Устройство для измерения пульсаций скорости потока электропроводной жидкости



Устройство для измерения пульсаций скорости потока электропроводной жидкости
Устройство для измерения пульсаций скорости потока электропроводной жидкости
Устройство для измерения пульсаций скорости потока электропроводной жидкости
Устройство для измерения пульсаций скорости потока электропроводной жидкости

 


Владельцы патента RU 2548126:

Морской гидрофизический институт (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к электромагнитным устройствам для измерения скорости потока электропроводной жидкости и основывается на явлении электромагнитной индукции: при движении проводника в магнитном поле в нем индуцируется электродвижущая сила Е, пропорциональная магнитной индукции В и скорости V проводника, которая действует в направлении, перпендикулярном к движению жидкости и магнитному полю. Изобретение может быть использовано для измерения пульсаций трех ортогональных составляющих вектора скорости течения, сильно изменяющегося по направлению и скорости, при проведении гидрофизических и гидродинамических исследований.

Технические результаты изобретения - уменьшение погрешности при измерении малых пульсаций вектора скорости потока и увеличение пространственной разрешающей способности устройства за счет создания концентрации магнитного поля в зонах расположения измерительных электродов, а также за счет устранения в' зонах контакта измерительных электродов с исследуемой жидкостью эффекта "отсутствия движения" этой жидкости.

Сущность: устройство для измерения пульсаций скорости потока электропроводной жидкости содержит первичный преобразователь со сферическим обтекателем (8) из электроизоляционного материала, в котором вмонтирована магнитная система. Магнитная система содержит четыре постоянных магнита (2) прямоугольного сечения, у которых поверхности полюсов сопряжены с поверхностями полюсных наконечников (3). Магниты (2) установлены попарно в вертикальных ортогональных плоскостях симметрично относительно вертикальной оси сферического обтекателя (8), одноименными полюсами друг к другу. Электродная система содержит восемь измерительных электродов (5), установленных в двух вертикальных ортогональных плоскостях в заполненных электроизоляционным материалом зазорах (4) магнитной системы под углом 45° к ее горизонтальной плоскости. Электроды (5) подключены попарно к входам вычитающих усилителей измерительного блока устройства. При этом магниты (2) закреплены на вертикальной немагнитной стойке (1), проходящей через центр сферического обтекателя (8), полюсные наконечники (3) выполнены плоскими, установлены на полюсах магнитов (2) и имеют выступы, образующие восемь отдельных зазоров (4), в которых установлены измерительные электроды (5) в виде стержней, у которых один торец выходит на поверхность сферического обтекателя (8), на которой соосно электродам (5) закреплены восемь шайб (9) с заданными размерами из электроизоляционного материала. 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к электромагнитным устройствам для измерения скорости потока электропроводной жидкости и основывается на явлении электромагнитной индукции: при движении проводника в магнитном поле в нем индуцируется электродвижущая сила (ЭДС) Е, пропорциональная магнитной индукции В и скорости V. проводника, которая действует в направлении, перпендикулярном к движению жидкости и магнитному полю. Изобретение может быть использовано для измерения пульсаций трех ортогональных составляющих вектора скорости течения, сильно изменяющегося по направлению и скорости, при проведении гидрофизических и гидродинамических исследований.

Известно устройство [1] для измерения пульсаций скорости потока электропроводной жидкости, содержащее магнитную систему с чередующимися полюсами, выполненную в виде тела вращения с двумя Х-образными зазорами в рабочей части, заполненными диэлектриком. В ветвях зазоров установлены две пары электродов, размещенные в вершинах квадрата, центр которого находится на оси тела вращения. Измерительный блок содержит схемы сложения и вычитания, к которым подключены электроды.

Недостатком этого аналога является большая погрешность при работе в сильно изменяющихся по направлению потоках, так как он имеет узкую диаграмму направленности, требующую ориентации первичного измерительного преобразователя (датчика) вдоль главного (среднего) направления вектора скорости течения жидкости.

Известно устройство [2] для определения направления и модуля вектора скорости потока электропроводной жидкости путем измерения проекций вектора скорости на оси первичного преобразователя. Устройство содержит первичный преобразователь с магнитной системой, включающей полюсные наконечники в виде сферических сегментов, между внутренними поверхностями каждого из которых установлены одноименными полюсами один к другому четыре плоских постоянных магнита, поверхность полюсов N и S которых повторяет форму поверхности каждого из полюсных наконечников. Измерительные электроды, в количестве 8 штук, установлены в вертикальных ортогональных кольцевых зазорах под углом 45° к горизонтальной плоскости магнитной системы. Магнитная система заключена в сферический обтекатель, выполненный из электроизоляционного материала. Электроды подключены к входам шести вычитающих усилителей.

Это устройство, разработанное в конструкторско-технологическом бюро заявителя, Морского гидрофизического института НАН Украины, наиболее близко подходит к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков, поэтому оно выбрано в качестве прототипа. Сходными признаками прототипа и заявленного технического решения являются: первичный измерительный преобразователь со сферическим обтекателем из электроизоляционного материала, в котором вмонтирована магнитная система, включающая четыре постоянных магнита прямоугольного сечения, у которых поверхности полюсов сопряжены с поверхностями полюсных наконечников, и которые установлены попарно в вертикальных ортогональных плоскостях симметрично относительно вертикальной оси сферического обтекателя, одноименными полюсами друг к другу, и восемь измерительных электродов, установленных в двух вертикальных ортогональных плоскостях в заполненных диэлектриком зазорах магнитной системы под углом 45° к ее горизонтальной плоскости и подключенных попарно к входам вычитающих усилителей измерительного блока.

При использовании прототипа для измерения в широком диапазоне пульсаций скорости потока, от единиц метров в секунду до единиц миллиметров в секунду, ему присущи следующие недостатки:

- невысокое соотношение сигнал/шум, определяемое малой величиной индукции магнитного поля в длинных и широких зазорах вокруг электродов, установленных на поверхности сферы между плоскостями сферических наконечников, что приводит к значительному уменьшению индуцированного напряжения (полезного сигнала) при фиксированном значении шумов различной природы;

- уменьшение индуцированного напряжения вызвано также тем, что электроды расположены на обтекаемой жидкостью поверхности, а обтекание любого тела характеризуется отсутствием движения жидкости на его поверхности (пренебрежимо малой скоростью движения жидкости).

В основу изобретения поставлена задача создания устройства для измерения пульсаций скорости потока электропроводной жидкости, в котором за счет особенностей выполнения элементов магнитной и электродной систем и их взаимного расположения создается концентрированное магнитное поле в индивидуальных зазорах, где размещены электроды, что приводит к увеличению индуцированного напряжения (коэффициента преобразования датчика), а значит и чувствительности устройства, а введение шайб, установленных на поверхности сферического обтекателя, в зонах взаимодействия измерительных электродов с исследуемой жидкостью, позволяет образовать и расположить "жидкие измерительные электроды" (отверстие в шайбе) за пределами пограничного слоя, чем устраняется эффект "отсутствия движения жидкости" на поверхности датчика. Всё это обеспечивает новое техническое свойство - повышение соотношения сигнал/шум, что, в свою очередь, обеспечивает следующие технические результаты изобретения: уменьшение погрешности при измерении малых пульсаций вектора скорости потока, а также увеличение пространственной разрешающей способности устройства, так как повышенный коэффициент преобразования позволяет уменьшить размеры первичного преобразователя при сохранении чувствительности.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения пульсаций скорости потока электропроводной жидкости, содержащем первичный преобразователь со сферическим обтекателем из электроизоляционного материала, в котором вмонтирована магнитная система, включающая четыре постоянных магнита прямоугольного сечения, у которых поверхности полюсов сопряжены с поверхностями полюсных наконечников, и которые установлены попарно в вертикальных ортогональных плоскостях симметрично относительно вертикальной оси сферического обтекателя, одноименными полюсами друг к другу, и восемь измерительных электродов, установленных в двух вертикальных ортогональных плоскостях в заполненных электроизоляционным материалом зазорах магнитной системы под углом 45° к ее горизонтальной плоскости и подключенных попарно к входам вычитающих усилителей измерительного блока, новым является то, что магниты закреплены на вертикальной немагнитной стойке, проходящей через центр сферического обтекателя, полюсные наконечники выполнены плоскими, установлены на полюсах магнитов и имеют выступы, образующие восемь зазоров с заданными размерами, в которых установлены измерительные электроды в виде стержней, у которых один торец выходит на поверхность сферического обтекателя, на которой соосно электродам закреплены восемь шайб с заданными размерами из электроизоляционного материала.

Сущность изобретения поясняется с помощью чертежа, на котором изображен конкретный пример исполнения первичного преобразователя (датчика) заявленного устройства в двух проекциях и с сечениями: фиг. 1 - общий вид, совмещенный с вертикальным осевым разрезом; фиг. 2 - вид сверху, совмещенный с горизонтальным разрезом; фиг. 3 - осевое сечение сферы под углом 45° к горизонтальной плоскости; фиг. 4 - сечение сферы в горизонтальной плоскости.

Первичный преобразователь заявленного устройства содержит вертикальную стойку 1 из немагнитного материала, например, титана, на которой собрана магнитная система. На стойке 1 крестообразно закреплены одноименными полюсами друг к другу четыре постоянных магнита 2 прямоугольного сечения - попарно в вертикальных ортогональных плоскостях симметрично относительно оси стойки. В данном исполнении каждый из магнитов 2 имеет скосы верхнего и нижнего торцов, выполненные навстречу друг другу, каждый под углом 45 ° к горизонтальной оси магнитной системы в направлении боковой поверхности, противоположной поверхности закрепления магнита на стойке 1.

На поверхностях полюсов магнитов 2 установлены восемь полюсных наконечников 3 из магнитомягкой стали Ст 10, которые выполнены плоскими и имеют выступы, образующие восемь отдельных зазоров 4 магнитной системы. В зазорах 4 расположены восемь измерительных электродов 5, которые выполнены в виде стержней из платины и попарно соединены проводами 6 с входами вычитающих усилителей измерительного блока устройства. Провода 6 проходят в полости стойки 1 и подключены к измерительному блоку через разъемный контакт (на чертеже не показан). В данном исполнении каждый из стержневых электродов 5 опирается одним своим торцом на скос магнита 2 через изоляционную прокладку 7.

Технологическая сборка элементов датчика осуществляется клеевым соединением друг с другом на основе эпоксидной смолы.

Магнитная система вмонтирована в сферический обтекатель 8, выполненный из диэлектрика, например, эпоксидной смолы, причем так, что у каждого стержневого электрода 5, которые находятся в заполненных диэлектриком зазорах 4, один торец выходит на поверхность сферического обтекателя, контактируя с исследуемой жидкостью.

Технологически, после заливки магнитной системы в обтекатель 8 наружная поверхность датчика (включая выступающие концы электродов 5) дорабатывается до сферической формы.

На поверхности сферического обтекателя 8 соосно электродам 5 закреплены восемь шайб 9 из диэлектрика, например, из стеклопластика.

Зазоры 4 имеют заданные конструктивные размеры, которые определяются размерами измерительных электродов 5, магнитов 2 и диаметром сферы 8. Шайбы 9 также имеют заданные размеры, исходя из конструктивных размеров зазоров 4 и электродов 5. Толщина сферического слоя покрытия диэлектриком полюсных наконечников 3 также определяется конструктивными размерами элементов датчика. Например, при диаметре сферы 30 мм, ширине магнитов 7 мм, диаметре электродов 1 мм - ширина магнитного зазора 4 в узкой его части равна 4 мм, внутренний и наружный диаметры шайбы 9 равны соответственно 1, 2 и 3 мм, толщина сферического слоя покрытия диэлектриком полюсных наконечников 3 равна 0,3-0,5 мм.

В данном конкретном исполнении датчик снабжен заглушкой 10 в виде винта, которая через прокладку 11 установлена в полость стойки 1, закрывая постановочное отверстие, в которое может быть установлен, например, измеритель пульсаций температуры жидкости или измеритель электропроводности. Этот конструктивный признак изображенного устройства не относится к числу существенных признаков изобретения.

Устройство работает следующим образом.

Вследствие движения электропроводной жидкости относительно сферического обтекателя 8 на измерительных электродах 5, окруженных индивидуальным магнитным полем, возникают электродные потенциалы, которые попарно, в соответствии с определённым алгоритмом, поступают на входы дифференциальных усилителей измерительного блока устройства. На выходах измерительного блока после соответствующей обработки образуются напряжения постоянного тока, пропорциональные пульсациям компонент (составляющих) вектора скорости течения.

Отличительной особенностью заявленного устройства является создание концентрации магнитного поля вокруг каждого измерительного электрода за счет образования индивидуальных зазоров. Если сравнить с прототипом, то в нем магнитное поле растянутое.

Другой отличительной особенностью является создание "жидких измерительных электродов" за счет установки на поверхности сферического обтекателя, в зонах выхода на поверхность измерительных электродов, шайб из диэлектрика. Это поясняется следующим. При обтекании датчика потоком жидкости на поверхности сферы 8 создаётся пограничный слой с иными (меньшими) скоростями, чем скорость набегающего потока. В случае измерений в большом динамическом диапазоне скоростей (при больших скоростях, несколько м/с) это выдвигает определенные требования к расположению измерительных электродов 5 относительно поверхности сферы 8 - электроды нужно переместить за пределы пограничного слоя, однако реально это сделать сложно. В заявленном изобретении эта сложность обходится путем установки на поверхности сферы 8, соосно электродам 5, шайб 9 заданной высоты, которые создают "жидкие электроды", устраняя воздействие на измерительные электроды 5 эффекта "отсутствия движения жидкости" на поверхности сферы 8. Высота шайб 9 задается в зависимости от конкретных условий применения устройства. Например, в приведенном примере исполнения устройства, толщина пограничного слоя жидкости при обтекании сферы диаметром 30 мм в диапазоне скоростей набегающего потока от нескольких сантиметров до нескольких метров в секунду колеблется в пределах 0,1-0,5 мм, поэтому высота шайб 9 равна 0,5 мм.

Заявленное устройство для измерения пульсаций трех компонент вектора скорости течения электропроводной жидкости изготовлено в нескольких экземплярах, прошло успешные натурные испытания и стабильно обеспечивает:

- снижение воздействия помех различной природы (увеличение способности правильно преобразовывать слабые пульсации скорости течения);

- увеличение чувствительности при движении слабых потоков жидкости вокруг первичного преобразователя;

- повышение пространственной разрешающей способности.

Источники информации:

1. Авторское свидетельство СССР, № 679878, МПК G01P 5/08, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР, № 1597731, МПК G01P 5/08, 1990 - прототип.

Устройство для измерения пульсаций скорости потока электропроводной жидкости, содержащее первичный преобразователь со сферическим обтекателем из электроизоляционного материала, в котором вмонтирована магнитная система, включающая четыре постоянных магнита прямоугольного сечения, у которых поверхности полюсов сопряжены с поверхностями полюсных наконечников, и которые установлены попарно в вертикальных ортогональных плоскостях симметрично относительно вертикальной оси сферического обтекателя, одноименными полюсами друг к другу, и восемь измерительных электродов, установленных в двух вертикальных ортогональных плоскостях в заполненных электроизоляционным материалом зазорах магнитной системы под углом 45° к ее горизонтальной плоскости и подключенных попарно в соответствии с заданным алгоритмом обработки сигналов к входам вычитающих усилителей измерительного блока с образованием трех измерительных каналов, причем в каждом измерительном канале к каждому вычитающему усилителю подключены электроды, лежащие в одном из зазоров в плоскостях, перпендикулярных соответствующей измерительной оси, отличающийся тем, что магниты закреплены на вертикальной полой стойке из немагнитного материала, проходящей через центр сферического обтекателя, полюсные наконечники выполнены плоскими, установлены на полюсах магнитов и имеют выступы, образующие восемь зазоров с заданными размерами, в которых установлены измерительные электроды в виде стержней, у которых один торец выходит на поверхность сферического обтекателя, на которой соосно электродам закреплены восемь шайб с заданными размерами из электроизоляционного материала.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к измерительной технике, представляет собой устройство и способ измерения скорости электропроводящей среды и может быть использована при добыче и транспортировке нефти.

Изобретение относится к области средств измерения скорости перемещения твердых тел относительно жидких сред и может быть использовано в навигационном приборостроении, а именно - при конструировании и изготовлении индукционных лагов судов.

Изобретение относится к области измерений параметров движения, предназначено для исследования движения жидких сред и может быть использовано для измерения составляющих пульсаций вектора скорости потока жидкости, в частности пресной и морской воды при проведении гидрологических исследований.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения пульсаций скорости потока электропроводящей жидкости, и может быть применено для измерения компонент вектора скорости течения с низким уровнем собственных шумов и, следовательно, с высокой разрешающей способностью, при исследованиях мелкомасштабной турбулентности в лабораторных и натурных условиях.

Изобретение относится к области исследования гидрофизических полей. .

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и предназначено для использования в индукционных лагах быстроходных судов. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к электромагнитным устройствам для измерения скорости электропроводящей жидкости, и может быть использовано для измерения скорости, например, судов.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости потока электропроводящей жидкости, например морской воды. .

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости потока электропроводящей жидкости, например морской воды. .

Группа изобретений относится к области измерений параметров движения, предназначена для исследования движения жидких сред и может быть использована для измерения составляющих пульсаций вектора скорости потока жидкости, в частности пресной и морской воды при проведении гидрологических исследований. В первом варианте исполнения устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости содержит металлический корпус, заполненный диэлектриком, в котором установлена магнитная система, по крайней мере, из четырех магнитов с чередующимися полюсами. Магниты, образующие магнитную систему, установлены попарно вплотную друг к другу с зазором между парами, и попарно подключены к измерительному электронному блоку. Вся поверхность устройства вне металлического корпуса покрыта диэлектриком. Во втором варианте исполнения устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости имеет обтекаемую форму, содержит металлический корпус, близкий по форме к усеченному конусу, установленную на его вершине или частично утопленную в корпусе, отделенную от корпуса слоем диэлектрика магнитную систему, выполненную, по крайней мере, из четырех магнитов, попарно установленных вплотную друг к другу с зазором между парами и подключенных к измерительному электронному блоку, при этом, вся поверхность устройства вне металлического корпуса покрыта диэлектриком. Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение и повышение чувствительности устройства для измерения параметров турбулентного потока жидкости. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости потока электропроводящей жидкости, например морской воды. Способ повышения чувствительности электромагнитных датчиков пульсаций скорости преобразователей гидрофизических полей согласно изобретению включает нанесение платиновой черни на торцевые поверхности платиновых электродов, установленных в зазорах магнитной системы датчика, заподлицо с их внешней поверхностью, при этом перед нанесением платиновой черни электроизоляционный материал датчика покрывают дополнительным слоем электроизолирующего материала, инертного к соляной, азотной и платинохлористоводородной кислотам, при этом толщину дополнительного слоя выбирают исходя из возможности обеспечения блокировки диффузии примесей из компаунда в процессе платинирования электродов. Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение электрического сопротивления между электродом и водной средой и, соответственно, уменьшения электрохимических шумов, возникающих из-за химических примесей, диффундирующих в осаждающуюся на электроды платиновую чернь, что обеспечивает повышение чувствительности электромагнитного датчика пульсаций скорости. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензометрическим средствам измерения. Технический результат: расширение динамического диапазона преобразования напряженно-деформированных состояний сенсорной консоли вследствие воздействия на ее поверхность скоростного напора (динамического давления) газовых или жидкостных потоков. Сущность: тензорезистивный преобразователь содержит сенсорную консоль, работающую на изгиб, выполненную из упругой подложки тонкопленочного эластичного полимера, двух фольговых тензорезисторов, планарно расположенных на противоположных сторонах подложки, продольные оси которых параллельны между собой, или четырех фольговых тензорезисторов, планарно и попарно расположенных на противоположных сторонах подложки, продольные оси которых симметричны относительно ее продольной оси и параллельны между собой. Тензорезисторы включены в смежные плечи полу- или полномостовую схему измерительного моста. Сенсорная консоль ориентирована ортогонально вектору приложенной силы. В преобразователь введены кольцевой сегмент с кривизной поверхности, соответствующей максимально возможному упругому изгибу сенсорной консоли, хонейкомб, и флюгерный элемент. Кольцевой сегмент выполнен с проницаемой поверхностью. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерительного оборудования, а именно к области средств измерения скорости перемещения твердых тел относительно жидких сред, и может быть использовано в навигационном приборостроении при конструировании и изготовлении лагов для водоизмещающих плавсредств. Электромагнитный лаг комплексных измерений содержит поворотный датчик скорости с синхронно следящим приводом для определения истинного значения скорости и направления движения, блок определения мгновенного центра скоростей, датчик угловых скоростей, блоки координат датчика лага и заданных «характерных» точек измерения. Технический результат - возможность определения скорости и направления движения любой точки судна, надводного и подводного корабля, а также кинематических параметров движения при качке с целью выбора оптимального, безопасного ходового режима, повышения эффективности судовождения и работы бортовых систем в сложных условиях плавания. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх