Устройство для измерения параметров турбулентности потока электропроводной жидкости Советский патент 1992 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к гидрофизическим исследованиям и может найти применение в экспериментальной гидродинамике для определения параметров турбулентности, в океанологии для измерения в одной чувствительной зоне пульсаций скорости потока электропроводной жидкости, удельной электропроводности и температуры и для исследования тонкой структуры вод океана, и является усовершенствованием известного устройства.

По основному авт. св. № 1679338 известно устройство для измерения параметров турбулентности потока электропроводной жидкости, состоящего из четырехэлектрод- ного первичного преобразователя, выполненного в виде тела вращения из покрытого диэлектриком постоянного магнита, в поперечном зазоре носовой части которого симметрично относительно оси симметрии электроды расположены попарно, причем

внешние электроды являются измерительными, а внутренние токовыми, дифференци- ального усилителя, входы которого подключены к измерительным электродам, первого фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход является первым выходом устройства, полосового фильтра, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, пе рвого синхронного детектора, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, источника опорного напряжения, сумматора, входы которого, соответственно, подключены к источнику опорного напряжения и выходу первого синхронного детектора, регулятора, вход которого соединен с выходом сумматора, управляемого генератора, управляющий вход которого соединен с выходом регулятора, преобразователя напряжение - ток, вход которого соединен с выходом управляю

емого генератора, а выходы которого соединены с токовыми электродами, второго син- хронного детектора, вход которого соединен с выходом управляемого генератора, компаратора, вход которого соединен с выходом управляемого генератора, а выход соединен с опорными входами первого и второго синхронных детектора, второго фильтра нижних частот и избирательного усилителя, вх оды которых соединены с выходом второго сг 1нхронного детектора, а выходы являются, соответственно, вторым и третьим выходами устройства

Для вычисления пульсаций плотности, потока тепла и переноса массы известное устройство можно применять только при малых, близких к нулю, значениях пульсаций солености Так как в экспериментальных исследованиях пульсации солености достаточно часто не равны нулю, то это приводит к погрешности определения пульса-, ций плотности потока тепла и переноса массы.

Цель изобретения - повышение точности |л лерений и расширение функциональных возможностей устройства за счет совместных измерений в одной чувствительной зоне пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температуры.

На фиг 1 представлен первичный преобразователь; на фиг 2 - функциональная схема предлагаемого устройства для измерения параметров турбулентности потока электропроводной жидкости

Устройство содержит термопреобразователь 1, установленный соосно оси симметрии первичного преобразователя, выполненного в виде тела вращения из постоянного магнита 2, покрытого диэлектриком 3 В поперечном зазоре (вид А) носовой части первичного преобразователя симметрично относительно оси симметрии расположены попарно измерительные 4, 5 и токовые 6, 7 электроды Устройство содержит первый дифференциальный усилитель 8. второй преобразователь напряжение - ток 9, второй дифференциальный усилитель 10, первый полосовой фильтр 13, третий синхронный детектор 14, источник опорного напряжения 15, первый синхронный детектор 16, коммутатор 17 третий фильтр нижних частот 18, сумматор 19 компаратор 20, линеаризатор 21, второй синхронный детектор 22, регулятор 23, четвертый фильтр нижних частот 24, фильтр верхних частот 25, второй фильтр нижних частот 26, избирательный усилитель 27 первый преобразователь напряжение -ток 28,управляемый генератор 29

Термопреобразователь 1 установлен соосно оси симметрии четырехэлектродно- го первичного преобразователя, при этом он установлен на внешней поверхности диэлектрического покрытия 3

Входы дифференциального усилителя 8 подключены к измерительным электродам 4 и 5, Выход дифференциального усилителя 8 через фильтр 12 нижних частот подключен к

зажиму первого выхода устройства Одновременно выход дифференциального усилителя 8, через первый полосовой фильтр 11 подключен к входу синхронного детектора 16 Выход синхронного детектора 16 через

последовательно соединенные сумматор 19, регулятор 23, управляемый генератор 29 и преобразователь 28 напряжение - ток, соединен с токовыми электродами 6 7 При этом второй вход сумматора 19 подключен

к выходу источника опопного напряжения

15Выход управляемого генератора 29 подключен к компаратору 20, выход которого подсоединен к опорным входам первого

16и второго 22 синхронных детекторов, причрм сигнальный вход второго 22 синхронного детектора подключен к выходу управляемого генератора 29 а выход второго синхронного детектора 22 через второй фильтр нижних частот 26 и избирательный

усилитель 27 подключен соответственно к зажимам второго и третьего выхода устройства. Вход коммутатора 17 соединен с источником опорного напряжения 15, опорный вход коммутатора 17 соединен с

выходом компаратора 20, а выход соединен с входом второго полосового фильтра 13, выход которого соединен с входом второго преобразователя 9 напряжение-ток, выходы которого соединены с выходами чувствительного элемента термопреобразователч 1, которые соединены с входами второго дифференциального усилителя 0 выход которого соединен с входом третьего синхронного детектора 20, а выход соединен с

входом третьего фильтра нижних частот 18, выход которого соединен с первым входом линеаризатора 21, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 15, а выход подключен ко входам четвертого

фильтра нижних частот 24 и фильтра верхних частот 25, выходы которых являются соответственно четвертым и пятым выходами устройства.

Устройство работает следующим образом. На токовые электроды б и 7 с двух выходов первого преобразователя 28 напряжение -ток подается переменный ток Н синусоидальной формы, величина которого определяется следующим соотношением

И L)29/Ri, где IJ2Q - выходное напряжение

управляемого генератора 29, Ri - токойый резистор первого преобразователя 28 напряжение - ток, Первый дифференциальный усилитель 8 измеряет и усиливает в Ki раз разность потенциалов измерительных электродов 4 и Б, Выходное напряжение Us первого дифференциального усилителя 8 определяется следующим соотношением:

Us h (Rat + 1 /( ft с)) Ki ч Ki Кпр-V1, (1)

где Пж - активное сопротивление раствора электролита между токовыми электродами; с - суммарная емкость двойного электрического слоя токовых электродов; о- круговая частота выходного напряжения управляемого генератора 29; КПр - коэффициент преобразования пульсации скорости V1 в напряжение, С целью выделения второй составляющей соотношения (1) используется первый фильтр нижних частот 12, который усиливает эту составляющую в раз. Выходное напряжение Ui2 первого фильтра нижних частот 12, прямо пропорциональное пульсациям скорости потока электро- проводной жидкости, определяется следующим соотношением1

Ul9 Ul5 + U29R cKlK3/Rl.

(5)

Пропорционально интегральный регулятор 23 осуществляе непрерывное регули- рование выходного напряжения U29 управляемого генератора 29 таким образом, чтобы поддерживать выходное напряжение Uig сумматора 19 равным нулю. Поэтому выходное напряжение Шэ управляемого генератора определяется следующим соотношением:

U29 -UiskRiK/(Ki КзА).

(6)

где А - кондуктивная постоянная преобразователя удельной электропроводности; к- величмна мгновенных значений удельной электропроводности.

Второй синхронный детектор 22 осуществляет детектирование выходного напряжение IJ2Q Его выходное напряжение прямо пропорционально значениям к. Второй фильтр нижних частот 26 выделяет и усиливает в К раз средние значения Кудельной электропроводности, Его выходное напряжение IJ26 определяется следующим соотношением1

Ui2 KrK2 Knp-V1.

(2)

Первый полосовой фильтр 11 настроен на частоту выходного напряжения управляемого генератора 29 Его выходное напря(- жение Un определяется следующим соотношением:35

Uii h (Rx+1/fjft)c Ki K3, (3)

где Кз - коэффициент усиления первого полосового фильтра 11.

Первый синхронный детектор осуществляет детектирование выходного напряжения Un. Так как поступающий сигнал компаратора 20 на опорный вход первого синхронного детектора 16 и выходной сигнал U29 управляемого генератора 29 син- фазны, то однополярное выходное напряжение Die первого синхронного детектора 16 определяется следующим соотношением:

Ui6 liRxKiK3(4)

Сумматор 19 осуществляет суммирование разнополярных выходных напряжений Ui6 и Uis, соответственно первого синхронного детектора 16 и источника опорного напряжения 15. Его выходное напряжение Utg определяется следующим соотношением:

30

U26 -Ui5Ri K4/e/(Ki КзА),

(7)

Избирательный усилитель 27 выделяет и усиливает в Kg раз пульсации удельной электропроводности к Его выходное напряжение U27 определяется следующим соотношением:

U27 -Ui5Ri K5/cV(Ki КзА).

(8)

Коммутатор 17 вырабатывает двухпо- лярный сигнал прямоугольной формы, который синфазен выходному сигналу управляемого генератора 29, причем его амплитуда равна либо Uis, либо -Uis. Второй полосовой фильтр 13 также настроен на частоту выходного напряжения управляемого

генератора 29. Поэтому его выходное напряжение Ui3 имеет синусоидальную форму, которое синфазно с напряжением U29. Второй преобразователь 9 напряжение ток формирует ток г синусоидальной формы, который подается на выводы чувствительного элемента термопреобразователя 1 и определяется следующим соотношением: 2 U15/R2, где Ra - токовый резистор второго преобр зователя 9 напряжение-ток. Второй дифференциальный усилитель 10 измеряет и усиливает в Кб раз напряжение на чувствительном элементе термопреобра- эователя 1, который для исключения влияния сопротивления подводящих проводов включен по чстырехпроводной схеме. Выходное напряжение Uib второго дифференциального усилителя 10 определяется следующим соотношением1 Uio h RT Кб, где RT - сопротивление чувствительного элемента термопреобразователя. Третий синхронный детектор 14 осуществляет детектирование напряжения Ую- Так как опорный сигнал третьего синхронного детектора 14 синфазен с напряжением Uio, то выходное однополярное напряжение Уи третьего синхронного детектора прямо пропорционально значениям RT. Третий фильтр нижних частот 18 фильтрует напряжение Ui4i причем его граничная частота, соответствующая уровню - 3 дБ, равна верхней граничной частоте избирательного усилителя 27. Так как сопротивление RT чувствительного элемента термопреобразователя является нелинейной функцией RT Ф(Т)от температуры Т, то для линеаризации этой зависимости применяется линеаризатор21, на в рой вход которого для формирования кусочно.-линейной аппроксимации подключен источник опорного напряжения 15. Выходное напряжение Шч линеаризатора 21 определяется следующим соотношением:

U21-Ul5K6KT()/R2,

(9)

где Т - величина мгновенных значений температуры; Т0 - значение температуры из ее диапазона измерений; Кт - коэффициент преобразования линеаризатора.

Четвертый фильтр нижних частот 24 выделяет и усиливает Кт раз средние значения температуры Т. Его выходное напряжение U24 определяется следующим соотношением:

U24 U15K6KTK7(T-T0)/R2.

(Ю)

Фильтр верхних частот 25 выделяет и усиливает в Кв раз пульсации температуры Т1, причем его граничная частота равна нижней граничной частоте избирательного усилителя 27. Его выходное напряжение U25 определяется следующим соотношением:

и25 иГ5КбКтКвТ7Н2.

(11)

Из соотношений (2), (8) и (11) видно, что выходные сигналы пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температуры не завися г друг от друга.

Для того, чтобы исключить взаимное влияние питающих гоков первичного преобразователя пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температуры они запитываются синфазными синусоидальными токами. Поэтому в выходных сигналах этих преобразователей отсутствуют биения, которые образуются из-за несовпадения питающих токов либо по частоте, либо по фазе.

Установка термопреобразователя соос- но оси симметрии первичного преобразователя позволит в середине чувствительной

зоне первичного преобразователя пульсаций скорости потока и удельной электропроводности измерить еще и значения температуры. При этом, с одной стороны, чувствительный элемент термопреобразовагеля для повышения его быстродействия должан обмываться со всех сторон жидкостью, чтобы исключить влияние покрытого диэлектриком корпуса, а с другой стороны, термопреобразователлль должен быть максимально утопленным в корпус для того, чтобы он не оказывал влияния на первичный преобразователь пульсации скорости потока Именно поэтому, термопреобразователь установлен так, что его чувствительный элемент расположен на внешней поверхности диэлектрического покрытия первичного преобразователя

В качестве термопреобразователя можно использовать термистор FP 07, граничная частота fT которого определяется из следующего соотношения FT 25,7 V0 5, где V - безмерная в чичина средней скорости перемещения первичного преобразователя, причем при V 1 м/с, fT 25,7 Гц. Так как

граничные волновые числа первичных преобразователей пульсаций скорости потока и удельной электропроводности составляют приблизительно 15,5 1/м, то для средних скоростей перемещения первичного преобрязователя 0-4 м/с можно считать, что измеряемые параметры первичного преобразователя пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температуры имеют практически одинаковые полосы

пропускания.

Так как предлагаемое устройство может измерять в одной чувствительной зоне пульсации потока электропроводной жидкости, удельной электропроводности и температуры, то по значениям этих параметров можно для всех встречающихся условий в океанологических исследованиях определять пульсации солености S и пульсации плотности следующим соотношениям;

S «(к,Т) л +/3()Т|; у (к,)- /сЧ б ( к,Т) Т ;X12)

где а (К. Т), /(Ј Т), у(Ј , Т) и 6 (к, ,Т) - размерные коэффициенты, вычисляемые по

шкале практической солености и уравнению состояния морской воды по средним значениям удельной электропроводности температуры Т, которые определяются, соответственно, по соотношениям (7) и (10). Формула изобретения Устройство для измерения параметров турбулентности потока электропроводной жидкости по авт. св. № 1679338, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения функциональных возможностей устройства за счет совместных измерений в одной чувствительной зоне пульсаиий скорости потока, удельной электропроводности и температуры, в него введены термопреобра ователь, второй преобразователь напряжение -ток, второй дифференциальный усилитель, трети синхро-нный детектор, линеаризатор, третий и четвертый фильтры нижних частот, фильтр верхних частот, второй полосовой фильтр и коммутатор, вход которого соединен с источником опорного напряжения, опорный вход коммутатора соединен с выходом компаратора, а выход соединен с

г -да« тЛ2 входом второго полосового фильтра, выход которого соединен с входом второго преобразователя напряжение-ток, выходы которого соединены с выводами

чувствительного элемента термопреобразователя, соединенными с входами второго дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом третьего синхронного детектора, опорный вход которого

соединен с выходом компаратора, а выход соединен с входом третьего фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом линеаризатора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход подключен к входам четвертого фильтра нижних частот и фильтра верхних частот, выходы которых являются соответственно четвертым и пятым выходами устройства, причем термопреобразователь установлен соосно оси симметрии первичного преобразователя, при этом чувствительный элемент термопреобразователя расположен на внешней поверхности диэлектрического покрытия первичного

преобразователя.

Bt/ffA

2