УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR MEASUREMENT OF TURBULENT LIQUID FLOW PARAMETERS (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, 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.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемым является устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (патент РФ №112437, опубл. 10.01.2012).
По первому варианту выполнения, выбранному в качестве прототипа для первого варианта заявляемого устройства, устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости содержит установленную в металлическом корпусе магнитную систему с чередующимися полюсами, выполненную, по крайней мере, из четырех магнитов, попарно установленных вплотную друг к другу с зазором между парами, и, по крайней мере, два измерительных электрода, подключенных к дифференциальному усилителю. Измерительные электроды выполнены в виде пластин, расположенных над поверхностями пар магнитов магнитной системы на изоляционных пластинах. Вся поверхность измерительных электродов покрыта диэлектриком.
По второму варианту изобретения, выбранному в качестве прототипа для второго варианта заявляемого устройства, устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости, имеющее обтекаемую форму содержит установленную в металлическом корпусе магнитную систему, в которой магниты, составляющие магнитную систему, установлены вплотную друг к другу, и, по крайней мере, два измерительных электрода, подключенных к измерительному электронному блоку. Измерительные электроды выполнены в виде пластин, расположенных на изоляционных пластинах над поверхностью магнитной системы. Поверхность измерительных электродов покрыта диэлектриком.
Недостатком устройства является его низкая чувствительность, обусловленная низким значением индукции магнитного поля, создаваемого над диэлектрическим покрытием устройства именно в том месте, где индуцируется электрическое поле, значение потенциала которого определяет чувствительность датчика, вследствие значительного расстояния между диэлектрическим покрытием и поверхностью магнитов из-за находящихся между ними диэлектрических пластин и измерительных электродов. Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение и повышение чувствительности устройства для измерения параметров турбулентного потока жидкости.
Для достижения указанного технического результата устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости содержит металлический корпус, заполненный диэлектриком, установленную в корпусе или на его поверхности магнитную систему с чередующимися полюсами, 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.
По второму варианту изобретения для достижения указанного технического результата устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости, имеющее 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.
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 - магниты магнитной системы;
4 - зазор магнитной системы;
5 - диэлектрик;
6 - диэлектрическое покрытие;
7 - электронный блок.
В первом варианте исполнения устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (фиг. 1, 2) содержит металлический корпус 1, заполненный диэлектриком 5, в котором установлена магнитная система 2 с чередующимися полюсами. В данном примере четыре магнита 3, образующих магнитную систему 2, установлены попарно вплотную друг к другу с зазором 4 между парами, который может быть заполнен диэлектриком.
Пары двухполюсных магнитов 3, на поверхности которых вследствие электромагнитной индукции образуются заряды противоположных знаков, могут быть изготовлены в виде единых магнитов по известной технологии создания многополюсных магнитов.
На всю поверхность устройства вне металлического корпуса 1 нанесено диэлектрическое покрытие 6, например эпоксидный заливочный компаунд ЭЗК-25.
Пары магнитов 3 магнитной системы 2 помимо основной задачи формирования магнитного поля, выходящего за пределы диэлектрического покрытия 6, выполняют функцию измерительных электродов и подключены к электронному блоку 7.
Электронный блок 7 содержит дифференциальный усилитель, выходной сигнал которого, пропорциональный пульсации скорости турбулентного потока жидкости, измеряется, например, вольтметром.
Кроме того, электронный 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 конформно с поверхностью носителя.
Наличие диэлектрического покрытия 6 на магнитах 3 магнитной системы 2, используемых в качестве измерительных электродов, исключает любые электрохимические процессы на них под воздействием окружающей устройство жидкости.
Разности потенциалов, снимаемые с пар магнитов 2 относительно металлического корпуса 1 устройства, обусловлены взаимодействием набегающего потока жидкости с магнитным полем магнитной системы 2. Действительно, согласно закону электромагнитной индукции при взаимодействии потока электропроводной жидкости с магнитным полем 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 диэлектрического покрытия 6 в области размещения пар магнитов 3, т.е. вызывает перераспределение зарядов между ними. Вследствие использования чередующихся полюсов магнитной системы 2 заряды поверхностей пар магнитов 3 противоположны по знаку, что позволяет, при их подключении к входам дифференциального усилителя измерительного электронного блока 7, на его выходе получить сигнал пропорциональный разности потенциалов пар магнитов 3 и соответственно сигнал пропорциональный измеряемой скорости потока электропроводной жидкости.
Значение разности потенциалов между парами магнитов 3 магнитной системы 2 пропорционально значениям их магнитной индукции, действующей вблизи поверхности устройства и составляющей пульсации вектора скорости потока электропроводной жидкости, обтекающей поверхность устройства, перпендикулярной к направлению зазора магнитной системы.
Таким образом, достигается технический результат - повышение чувствительности устройства, поскольку напряжение, снимаемое с пар магнитов 3 благодаря отсутствию дополнительных диэлектрических пластин и измерительных электродов, формируется максимально высоким значением магнитной индукции.
Устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости по второму варианту (фиг. 3, 4) содержит металлический корпус 1, близкий по форме к усеченному конусу. В приведенном примере магнитная система 2 установлена на вершине корпуса 1 на слое диэлектрика 5. Магнитная система 2 образована, по крайней мере, из четырех магнитов 3, попарно установленных вплотную друг к другу с зазором 4 между парами. В приведенном примере магнитная система 2 выполнена с чередующимися полюсами.
Пары разнополюсных магнитов 3 магнитной системы 2 подключены к измерительному электронному блоку 7. На всю поверхность устройства вне металлического корпуса нанесено диэлектрическое покрытие 6.
Магнитная система 2, отделенная от корпуса слоем диэлектрика, может быть частично утоплена в корпусе 1 для уменьшения габаритных размеров устройства.
Для обеспечения работы устройство устанавливается выдвинутым в набегающий поток на подвижном или на неподвижном носителе, таким образом, что его осевая линия параллельна направлению потока.
Работа устройства осуществляется аналогично работе устройства по первому варианту.
При чередующихся полюсах магнитной системы 2 заряды поверхностей пар магнитов 3 противоположны по знаку для поперечной составляющей пульсаций вектора скорости потока электропроводной жидкости, перпендикулярной к плоскости, проходящей через зазор 4 магнитной системы 2. Подключение пар магнитов 3 к входам дифференциального усилителя измерительного электронного блока 7 позволяет на его выходе получить сигнал, пропорциональный (соответствующий) их разности потенциалов. Значение полученной разности потенциалов пропорционально значениям индукции магнитного поля, действующего вблизи поверхности в областях размещения пар магнитов 3 и поперечной составляющей пульсации вектора скорости набегающего потока.
Магнитная система 2 может быть выполнена с нечередующимися полюсами. В этом случае заряды поверхностей пар магнитов 3 противоположны по знаку для продольной составляющей пульсаций вектора скорости потока электропроводной жидкости, направленной вдоль осевой линии устройства. Значение разности потенциалов на выходе измерительного электронного блока 7 пропорционально значениям индукции магнитного поля, действующего вблизи поверхности в областях размещения пар магнитов 3 и продольной составляющей пульсации вектора скорости набегающего потока.
Технический результат при использовании данного устройства достигается аналогично устройству по первому варианту.
Таким образом, описанные устройства, имеющие упрощенную по сравнению с известными конструкцию, могут использоваться для измерения составляющих пульсаций вектора скорости потока жидкости, в частности пресной и морской воды при проведении гидрологических исследований, с существенным увеличением чувствительности.
Приведенное описание и чертежи позволяют изготовить заявляемые датчики в условиях серийного производства освоенными технологическими методами с использованием существующих материалов и оборудования, что говорит об их промышленной применимости.