УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR MEASURING TURBULENT FLOW PARAMETRES OF LIQUID (VERSIONS)

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.
Известно устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (патент США №4308753, опубл. 5.01.1982), содержащее электроды, контактирующие с движущейся средой проводящей жидкости, образующие, по крайней мере, одну электродную пару, генератор магнитного поля с установленной в нем магнитной системой, состоящей из постоянного магнита, для создания магнитного поля, имеющего составляющую, расположенную ортогонально по отношению к линии, проходящей между электродами указанной пары и электромагнитные средства, содержащие катушку индуктивности, для избирательного изменения указанной ортогональной составляющей магнитного поля; а также средства управления, соединенные с электромагнитными средствами для приведения их в действие.
В процессе работы устройства, влияние электрохимических реакций, происходящих на поверхности электродов в процессе измерения, проявляется только на частоте изменения магнитного поля. Но, при этом, устройство имеет низкое пространственное разрешение вследствие того, что переменное магнитное поле создается катушками индуктивности, существенно увеличивающими габариты устройства.
Наиболее близким к заявляемому, по технической сущности, является устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости, устанавливаемое по направлению движения носителя (авторское свидетельство №755699, опубл. 30.10.1980), содержащее магнитную систему, образованную постоянными магнитами, с чередующимися полюсами, выполненную в виде тела вращения обтекаемой формы, установленного в металлическом корпусе. Зазоры магнитной системы заполнены диэлектриком и в них установлены измерительные электроды, подключенные к измерительному блоку. Измерительные электроды имеют стержневидную форму и установлены в зазорах магнитной системы. Магнитная система помещена в диэлектрический кожух, при этом торцевая поверхность измерительных электродов не защищена от контакта с электропроводной средой.
Следствием электрохимических процессов, происходящих на открытых измерительных электродах, является большое время выхода на рабочий режим после помещения датчика в воду. Для данного устройства оно составляет в диапазоне высоких частот (от 1 Гц и выше) - около 2-х часов, на инфранизких частотах (от 0,03 Гц и ниже) - около суток.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в существенном сокращении времени выхода устройства на рабочий режим.
Для достижения указанного технического результата, в устройстве для измерения параметров турбулентного потока жидкости, содержащем установленную в металлическом корпусе магнитную систему с чередующимися полюсами, по крайней мере, с двумя зазорами в рабочей части и, по крайней мере, два измерительных электрода, подключенных к измерительному электронному блоку, в соответствии с изобретением измерительные электроды выполнены в виде пластин и расположены над поверхностью магнитной системы на изоляционных пластинах, при этом вся поверхность измерительных электродов покрыта диэлектриком.
По второму варианту изобретения, имеющему тот же прототип, для достижения указанного технического результата в устройстве для измерения параметров турбулентного потока жидкости, имеющем обтекаемую форму, содержащем установленную в металлическом корпусе магнитную систему с одним зазором в рабочей части и, по крайней мере, два измерительных электрода, подключенных к измерительному электронному блоку, в соответствии с изобретением измерительные электроды выполнены в виде пластин и расположены на изоляционных пластинах над поверхностью магнитной системы, при этом вся поверхность измерительных электродов покрыта диэлектриком.
Для повышения прочности устройств по обоим вариантам зазоры магнитной системы могут быть заполнены веществом, не обладающим ферромагнитными свойствами.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (вариант 1), осевое сечение;
на фиг.2 - устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (вариант 1), поперечное сечение;
на фиг.3 - устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (вариант 2), осевое сечение;
на фиг.4 - устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (вариант 2), поперечное сечение
На фиг.1, 2, 3, 4 обозначено:
1 - корпус;
2 - магнитная система;
3 - зазоры магнитной системы;
4 - измерительные электроды;
5 - изоляционные пластины;
6 - диэлектрическое покрытие;
7 - измерительный электронный блок.
В первом варианте исполнения устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (фиг.1, 2) содержит металлический корпус 1, в котором установлена магнитная система 2 с чередующимися полюсами. В приведенном примере, магнитная система 2 имеет два зазора 3 в рабочей части. Над поверхностью магнитной системы 2 на изоляционных пластинах 5 расположены два измерительных электрода 4, подключенных к измерительному электронному блоку 7. Измерительные электроды 4 выполнены в виде пластин, и вся их поверхность покрыта диэлектриком 6.
Для повышения механической прочности устройства, зазоры 3 магнитной системы 2 могут быть заполнены веществом, не обладающим ферромагнитными свойствами, например компаундом.
Зазоры 3 в рабочей части магнитной системы 2 предпочтительно выполняются в диаметральных плоскостях, что позволяет увеличить пороговую чувствительность устройства.
В качестве диэлектрика 6 может быть использован, например, полиуретановый лак. При этом диэлектрик 6 имеет минимальную, обусловленную технологическими возможностями толщину.
Измерительные электроды 4 выполнены из металла, не обладающего ферромагнитными свойствами, предпочтительно из меди.
Изоляционные пластины 5 выполнены, например, из стеклотекстолита.
В приведенном примере измерительный электронный блок 7 содержит дифференциальный усилитель, выходной сигнал которого, пропорциональный пульсации скорости турбулентного потока жидкости, измеряется, например, вольтметром.
Кроме того, измерительный блок 7 может быть дополнен аналого-цифровым преобразователем и интерфейсом связи, обеспечивающими преобразование и передачу сигналов в цифровом виде в устройство обработки информации, например ЭВМ, для последующей обработки и определения значений параметров турбулентного потока.
Устройство работает следующим образом.
Устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости устанавливается на подвижном носителе или на неподвижном, в потоке набегающей жидкости.
Наличие диэлектрического покрытия 6 на измерительных электродах 4, выполненных в виде пластин, исключает любые электрохимические воздействия на измерительные электроды 4 со стороны окружающей устройство жидкости. Таким образом, достигается технический результат изобретения, поскольку устройство выходит на рабочий режим и начинает процесс измерения сразу после помещения его в поток электропроводной жидкости.
Напряжение, снимаемое с электродов 4 относительно металлического корпуса 1 устройства, обусловлено взаимодействием набегающего потока жидкости с магнитным полем рассеяния зазоров 3 магнитной системы 2. Разность потенциалов между измерительными электродами 4 пропорциональна измеряемой скорости потока жидкости.
Действительно, согласно закону электромагнитной индукции при взаимодействии потока электропроводной жидкости с магнитным полем (поле рассеяния зазоров 3 магнитной системы 2) образуется индуцированное электрическое поле, значение напряженности которого пропорционально скорости потока электропроводной жидкости. Индуцированное электрическое поле, воздействуя на заряженные ионы электропроводной жидкости, приводит к ионизации жидкости у диэлектрических поверхностей измерительных электродов 4, т.е. вызывает перераспределение зарядов между ними. Вследствие использования чередующихся полюсов магнитной системы 2, полярности измерительных электродов 4 противоположны по знаку, что позволяет, при их подключении к входам дифференциального усилителя измерительного электронного блока 7, на его выходе получить сигнал, пропорциональный разности потенциалов измерительных электродов 4, и соответственно сигнал, пропорциональный измеряемой скорости потока электропроводной жидкости.
Турбулентные пульсации скорости имеют широкий спектр частотных составляющих, поэтому для их измерения требуется обеспечить широкополосное преобразование пульсаций скорости. Для снижения нижней граничной частоты частотного диапазона сигнала необходимо увеличивать площадь измерительных электродов, уменьшать толщину их диэлектрического покрытия и увеличивать входное сопротивление дифференциального усилителя. Для увеличения значения верхней граничной частоты частотного диапазона сигнала необходимо уменьшить размер зазора магнитной системы либо уменьшить площадь части измерительного электрода участвующей в выработке его потенциала.
Устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (фиг.3, 4), имеющее обтекаемую форму, содержит металлический корпус 1, в котором установлена магнитная система 2. Магнитная система 2 имеет один зазор 3 в рабочей части. Над поверхностью магнитной системы 2 на изоляционных пластинах 5 расположены два измерительных электрода 4, подключенных к измерительному электронному блоку 7. Измерительные электроды 4 выполнены в виде пластин, и вся их поверхность покрыта диэлектриком 6.
Зазоры 3 в рабочей части магнитной системы 2 предпочтительно выполняются в диаметральных плоскостях.
Технический результат при использовании данного устройства достигается аналогично устройству по первому варианту.
Работа устройства осуществляется аналогично работе рассмотренного выше устройства. За исключением того, что противоположные по знаку потенциалы измерительных электродов 4 образуются не за счет чередующихся полюсов магнитной системы 2, а вследствие выполнения устройства обтекаемой формы и обязательной установки его в направлении набегающего потока. В результате чего обеспечивается осесимметричное обтекание, которое при неизменяющемся направлении магнитного поля создает разнополярную ионизацию жидкости у диэлектрических поверхностей 6 измерительных электродов 4.
Таким образом, описанный способ может использоваться для измерения составляющих пульсаций вектора скорости потока жидкости, в частности пресной и морской воды при проведении гидрологических исследований, с существенным сокращением времени выхода устройства на рабочий режим.
Представленные описание и чертеж позволяют реализовать способ с использованием известных средств, что характеризует изобретение как промышленно применимое.