендикулярные неподвижно закрепленные проводящие рамки. Постоянный магнит закреплен в держателе из немагнитного материала, имеющего плотность , равную плотности материала постоянного магнита. Держатель имеет смещенный в направлении вектора намагниченности постоянного магнита центр тяжести. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э G 01 P 5/08, 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4300634/10 (22) 31.08.87 (46) 30.04.93. Бюл. l4 16 (71) Морской гидрофизический институт АН

УССР (72) С.Г.Буйнов (56) 1. Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. Л., Гидрометеоиздат, 1977, с. 537-547.

2. Патент США N. 3903741, кл. G 01 С 21/10, 1975. (54) ПЕРВИЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения вектора скорости течения (ВСТ) в геомагнитной системе координат, в измерителях скорости течения, где учет ориентации устройства позволяет вычислить широтную и меридиональную составляющие ВСТ.

Целью изобретения является повышение информативности за счет возможности определения направления течения непосредственно в геомагнитной системе координат.

На фиг. I схематично изображен один из возможных вариантов выполнения предлагаемого первичного измерительного преобразователя; на фиг. 2 показана схема его включения в устройство для определения вектора скорости течения, „„5UÄÄ 1812502 А1 (57) Использование: измерительная техника, определение вектора скорости течения в геомагнитной системе координат. Сущность: преобразователь содержит корпус с установленным в нем электроприводом, на валу которого закреплен постоянный магнит. намагниченный перпендикулярно оси вращения, две взаимно перпендикулярные неподвижно закрепленные проводящие рамки.

Постоянный магнит закреплен в держателе из немагнитного материала, имеющего плотность, равную плотности материала постоянного магнита. Держатель имеет смещенный в направлении вектора намагниченности постоянного магнита ценгр тяжести, 2 ил.

Первичный измерительный преобразо- ь ватель содержит корпус 1, измерительные 0(р электроды 2, 3, держатель 4, постоянный магнит 5, привод 6, рамки 7, 8.

Для обеспечения заданной разрешаю-. щей способности по ориентации (около 1 ) каждая рамка 7, 8 содержит по 100 витков С» провода ПЭВ-2 диаметром 0,05 мм, выбран- Ю ным из условия минимального сечения обмотки и удоботаа намотки. Обмотки ) и расположены в пазах цилиндрического каркаса из органического стекла (на фиг. не показан), внутри которого находится держатель 4, выполненный в виде тонкостенного латунного цилиндрического стакана с основанием и крышкой 9 (тонкие боковые стенки стакана на фиг. не показаны). Вал 10 привода 6, на котором жестко закреплен держатель 4, проходит через отверстия в каркасе

1812502 обмотки к немагнитному подшипнику 11, закрепленному на внутренней поверхности электрода 2.

Постоянный магнит 5 выполнен чз самарий-кобальтового сплава в форме цилиндра, например, диаметром 20 мм и высотой

40 мм, вклеенного внутрь стакана держателя 4. Магнит намагничен по радиусу цилиндра, перпендикулярно оси его вращения.

Цилиндрический магнит 4 позволяет получить правильную гармоническую форму сигнала с рамок 7., 8, что особенно важно, поскольку об изменении ориентации преобразователя судят по изменению формы сигнала с рамки за счет углового ускорения, Электроды 2, 3 выполнены из титана или немагнитного, не подверженного влиянию морской воды сплава. Электроды 2, 3 закреплены на корпусе 1 и охватывают верхний и нижний торцы цилиндрического магнита 5 по окружностям, расположенным в перпендикулярных оси вращения плоскостях этих торцов.

Корпус 1 представляет собой цилиндр из изоляционного материала, например из компаунда, и соединен с электродами 2, 3 так, что образуется герметичная оболочка обтекаемой формы.

Вывод от электрода 2 проходит сквозь корпус 1 в плоскости рамки 8 для компенсации возможной квадратурной помехи.

Привод 6 представляет собой, например, электродвигатель переменного тока с немагнитным ротором и статором из магнитомягкого материала, не содержащим постоянные магниты; Привод должен быть удален от магнита 5 на определенное расстояние, с тем чтобы снизить момент сопротивления от взаимодействия магнита и магнитомягкого материала двигателя. Удаление от магнита должно составлять не менее 5 см. Это расстояние определяют экспериментально с учетом момента трения нем агнитного подшипника 11 и сопротивления воздуха вращению держателя

4, выполнен из латуни, немагнитного материала, имеющего такую же плотность, как и материал магнита 5 (самарий-кобальтовый сплав).

Держатель 4 выполнен со смещением

его центра тяжести относительно оси вращения 10. Величину смещения центра тяжести держателя 4 определяют из условия приблизительного равенства (a пределах одного порядка величин) моментов от геомагнитного поля и силы тяжести, что позволяет различить эти моменты на фоне друг друга в заданном диапазоне измерений.

Смещение центра тяжести держателя 4 производят в направлении вектора намагниченности магнита 5, например, путем сверления отверстий в основании держателя 4 или в крышке 9 (отверстия на фиг. 1 не показаны) параллельно вектору магнитной

5 индукции, Устройство работает следующим образом, С помощью электродвигателя 7 магнит

5 с держателем 4 приводится во вращение

"0 относительно оси вала 10 с частотой 10-30

Гц. Выбор этой частоты обусловлен стремлением к исключению поляризационных процессов на измерительных электродах и верхней частотой исследуемых процессов.

Вращающийся магнит 5 создает магнитное поле с вектором индукции В, которое взаимодействует с потоком электропроводящей жидкости, движущимся в плоскости

XY со скоростью ч, что вызывает электриче20 ское поле с вектором напряженности Е =.

=BXv, которое, в свою очередь, вызывает напряжение Uна электродах 2,,3:

U = КЕ! sjn(р, (2) 25

Имакс ! ч! (3) 35

55 где = 40 мм — расстояние между электродами, соответствующее высоте магнита 5;

К вЂ” экспериментальный коэффициент, определяемый при градуировке и учитывающий концевые токи;

rp- угол между векторами В и ч.

Из выражения (6) при p = 90

Направление v относительно рамок 7 и

8 определяется по соответствующей разности фаз сигналов с измерительных электродов и одной из рамок, т.к. момент двигателя (10 н.м.) значительно больше измеряемых моментов и отклонения формы сигналов от гармонической практически не наблюдается.

При наличии квадратурной помехи она устраняется с помощью фазового детектора, подключаемого к измерительным электродам, или путем вычитания сигнала с опорной рамки, з плоскости которой лежат выводы от измерительных электродов, из сигнала с измерительных электродов в соответствующем масштабе. Масштаб выбирается из равенства нулю сигнала с измерительных электродов в отсутствие скорости течения.

Затем электропривод 6 отключают для исключения реакции привода иэ измерительного уравнения, т.к. зависимость мо-. мента привода от скорости вращения (механическая характеристика) зависит от

1812502 (6) (7) А = mгяу + !Ку

В = mrgx+ !Н»

Мсопр COllSC ДЛЯ ДаННОй ОРИЕНтаЦИИ УС5 тройства в течение одного оборота магнита;

gx,gy, Hx, Ну проекции силы тяжести и напряженности геомагнитного поля на оси

Х и Y связанной системы координат преобразователя.

10 Запишем выражение (5) для ф = Оо, 90о, 180о, 270о, т.е. для моментов пересечения вектором намагниченности плоскости опорных рамок, которые фиксируются rto нулево му сигналу с одной из опорных рамок.

15 (8) (9) (10) (11) I М) = А-Мсопр ! ЖО В Мсопр ! Моо= "А Мсопр ! <Ф70 = В-Мсопр

Иэ выражений (8)....(1 1): (12) А (Ip+ пи ) c0(mlgy+ IHy) созф-(пгях+ 25 (13) (4) + IHx) SIn tP, Угловая скорость ж для этих yrnoa выЗ0 числяется по сигналам с опорных рамок, измеренным приборами с высоким входным сопротивлением 10-100 МОм. В момент времени, когда Uy =0, (14).

40 ц

8S (15) где  — индукция постоянного магнита 5;

S — площадь рамки 7, 8.

45 Угловое ускорение Й может быть получено дифференцированием угловой скорости, Обозначим геомагнитную систему координат:ось днаправлена на север, осью вертикально вверх, ось ф на восток.

Для пересчета Н, Н, g в систему координат воспользуемся таблицей направляющих косинусов. многих факторов и носит по существу эмпирический характер.

Далее по измеренным ранее напряжениям Ux, Uy с опорных рамок 7, 8 для четырех положений вектора намагниченности, определяемых по пересечению им этих рамок для углов Оо, 90о, 180о, 270о, определяют значения угловой скорости а для этих углов. Затем дифференцированием получают значение Й для углов ф- Оо, 90о, 180о, 270 и составляют четыре измерительных уравнения, где неизвестными являются углы наклона и направления наклона, а также момент трения. Из этих уравнений определяют углы наклона и направления наклона оси вращения магнита, которые полностью определяюториентацию преобразователя в геомагнитной системе координат и позволяют пересчитать ранее измеренный вектор скорости течения в системе координат преобразователя в геомагнитную систему.

Измерительное уравнение в случае отключения привода имеет вид: где Ip — момент инерции магнита с держателем без смещения центра тяжести держателя;

m — суммарная масса магнита и держателя;

r- смещение центра тяжести магнита и держателя относительно оси вращения; в- угловое ускорение вращения магнита с держателем

Qx gy ïðîåêöèè ускорения свободного падения на оси Х, У связанной системы координат преобразователя;

Нх, Hy — проекции напряженности геомагнитного поля на оси Х, У связанной системы координат преобразователя; . tP.— угол отклонения вектора намагниченности постоянного магнита от оси Х связанной системы координат преобразователя.

Перепишем выражение (4) в виде

I сО *А соз ф-В 3!и ф — Мсопр, (5) где I — приведенный момент инерции держателя с магнитом: в момент времени, когда Ux = 0

1812502 где а- угол наклона оси вращения Z;

Р- угол направления наклона. Тогда

Hx - H sin а-Н соз а sing

Hy = Н cos а+ Н зlп aslnp дх--g cos aslnp (16) (17) (18) fy = g зlп а sin p (19) Преобразуя (16) и (18), получим

А-(mrg+ IH ) sin aslnp+ H>cosa (20)

В =-(mrg+ IÍ )созаз1пф+ Н з!па (21)

Из выражений (20) и (21) следует:

sin P=

А-Н соза . Н sina — В

m r g + I H sln а (m r g + I Н ) соз а (22) Из выражения (22) (23) Асоза+ Bsln а = IH, отсюда

BlH 8lH< — Aß+Bs lãH -Aã

sinau

As+ Вг (24)

Значение а уточняют пу ем подстановки в (20), (21), (22), (23).

Итак, работа устройства заключается в следующем:

1, Включают привод счастотой 1-10-30

Гц.

2, Измеряют и запоминают U и 0х (или

u„).

3. Выключают привод

4. Измеряют и запоминают Ux u Uy для четырех положений магиита, Привод включают и выключают, например, через время r =«2

Чувствительность устройства по скорости течения составляет: — КВ! =. 0,5 0,2 0,04 = 4 10 В lм/с (25)

Чувствительность устройства поуглу за время действия ускорения Л г- 10 с приблизительно определится из выражения .ЛU=nBS соЛr=naS " Лх(з!п(д+Лд)t — sin д), (26) где n - 100-. число витков ра мки;

В = 0,2 Тл — индукция постоянного магнита; м- угловое ускорение

5 Mmax - 5 10 н.м, — максимальный геомагнитный момент;

I = 5,4 10 кг-м — момент инерции де-6 2» ржателя с магнитом; д — утбл между вектором намагниченно10 сти и вектором напряженйости геомагнитного поля;

Лд — приращение этого угла.

Подставляя укаэанные значения и преобразуя выражение (26), получим

AU=1 6 10 2 зlп соз(д + ), Для Лд, выраженного в радианах, нол20 учим; —.-1,6 10 соз(д + ) В/рад.

ЛU з . Лд

Лд 2

25 Таким образом, при минимальной чувствительности с одной рамки имеет место максимальная чувствительность с другой рамки.

В случае автономного устройства значе30 ния Оэ Ux, 0у заносятся в запоминающее устройство или с помощью микроЭВМ рассчитываются I v I, ф, аЩ либо широтная ч, и меридиональная vm ñoñòàâëÿeùèå v, что позволяет вместо девяти значений за цикл

35 измерений записывать соответственно четыре или два значения. . В случае непосредственной связи с

ЭВМ возможно использование избыточной информации для коррекции возможных сбо40 ев, векторное осреднение в зависимости от частоты процесса, использование других формул(систем координат) для расчета и т.д.

В сравнении с прототипом предлагаемый первичный измерительный преоб45 ра зо в а тел ь обладает более высокой информативностью, т.к. позволяет определять ориентацию преобразователя в геомагнитной системе координат без введения дополнительного ориентирующего устрой- .

50 ства. Это позволяет снизить габариты, вес, энергопотребление погружаемого устройства, включающего преобразователь вектора скорости течения.

Формула изобретения Первичный измерительный преобразователь вектора скорости течения, содержащий корпус с установленным в нем

1812502

10 электроприводом, на валу которого жестко закреплен постоянный магнит, намагниченный перпендикулярно оси вращения, неподвижно закрепленную проводящую рамку, охватывающую постоянный магнит, 5 и измерительные электроды, о т л и ч а ю-шийся тем, что с целью повышения информативности за счет возможности определения направления течения в геомагнитной системе координат, в него введена вторая 10 проводящая рамка, закрепленная в плоскости, перпендикулярной плоскости установки первой рамки, постоянный магнит установлен в держателе из немагнитного материала, плотность которого равна плот- 15 ности материала постоянного магнита, при этом держатель выполнен со смещенным в направлении вектора намагниченности магнита центром тяжести, причем смещение г определяется как где Вг — остаточная индукция материала магнита. уц> — магнитная постоянная;

Нс — коэрцитивная сила материала маг\ нита;

V> — объем магнита;

Н вЂ” напряженность горизонтального геомагнитного поля;

p — плотность материала держателя или магнита;

V — объем держателя с магнитом.

g — ускорение силы тяжести.

1812502

Составитель Е. Никитин

Техред М. Моргентал Корректор Л, Пилипенко

Редактор

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

Заказ 1573 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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