Электрохимический преобразователь параметров гидродинамического пограничного слоя Советский патент 1992 года по МПК H01G9/22 

Изобретение относится к области электрохимических преобразователей неэлектрических величин в электрические и может быть использовано для измерений параметров гидродинамического пограничного слоя, например локального касательного напряжения на поверхности обтекаемого твердого тела.

Известны электрохимические преобразователи параметров гидродинамического пограничного слоя, содержащие электроды, установленные заподлицо с обтекаемой поверхностью.

Некоторые из известных электрохимических преобразователей позволяют измерять величину продольной составляющей вектора касательного напряжения на обтекаемой поверхности.

Однако они не позволяют при этом определять направление продольной составляющей вектора касательного напряжения, а также величину и направление поперечной составляющей.

Наиболее близким к предлагаемому является электрохимический преобразователь параметров гидродинамического

СО

ю

00

пограничного слоя, который содержит соединенные накоротко первый и второй генерирующие электроды, расположенные между ними индикаторные электроды, вспомогательный электрод, источник питания датчика, подключенный к вспомогатель- ному и генерирующим электродам, усилитель, к входам которого подключены индикаторные электроды, а выход которого связан с входом первого порогового устройства и через инвертор с входом второго порогового устройства. К управляющему входу запираемого источника тока подключены генератор импульсов и управляющие входы первого и второго триггеров, выходы которых соединены с входами второго и первого ключей соответственно. Первый и второй ключи включены между другими управляющими входами первого и второго триггера и выходами первого и второго пороговых устройств соответственно.

Электрохимическая метка с поверхности одного из генерирующих электродов пе- реносится потоком электролита к индикаторным электродам. При этом между индикаторными электродами возникает концентрационная разность потенциалов, воздействующая на вход усилителя. О величине модуля вектора касательного напряжения судят по длительности импульса на выходе одного из ключей. На выходе другого ключа при этом импульс отсутствует. Наличие или отсутствие импульса на выходе соответствующего ключа дает возможность определить направление вектора касательного напряжения.

Недостатком известного преобразователя является то, что он не позволяет определить поперечную составляющую вектора касательного напряжения на обтекаемой поверхности.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения измерения наряду с продольной составляющей вектора касательного напряжения трения и его поперечной составляющей, а также модуля вектора касательного напряжения трения.

Для достижения поставленной цели в электрохимическом преобразователе параметров гидродинамического пограничного слоя, содержащем датчик с четырьмя электродами, источник питания датчика, вспомогательный электрод, соединенный с первым выводом источника питания датчика, измерительную схему, электроды датчика выпол- нены в форме квадрантов круга, разделенных тонкими изолирующими прокладками, измерительная схема выполнена в виде четырех преобразователей ток-напряжение, первого и второго сумматорбв, первого, второго и третьего дифференциальных усилителей, первого и второго перемножителей и квадратора, первый, второй,

третий и четвертый электроды датчика соединены соответственно с входами первого, второго, третьего и четвертого преобразователей ток - напряжение, выходы которых подключены к соответствующим входам

0 первого сумматора, выходы второго и четвертого преобразователей ток - напряжение соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами первого дифференциального усилите5 ля, а выходы первого и третьего преобразователей ток - напряжение соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами второго дифференциального усилителя, выход которого

0 подключен к первому входу второго сумматора и к неинвертирующему входу третьего дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом первого пе- ремножителя, инвертирующий вход

5 третьего дифференциального усилителя соединен с выходом первого дифференциального усилителя и вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с первым входом второго перемножителя, второй

0 вход которого подключен к второму входу первого перемножителя и выходу квадратора, вход которого подключен к выходу первого сумматора и является первым информационным выходом электрохимиче5 ского преобразователя, а вторым и третьим информационными выходами электрохими: ческого преобразователя являются соответственно выходы первого и второго перемножителей, второй вывод источника

0 питания датчика соединен с общей шиной.

Электроды датчика выполнены в форме

квадрантов круга, разделенных тонкими

изолирующими прокладками. В процессе

измерений определяются величины токов

5 каждого электрода, которые в совокупности несут информацию непосредственно о параметрах вектора касательного напряжения на обтекаемой поверхности. Последующие преобразования измеренных токов с целью

0 извлечения этой информации позволяют определить величину и направление продольной и поперечной составляющих вектора касательного напряжения трения на обтекаемой поверхности, а также модуль вектора

5 касательного напряжения трения.

Таким образом, функциональные возможности электрохимического преобразователя расширяются, так как появляется возможность одновременного определения величины и направления продольной и поперечной составляющих вектора касательного напряжения.

На фиг. 1 представлена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 - схема ориентации электродов датчика преобразователя относительно системы координат.

Предлагаемый электрохимический преобразователь параметров гидродинамического пограничного слоя содержит датчик с четырьмя электродами 1 -4 и вспомогательный электрод 5, соединенный с первым выводом источника питания датчика 6, второй вывод которого подключен к общей шине. Электроды 1-4, выполненные в форме квадрантов круга, разделенных тонкими изолирующими прокладками, подключены соответственно к входам преобразователей 7-10 ток-напряжение, выходы которых подключены к соответствующим входам сумматора 11, выходы преобразователей 8 и 10 ток - напряжение соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя 12, а выходы преобразователей 7 и 9 ток - напряжение соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя 13, выход которого подключен к первому входу сумматора 14 и к неинвертирующему входу диф- ференциального усилителя 15, выход последнего соединен с первым входом перемножителя 16, а инвертирующий вход дифференциального усилителя 15 соединен с выходом дифференциального усилителя 12 и с вторым входом сумматора 14, выход которого соединен с первым входом перемножителя 17, второй вход которого подключен к второму входу перемножителя 16 и выходу квадратора 18, вход которого подключен к выходу сумматора 11 и является информационным выходом 19 электрохимического преобразователя, на котором формируется информация о модуле вектора касательного напряжения трения, а информационными выходами 20 и 21 электрохимического преобразователя, на которых формируются соответственно информация о продольной и поперечной составляющих вектора касательного напряжения трения, являются соответственно выходы перемножителей 16 и 17.

Датчик преобразователя состоит из четырех электродов и имеет в поперечном сечении форму круга (фиг. 2). Электроды датчика представляют собой квадранты круга и разделены между собой изолирующими прокладками. Перед измерением вектора касательного напряжения на обтекаемой поверхности датчик преобразователя устанавливается заподлицо с обтекаемой поверхностью. Круговое выполнение датчика обусловлено алгоритмом определения продольной и поперечной составляющих вектора касательного напряжения.

Процесс измерений продольной составляющей гх и поперечной составляющей т у вектора касательного напряжения на обтекаемой поверхности заключается в реализации алгоритма

Гх K(l3 -h)-(l4-l2)Xll+l2+l3+l4)2;

Гу k(l3-H) + ( l4-l2)(ll+l2+l3+l4r;

|2.

О)

где И, 12, 1з и Ц - токи электродов 1 - 4 соответственно.

Равенства (1) выводятся следующим образом.

Токи И, 2, з и Ц электродов 1 - 4 по- разному зависят от угла в, задающего направления течения жидкости (фиг. 2).

Вводят обозначения:

25

Sx( в) (l2+l3)-(ll+l4)/Ol+ 2+l3+l4); Sy( в) (I3+UHI 1+l2)/0 1+l2+l3+l4),

(2)

где M+I2+I3+U полн - полный ток кругового электрода.

Для кругового датчика трения с радиальными сегментами известно выражение для отношения тока сегмента к полному току кругового электрода:

-Ш- -§- + 0,126 slnacos0 +0.007 sln2«

I

cos20 +.

ПОЛИ ,

Л

(3)

Где Q - угол ориентации оси радиального сегмента к направлению тока электролита; 2а -угол сектора сегмента; 1д( а) - величина, тока сегмента. Рассматривая квадранты-электроды как составляющие полукруглых электродов (для которых 1а - п ) и пользуясь выражением (3), можно получить:

Sx(#) A cos в (в этом случае в 6); (4) Sy( в) A sin в(в этом случае 0 в -) (5)

где ,252.

Амплитуда вектора касательного напряжения связана с током круглого датчика пропорциональностью:

TJJ Ь I полн

(6)

Для составляющих вектора имеют

ГХ TWcos в | 3полн Sx(0 ) k I3 Sx(0): i-b ,з

cn

Ty ; Гц sin 0 Ј |3полн Sy( в) k I3 Sy( в );

Переписывают равенства (7), выражая Sx( ) и Sy( 6 ) через измеряемые токи

Тх в |- 13полн Sx(0 ) k I3 полн Sx( в);

(8)

Гу а 0 | 13полн Sy(0) k 1полн3 Sy(0 );

Равенства (8) переписываются в виде

(1).

Преобразователь работает следующим образом.

Между электродами 1 - 4 и вспомогательным электродом 5 прикладывается постоянное напряжение от источника питания датчика 6. Токи И, 2, з и Ц электродов 1-4 датчика Д поступают на входы преобразователей 7-10 ток - напряжение и преобразуются последними в пропорциональные напряжения Ui, U2, Us и U4. На выходе дифференциального усилителя 12 формируется разностный сигнал U4-U2, на выходе дифференциального усилителя 13 - сигнал Ua-Ui, Далее эти сигналы вычитаются (дифференциальный усилитель 15) и суммируются (сумматор 14). На один из входов перемножителя 16 поступает напряжение (U3-U i)-(U4-U2), а перемножителя 17 - (11з- Ui)+(U4-U2). Напряжение же на других входах перемножителей 16 и 17 равно (U1+U2+U3+U4)2, оно получено в результате суммирования (сумматор 11) выходных напряжений преобразователей 7 - 10 ток - напряжение и возведения этой суммы в квадрат (квадратор 18). Выходные напряжения перемножителей 16 и 17 пропорциональны составляющим вектора касательного напряжения трения.Таким образом, выходы перемножителей 16 и 17 являются соответственно информационными выходами 20 и 21 электрохимического преобразователя, на которых формируются электрические сигналы, пропорциональные соответственно продольной и поперечной составляющим вектора касательного напряжения. При этом полярности электрических сигналов несут информацию о направлениях составляющих вектора касательного напряжения трения. Выходное напряжение сумматора 11, пропорциональное сумме токов электродов 1-4 и поступающее на информационныйвыход19электрохимического преобразователя, не

сут информацию о модуле вектора касательного напряжения трения.

Таким образом, предлагаемый преобразователь выгодно отличается от известного,

5 так как позволяет измерять величину и направление как продольной составляющей вектора касательного напряжения, так и поперечной составляющей, а также модуль вектора касательного напряжения трения,

10 что приводит к расширению функциональных возможностей электрохимического преобразователя.

Формула изобретения Электрохимический преобразователь

15 параметров гидродинамического пограничного слоя, содержащий датчик с четырьмя электродами, источник питания датчика, вспомогательный электрод, соединенный с первым выводом источника питания датчи20 ка, измерительную схему, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения измерения наряду с продольной составляющей вектора касательного напряжения тре25 ния и его поперечной составляющей, электроды датчика выполнены в форме квадрантов круга, разделенных тонкими изолирующими прокладками, измерительная схема выполнена в виде четырех преоб30 разователей ток - напряжение, первого и второго сумматоров, первого, второго и третьего дифференциальных усилителей, первого и второго перемножителей и квадратора, первый, второй, третий и четвертый

35 электроды датчика соединены соответственно с входами первого, второго, третьего и четвертого преобразователей ток - напряжение, выходы которых подключены к соответствующим входам первого сумматора,

40 выходы второго и четвертого преобразователей ток - напряжение соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами первого дифференциального усилителей, а выходы первого

45 и третьего преобразователей ток - напряжение соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами второго дифференциального усилителя, выход которого подключен к первому входу второго

50 сумматора и к неинвертирующему входу третьего дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом первого перемножителя, инвертирующий вход третьего дифференциального усилите55 ля соединен с выходом первого дифференциального усилителя и вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с первым входом второго перемножителя, второй вход которого подключен к второму входу первого перемножителя и

выходу квадратора, вход которого подключен к выходу первого сумматора и является первым информационным выходом электрохимического преобразователя, а вторым и третьим информационными выходами

электрохимического преобразователя являются соответственно выходы первого и второго перемножителей, второй вывод источника питания датчика соединен с общей шиной.

Изобретение относится к электрохими ческим преобразователям неэлектрических величин в электрические и может быть использовано для измерений параметров гидродинамического пограничного слоя, например локального касательного напряжения на поверхности обтекаемого твердого тела. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности измерения величин и направлений как продольной составляющей вектора касательного на- пряжения, так и поперечной его составляющей, а также модуля вектора касательного напряжения трения. Измерительныеэлектродыдатчика электрохимического преобразователя вектора касательного напряжения трения на обтекаемой поверхности выполнены в форме квадрантов круга, разделенных тонкими изолирующими прокладками. В процессе измерений определяются величины токов каждого электрода, которые в совокупности несут информацию непосредственно в параметрах вектора касательного напряжения на обтекаемой поверхности. Последующие преобразования измеренных токов для извлечения этой информации позволяют определить величину и направление продольной и поперечной составляющих вектора касательного напряжения трения на обтекаемой поверхности, а также модуль вектора касательного напряжения трения.2 ил. W Ј

Л7