УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ И ВЕЛИЧИНЫ СКОРОСТИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ И РАСПЛАВА Российский патент 2006 года по МПК G01P5/02 G01F1/05 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения направления и величины скорости потока жидкости или расплава в областях науки и техники, где необходимы исследования гидродинамических процессов, может применятся при определении распределений полей скоростей потока расплава алюминия при электролизе, что имеет первостепенное значение при разработке энергосберегающих технологий получения металла.

Известно устройство для измерения скорости потока, состоящее из обтекаемого тела, укрепленного на конце соединительного штока, который помещен в защитную трубку. Другой конец соединительного штока закреплен в корпусе измерителя. Действие измерителя основано на преобразовании скорости движения жидкости в силу, измеряемую с помощью тензорезисторов, укрепленных на соединительном штоке [А.С. СССР 284464, кл. G 01 Р 5/02, 1971].

Недостатком этого устройства является зависимость результатов измерения от температуры.

Известно механотронное устройство для измерения скорости потоков жидкости и газа, состоящее из обтекаемого тела-шара, установленного на конце удлинительного штока, другой конец которого закреплен в корпусе измерителя. Перемещения удлинительного штока воспринимаются первичными преобразователями-механотронами, которые изолированы от действия гидростатического давления при помощи разделительной мембраны. Сигналы с механотронов измеряются регистрирующим блоком [Арефьева Т.В. - Измерительная техника, 1975, 1, с.57-58]. Действие этого измерителя скорости основано на преобразовании силы, действующей на обтекаемый потоком жидкостный шар, в перемещении сетки механотронов.

Основным недостатком его является погрешность, вызванная наличием разделительной мембраны, необходимой для изоляции первичных преобразователей (механотронов) от влияния большого гидростатического давления, и малой жидкостью мембраны механотрона. Наличие разделительной мембраны исключает применение измерителя скорости при гидростатических давлениях, более чем 0,2-0,3 атм. И также требует тарировки прибора при различных гидростатических давлениях, а малая жесткость мембраны механотрона ограничивает быстродействие и снижает чувствительность измерителя.

Известен измеритель скорости потока жидкости, содержащий обтекаемое тело-шар, удлинительный шток, защитную трубку, корпус, два первичных преобразователя, установленных перпендикулярно друг к другу и к оси потока. Действие измерителя основано на первичных преобразователях, выполненных в виде двух дифференциальных пьезооптических датчиков одноосного давления с чувствительными элементами, изготовленными из пьезооптического материала, двупреломление которого не зависит от действия гидростатического давления [А.С. СССР 754310, кл. G 01 Р 3/36, 1977, (прототип)].

Главный недостаток этого устройства в том, что при изменении глубины погружения в неоднородной среде жидкости или расплава, изменяется плотность и вязкость среды, что приводит к изменению силы, действующей на обтекаемое потоком тело-шар, что вносит и большую погрешность в измерение скорости потока. Описанное устройство не позволяет реализовать оперативный и автоматический сбор данных о направлении и скорости потока жидкости и расплава.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений, оперативный и автоматический сбор данных о направлении и скорости потока жидкости и расплава, и независимость результатов измерения от температуры, гидростатического давления и неоднородности среды.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения направления и величины скорости потока жидкости и расплава, содержащем обтекаемое тело в виде шара, прикрепленное к одному концу штанги, другой конец которой соединен с первичным преобразователем, а также блок управления, новым является то, что первичный преобразователь выполнен в виде мотор-редуктора, штанга выполнена изогнутой в виде рычага 90°, размер плеча которого определяет величину крутящего момента, действующего на ось мотор-редуктора, а блок управления состоит из устройства управления сбора данных в виде регулируемого стабилизатора напряжения, электронного блока, состоящего из аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, и компьютера.

В устройстве для измерения скорости и направления потока жидкости и расплава используется вращающееся обтекаемое тело-шар (шар) на изогнутой штанге. Вращающийся шар испытывает давление, пропорциональное скорости перемещения шара относительно скорости жидкости или расплава и не зависит от гидростатического давления. Усилие, действующее на шар со стороны потока, передается через штангу на мотор-редуктор, расположенный на платформе вне жидкости или расплава, что обеспечивает независимость результатов измерения от температуры. Сопоставление величин сигналов от мотор-редуктора, с помощью устройства управления и сбора данных, электронного блока и компьютера, позволяет определять направление и величину скорости потока независимо от неоднородности среды.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что используется система контроля вращения, чувствительная к механическим нагрузкам на мотор-редукторе (который является первичным преобразователем), также используется металлический шар с изогнутой штангой, работающей как рычаг, для передачи давления со стороны жидкости на систему контроля вращения. Электрические сигналы от первичного преобразователя поступают в устройство управления и сбора данных, т.е. появляется возможность реализовать автоматический сбор данных о направлении и скорости потока жидкости и расплава.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна». При изучении других известных технических решений в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа не были выявлены, поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

На чертеже приведена принципиальная конструкция устройства для измерения направления и величины скорости потока жидкости и расплава.

Устройство представляет собой обтекаемое тело-шар 1, прикрепленное к изогнутой штанге 2 (рычаг 90°, размер плеча которого определяет величину крутящего момента, действующего на ось мотор-редуктора и следовательно, на величину коэффициента преобразования силы, действующей со стороны жидкости, в электрический сигнал, оптимальный выбор размеров рычага определяется требуемой точностью измерений), второй конец штанги закреплен с мотор-редуктором 3, установленным на платформе 4, вне жидкости или расплава во избежание зависимости результатов измерения от температуры среды. Платформа 4 для стационарной работы крепится с помощью держателя 5. Блок управления 6 состоит из: устройства управления и сбора данных 7 (регулируемый стабилизатор напряжения); электронного блока 8 (состоящего из аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователя (АЦП - ЦПУ) для управления мотор-редуктором и обработки данных) и компьютера 9 ( для оперативного сбора и обработки данных). Устройство управления и сбора данных 7 обеспечивает заданную постоянную скорость вращения шара 1. Вся конструкция изготовлена из термостойких, неподверженных растворению материалов. Для более точного и быстрого контроля сбора и обработки информации, автоматизации и наглядности результатов устройство управления и сбора данных 7 подключено к компьютеру 9 посредством электронного блока 8 [за основу взята готовая разработка - Шиляев С.Н., Руднев П.И., Платы сбора данных. Мир ПК, 1993 г. №3, с.13].

Устройство работает следующим образом.

Оператор на компьютере 9 задает скорость вращения шара, сигнал через электронный блок 8 поступает в устройство управления и сбора данных 7, включает мотор-редуктор 3, который обеспечивает через изогнутую штангу 2 вращение шар 1 с постоянной заданной скоростью. Поток жидкости, воздействуя на шар 1, который вращается с заданной постоянной скоростью, через изогнутую штангу 2, вызывает нагрузку на моторе-редукторе 3. Нагрузка на моторе-редукторе 3 зависит от направлений движений потока и обтекаемого тела-шара. При встречном направлении движений нагрузка на мотор-редукторе максимальная, при попутном - минимальная. Электрический сигнал, определяющий величину нагрузки с мотор-редуктора 3 (который является первичным преобразователем), через систему контроля 7, электронный блок 8 поступает для обработки на компьютер 9. Компьютер 9 в реальном времени показывает полную информацию о направлении и величине скорости потока жидкости или расплава в цифровом и графическом виде.

Данное устройство позволяет более точно и оперативно получать данные о направлении и величине скорости потока жидкости или расплава любых гидродинамических процессов, не зависимо от температуры, гидростатического давления и неоднородности среды.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения направления и величины скорости потока жидкости или расплава в областях науки и техники, где необходимы исследования гидродинамических процессов, может применяться при определении распределений полей скоростей потока расплава алюминия при электролизе, что имеет первостепенное значение при разработке энергосберегающих технологий получения металла. Устройство для измерения направления и величины скорости потока жидкости и расплава содержит обтекаемое тело в виде шара, прикрепленное к одному концу штанги, другой конец которой соединен с первичным преобразователем, а также блок управления. При этом первичный преобразователь выполнен в виде мотор-редуктора, штанга выполнена изогнутой в виде рычага 90°, размер плеча которого определяет величину крутящего момента, действующего на ось мотор-редуктора, а блок управления состоит из устройства управления и сбора данных в виде регулируемого стабилизатора напряжения, электронного блока, состоящего из аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, и компьютера. Техническим результатом является повышение точности измерений, оперативный и автоматический сбор данных о направлении и скорости потока жидкости и расплава, и независимость результатов измерения от температуры, гидростатического давления, неоднородности среды. 1 ил.

Устройство для измерения направления и величины скорости потока жидкости и расплава, содержащее обтекаемое тело в виде шара, прикрепленное к одному концу штанги, другой конец которой соединен с первичным преобразователем, а также блок управления, отличающееся тем, что первичный преобразователь выполнен в виде мотор-редуктора, штанга выполнена изогнутой в виде рычага 90°, размер плеча которого определяет величину крутящего момента, действующего на ось мотор-редуктора, а блок управления состоит из устройства управления и сбора данных в виде регулируемого стабилизатора напряжения, электронного блока, состоящего из аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, и компьютера.