Устройство для измерения скорости течения жидкости Советский патент 1982 года по МПК G01P5/20 

(5А) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к устрой- ствам для измерения в натурных и лабораторных условиях местной скорости Q безнапорных и напорных потоках жидкости с малой электропроводностью, в том числе в природной воде. Известно устройство для измерения скорости течения воды, у которого в качестве чувствительного элемента используется движущийся |иарик из материала с удельным весом, равным удельному весу воды. Устройство состоит из замкнутой трубки , на одном из участков которой сделана продольная прорезь, внутри трубки помещен шарик, совершающий по ней движение со ,скоростью, соответствующей скорости движения обтекающего трубку потока К основным недостаткам безлопастного измерителя скорости относятся: искажение течения жидкости (как след ствие, искажение величины измеряемой скорости) передней частью корпуса измерителя и взаимодействие потока только с верхней половиной шарика, выход отработавшего потока в передней части корпуса устройства создает подпор и искажение течения в пределах рабочего участка канала (прорези); недостатйчная чувствительность к малым скоростям, неодинаковое влияние потока на скорость перемещения шарика при отклонениях измерителя в различных направлениях от направления течения жидкости. Наиболее близким к предлагаемому по принципу работы является устройство для измерения расхода жидкости, содержащее корпус, имеющий входное и выходное отверстия, проточный круговой канал с перемещающимся по нему шариком, преобразователь в виде индукционного или фотоэлектрического чувствительных элементов, расположенных на стенках кругового канала и измерительную схему 2, Однако известное устройство не пригодно для измерения локальных скоростей в потоке жидкости, и поэтому имеет иное назначение - измерение расхода жидкости в напорных трубах Это обусловлено тем, что,в случае измерения скорости жидкости в открытом потоке корпус и составные его элементы вызывали бы сильное искажение поля скоростей набегающего на расходомер потока , конструкция одностороннего выхода потока из расходомера создает большое гидравлическое сопротивление потоку и снижает чувствительность расходомера к малым скоростям, наличие внутри расходомера сплошных направляющих движения шарика оказывает дополнительное сопротивление его перемещению, необходимость применения металлического шарика также снижает чувствительность расходомера к малым скоросРям и повышает инерционность применяющаяся для регистрации перемещений 1уарика в расходомерах система требует расположения на внешней поверхности корпуса элементов с боль шими размерами и большим гидродинамическим сопротивлением потоку Целью изобретения является повышение чувствительности и точности пр измерении локальных скоростей открытых потоков, при минимальных искажениях устройством поля течения жидко. сти. Поставленная цель .достигается тем, что вход кругового канала распо ложен симметрично относительно продо ной оси устройства, снабжен направляющими и выполнен криволинейным в плане, выход снабжен криволинейноклиновидным рассекателем, причем пре образователь выполнен в виде расположенных в круговом канале анода и установленного напротив него дополни тельного электрода, соединенного с катодомJ находящимся в потоке жидкости вне устройства, через измеритель ную схему. Кроме того, шарик -выполнен с площадью миделевого сечения в 3- раза меньше площади живого сечения кругового канала, а в створе ,расположения дополнительного электро да установлены вертикальная и горизо тальная направляющие, на одной из ко торых расположен дополнительный элек род, причем криволинейный в плане ход кругового канала снабжен вертиальной разделительной пластиной, усановленной вдоль продольной оси устройства. На фиг, 1 изображено предлагаемое стройство, разрез, на фиг, 2 - то е в плане с электрической измерительной схемой; на фиг, 3 - устройство и возможные направления обтекания его потоком (в горизонтальной плоскости); на фиг, 4 - две кривые (а и б), полученные при испытаниях устройства на тарировочной установке, в диапазоне скоростей 3-250 см/с}, на фиг, 5 тарировочная кривая предлагаемого устройства,- на фиг 6 форма вертикальной направляющей на фиг. 7 - конструкция выходного устройства. Корпус 1 устройства выполнен обтекаемой формы Входящий в круговой канал 2 поток формируется криволинейными, в плане направляющими 3 и разделительной пластинкой (, В верхней и нижней крышках корпуса 1 устройства сделаны отверстия 5 через которые отработавшая жидкость вытекает, направляемая сюда криволинейноклиновидным рассекателем 6, Для возможности регистрации шага вращений шарика по круговому каналу 2 на его вертикальной стенке 7 и кри волинейно-клиновидном рассекателе 6 расположены электроды 8 и 9 с оголенными торцами во внутреннюю полость кругового канала. Эти электроды расположены на одной высоте от его дна на расстоянии радиуса шарика 10, Один из них, выполняющий роль анода 8, соединен через источник питания с катодом, располагаемым за пределами корпуса устройства во внешнем потоке, а второй электрод 9 является дополнительным (регистрирующим), соединенным через приборы регистрации электрических импульсов с катодом. Месторасположение дополнительного электрода 9 соответствует наиболее сильным Изменениям электрического поля при прохождении шарика 10. Дополнительный электрод 9 выдвинут в проточный круговой канал 2 в сторону анода В на горизонтальной направляющей 11, В этом же сечении в крьшке корпуса 1 сделана вертикальная направляющая 12 (фиг, 1 и 2),

Электрическая измерительная схема 13 состоит из источника 1/ питания, усилителя, счетного электронного устройства, таймера.

Принцип работы устройства состоит в следующем,,

Текущая жидкость, попадая во вход отжимается направляющими 3 к стенке кругового канала 2 и перемещается по нему в сторону выходных отверстий 5. Совершив круговой обход вокруг криволинейно-клиновидного рассекателя 6, жидкость направляется им в отверстия 5 в корпусе 1 устройства в направлении основного потока, Поскол ку в круговом канале 2 находится шарик 10, который может быть выполнен из материала с удельным весом, равHbiM удельному весу жидкости, то он совершает круговые перемещения вокру криволинейно-клиновидного рассекателя 6 со скоростью, пропорциональной скорости набегающего на устройство потока жидкости, В створе расположения анода 8 и дополнительного электрода 9 т,ео в створе регистрации прохождения, шарик 10 обжимается тонкими направляющими 11 и 12, которые оказывают очень небольшое сопротивление потоку. При прохождении шарика а створе дополнительного электрода 9 возникает изменение электрического поля, создаваемого анодом 8 и катодом 14, ив цепи регистрации формируется импульс тока, усиливаемый затем усилителем и регистрируемый электронным счетным устройством. Таймером задается интервал времни измерения.

Выполнение входа кругового канала с направляющими 3 т„е„ криволинейным в плане, обеспечивает меньшее давление в точке а по сравнению с точкой б кругового канала и беспрепятственный переход шарика через границу между входящим и выходящим рабочими потоками жидкости при малой скорости потока на входе устройства. Снабжение выхода кругового канала криволинейно-клиновидным рассекателем с разделением выходящего потока на две части позволяет обеспечить его организованный выход строго в направлении течения внешнего потока жидкости из кругового канала с минимальным сопротивлением.

Сочетание внешней и внутренней аэродинамических форм устройства с

предлагаемым конструктивным решением входа и выхода кругового канала позвляет обеспечить плавное обтекание устройства жидкостью и плавное (с минимальными потерями напора) ее протекание через устройство с достаточно равномерным перемещением шарика по круговому каналу и высокой чувствительностью к малым скоростям течения жидкости.

Установкадополнительного электрода позволяет существенно повысить чуствительность измерительной цепи к прохождению шарика у дополнительного электрода в створе его регистрации (при напряжении питания в цепи катод-анод 3 В эффект составляет 0,3 П,5 в).

Выполнение шарика с площадью миделевого сечения в раза меньшим площади живого сечения кругового канала снижает влияние вязкости жидкости на скорость, а следовательно, на свободное перемещение шарика по; круговому каналу, а установление выдвинутых в канал вертикальной и горизонтальной направляющих (фиг. 1 и 2) в створе расположения дополнительного электрода, размещенного на горизонтальной из них, позволяет сохранить чувствительность этого электрода к прохождению шарика, что дает возможность, получения устойчивых электрических импульсов (соответствующих прохождению шарика в регистрирующем створе),

Установка во входе кругового канала тонкой вертикальной разделительной пластинки (фиг. 2) ограниченной длины позволяет, при отклонении вектора скорости от продольного направления потока П-П в положительную (-bi) и в отрицательную (-ed) стороны (лиг. З) добиться симметричности изменения показаний измерительного устройства, т.е. продольной компоненты скорости (фиг. ). Такое свойство измерительного устройства очень важно для повышения точности измерения местных скоростей в потоках с повышенной турбулентностью, когда изменяется во времени не только величина скорости, но и направление течения жидкости.

Две кривые (фиг. k) характеризуют связь между относительной величиной продольной компоненты скорости О, определяемой через число оборотов шарика по тарировочной кривой (фиг.5 и углами обтекания устройства потоком (+ci) в случае наличия во входе разделительной пластинки А (кривая а) и ее отсутствия (кривая б). Здесь величина скорости прИ( (направление потока совпадает с продольной осью устройства), Отклонения кривой (а) от величины -r const не превыошёет 5. При отклонениях вектора скорости в Jиepтикaльнoй плоскости связь (ct) также соответствует данным, приведенным на фиг, 4, Сопоставление -кривых а и б позволяет легко оцените роль вертикальной разделительной пла стинки 4 во входе устройства, Таким образом, предлагаемое устройство имеет повышенную чувствитель ность к малым скоростям течения жидкости, обеспечивая надежные измерения местных скоростей от 3 см/с и выше в потоках с повышенной турбулентностью, в том числе в их придонной области. Проведенные испытания показали, что в диапазоне скоростей см/с связь между скоростью потока и число оборотов шарика линейная, Иллюстрацией этого является график на фиг.5 Попадающие в круговой канал измерительного устройства наносы выносилис через выпускные отверстия в его корпусе. Измерительное устройство простое в изготовлении и надежно в работе. Формула изобретения 1. Устройство для измерения скорости течения жидкости, содержащее корпус, имеющий входное и выходное о верстия, проточный круговой канал с перемещающимся по нему шариком, преобразователь и электрическую измерительную схему, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности при измерении локальных скоростей открытых потоков, вход кругового канала расположен симметрично относительно продольной оси устройства, снабжен направляющими и выполнен криволинейным в плане, выход снабжен криволинейноклиновидным рассекателем, причем преобразователь выполнен в виде расположенных в круговом канале анода и установленного напротив него дополнительного электрода, соединенного с катодом, находящимся в потоке жидкости вне устройства, через измерительную схему. 2о Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шарик выполнен с площадью миделевого сечения в раза меньшей площади живого сечения кругового канала, а в створе расположения дополнительного электрода установлены вертикальная и горизонтальная направляющие, на одной из Которых расположен дополнительный электрод. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения скорости в потоках с развитой турбулентностью и наличием скосов потока, вход кругового канала снабжен вертикальной разделительной пластиной, установленной вдоль продольной оси устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1„ Авторское свидетельство СССР f , кл. G 01 Р 5/20, 1962. 2, Патент Великобритании № 1 06039, кло П 1 R, 197ч (ПРОТОТИП).

I

fW/WWZ/ / yX/X

Y7/77 7//7//////7/

Фuf.f

Фс/г.З

too

-60 -ifS dO 15 0 15 3ff ffff Фиг./