УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ СКОРОСТИ ПОТОКА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ ЖИДКОСТИ
DEVICE TO MEASURE PULSATION OF ELECTRICALLY CONDUCTING FLUID FLOW RATE

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.