ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СКОРОСТИ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОМЕХ Российский патент 2008 года по МПК G01P5/08 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости потока электропроводящей жидкости, например морской воды.

Известен измеритель скорости Смита-Слепяна [1, стр.138, рис.47], содержащий электромагнит, образованный сердечником с обмоткой, расположенным у твердой поверхности, например у борта корабля, и два электрода. Электромагнит создает в жидкости, движущейся вдоль твердой поверхности, магнитное поле, что приводит к возникновению в ней э.д.с., которую измеряют как напряжение между электродами.

Известны различные устройства для измерения пульсаций скорости потока электропроводящей жидкости, содержащие магнитную систему, электроды, подключаемые к усилителям (см., например, [2]-[4].

Известно также устройство для измерения пульсаций скорости потока жидкости, которое по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому, и выбрано в качестве прототипа [5]. Устройство содержит магнитную систему с рабочей частью, выполненной в виде клина, электроды и измерительный блок, снабженный схемами суммы и разности, к которым подключены электроды.

Недостатком устройства-прототипа, как и всех подобных устройств, является низкая точность измерений при наличии электрических помех в электропроводящей жидкости.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего производить измерение скорости потока электропроводящей жидкости в условиях высокого уровня электрических помех в жидкости.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения скорости потока электропроводящей жидкости магнитная система содержит шесть постоянных магнитов, первый из которых обращен одним из своих полюсов к рабочей поверхности корпуса, образованной покрытием из диэлектрического материала, второй и третий идентичные по конструкции постоянные магниты, расположенные с противоположных сторон от первого постоянного магнита и обращенные к рабочей поверхности корпуса полюсами, полярность которых противоположна полярности полюса первого постоянного магнита, обращенного к рабочей поверхности корпуса, четвертый, пятый и шестой постоянные магниты, расположенные рядом соответственно с первым, вторым и третьим постоянными магнитами и обращенные к рабочей поверхности корпуса полюсами, полярность которых противоположна полярностям обращенных к рабочей поверхности корпуса полюсов соответственно первого, второго и третьего постоянных магнитов, при этом первый электрод расположен между первым и вторым постоянными магнитами, второй электрод расположен между первым и третьим постоянными магнитами, третий электрод расположен между четвертым и пятым постоянными магнитами, четвертый электрод расположен между четвертым и шестым постоянными магнитами, электронный блок содержит первый и второй дифференциальные усилители, первые одноименные входы которых соединены соответственно с первым и третьим электродами, вторые одноименные входы первого и второго дифференциальных усилителей соединены соответственно со вторым и четвертым электродами, третий дифференциальный усилитель, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго дифференциальных усилителей, а его выход является выходом устройства.

В предлагаемом устройстве расстояния между электродами преимущественно удовлетворяют соотношениям:

где α₁₂, α₃₄,_{α13, α24 - расстояния соответственно между первым и вторым, третьим и четвертым, первым и третьим, вторым и четвертым электродами.}

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены

фиг.1 - чертеж магнитной системы с электродами;

фиг.2 - разрез по А-А;

фиг.3 - схема, характеризующая взаимное расположение электродов;

фиг.4 - распределение силовых линий в районе расположения первого и второго электродов (в сечении Б-Б).

фиг.5 - распределение силовых линий в районе расположения третьего и четвертого электродов (в сечении В-В);

фиг.6 - электрическая схема устройства.

На фиг.1-6 обозначено:

1,...,6 - постоянные магниты;

7,...,10 - электроды;

11 - корпус;

12 - рабочая поверхность корпуса;

13 - покрытие корпуса из диэлектрического материала;

14, 15 - силовые линии;

16 - электронный блок;

17,...,19 - дифференциальные усилители.

В предлагаемом устройстве для измерения скорости потока электропроводящей жидкости магнитная система содержит шесть постоянных магнитов 1,...,6, закрепленных в корпусе 11, выполненном из немагнитного металла, например титана (см. фиг.1, 2). Форма корпуса 11 может быть самой разнообразной в зависимости от конструкции прибора. На фиг.1-3 изображено устройство, магнитная система которого с электродами 7,...,10 выполнена в корпусе цилиндрической формы. Такая форма корпуса является технологичной как с точки зрения его изготовления, так и с точки зрения выполнения места установки его в прибор. Рабочая поверхность 12 корпуса образована покрытием 13 из диэлектрического материала, в котором выполнены отверстия для электродов 7,...,10. В качестве диэлектрического материала может быть использован эпоксидный компаунд. Под рабочей поверхностью 12 понимается поверхность, вдоль которой протекает поток электропроводящей жидкости. Рабочая поверхность 12 имеет преимущественно плоскую форму, но в общем случае может иметь и выпуклую форму.

Постоянные магниты 1,...,6 имеют преимущественно форму прямоугольного параллелепипеда. Их изготавливают из магнитотвердого материала, например Nd-Fe-B.

Первый постоянный магнит 1 обращен одним из своих полюсов, в частности полюсом S, к рабочей поверхности 12, образованной покрытием 13 из диэлектрического материала. Второй и третий идентичные по конструкции и параметрам постоянные магниты 2 и 3 расположены с противоположных сторон от первого постоянного магнита 1 и обращены к рабочей поверхности 12 полюсами N, полярность которых противоположна полярности полюса S первого постоянного магнита 1, обращенного к рабочей поверхности 12.

Четвертый, пятый и шестой постоянные магниты 4, 5 и 6 расположены рядом соответственно с первым, вторым и третьим постоянными магнитами 1, 2 и 3 и обращены к рабочей поверхности корпуса полюсами N, S и S, полярность которых противоположна полярностям обращенных к рабочей поверхности корпуса полюсов S, N и N соответственно первого, второго и третьего постоянных магнитов 1, 2 и 3. Конструкции постоянных магнитов 4, 5 и 6 идентичны конструкциям соответственно первого, второго и третьего постоянных магнитов 1, 2 и 3.

Электроды 7,...,10 изготовлены преимущественно из круглой платиновой проволоки и имеет чернение своих торцевых поверхностей, непосредственно контактирующих с электропроводящей жидкостью, в целях уменьшения переходного сопротивления электрод - жидкость. Первый электрод 7 расположен между первым и вторым постоянными магнитами 1 и 2. Второй электрод 8 расположен между первым и третьим постоянными магнитами 1 и 3. Третий электрод 9 расположен между четвертым и пятым постоянными магнитами 4 и 5. Четвертый электрод 10 расположен между четвертым и шестым постоянными магнитами 4 и 6.

В предлагаемом устройстве расстояния между электродами преимущественно удовлетворяют соотношениям (1) и (2). В этом случае электроды находятся в вершинах прямоугольника (см. фиг.3). При этом достигается максимальное подавление электрической помехи. Расстояния α₁₂, α₃₄,_{α13, α24 могут измеряться как между центрами электродов, так и между их ближайшими точками.}

Электронный блок 16 (см. фиг.6) содержит первый и второй дифференциальные усилители 17 и 18, первые одноименные входы которых, в частности неинвертирующие входы, соединены соответственно с первым и третьим электродами 7 и 9. Вторые одноименные входы, в частности инвертирующие входы, первого и второго дифференциальных усилителей 17 и 18 соединены соответственно со вторым и четвертым электродами 8 и 10, а также третий дифференциальный усилитель 19, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго дифференциальных усилителей 17 и 18, а выход является выходом устройства. К какому из конкретных входов (инвертирующему или неинвертирующему) усилителя 19 подключены выходы дифференциальных усилителей 17 и 18, не имеет значения. Компенсация электрической помехи происходит в любом варианте. Меняется только знак выходного сигнала.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Поток электропроводящей жидкости, например морской воды, движется вдоль поверхности 12. Под действием магнитного поля (см. фиг.4, 5) в движущейся электропроводящей жидкости создается электрическое поле, напряженность которого пропорциональна скорости движения жидкости и напряженности магнитного поля. На электродах 7 и 8, размещенных на поверхности 12, индуцируются электрические потенциалы, пропорциональные скорости движения жидкости. Разность потенциалов между электродами 7 и 8 определяется разностями потенциалов между точками, лежащими на нормалях к поверхности 12 и проходящих через точку соприкосновения электродов 7 и 8 с жидкостью. Если в электропроводящей среде имеется электрическая помеха, то на электродах 7 и 8 с полезным сигналом, пропорциональным скорости потока жидкости, суммируется сигнал электрической помехи, пропорциональный напряженности электрического поля помехи и расстоянию между электродами 7 и 8. Напряжение между электродами 7 и 8 поступает на входы дифференциального усилителя 17, в котором сигнал усиливается и поступает на один из входов усилителя 19.

Одновременно на электродах 9 и 10, размещенных на поверхности 12, индуцируются электрические потенциалы, пропорциональные скорости движения жидкости. Разность потенциалов между электродами 9 и 10 определяется разностями потенциалов между точками, лежащими на нормалях к поверхности 12, и проходящих через точку соприкосновения электродов 9 и 10 с жидкостью. При идентичности параметров магнитов 1 и 4, а также магнитов 2, 3, 5 и 6, полезный сигнал на электродах 9 и 10, пропорциональный скорости потока жидкости, будет равен полезному сигналу на электродах 7 и 8, но иметь противоположный знак, так как силовые линии 14 в области расположения электродов 7 и 8 и силовые линии 15 в области расположения электродов 9 и 10 имеют противоположную направленность (см. фиг.4 и 5). Если в электропроводящей среде имеется электрическая помеха, то на электродах 9 и 10 с полезным сигналом, пропорциональным скорости потока жидкости, суммируется сигнал электрической помехи, пропорциональный напряженности электрического поля помехи и расстоянию между электродами 9 и 10. При выполнении условий (1) и (2) сигнал помехи на электродах 9 и 10 будет иметь ту же полярность (ту же фазу) и примерно то же значение, что и на электродах 7 и 8. Напряжение между электродами 9 и 10 поступает на входы дифференциального усилителя 18, в котором сигнал усиливается и поступает на другой вход усилителя 19.

После усиления усилителем 19 разностного сигнала, поступающего на его входы, сигнал на его выходе пропорционален только скорости потока жидкости, так как при вычитании полезных противофазных сигналов, поступающих с выходов усилителей 17 и 18, эти сигналы суммируются, а синфазные сигналы, пропорциональные уровню электрической помехи, вычитаются.

Сигнал на выходе усилителя 19, пропорциональный измеряемой скорости потока жидкости, может поступать на индикатор или преобразовываться в цифровую форму, передаваться по линиям связи для обработки и регистрации.

Таким образом, при использовании предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении точности измерения скорости потока электропроводящей жидкости из-за снижения влияния электрических помех в исследуемой электропроводящей жидкости на результаты измерений.

Представленные чертежи и описание позволяет изготовить устройство по известным технологиям с применением известных материалов и использовать его для проведения измерений скорости потока жидкости, что характеризует изобретение как промышленно применимое.

Источники информации

1. Шерклиф Дж. Теория электромагнитного измерения расхода. М.: Мир, 1965.

2. А.С. СССР №775699, МПК G01P 5/08, опубл. 30.10.1980.

3. А.С. СССР №1144057, МПК G01P 5/08, опубл. 07.02.1985.

4. А.С. СССР №1239604, МПК G01P 5/08, опубл. 23.06.1986.

5. А.С. СССР №679878, МПК G01P 5/08, опубл. 15.08.1979 (прототип).

Изобретение может быть использовано для измерения скорости преимущественно морской воды. В корпусе устройства закреплена магнитная система из шести постоянных магнитов, одними из своих полюсов обращенных к рабочей поверхности корпуса, образованной покрытием из диэлектрического материала. Между магнитами расположены четыре электрода, попарно подключенные к одноименным входам первого и второго дифференциальных усилителей электронного блока. Выходы первого и второго дифференциальных усилителей соединены со входами третьего дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства. Размещение электродов в вершинах прямоугольника позволяет достичь максимального подавления электрических помех, имеющихся в электропроводящей среде. Изобретение повышает точность измерения скорости потока электропроводящей жидкости. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для измерения скорости потока электропроводящей жидкости, содержащее магнитную систему, расположенную в корпусе, электроды и электронный блок, отличающееся тем, что магнитная система содержит шесть постоянных магнитов, первый из которых обращен одним из своих полюсов к рабочей поверхности корпуса, образованной покрытием из диэлектрического материала, второй и третий идентичные по конструкции постоянные магниты, расположенные с противоположных сторон от первого постоянного магнита и обращенные к рабочей поверхности корпуса полюсами, полярность которых противоположна полярности полюса первого постоянного магнита, обращенного к рабочей поверхности корпуса, четвертый, пятый и шестой постоянные магниты, расположенные рядом соответственно с первым, вторым и третьим постоянными магнитами и обращенные к рабочей поверхности корпуса полюсами, полярность которых противоположна полярностям обращенных к рабочей поверхности корпуса полюсов соответственно первого, второго и третьего постоянных магнитов, при этом первый электрод расположен между первым и вторым постоянными магнитами, второй электрод расположен между первым и третьим постоянными магнитами, третий электрод расположен между четвертым и пятым постоянными магнитами, четвертый электрод расположен между четвертым и шестым постоянными магнитами, электронный блок содержит первый и второй дифференциальные усилители, первые одноименные входы которых соединены соответственно с первым и третьим электродами, вторые одноименные входы первого и второго дифференциальных усилителей соединены соответственно со вторым и четвертым электродами, третий дифференциальный усилитель, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго дифференциальных усилителей, а выход является выходом устройства.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояния между электродами удовлетворяют соотношениям: a₁₂=a₃₄, a₁₃=a₂₄, где a₁₂, a₃₄, a₁₃, a₂₄ - расстояния соответственно между первым и вторым, третьим и четвертым, первым и третьим, вторым и четвертым электродами.