Электромагнитный измеритель компонент вектора скорости течения электропроводной жидкости
ELECTROMAGNETIC METER OF ELECTROCONDUCTIVE FLUID FLOW VELOCITY VECTOR COMPONENTS

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к электромагнитным устройствам для измерения параметров вектора скорости течения электропроводной жидкости, и может быть использовано, например, при проведении гидрофизических и гидродинамических исследований.
Практически все электромагнитные измерители скорости электропроводной жидкости измеряют проекции (компоненты) вектора скорости течения на ось между парой электродов, находящихся в магнитном поле. Скорость, как таковая, потом определяется через компоненты вектора скорости течения. А с помощью датчиков расхода жидкости фактически определяют скорость потока в каком-либо канале, а расход вычисляется с учетом сечения канала.
Наиболее востребован в Украине и в странах СНГ автономный прибор для длительных исследований поля скорости течений в пресноводных бассейнах и морях. Учитывая специфику длительных измерений скорости и направления течений в шельфовой зоне и, в особенности, в прибрежной области морей и пресноводных бассейнов, прибор не должен иметь внешних по отношению к корпусу подвижных элементов измерительного тракта, должен быть стойким к действию абразивных частиц взвеси, которых очень много в прибойной зоне и которые выносятся на значительные расстояния, быть коррозиеустойчивым по отношению к морской воде.
Известен Faraday effect speedometer [1] - измеритель скорости электропроводной жидкости с использованием эффекта Фарадея, представленный на фиг. 1 (номера позиций взяты из [1]), который включает в себя набор магнитов 18 с чередованием северного и южного полюсов, установленный в корпусе 12 и приспособленный для вращения через вал 20 двигателем 24, чтобы создать переменное магнитное поле. Корпус прилегает к стенке судна 14 так, что магнитное поле распространяется в стенке судна и в жидкости, по другую сторону стенки судна. Электроды 16а-16с расположены в стенке и находятся в магнитном поле. Чувствительная катушка 30 изолирована от жидкости и расположена внешне по отношению к корпусу таким образом, что реагирует на переменное магнитное поле и управляет переключением сигнала. Поток жидкости на внешней стенке судна при его движении меняет потенциал электродов, что обеспечивает соответствующий сигнал. Сигналы от чувствительной катушки и электродов объединяются, чтобы образовать сигнал, соответствующий скорости судна.
Сходными с признаками заявленного изобретения являются такие признаки аналога: цилиндрический корпус с установленным в нем магнитным блоком из магнитов с чередующейся полярностью и подключенные к блоку электроники электроды, рабочие поверхности которых расположены в жидкости в зоне поля магнитного блока.
Главный недостаток этого измерителя заключается в том, что по назначению он является судовым лагом и не может, в силу этого, применяться как отдельный измерительный прибор. Другие его недостатки: громоздкая конструкция и невысокая интенсивность магнитного поля в рабочей зоне измерения скорости вследствие примененной ориентации магнитов, когда магнитное поле перпендикулярно плоскости, на которой расположены электроды, и отсутствуют его концентраторы. В результате этого не может быть обеспечена высокая чувствительность измерителя.
Известен Magnetic flow sensor [2] - магнитный датчик для измерения расхода потока электропроводной жидкости, который по совокупности признаков является наиболее близким к предлагаемому изобретению и поэтому выбран в качестве прототипа [2, FIG 57]. Датчик представлен на фиг. 2 (номера позиций взяты из FIG 57A-57D прототипа) и включает корпус 3701, расположенный в потоке жидкости 3722; по крайней мере две пары постоянных магнитов 3703, объединенных в магнитный блок 3702, расположенный внутри корпуса для обеспечения магнитного потока, ортогонального направлению потока жидкости; привод 3707 механического перемещения магнитов и чередования полярности магнитного потока для получения электрического переменного напряжения в жидкости, имеющего величину, пропорциональную скорости потока жидкости; по крайней мере два электрода 3711 для контакта с жидкостью и съема напряжения переменного тока, закрепленные на корпусе и расположенные друг против друга на противоположных сторонах проточной части перпендикулярно направлению потока жидкости.
Прототип имеет следующие признаки, сходные с существенными признаками заявленного изобретения: цилиндрический немагнитный корпус, в котором установлен с возможностью вращения относительно его оси магнитный блок из по крайней мере двух пар постоянных магнитов с чередующейся полярностью, закрепленные на корпусе подключенные к блоку электроники несколько пар электродов, рабочие поверхности которых расположены в потоке жидкости в зоне поля магнитного блока.
Прототип при всем разнообразии его исполнений (58 вариантов) имеет ряд существенных недостатков. (Отметим, что исполнение по FIG 57D предполагает использование электромагнитов 3703', поэтому для создания сильного магнитного поля с целью достижения высокой чувствительности требует огромного энергопотребления, что категорически неприемлемо в условиях работы заявляемого измерителя.)
Недостатками прототипа является следующее:
- установка электродов вблизи плоского дна корпуса приемлема только при расположении датчика в каком-либо канале, когда исключается набегание потока на корпус под углом, существенно отличающимся от 90° относительно его оси, и образование сильно турбулизованной области около электродов, искажающей поле скорости потока, вследствие влияния перехода плоское дно - цилиндрическая поверхность корпуса; но даже при 90° этот переход вносит серьезные искажения потока;
- отсутствие концентраторов магнитного поля, в силу выбранной ориентации магнитов, и, как следствие, пониженная чувствительность измерителя;
- избыточное число электродов при измерении двух компонент вектора скорости течения - восемь электродов, достаточно четыре;
- минимальное число магнитов для данного способа создания переменного магнитного поля - четыре магнита; большее число магнитов позволяет уменьшить скорость вращения магнитной системы и снизить потребление энергии электродвигателем или, не изменяя скорость, увеличить частоту модуляции, что необходимо при большой временной изменчивости исследуемого потока.
В основу изобретения поставлена задача создания электромагнитного измерителя компонент вектора скорости электропроводной жидкости с улучшенными метрологическими характеристиками, совокупность существенных признаков которого обеспечивает достижение технического результата - уменьшение погрешностей измерений компонент вектора скорости течения, вызываемых динамикой обтекания корпуса, и увеличение чувствительности (разрешающей способности по уровню). Дополнительным техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных свойств измерителя - улучшение весогабаритных характеристик, обеспечение малого энергопотребления и коррозионной стойкости, увеличение предельного гидростатического давления, обеспечение износоустойчивости при наличии в жидкости абразивных частиц.
Поставленная задача решается тем, что в электромагнитном измерителе компонент вектора скорости электропроводной жидкости, содержащем цилиндрический немагнитный корпус, в котором установлен с возможностью вращения относительно его оси магнитный блок из по крайней мере двух пар постоянных магнитов с чередующейся полярностью, и закрепленные на корпусе подключенные к блоку электроники несколько пар электродов, рабочие поверхности которых расположены в жидкости в зоне поля магнитного блока, новым является то, что магниты ориентированы так, что магнитное поле направлено вдоль оси вращения магнитного блока, на каждом из магнитов на его полюсах закреплены наконечники из магнитного материала, свободные концы которых расположены на минимально возможном расстоянии, исходя из прочностных характеристик конструкции, от рабочих поверхностей электродов, которые находятся посередине длины корпуса в зоне концентрации магнитного поля, при этом корпус имеет удлиненную форму с соотношением длины и диаметра, обеспечивающим прочность корпуса во время океанографических измерений. При этом преимущественно электроды выполнены в виде разборных ремонтно-пригодных элементов, а в магнитном блоке предусмотрено осевое отверстие под прокладку проводников.
Сущность изобретения поясняется со ссылкой на чертеж (фиг. 3), на котором представлен общий вид измерителя в разрезе.
Измеритель содержит цилиндрический корпус 1, который выполнен из прочного немагнитного материала, например немагнитного металла, и имеет удлиненную форму с заданным соотношением длины и диаметра - например, длина в 4-6 раз превышает диаметр. Выполнение корпуса прочным обеспечивает надежность работы при океанографических измерениях, а удлиненная форма улучшает динамику обтекания корпуса потоком. На чертеже стрелками  показан вектор скорости потока жидкости.
В корпусе 1 установлен с возможностью вращения относительно его оси магнитный блок в виде тела вращения из пар постоянных равнонаправленных магнитов из редкоземельных металлов 2 с чередующейся полярностью - они ориентированы так, что магнитное поле направлено вдоль оси вращения магнитного блока. В данном случае магнитный блок выполнен в виде кольца и содержит четыре пары магнитов 2 в виде его секторов, заданное расстояние между которыми исключает их взаимное ослабление. На чертеже стрелками  показан вектор индукции магнитного поля.
На каждом из магнитов 2 на его полюсах закреплены полюсные наконечники 3 из магнитного материала, например отожженной стали Ст. 3, в виде плоских накладок заданной толщины, которые имеют свободно выступающие относительно магнитов концы, создающие зону концентрации магнитного поля. На чертеже круглыми стрелками показано направление магнитного поля, создаваемого магнитами 2.
На внешней поверхности корпуса 1 закреплены в его двух взаимно ортогональных осевых плоскостях две пары электродов 4, которые в данном случае имеют цилиндрическую форму и ориентированы вдоль корпуса. Электроды установлены так, что их рабочие поверхности находятся посередине длины корпуса в зоне концентрации магнитного поля и на заданном расстоянии от свободных концов полюсных наконечников 3. Электроды в данном случае закреплены герметично в проходных отверстиях металлического прочного корпуса и изолированы от него. Для исключения шунтирования полезного сигнала, снимаемого с электродов, металлический прочный корпус в зоне расположения электродов имеет электроизоляционное покрытие (лакокрасочное или из диэлектрической пленки).
Размещение рабочих поверхностей электродов посередине удлиненного корпуса позволяет максимально уменьшить искажения поля скорости течения в приэлектродной области и правильно формировать диаграмму направленности.
Индукция магнитного поля может быть увеличена, например, путем выполнения на внешней стороне корпуса 1, имеющего значительную толщину для работы на больших глубинах, вблизи электродов 4, проточки, позволяющей обеспечить требуемое расстояние от зоны максимального магнитного поля до движущейся проводящей жидкости.
Таким образом, магнитный блок размещен посередине длины корпуса 1 и делит его внутреннее пространство на две части, в которых размещены другие элементы измерителя. Например, в одной из частей находится двигатель 5, вращающий магнитный блок, например микродвигатель ИДР6М, и аккумулятор 6 для питания стабилизатора оборотов этого двигателя и блока электроники, а в другой части - блок электроники 7. Электрическая связь между элементами двух частей корпуса осуществляется проводниками. В случае требования оптимального использования внутреннего пространства корпуса - согласно заявленному изобретению в магнитном блоке предусматривают наличие осевого отверстия под прокладку проводников. Это достигается путем использования зубчатой передачи - магнитный блок монтируют на немагнитном основании 8, установленном через пару шарикоподшипников 9 на полом валу 10. Магнитный блок соединен через зубчатую пару колес 11 с двигателем 5.
При океанографических исследованиях в прибрежной зоне наиболее уязвимыми элементами измерителя являются электроды существует вероятность выхода их из строя. Поэтому изобретением предлагается возможность выполнения их в виде разборных ремонтно-пригодных элементов, легко демонтируемых и устанавливаемых, что улучшает эксплуатационные качества измерителя.
Устройство работает следующим образом.
Микродвигатель 5 вращает магнитный блок из восьми магнитов 2 вокруг его оси, в результате чего в приэлектродной зоне измерителя на внешней стороне корпуса 1 в движущейся жидкости возникает переменное по величине и знаку магнитное поле. При прохождении мимо каждого из четырех электродов 4 области концентрированного с помощью полюсных наконечников 3 магнитного поля различного направления на электродах 4 возникают потенциалы разного знака.
Разность переменных по знаку потенциалов каждой пары электродов 4 поступает на входы элементов блока электроники 7 (на чертеже эти элементы блока не показаны и позициями не обозначены) - дифференциального инструментального усилителя, а затем на полосовой фильтр и синхронный детектор.
Синхронным детектором управляет датчик Холла 12, определяющий в каждый момент времени направление магнитного поля, а значит и фазу переменного напряжения, поступающего после усиления и фильтрации на синхронный детектор.
Для исключения фазовых искажений фильтруемых сигналов скорость вращения двигателя 5 поддерживается постоянной с помощью электронного стабилизатора (на чертеже не показан и не обозначен).
Заявителем изготовлен экспериментальный образец предлагаемого измерителя, который в испытаниях хорошо себя проявил и подтвердил достижение технического результата изобретения.
Источники информации
1. Патент США №3777561, МПК G01P 5/08, опубл. 11.12.1973.
2. Патент США №6085599, МПК G01F 1/58, опубл. 11.07.2000 - прототип.