Измерительный преобразователь поперечных компонент пульсаций скорости потока Советский патент 1986 года по МПК G01P5/14 

10

15

20

25

Изобретение относится к приборам контрольно-измерительной техники и. предназначено для одновременного измерения в одной точке двух ортогональных компонент турбулентных пульсаций скорости движущихся сред.

На фиг. 1 представлена схема преобразователя, проекция с разрезом . на фнг, 2 - две пары чувствительных элементов (без термозащитного покрытия); на фиг. 3 - схема электрических соединений пьезоэлементов; на-фиг, 4 - расчет взаимодействия- тypбyлизнpoвaннo o потока со сферическим чувствительным элементом, на основе которого разработана конструкция преобразователя.

Преобразователь состоит из корпуса 1, пары вертикально расположенных чувствительных элементов 2 из пьезо- керамики, пары аналогичных горизонтально расположенных чувствительных элементов 3,- и термозащитного покрытия 4. В преобразователе Hcnonjb3yeT- ся стандар-тный двухканальньш усилитель (не пок-азан) .

Работа устройства основана на преобразовании поперечных компонент пульсаций скоростного напора в электрический заряд на каждой паре пьезоэлементов, причем если один из элементов пары испытывает превышение давле- пня над средним в потоке, то другой элемент испытывает уменьшенное давление, Б силу противоположной поляризации этих элементов происходит сложение электрических сигналов, которые-подаются на соответствующий вход электрической схемы.

При воздействии на преобразователь .продольной компоненты ТПС или нестационарных сдвиговых течений, а также акустических сигналов с длиной волны большей, чем поперечный размер пары чувствительных элементов, происходит компенсация зарядов на каждой паре, так как воздействие на них одинаковое, а поляризация взаимно противоположная. Для сдвиговых течений компенсация электрических зарядов происходит на каждом элементе пары из-за противоположных по знаку значений пульсаций скоростного напора -i-P и -Р на новерхности сферического элемента, причем в какой-то определенной вели- 55 чпна пульсаций скоростного напора равна нулю. Это следует из закона распределения давления по поверхности

12231502

сферического элемента при его обтекании потоком

г

г,

30

35

40

50

pV Q

-2- (1- f- sin e).

(1)

где Pj - давление скоростного напора р - плотность среды; V - квадрат мгновенного значения скорости;

б - угол раскрыва сферического элемента (угол между направ лением потока и нормалью к поверхности сферического элемента в необходимой точке) .

Из выражения (1) следует, что на поверхности сферы существует ЛРШИЯ нулевого давления (скоростного напора) , для которой Гц 0.

Для этой линии вр (Sin6 2/3).По обе стороны от этой линии величина скоростного напора имеет разные знаки. Поскольку величина и знак электрического заряда Q на пьезоэлементах пропорциональны величине и знаку давления Р, пьезо- модулю dr и площади элемента S, то, выбирая элементарную площадку на поверхности пьезоэлемента dS (в виде сферического пояса в пределах которого изменением давления можно пренебречь) и проводя интегрирование по углу б , получают

Q P,, ar-5 2 irR.dr-p|-j(bj5m 0 5lne d9, 0

(2)

где R - радиус кривизны сферического элемента, dS 2 i;R. sinS-d0.

Условием электрической компенсации сигналов от сдвиговых течений 45 является равенство нулю электрического заряда на каждом пьезоэлементе в виде сферического пояса с углами раскрьша 8 и б., определяющими границы этого пояса:

Q ---- р V j (4-9 Sin 0 ) Sin 0 « e,

11 R a

,de JL| JLrpv45 cos8,-3 cos 0,-5 ) 0.

(3)

Отсюда получают выражение, определяющее условия для конструирования чувствительных элементов преобразователя:

г

г,

pV Q

-2- (1- f- sin e).

(1)

где Pj - давление скоростного напора, р - плотность среды; V - квадрат мгновенного значения скорости;

б - угол раскрыва сферического элемента (угол между направлением потока и нормалью к поверхности сферического элемента в необходимой точке) .

Из выражения (1) следует, что на поверхности сферы существует ЛРШИЯ нулевого давления (скоростного напора) , для которой Гц 0.

Для этой линии вр (Sin6j 2/3).По обе стороны от этой линии величина скоростного напора имеет разные знаки. Поскольку величина и знак электрического заряда Q на пьезоэлементах пропорциональны величине и знаку давления Р, пьезо- модулю dr и площади элемента S, то, выбирая элементарную площадку на по верхности пьезоэлемента dS (в виде сферического пояса в пределах которого изменением давления можно пренебречь) и проводя интегрирование по углу б , получают

35

Q P,, ar-5 2 irR.dr-p|-j(bj5m 0 5lne d9, 0

(2)

55

40

где R - радиус кривизны сферического элемента, dS 2 i;R. sinS-d0.

Условием электрической компенсации сигналов от сдвиговых течений является равенство нулю электрического заряда на каждом пьезоэлементе в виде сферического пояса с углами раскрьша 8 и б., определяющими границы этого пояса:

Q ---- р V j (4-9 Sin 0 ) Sin 0 « e,

11 R a

de JL| JLrpv45 cos8,-3 cos 0,5 ) 0.

(3)

Отсюда получают выражение, определяющее условия для конструирования чувствительных элементов преобразователя:

5(co,s0.- co.s в )3(cos 6, -cos 6 ).

(4)

Так как 9i 0г o означает отсутствие чувствительного элемента вообде (вырождается в линию), то окончательно получаютс

, + + cosS,- cos 02 o

принимая if 2 ff, и Cj i , получают

Примечание. Значения б даны с точностью 1 0,01

Практически при изготовлении преобразователя достаточно вьщержать углы-б, и 02 точностью i. 1, при этом степень компенсации электрических зарядов, на пьезоэлементах от сдви- . говых течений достаточно высока и ее значение на порядок меньше абсолютной ошибки измерений.

Выражение для величины электрического заряда Quoif. ° воздействия поперечной компоненты ТИС (например, вертикальной V ) при средней скоро-, сти движения среды U для преобразователя с чувствительными элементами, удовлетворяющими условию (5), при углах скоса потока «i 10° и с учетом закона разложения компонент пульсаций скорости V и W ,:

Поп

aiiR -df Тб

Kpppuv 9(,+

+ Sine,-Sin0 -4. (SinS -Sinej

(6)

е К„р - коэффициент преобразования,

зависящий от материала и технологии изготовления термозащитного покрытия и способа закрепления пьезоэлементов в корпусе преобразователя ( 0,5-0,6). Для горизонтальной поперечной комненты W выражение (6) аналогичное.

12231504

0 Cf , -i 8A° 1 l ( l. (5)

Таким образом, рассчитывая согласно (5) 2 п° выбранному В (или , наоборот), получают размеры для конструирования пьезоэлементов преобразователя.

В таблице приведен ряд углов &t 10 ®2 удовлетворяющих условию (5).

так как при расчете предлагается условие изотропности ТПС в потоке.

Для расчета чувствительности преобразователя (предельно разрешимого значения Vnpeд или измеряется шумовой заряд, снимаемый с каждой пары пьезоэлементов Qg, для конкретной конструкции преобразователя. Формула изобретения

30

35

Измерительньй преобразователь по- перечньк компонент пульсаций скорости потока, содержащий корпус, двухканаль ную электрическую схему и две пары ортогонально расположенных чувствительных элементов, выполненных в виде размещенных симметрично одинако

вых по форме участков сферы с попарно противоположной поляризацией, обращенных выпуклой стороной к потоку и соединенных электрически лельно причем со стороны потока на чувствительные элементы нанесено термозащитное покрытие, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, чу;вствитёльные

элементы преобразователя выполнены в виде равных частей сферического пояса, ограниченного телесными углами Cf, и {f,j , удовлетворяющими условию

Oiif, 84± 1°( 1 1

Фиг.1

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для одновременного измерения в одной точке двух ортогональных компонент турбулентных пульсаций скорости движущихся сред. Целью изобретения является повышение точности измерения поперечных компонент пульсаций скорости потока. Преобразователь содержит размещенные в корпусе две пары ортогонально располо-женных чувствительных элементов, выполненных в виде равных частей сферического пояса, ограниченного телес-/ ными углами q, и Cf , удовлетеоряю- щийи условию О ср, . 84 i 1 Уг - 12611°, В связи с противоположной поляризацией этих элементов происходит сложение электрических зарядов, которые подаются на соответствующий вход электрической схемы, Чувствительные элементы обращены к потоку выпуклой стороной, на которой нанесено термозащитное покрытие. 4 ил. сл

0vt.J

Редактор E. Папп

фг/г.4

Составитель В, Назарова

Техред И.Попович Корректор С. Шекмар

Заказ 1707/48Тираж 778

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Подписное