УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR MEASURING LIQUID SPEED

Изобретение относится к электроизмерениям и может быть использовано для измерения скорости электропроводной жидкости и ее флуктуаций.
Известно устройство для измерения скорости жидкости, состоящее из двух помещенных в поток жидкости электродов и подключенного к ним измерительного блока [Способ регистрации расхода жидкости. Патент RU 2135959, МПК G01F 1/64, G01P 5/08, 1999]. Один из электродов деформируется под воздействием потока жидкости, при этом возникает изменение его электродного потенциала, а второй (недеформируемый) используется как электрод сравнения для определения соответствующего изменения потенциала деформированного электрода. В качестве измерительного блока использован вольтметр с высоким входным сопротивлением. Недостатками устройства является низкая чувствительность и низкая точность, обусловленная влиянием электрохимического шума и механических вибраций.
Известно устройство для измерения скорости жидкости, состоящее из двух помещенных в поток жидкости электродов и подключенного к ним измерительного блока [Способ измерения скорости потока жидкости. Авт. свид. СССР №2497153, МПК G01F 1/00, 1984]. Измерительный блок измеряет спектральную плотность электродного шума в области частот ниже 10 Гц, которая зависит от скорости движения жидкости. Известное устройство имеет следующие недостатки. Во-первых, оно не позволяет измерять флуктуации скорости. Во-вторых, чувствительность устройства нестабильна и изменяется во времени, что снижает точность измерений.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является устройство для измерения скорости электропроводной жидкости [Способ измерения расхода электропроводной жидкости. Патент РФ №2474790, МПК G01F 1/58, 2013], содержащее два электрода, подключенных к измерителю электрического сопротивления. При этом один электрод закреплен неподвижно, а другой - через упругий элемент с обеспечением возможности перемещения этого электрода под действием потока жидкости относительно неподвижного. Измеряют электрическое сопротивление жидкости между электродами и по его изменению определяют скорость жидкости. Недостатком известного устройства является его невысокая чувствительность и, вследствие этого, невысокая точность измерения флуктуаций скорости. Невысокая чувствительность обусловлена небольшой кратностью изменения сопротивления между электродами, поскольку в первую очередь оно определяется размерами электродов и объемом жидкости, в котором протекает ток, а уже во вторую очередь на него оказывает влияние взаимное расположение электродов. В устройстве-прототипе кратность изменения сопротивления между электродами не превышает двух раз. При изменении скорости жидкости в 2 раза с 0,5 м/с до 1 м/с изменение сопротивления составило 18%. При измерении флуктуаций скорости, составляющих десятые доли процента, изменение сопротивления имеет порядок тысячных долей процента. Сопротивление жидкости измеряют на переменном токе. Собственный шум источника переменного тока в виде паразитной амплитудной модуляции ограничивает точность измерения флуктуаций скорости, поскольку нестабильность амплитуды при этом имеет тоже порядок тысячных долей процента.
Техническая задача, решаемая в заявленном изобретении, заключается в повышении чувствительности и точности измерения флуктуаций скорости.
Для решения поставленной задачи в устройство для измерения скорости жидкости, содержащее измеритель электрического сопротивления и два подключенных к нему электрода, один из которых закреплен неподвижно, введена расположенная между электродами диэлектрическая пластина с отверстием, плоскость которой совпадает с направлением вектора скорости жидкости, установленная на упругом элементе с возможностью перемещения под действием потока жидкости, пластина снабжена элементом гидродинамического сопротивления, при этом второй электрод также установлен неподвижно напротив первого, а отверстие диэлектрической пластины расположено между электродами. В частности, диэлектрическая пластина установлена на неподвижной оси с возможностью вращения, упругий элемент выполнен в виде спиральной пружины, надетой на ось, а элемент гидродинамического сопротивления выполнен в виде выступа на поверхности пластины. Также упругий элемент может быть выполнен в виде плоской пружины, поверхность которой перпендикулярна к вектору скорости жидкости, при этом она же является и элементом гидродинамического сопротивления.
На фиг. 1 и фиг. 2 показаны два варианта конструкции устройства для измерения скорости жидкости. Оно содержит электроды 1 и 2, диэлектрическую пластину 3 с отверстием 4, измеритель 5 электрического сопротивления, упругий элемент 6 (пружину), элемент 7 гидродинамического сопротивления, ось 8 вращения.
В устройстве на фиг. 1 электроды 1 и 2 неподвижно установлены друг против друга на стенке диэлектрического трубопровода, по которому движется поток электропроводной жидкости. Между электродами установлена диэлектрическая пластина 3 с отверстием 4, выполненная в виде диска. В исходном состоянии отверстие 4 расположено между электродами 1 и 2, частично или полностью перекрывая их площадь. Пластина 3 через упругий элемент - спиральную пружину 6 - установлена на оси 8 с возможностью вращения под воздействием потока жидкости, набегающего на элемент 7 гидродинамического сопротивления, выполненный в виде выступа в форме параллелепипеда. Электроды 1 и 2 подключены к измерителю 5 электрического сопротивления. Стороны электродов, не обращенные друг к другу, и подводящие провода изолированы.
Устройство работает следующим образом. Поток движущейся электропроводной жидкости набегает на элемент 7 гидродинамического сопротивления и действует на него с силой, зависящей от скорости потока. Диэлектрическая пластина 3 поворачивается относительно неподвижно установленных друг против друга электродов 1 и 2, до тех пор, пока вращающий момент от воздействия потока не уравновешивается моментом от закрученной пружины 6. Отверстие 4 смещается от линии, соединяющей центры рабочих поверхностей электродов, изменяя электрическое сопротивление между ними. Если отверстие находится между электродами, то электрическое сопротивление минимально. Поворот пластины 3 вызывает увеличение сопротивления. Наибольшее изменение сопротивления получается в том случае, когда размеры пластины 3 много больше, чем размеры электродов, а расстояние между электродами и пластиной много меньше размеров пластины. Таким образом, электрическое сопротивление R между электродами зависит от скорости V потока жидкости. Характер зависимости R(V) можно изменять, выбирая размеры элемента 7 гидродинамического сопротивления, форму и размеры отверстия 4. При необходимости измерять пульсации скорости потока исходное положение отверстия относительно электродов нужно выбирать, исходя из наибольшей чувствительности и линейности зависимости R(V). Измеритель 5 электрического сопротивления может быть проградуирован в единицах измерения скорости и показывать среднее значение скорости потока. Для измерения пульсаций скорости измеритель 5 электрического сопротивления должен иметь высокое быстродействие и обеспечивать запись измеренных значений сопротивления в зависимости от времени R(t), например, в оцифрованном виде. Электрическое сопротивление измеряется на переменном токе с частотой порядка 1…100 кГц. При измерении быстрых флуктуаций скорости в качестве измерителя сопротивления удобно использовать стабилизированный по амплитуде генератор переменного напряжения и малоинерционный измеритель тока.
В устройстве на фиг. 2, в отличие от изображенного на фиг. 1, диэлектрическая пластина 3 установлена на упругом элементе, выполненном в виде плоской пружины 6, закрепленной на стенке диэлектрического трубопровода. Роль элемента гидродинамического сопротивления выполняет сама пружина, плоская поверхность которой перпендикулярна вектору скорости жидкости.
Устройство работает следующим образом. Поток движущейся электропроводной жидкости набегает на плоскую пружину 6 и действует на нее с силой, зависящей от скорости потока. Диэлектрическая пластина 3 перемещается относительно неподвижно установленных друг против друга электродов 1 и 2 до тех пор, пока сила упругости пружины не уравновесит силу воздействующего потока жидкости. Отверстие 4 смещается от линии, соединяющей центры рабочих поверхностей электродов, изменяя электрическое сопротивление между ними. Если в исходном положении отверстие находится между электродами, то есть электрическое сопротивление минимально, перемещение пластины 3 вызывает увеличение сопротивления. Так же, как и в устройстве на фиг. 1, электрическое сопротивление R между электродами зависит от скорости V потока жидкости.
Технический результат, достигаемый при применении предложенного устройства, состоит в увеличении чувствительности и точности измерения флуктуаций скорости, которое достигнуто за счет уменьшения шунтирующего действия окружающей среды на сопротивление между электродами и, вследствие этого, увеличения кратности изменения сопротивления по сравнению с прототипом. Экспериментальная проверка показала, что на практике достаточно просто достигается шестикратное изменение сопротивления между электродами, то есть в 3 раза больше, чем у прототипа, при перемещении диэлектрической пластины всего на 2-3 мм. Это позволяет получить более высокую чувствительность устройства при измерении пульсаций скорости. Диаметр отверстия был равен 1 мм и равен диаметру рабочей поверхности электрода. Толщина диэлектрической пластины - 0,4 мм. Зазор между электродами и диэлектрической пластиной около 0,2 мм. В качестве электропроводной жидкости использован раствор NaCl с концентрацией 18 г/л.