Электромагнитный измеритель гидродинамических характеристик потока жидкости Советский патент 1982 года по МПК G01P5/08 

Изобретение относится к метрологичес кому обеспечению гидрофизических исследований и может быть использовано для измерения вектора скорости и вектора турбулентных пульсаций скорости в потоках электропроводных сред. Известен электромагнитный измеритель скорости и турбулентных пульсаций скорости электропроводных сред, содержащий электромагнитные кондукционные преобразователи, зондирующие движу.щуюся среду переменным (в случае измерения скорости потока) и постоянным (в случае измерения пульсаций скорости) магнитным полем. Возникающая в жидкос ти в результате взаимодействия набегаю щего потока с магнитным полем измерителя ЭДС, величина которой пропорциональна скорости или пульсациям скорости потока, измеряется с помощью электродов Ц . Недостатком прибора является невысокая точность измерения и возможность измерения только одной из составляющих скорости или пульсации скорости. Наиболее близким к предлагаемому являетсй электромагнитный измеритель скорости электропроводной жидкости, включающий в себя блок питания, измерительный блок, механический прерыватель, индикаторы и электромагнитный преобразователь скорости, состоящий из двух йа-. тушек возбуждения магнитного поля и четырех электродов. Катущки возбуждения магнитного поля располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях внутри сферического пластмассового обтекателя. Они запитываются переменным током, поступающим из блока питания. Электроды размещаются на концах двух взаимно перпендикулярных диаметров, л&жащих в плоскости одной из катушек возбуждения магнитного поля, на поверхноо ти обтекателя. Выходы с электродов подключены к измерительному блоку и индикаторам t21 .

Измерение скорости жидкости этим прибором может осуществляться двумя способами. Согласно первому обе катушки возбуждения магнитного поля запитываются переменным током различной частоты, и из снимаемых с электродов сигналов посредством частотного детектирования выделяются и поступают на индикаторы составляющие сигнала, соответствующие каждой в отдельности составляющей аектора скорости потока. Второй способ заключается в том, что обе катушки возбуждения магнитного поля записываются переменным током одной частоты попеременно. Это обеспечивается посредством применения механической системы временного разделения. Составляющие вектора скорости измеряются попеременно в промежутке времени, когда запитана соответствующая им катушка возбуждения магнитного поля.

Недостатками известного измерителя являются невозможность измерения всех трех составляющих скорости потока и ее пульсаций, а также наличие неоднозначности показаний, обусловленное затеканием в межэлектродный промежуток электрических уравнительных токов, формирующихся в тыльной части преобразователя вне его рабочей области в возвратном магнитном поле катушек воз ждения и, как следствие, низкая точность измерения.

Цель изобретения - повышение точности гидродинамических измерений.

Поставленная цель достигается тем, .что в электромагнитном измерителе гидродинамических характеристик потока жидкости, содержащем кондукционный электромагнитный преобразователь из двух магнитных систем с взаимно перпендикулярными осями, размещенных в диэлектрическом сферическом корпусе-обтекателе, и четырех электродов, установленных на поверхности обтекателя, блоки питания, преобразования и регистрации, в электромагнитный преобразователь введены два дополнительных электрода, магнитопровод его магнитных систем выполнены каждый в виде стакана с центральным стержнем, основные электроды расположены в межполюсной области одной из магнитных систем, дополнительные электроды расположены на поверхности обтекателя в межполюсной области второй магнитной системы,

Блок преобразования состоит из четырех усилителей и двух сумматоров, при этом к двум первым усилителям подключены основные пары электродов, к третьему и четвертому - дополнительная, вход первого сумматора соединен с выходами первого и третьего усилителей, вход

второго сумматора - с выходами первого и четвертого усилителей, выходы же сумматоров и второго усилителя подключены к блоку регистрации.

На фиг. 1 представлена блок-схема

электромагнитного измерителя гидродинамических характеристик потока электропроводной жидкости; на фиг. 2 - конструктивная схема электромагнитного кондукционного преобразователя измерителя.

Электромагнитный измеритель включает в себя две пары основных электродов 1, 2 и 3, 4 пару дополнительных электродов 5 и 6, магнитные системы 7 и 8, непроводящий сферический обтекатель 9

электромагнитного преобразователя, блок питания 10, усилители 11 и 12, к которым подключены две пары основных электродов 3, 4 и 1, 2 усилители 13 и 14, подключенные к дополнительным электродам 5 и 6. Выход усилителя 11 подключен к сумматорам 15 и 16; усилители 13 и 14 подключены к сумматорам 15 и 16; выходы с усилителя 12 и сумматоров 15 и 16 соединены с регистрирующими устройствами 17 - 19. Кондукционный преобразователь электромагнитного измерителя состоит из непроводящего сферического обтекателя 9 радиуса и , внутри которого ортогонально друг

другу размещены две идентичные магнитные системы, состоящие из катущек возбуждения 20, уложенных в межполюсные области магнитных систем, каждая из которых выполнена в виде стакана 21 с

центральным стержнем 22. На поверхности обтекателя в межполюсной области одной из магнитных систем расположены две пары основных электродов 1, 2 и 3, 4, а в межполюсной области другой

магнитной системы - пара дополнительных электродов 5 и 6.

Кроме того, на фиг. 2 представлена декартова ( X , i/ , Z ) и соответствующая ей сферическая ( р , б , ) системы координат, используемые для пояснения работы измерителя.

Электромагнитный измеритель гидродинамических характеристик потока жидкости работает следующим образом. С блока питания. 10 на магнитные системы 7 и 8 преобразователя подается переменное или постоянное напряжение в зависимости от того, вектор скорости или вектор пульсаций скорости измеряется прибором. В жидкости, движущейся вне непровод$пцего обтекателя 9 преобразователя в магнитном поле систем 7 и 8, индуцируется ЭДС. Величина этой ЭДС, пропорциональная скорости или пульсациям скорости потока, измеряется двумя основными 3, 4 и 1, 2 и дополнительной 5 и б парами электродов, сигналы с которых поступают на усилители 11-14. Усиленные сигналы с усилителя 11 поступают на сумматоры 15 и 16; с усилителя 12 сигнал, пропорциональный составляющей вектора скорости или вектора пульсаственно на регистрирующее устройство 17; с усилителя 13 сигнал подается на сумматор 15; с усилителя 14 - на сумматор 16. Выходные сигналы с сумматои 16, пропорциональные составля ров 15 щим Vy и VT вектора скорости или вектоpa пульсаций скорости измеряемого потока, поступают на регистрирующие устройства 18 и 19. Распределение электрического потенциала М , индуцированного в проводящей среде, движущейся снаружи непроводящег сферического обтекателя в магнитном поле магнитной системы 7, в межполюсной области которой на поверхности преобразователя размещены основные электроды 1 (й,9, О ), 2 (а ,9 ,J/ ), 3. ( я и 4 ( R , 6, Г/1), в системе координат, ось Oj. которой совмещена с осью симметрии этой магнитной системы определяется следующим образом: fj(J,e,,5&iV,SinE-V C05EjRx со п C /PJ ICcose;, где В - характерное значение магни ной индукции - ее величина на поверхнос ти центрального полюса осесимметричного магнитопровода в его центре (, , г R ); р1С05р+со5гЗГ-( .MSfJT PnlX)c xкоэффициент в разложении нормальной сос тавляющей вектора магнитной индукций на поверхности преобразователя в ряд по полиномам Лежандра; 8 - угол раствора центрального полюса магнитопровода; Т - угол, характеризующий размер паза под катущку возбуждения магнитного поля; 89 HiO()|Pfl( присоединенные полиномы ЛежандВ соответствии с (1) разность потенциалов на электродах преобразователя, связанная с наличием только одной рассматриваемой магшггной системы, равна ,,}-( n 5|b /9-1/1 , /Е-Ц Аналогично вторая магнитная система буславливает на электродах преобразоваеля следующую разность потенциалов: ,, Ar, РЛсо5е)1 ., пн(п4)а с )-, 4 -«ai;: ,| остоянные коэффициенты, значения котоых определяются геометрическими параетрами преобразователя. На основании соотношения (2) - (5) вязь между разностью потенциалов,- сниаемой .с электродов электромагнитного реобразователя, и измеряекл,1ми компоентами вектора скорости (или вектора ульсаций скорости) определяется следук им образом: 4, Ub.4U:-. V, 5,,Ь Снимаемые С электродов разности по- и , и Ot тенциалов U Ч, ,А- Sifr поступают на измерительный блок, в котором производится их обработка и выделение выходных сигналов, пропорциональных компонентам вектора ско;)ости или векто- |ра пульсаций скорости измеряемых потоков. Сигналы, снимаемые с основных 1 4 и дополнительных 5 и 6 электродов, усиливаются усилителями 11-14, выхо ные напряжения которых соответственн равны: ; .,) ,,-). с выхода усилителя 12 напряжение, пропорциональное V , непосредственно подается на регистрирующее устройство 17. Коэффициенты усиления усилителей 1 13 и 14 подбираются таким образом, чтобы выполнялись условия . сумматорах 15 и 16 вырабатыва ются разности выходных напряжений ус лителей Ц, 13 и 11, 14. („к,-к,JK)v, S6 r%-- Si4- ( с выходов сумматоров 15 и 16 напряжения, пропорциональные Vy поступают на соответствующие регистри руйщие устройства 18 и 19. Таким образом, электромагнитный из меритель обеспечивает синхронное раз- дельное измерение трех составляЮ1Щих вектора скорости или вектора пульсаций скорости потока в одной точке. Кроме того, использование охватывающих кату ки возбуждения магнитных систем преобразователя осесимметричных ферромаг нитных магнитопроводов обеспечивает минимальные магнитные потоки утечки, чем практически полностью исключает возможность формирования электрически уравнительных токов в тьшьной части преобразователя, способных затекать в его рабочую область и искажать показания измерителя. Формула изобретения 1.Электромагнитный измеритель гидродинамических характеристик потока жидкости, содержащий кондукционный электромагнитный преобразователь из двух магнитных систем с взаимно перпендикулярными осями, размещенных в диэлектрическом сферическом корпусе -обтекателе, и четырех электродов, установпенных на поверхности обтекателя, блоки питания, преобразования и регистрации отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в электромагнитный преобразователь введены два дополнительных электрода, магнитопроводы каждой магнитной системы выполнены в виде стакана с центральным стержнем, основные электроды расположены в межполюсной области одной из магнитных систем, а дополнительные электроды расположены на поверхности обтекателя в межполюсной области второй магнитной системы. 2.Измеритель по п. 1, отличающий с я тем, что блок преобразования снабжен четырьмя усилителями и двумя сумматорами, при этом к двум первым усилителям подключены основные пары электродов, к третьему и четвертому дополнительная, вход первого сумматора соединен с выходами первого и третьего усилителей, вход второго сумматора - с выходами первого и четвертого усилителей, выходы же сумматоров и второго усилителя подключены к блоку регистрации. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство CiCCP № 396626, кл. ( 01 Р 5/08, 1970. 2.Патент США № 3161О47, кл. 73189, 1964 (прототип).

Фиг.г