Устройство для измерения угловой и тангенциальной скоростей потока электропроводной жидкости Советский патент 1991 года по МПК G01P5/08 

Изобретение относится к измерению параметров движения и может быть использовано для измерения составляющей осредненной угловой скорости потока электропроводной жидкости при исследованиях гидродинамических полей морей и океанов.

Известен акустический датчик для определения компонент угловой скорости, основанный на измерении проекций линейной скорости на многоугольном контуре и последующем расчете нормальной к контуру компоненты угловой скорости,

Недостатком датчика является малая точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству является датчик скорости, содержащий покрытый диэлектриком клиновидный постоянный магнит с обмоткой и измерительные электроды, позволяющие определить составляющие вектора осредненной скорости (продольную и поперечную). Один такой датчик не измеряет угловой скорости, однако, располагая в потоке жидкости несколько таких датчиков по окружности радиуса R таким образом, чтобы главная ось каждого датчика была перпендикулярна плоскости окружности и пересекалась с окружностью в месте расположения общего заземленного электрода каждого датчика, можно приближенно рассчитать циркуляцию скорости потока каждого датчика по заданному контуру, которым является окружность

Г / Vdfc-2 УПД Vn, nn

где Vn - поперечная относительно оси датчика и касательная к окружности компонента скорости потока жидкости; Aili - длина

-ЛИ, 2.

дуги окружности

an- количество датчиков. Это, в свою очередь, делает возможным приближенно рассчитать величину компоненты средней завихренности,

ОрТОГОНаЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ ОКРУЖНОСТИ (Ох ,

r , где S - площадь круга.

0

5

0

0

5

0

5

0

Таким образом, суммарный сигнал системы из n датчиков пропорционален компоненте завихренности аь

2 .

Точность таких измерений определяется количеством датчиков, которые можно разместить в исследуемом потоке.

Понятно, что в силу конечных размеров преобразователей и громоздкости конструкции известное устройство не обеспечивает достаточной точности измерения.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения угловой и тангенциальной скоростей потока электропроводной жидкости, содержащем стержневой электромагнит с сердечником, покрытым слоем диэлектрика, и два измерительных электрода, один из полюсов сердечника выполнен в виде тела вращения, электроды установлены заподлицо с поверхностью слоя диэлектрика, причем один из электродов - точечный - расположен в лобовой части полюса, на оси тела вращения, а другой - кольцевой - выполнен с разрезом и установлен соосно телу вращения в области однородного магнитного поля, создаваемого полюсом электромагнита. Тело вращения может быть, например, сферической, эллиптической или конусной формы. Разрез в кольцевом электроде необходим для исключения токов, индуцируемых в кольце переменным магнитным полем.

Область однородного магнитного поля по образующей можно достаточно корректно определить соотношением I BI - В0 i/Bo 0,2. где BI и Во - соответственно i-e и максимальное вдоль образующей среднеквадратические значения индукции магнитного поля. В случае использования эллиптического, а особенно сферического наконечника область однородного поля довольно протяженная и простирается практически до точки

сопряжения. Конфигурация наконечника однозначно определяет распределение магнитного поля. Дополнительное ограничение на расположение кольцевого электрода, связанное с наличием области отрыва потока, определяемой скоростью потока и формой поверхности наконечника, отсутст- вует.так как для конусной и эллиптической поверхностей возможный отрыв находится в области сопряжения с цилиндрической поверхностью электромагнита, а для сферической поверхности отрыв определяется телесным углом 87°, что также практически совпадает с областью сопряжения.

На фиг.1 изображена схема устройства, в котором полюс магнита выполнен в виде конуса: на фиг.2 - направления векторов, поясняющие принцип работы устройства; на фиг.З - возможное выполнение электродов (а - точечного, б - кольцевого).

Устройство содержит электромагнит с сердечником 1 и обмоткой 2, слой 3 диэлектрика, точечный электрод 4 и кольцевой электрод 5 с разрезом.

Устройство работает следующим образом.

Устройство помещают в поток движущейся жидкости, подключают обмотку 2 электромагнита к источнику переменного тока. При этом между точечным электродом 4 и кольцевым электродом 5 измеряют разность потенциалов 1)изм, которая может быть представлена в виде

Уиэм Ј-1/СТ,

(D

Учет в (1) слагаемого 1/ег в силу пропорциональности потока I индуцируемой электродвижущей силе Ј , сводится к введению градуировочного коэффициента К:

10

Ч,

Преобразуем второе слагаемое выражения (3):

(UIJ4 )C4)

20

где тангенциальная компонента скорости потока на кольцевом электроде;

2В

(5)

Ј--|ЈR№6p V

В (5)jweHO. что ff(t) I Ef(t)l rf; n - нормаль к поверхности; Јобр - орт образующей конусной поаер- хности;

Изобретение относится к измерению параметров движения и может быть использовано, в частности, при исследованиях гидродинамических полей морей и океанов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения. Устройство содержит электромагнит с сердечником 1, покрытым слоем 3 диэлектрика, причем один из полюсов сердечника 1 выполнен в виде тела вращения, и два измерительных электрода, установленных заподлицо с поверхностью слоя диэлектрика. При этом точечный электрод 4 расположен в лобовой части полюса на оси тела вращения, а кольцевой электрод 5 выполнен с разрезом и установлен соосно сл с

где Б - электродвижущая сила (Э Д С) между электродами

г- радиус кольца; I - токи проводимости в жидкости; элемент кольцевого электрода; о - электрическая проводимость.45

Исходя из закона Фарадея, ЭДС можно записать как производную по времени от магнитного потокаФ

дФ

dth,

дЧЪ const

(2)

где I BdS - магнитный по- ток;В (t) Во sin Шо t - индукция перемен- ного магнитного поля; dS- элемент конусной поверхности, заключенной между электродами; а - частота тока питания.

40

(б)

ililllrfr jr

4ЯТ

Г /

где i -j Vyj a {((.- циркуляция вектора скорости по контуру, совпадающему с кольцевым электродом.

Используя теорему Стокса,

)%,

окончательно получаем:

)(t)IC(rotV)x, (7)

где С - коэффициент, задаваемый геометрией устройства.

Измеряемая разность потенциалов имеет вид

УизмК

ШМ8 +

1(8)

+ KlB(t)lC(.

Спектральная плотность сигнала (Уизм), рассчитанная путем разложения в ряд Фурье выражения (Неравна

п i - v R с С(гкиУ)хв)-о& (lUO, - К BoS/ -

Ј

(9)

и имеет максимум вии (а УЬ

в точке при уело«.(5.

(Ю)

Частота Ыт определяет величину компоненты угловой скорости потока о.

В случае малых размеров датчика по сравнению с размером вихря, что имеет место в крупномасштабных установках и натурных гидрофизических исследованиях в море, существует возможность измерения тангенциальной компоненты скорости потока. Из выражения (3) имеем

., иизм -К« - °

-С К I В (t) iVy,

(11)

где осредненная тангенциальная составляющая скорости потока. Усреднение проведено по поверхности конуса S. С коэффициент, определяемый геометрией полюсного наконечника.

(UwM)tO

КВс

С1 - S оЈ о - аД

(12)

Измеряя величину сигнала (Кизм) на максимуме спектральной плотности в единичной полосе, согласно (12),можно определить V,

v

M(1-()M. (13)

V С (От Sk Во /

Формула изобретения Устройство для измерения угловой и

тангенциальной скоростей потока электропроводной жидкости, содержащее стержневой электромагнит с сердечником, покрытым слоем диэлектрика, и два измерительных электрода, отличающееся тем,

что. с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности, один из полюсов сердечника выполнен в виде тела вращения, а электроды установлены заподлицо с поверхностью слоя диэлектрика, причем один из электродов - точечный - расположен в лобовой части полюса на оси тела вращения, а другой - кольцевой - выполнен с разрезом и установлен соосно с телом вращения в области однородного магнитного

поля, создаваемого полюсом электромагнита.

(rot7)x

а

4

ФигЗ