Электромагнитный измеритель гидродинамических характеристик потока жидкости

 

(72) Автор изобретения

В. Б, Большаков (7l ) Заявитель ( (54) ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКА ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к метрологическому обеспечению гидрофизических исследований и может быть использовано для измерения вектора скорости и вектора турбулентных пульсаций скорости в потоках электропроводных сред.

Известен электромагнитный измери= тель скорости и турбулентных пульсаций скорости электропроводных сред, содерio жаший электромагнитные. кондукционные преобразователи, зондируюшие движущую ся среду переменным (в случае измере- ° ния скорости потока) и постоянным (в случае измерения пульсаций скорости) магнитным полем. Возникающая в жидкости в результате взаимодействия набегающего потока с магнитным полем измерителя ЭДС, величина которой пропорциональна скорости или пульсациям скорости потока, измеряется с помощью электродов (1)

Недостатком прибора является невысокая точность измерения и возможность измерения только одной из составляющих скорости или пульсации скорости.

Наиболее близким к предлагаемому является электромагнитный измеритель скорости электропроводной жидкости, включающий в себя блок питания, измерительный блок, механический прерыватель, индикаторы и электромагнитный преобразователь скорости, состоящий из двух ка-. тушек возбуждения магнитного поля и четырех электродов. Катушки возбуждения магнитного поля располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях внутри сферического пластмассового обтекателя. Они запитываются переменным током, поступающим из блока питания.

Электроды размещаются на концах двух взаимно перпендикулярных диаметров, лежащих в плоскости одной из катушек возбуждения магнитного поля, на поверхнос- ти обтекателя. Выходы с электродов подключены к измерительному блоку и индикаторам 2

898326 в виде стакана с центральным стержнем, основные электроды расположены в межполюсной области одной из магнитных систем, дополнительные электроды расположены на поверхности обтекателя в межполюсной области второй магнитной системы.

Блок преобразования состоит из четырех усилителей и двух сумматоров, при этом к двум первым усилителям под50

Измерение скорости жидкости этим прибором может осуществляться двумя способами. Согласно первому обе катушки возбуждения магнитного поля запитываются переменным током различной частоты, и из снимаемых с электродов сигналов посредством частотного детектирования выделяются и поступают на индикаторы составляющие сигнала, соответствующие каждой в отдельности составляю- 30 щей вектора скорости потока. Второй способ заключается в том, что обе катушки возбуждения магнитного поля записываются переменным током одной частоты попеременно. Это обеспечйвается посредством применения механической системы временного разделения. Составляющие вектора скорости измеряются попеременно в промежутке времени, когда запитана соответствующая им катушка возбуждения магнитного поля. Недостатками известного измерителя являются невозможность измерения всех

-трех составляющих скорости потока и ее пульсаций, а также наличие неоднознач- у5 ности показаний, обусловленное затеканием в межэлектродный промежуток электрических уравнительных токов, формирующихся в тыльной части преобразователя вне его рабочей области в возвратном магнитном поле катушек возбркдения, и, как следствие,.низкая точность измерения.

11ель изобретения — повышение точности гидродинамических измерений.

Поставленная цель достигается тем, .что в электромагнитном измерителе гидродинамических характеристик потока жидкости, содержащем кондукционный электромагнитный преобразователь из двух магнитных систем с взаимно перпендикулярными осями, размещенных в диэлектрическом сферическом корпусе-обтекателе, и четырех электродов, установленных на поверхности обтекателя, блоки питания, 45 преобразования и регистрации, в электромагнитный преобразователь введены два дополнительных электрода, магнитопроводы его магнитных систем выполнены каждый ключены основные пары электродов, к третьему и четвертому — дополнительная, вход первого сумматора соединен с выходами первого и третьего усилителей, вход второго сумматора — с выходами первого и четвертого усилителей, выходы же сумматоров и второго усилителя подключены к блоку регистрации.

На фиг. 1 представлена блок-схема электромагнитного измерителя гидродинамических характеристик потока электропроводной жидкости; на фиг. 2 — конструктивная схема электромагнитного кондукционного преобразователя измерителя.

Электромагнитный измеритель включает в себя две пары основных электродов

1, 2 и 3, 4 пару дополнительных электродов 5 и 6, магнитные системы 7 и 8, непроводящий сферический обтекатель 9 электромагнитного преобразователя, блок питания 10, усилители 11 и 12, к которым подключены две пары основных электродов 3, 4 и 1, 2 усилители 13 и 14, подключенные к дополнительным электродам 5 и 6. Выход усилителя 11 подключен к сумматорам 15 и 16; усилители

13 и 14 подключены к сумматорам 15 и 16; выходы с усилителя 12 и сумматоров 15 и 16 соединены с регистрирующими устройствами 17 — 19. Кондукционный преобразователь электромагнитного измерителя состоит из непроводящего сферического обтекателя 9 радиуса внутри которого ортогонально друг

apyry размещены две идентичные магнитные системы, состоящие из катушек возбуждения 20, уложенных в межполюсные области магнитных систем, каждая из которых выполнена в виде стакана 21 с центральным стержнем 22. На поверхности обтекателя в межполюсной области одной из магнитных систем расположены две пары основных электродов 1, 2 и

3, 4, а в межполюсной области другой магнитной системы - пара дополнительных электродов 5 и 6.

Кроме того, на фиг. 2 представлена декартова (Х, y, g ) и соответствующая ей сферическая (у, 9, K ) системы координат, используемые для пояснения работы измерителя.

Электромагнитный измеритель гидродинамических характеристик потока жидкости работает следующим образом.

С блока питания. 10 на магнитные системы 7 и 8 преобразователя подается переменное или постоянное напряжение в зависимости от того, вектор скорости

28 4

Р„() ) Р„(4- присоединенные полиномы Лежандра.

В соответствии с (1) разность потенциалов на электродах преобразователя, связанная с наличием только одной рас» сматриваемой магнитной системы, равна ()„ - ч,(„)-y (g )=q

-4 у:R

8=8„ =0

1о

-Ч р

9=6

%, Ti(t 34 "т(Ь)-" ® ).

p=0.

9=УЙ

E,-- В., то ма р ров 15 и 16, пропорциональные составляю. щим Y и x/ вектора скорости или вектощим х и о потоPG пульсаций скорости измеряемого ст ойка, поступают на регистрирующие устро— ства 18 и 19.

Распределение электрического потенциала т, индуцированного в проводящей среде, движущейся снаружи непроводящего сферического обтекателя в магнитном поле магнитной системы 7, в межполю спой зо области которой на поверхности преобразователя размещены основные электроды (9 e„, 0 ), 2 (k,9„,Ë ), 3 (6,, - — ) и 4 (k, 6, д/1), в системе

11 1 коордийат, ат ось 0 которой совмещена с З5 осью симметрии этой магнитной системы, определяется следующим образом: (У> ><)=4,55(y В i1 g y СОЬ Е)О „ где  — характерное значение магнитной индукции — ее величина на поверхности ц центрального полюса осесимметрично-О го магнитопровода в его центре (х= у=О, Z=k );

1п+ с05@ijagPp У-4

"n « J nn(xigxqJ (М) с

СО ЕЛ

COSnji и ")3x— коэффициент в разложении нормальной составляющей вектора магнитной индукции на поверхности преобразователя в ряд по полиномам Лежандра; — угол раствора центрального полюса магнитопровода;

g Ti — угол, характеризующий размер паза под катушку возбуждения магнитного поля;

5 8983 или вектор пульсаций скорости измеряется прибором.

В жидкости, движущейся вне непроводящего обтекателя 9 преобразователя в магнитном поле систем 7 и 8, индуцируется ЭДС. Величина этой ЭДС, пропорциональная скорости или пульсациям скор ости потока, измеряется двумя основными 3, 4 и 1, 2 и дополнительной 5 и 6 парами электродов, сигналы с которых поступают на усилители 11-14. Усиленные сигналы с усилителя 11 поступают на сумматоры 15 и 16; с усилителя 12 сигнал, пропорциональный составляющей

Ч вектора скорости или вектора пульсаци3 скорости потока, поступает непосредственно на регистрирующее устройство

17 с усилителя 13 сигнал подается на

У сумматор 15 с усилителя 14 — на сумто 16. Выходные сигналы с сумматоАналогично вторая магнитная система обуславливает на электродах преобразователя следующую разность потенциалов:

< P„(con 8„) 1

11-1 (1) 1

4I151 K<

=- 38k% (); (п ) со Д, К

< =-ЬМ ; Р (91)II=) (%< <) постоянные коэффициенты, значения которых определяются геометрическими параметрами преобразователя.

На основании соотношения (2) — (5) связь между разностью потенциалов, снимаемой, с электродов электромагнитного преобразователя, и измеряемыми KQMIIQ» кентами вектора скорости (или вектора пульсаций скорости) определяется следующим образом:

И U +() -()(к )/ -К /„, I

1Д. Я 1 1 Ч 4 1 б

4 4 54

5,b 5,6 Bib

Снимаемые с электродов разности потенциалов 0 g Vy < и U5 g поступают на измерительный блок, в котором производится их обработка и выделение

SS выходных сигналов, пропорциональных компонентам вектора ско,.ости или векто-! ра пульсаций скорости изл1еряемых потоков.

7 R9

Сигналы, снимаемые с основных 1—

4 и дополнительных 5 и 6 электродов, усиливаются усилителями 11-14, выходные напряжения которых соответственно

PBBHbI:

8328 8

его рабочую область и искажать показания измерителя.

Формула изобр ет ения

1 1 1, 1 4 1 " б У

e„>- k„> и ь-I „,(a,÷„v,,u,)

I Ц ="М "Г Ь= 4(" Ы

С выхода усилителя 12 напряжение, пропорциональное Yy, непосредственно подается на регистрирующее устройство

17.

Коэффициенты усиления усилителей 11, 13 и 14 подбираются таким образом, чтобы выполнялись условия

М„,- М,„= с„

« 1- М 1.

В сумматорах 15 и 16 вырабатываются разности выходных напряжений усилителей 11, 13 и ll, 14.

В =В

„ = „„-, =(к„„к„-к„ к,)Ч„=к,Ч„;

16 М 11 (М1 2 14 1 1 7 1

С выходов сумматоров 15 и 16 напряжения, пропорциональные Ух ирЧ, поступают на соответствующие регистриру1ошие устройства 18 и 19.

Таким образом, электромагнитный измеритель обеспечивает синхронное раздельное измерение трех составляющих вектора скорости или вектора пульсаций скорости потока в одной точке. Кроме того, использование охватывающих катушки возбуждения магнитных систем преобразователя осесимметричных ферромагнитных магнитопроводов обеспечивает минимальные магнитные потоки утечки, чем практически полностью исключает возможность формирования электрических уравнительных токов в тыльной части преобразователя, способных затекать в

16

1$

36

33

36

l. Электромагнитный измеритель гидродинамических характеристик потока жидкости, содержащий кондукционный электромагнитный преобразователь из двух магнитных систем с взаимно перпендикулярными осями, размещенных в диэлектрическом сферическом корпусе -обтекателе, и четырех электродов, установленных на поверхности обтекателя, блоки питания, преобразования и регистрации отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в электромагнитный преобразователь введены два дополнительных электрода, магнитопроводы каждой магнитной системы выполнены в виде стакана с центральным стержнем, основные электроды расположены в межполюсной области одной из магнитных систем, а дополнительные электроды расположены на поверхности обтекателя в межполюсной области второй магнитной системы.

2. Измеритель по п. 1, о т л и ч а ю— ш и и с я тем, что блок преобразования снабжен четырьмя усилителями и двумя сумматорами, при этом к двум первым усилителям подключены основные пары электродов, к третьему и четвертому— дополнительная, вход первого сумматора соединен с выходами первого и третьего усилителей, вход второго сумматора — с выходами первого и четвертого усилителей, выходы же сумматоров и второго усилителя подключены к блоку регистрации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 396626, кл. 9 01 P 5/08, 1970.

2. Патент США N 3161047, кл. 73189, 1964 (прототип).

Составитель А. Трунов

Редактор М. Циткина Техред M. Надь Корректор A ФеРенц

Заказ 11939/60 Тираж 882 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретении и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 1