RU2420743C1

RU2420743C1 - Device for measuring turbulent flow parametres of liquid (versions)

Info

Publication number: RU2420743C1
Application number: RU2009141903/28A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Васильевич Аржанников (RU); Анатолий Васильевич Аржанников; Алексей Анатольевич Васильев (RU); Алексей Анатольевич Васильев; Александр Ильич Логинов (RU); Александр Ильич Логинов; Кирилл Борисович Бойков (RU); Кирилл Борисович Бойков; Алексей Владимирович Проценко (RU); Алексей Владимирович Проценко
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Ассоциация предприятий морского приборостроения"
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-06-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: magnetic system (2) with alternating poles and two gaps in the working part is placed in the metal housing (1) of the device. Two measuring electrodes (4) which are connected to a differential amplifier are placed on insulating plates (5) over the surface of the magnetic system. The electrodes are in form of plates and their entire surface is coated with dielectric material (6). Gaps in the magnetic system can be filled with a substance with no ferromagnetic properties. In the version, the device has a streamlined shape and one gap in the working part of the magnetic system.

EFFECT: shorter warm-up time by excluding electrochemical action of the ambient liquid on measuring electrodes.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области измерений параметров движения, предназначено для исследования движения жидких сред и может быть использовано для измерения составляющих пульсаций вектора скорости потока жидкости, в частности пресной и морской воды при проведении гидрологических исследований.The invention relates to the field of measuring motion parameters, is intended to study the movement of liquid media and can be used to measure the components of the pulsations of the fluid flow velocity vector, in particular fresh and sea water during hydrological studies.

Известно устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (патент США №4308753, опубл. 5.01.1982), содержащее электроды, контактирующие с движущейся средой проводящей жидкости, образующие, по крайней мере, одну электродную пару, генератор магнитного поля с установленной в нем магнитной системой, состоящей из постоянного магнита, для создания магнитного поля, имеющего составляющую, расположенную ортогонально по отношению к линии, проходящей между электродами указанной пары и электромагнитные средства, содержащие катушку индуктивности, для избирательного изменения указанной ортогональной составляющей магнитного поля; а также средства управления, соединенные с электромагнитными средствами для приведения их в действие.A device for measuring the parameters of a turbulent fluid flow (US patent No. 4308753, publ. 5.01.1982) containing electrodes in contact with a moving medium of a conductive fluid, forming at least one electrode pair, a magnetic field generator with a magnetic system installed in it consisting of a permanent magnet, to create a magnetic field having a component located orthogonally with respect to the line passing between the electrodes of the specified pair and electromagnetic means containing an inductor coil tivities for selectively changing said orthogonal component of a magnetic field; as well as controls connected to electromagnetic means for driving them.

В процессе работы устройства, влияние электрохимических реакций, происходящих на поверхности электродов в процессе измерения, проявляется только на частоте изменения магнитного поля. Но, при этом, устройство имеет низкое пространственное разрешение вследствие того, что переменное магнитное поле создается катушками индуктивности, существенно увеличивающими габариты устройства.In the process of operation of the device, the influence of electrochemical reactions occurring on the surface of the electrodes during the measurement process is manifested only at the frequency of change of the magnetic field. But, at the same time, the device has a low spatial resolution due to the fact that an alternating magnetic field is created by inductors, which significantly increase the dimensions of the device.

Наиболее близким к заявляемому, по технической сущности, является устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости, устанавливаемое по направлению движения носителя (авторское свидетельство №755699, опубл. 30.10.1980), содержащее магнитную систему, образованную постоянными магнитами, с чередующимися полюсами, выполненную в виде тела вращения обтекаемой формы, установленного в металлическом корпусе. Зазоры магнитной системы заполнены диэлектриком и в них установлены измерительные электроды, подключенные к измерительному блоку. Измерительные электроды имеют стержневидную форму и установлены в зазорах магнитной системы. Магнитная система помещена в диэлектрический кожух, при этом торцевая поверхность измерительных электродов не защищена от контакта с электропроводной средой.Closest to the claimed, in technical essence, is a device for measuring the parameters of a turbulent fluid flow, installed in the direction of movement of the carrier (copyright certificate No. 755699, publ. 10/30/1980), containing a magnetic system formed by permanent magnets, with alternating poles, made in A streamlined body of rotation mounted in a metal casing. The gaps of the magnetic system are filled with a dielectric and measuring electrodes connected to the measuring unit are installed in them. The measuring electrodes are rod-shaped and installed in the gaps of the magnetic system. The magnetic system is placed in a dielectric casing, while the end surface of the measuring electrodes is not protected from contact with an electrically conductive medium.

Следствием электрохимических процессов, происходящих на открытых измерительных электродах, является большое время выхода на рабочий режим после помещения датчика в воду. Для данного устройства оно составляет в диапазоне высоких частот (от 1 Гц и выше) - около 2-х часов, на инфранизких частотах (от 0,03 Гц и ниже) - около суток.The consequence of electrochemical processes occurring on open measuring electrodes is a long time for reaching the operating mode after placing the sensor in water. For this device, it is in the range of high frequencies (from 1 Hz and above) - about 2 hours, at infra-low frequencies (from 0.03 Hz and below) - about a day.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в существенном сокращении времени выхода устройства на рабочий режим.The technical result of the claimed invention is to significantly reduce the time the device goes to operating mode.

Для достижения указанного технического результата, в устройстве для измерения параметров турбулентного потока жидкости, содержащем установленную в металлическом корпусе магнитную систему с чередующимися полюсами, по крайней мере, с двумя зазорами в рабочей части и, по крайней мере, два измерительных электрода, подключенных к измерительному электронному блоку, в соответствии с изобретением измерительные электроды выполнены в виде пластин и расположены над поверхностью магнитной системы на изоляционных пластинах, при этом вся поверхность измерительных электродов покрыта диэлектриком.To achieve the specified technical result, in a device for measuring the parameters of a turbulent fluid flow containing a magnetic system installed in a metal housing with alternating poles, at least two gaps in the working part and at least two measuring electrodes connected to a measuring electronic unit, in accordance with the invention, the measuring electrodes are made in the form of plates and are located above the surface of the magnetic system on the insulating plates, while the entire surface st measuring electrodes is covered with dielectric.

По второму варианту изобретения, имеющему тот же прототип, для достижения указанного технического результата в устройстве для измерения параметров турбулентного потока жидкости, имеющем обтекаемую форму, содержащем установленную в металлическом корпусе магнитную систему с одним зазором в рабочей части и, по крайней мере, два измерительных электрода, подключенных к измерительному электронному блоку, в соответствии с изобретением измерительные электроды выполнены в виде пластин и расположены на изоляционных пластинах над поверхностью магнитной системы, при этом вся поверхность измерительных электродов покрыта диэлектриком.According to a second embodiment of the invention having the same prototype, in order to achieve the indicated technical result in a device for measuring the parameters of a turbulent fluid flow having a streamlined shape, comprising a magnetic system installed in a metal housing with one gap in the working part and at least two measuring electrodes connected to the measuring electronic unit, in accordance with the invention, the measuring electrodes are made in the form of plates and are located on insulating plates above the surface the magnetic system, wherein the entire surface of the measuring electrodes is covered with dielectric.

Для повышения прочности устройств по обоим вариантам зазоры магнитной системы могут быть заполнены веществом, не обладающим ферромагнитными свойствами.To increase the strength of the devices in both cases, the gaps of the magnetic system can be filled with a substance that does not have ferromagnetic properties.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (вариант 1), осевое сечение;figure 1 - a device for measuring parameters of a turbulent fluid flow (option 1), axial section;

на фиг.2 - устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (вариант 1), поперечное сечение;figure 2 - a device for measuring parameters of a turbulent fluid flow (option 1), a cross section;

на фиг.3 - устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (вариант 2), осевое сечение;figure 3 - a device for measuring parameters of a turbulent fluid flow (option 2), axial section;

на фиг.4 - устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (вариант 2), поперечное сечениеfigure 4 - a device for measuring parameters of a turbulent fluid flow (option 2), cross section

На фиг.1, 2, 3, 4 обозначено:In figure 1, 2, 3, 4 indicated:

1 - корпус;1 - case;

2 - магнитная система;2 - magnetic system;

3 - зазоры магнитной системы;3 - gaps of the magnetic system;

4 - измерительные электроды;4 - measuring electrodes;

5 - изоляционные пластины;5 - insulating plates;

6 - диэлектрическое покрытие;6 - dielectric coating;

7 - измерительный электронный блок.7 - measuring electronic unit.

В первом варианте исполнения устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (фиг.1, 2) содержит металлический корпус 1, в котором установлена магнитная система 2 с чередующимися полюсами. В приведенном примере, магнитная система 2 имеет два зазора 3 в рабочей части. Над поверхностью магнитной системы 2 на изоляционных пластинах 5 расположены два измерительных электрода 4, подключенных к измерительному электронному блоку 7. Измерительные электроды 4 выполнены в виде пластин, и вся их поверхность покрыта диэлектриком 6.In the first embodiment, the device for measuring the parameters of the turbulent fluid flow (1, 2) comprises a metal housing 1 in which a magnetic system 2 with alternating poles is installed. In the above example, the magnetic system 2 has two gaps 3 in the working part. Above the surface of the magnetic system 2 on the insulating plates 5 there are two measuring electrodes 4 connected to the measuring electronic unit 7. The measuring electrodes 4 are made in the form of plates, and their entire surface is covered with a dielectric 6.

Для повышения механической прочности устройства, зазоры 3 магнитной системы 2 могут быть заполнены веществом, не обладающим ферромагнитными свойствами, например компаундом.To increase the mechanical strength of the device, the gaps 3 of the magnetic system 2 can be filled with a substance that does not have ferromagnetic properties, for example, a compound.

Зазоры 3 в рабочей части магнитной системы 2 предпочтительно выполняются в диаметральных плоскостях, что позволяет увеличить пороговую чувствительность устройства.The gaps 3 in the working part of the magnetic system 2 are preferably performed in diametrical planes, which allows to increase the threshold sensitivity of the device.

В качестве диэлектрика 6 может быть использован, например, полиуретановый лак. При этом диэлектрик 6 имеет минимальную, обусловленную технологическими возможностями толщину.As dielectric 6, for example, polyurethane varnish can be used. In this case, the dielectric 6 has a minimum thickness due to technological capabilities.

Измерительные электроды 4 выполнены из металла, не обладающего ферромагнитными свойствами, предпочтительно из меди.The measuring electrodes 4 are made of metal that does not have ferromagnetic properties, preferably copper.

Изоляционные пластины 5 выполнены, например, из стеклотекстолита.The insulating plates 5 are made, for example, of fiberglass.

В приведенном примере измерительный электронный блок 7 содержит дифференциальный усилитель, выходной сигнал которого, пропорциональный пульсации скорости турбулентного потока жидкости, измеряется, например, вольтметром.In the above example, the measuring electronic unit 7 contains a differential amplifier, the output signal of which, proportional to the pulsation of the velocity of the turbulent fluid flow, is measured, for example, with a voltmeter.

Кроме того, измерительный блок 7 может быть дополнен аналого-цифровым преобразователем и интерфейсом связи, обеспечивающими преобразование и передачу сигналов в цифровом виде в устройство обработки информации, например ЭВМ, для последующей обработки и определения значений параметров турбулентного потока.In addition, the measuring unit 7 can be supplemented by an analog-to-digital converter and a communication interface, providing the conversion and transmission of signals in digital form to an information processing device, such as a computer, for subsequent processing and determination of turbulent flow parameter values.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости устанавливается на подвижном носителе или на неподвижном, в потоке набегающей жидкости.A device for measuring the parameters of a turbulent fluid flow is mounted on a movable carrier or on a stationary, in the flow of incoming fluid.

Наличие диэлектрического покрытия 6 на измерительных электродах 4, выполненных в виде пластин, исключает любые электрохимические воздействия на измерительные электроды 4 со стороны окружающей устройство жидкости. Таким образом, достигается технический результат изобретения, поскольку устройство выходит на рабочий режим и начинает процесс измерения сразу после помещения его в поток электропроводной жидкости.The presence of a dielectric coating 6 on the measuring electrodes 4, made in the form of plates, eliminates any electrochemical effects on the measuring electrodes 4 from the side of the liquid surrounding the device. Thus, the technical result of the invention is achieved, since the device enters the operating mode and begins the measurement process immediately after placing it in the flow of electrically conductive liquid.

Напряжение, снимаемое с электродов 4 относительно металлического корпуса 1 устройства, обусловлено взаимодействием набегающего потока жидкости с магнитным полем рассеяния зазоров 3 магнитной системы 2. Разность потенциалов между измерительными электродами 4 пропорциональна измеряемой скорости потока жидкости.The voltage removed from the electrodes 4 relative to the metal housing 1 of the device is due to the interaction of the incident liquid flow with the magnetic field of the scattering of the gaps 3 of the magnetic system 2. The potential difference between the measuring electrodes 4 is proportional to the measured fluid flow rate.

Действительно, согласно закону электромагнитной индукции при взаимодействии потока электропроводной жидкости с магнитным полем (поле рассеяния зазоров 3 магнитной системы 2) образуется индуцированное электрическое поле, значение напряженности которого пропорционально скорости потока электропроводной жидкости. Индуцированное электрическое поле, воздействуя на заряженные ионы электропроводной жидкости, приводит к ионизации жидкости у диэлектрических поверхностей измерительных электродов 4, т.е. вызывает перераспределение зарядов между ними. Вследствие использования чередующихся полюсов магнитной системы 2, полярности измерительных электродов 4 противоположны по знаку, что позволяет, при их подключении к входам дифференциального усилителя измерительного электронного блока 7, на его выходе получить сигнал, пропорциональный разности потенциалов измерительных электродов 4, и соответственно сигнал, пропорциональный измеряемой скорости потока электропроводной жидкости.Indeed, according to the law of electromagnetic induction, when an electrically conductive fluid flow interacts with a magnetic field (the scattering field of gaps 3 of the magnetic system 2), an induced electric field is formed, the value of which is proportional to the flow velocity of the electrically conductive fluid. The induced electric field, acting on charged ions of an electrically conductive liquid, leads to ionization of the liquid at the dielectric surfaces of the measuring electrodes 4, i.e. causes a redistribution of charges between them. Due to the use of alternating poles of the magnetic system 2, the polarities of the measuring electrodes 4 are opposite in sign, which makes it possible, when connected to the inputs of a differential amplifier of the measuring electronic unit 7, to obtain a signal proportional to the potential difference of the measuring electrodes 4 and, accordingly, a signal proportional to the measured conductive fluid flow rates.

Турбулентные пульсации скорости имеют широкий спектр частотных составляющих, поэтому для их измерения требуется обеспечить широкополосное преобразование пульсаций скорости. Для снижения нижней граничной частоты частотного диапазона сигнала необходимо увеличивать площадь измерительных электродов, уменьшать толщину их диэлектрического покрытия и увеличивать входное сопротивление дифференциального усилителя. Для увеличения значения верхней граничной частоты частотного диапазона сигнала необходимо уменьшить размер зазора магнитной системы либо уменьшить площадь части измерительного электрода участвующей в выработке его потенциала.Turbulent velocity pulsations have a wide range of frequency components, therefore, for their measurement, it is necessary to provide broadband conversion of velocity pulsations. To reduce the lower cutoff frequency of the frequency range of the signal, it is necessary to increase the area of the measuring electrodes, reduce the thickness of their dielectric coating and increase the input impedance of the differential amplifier. To increase the value of the upper cutoff frequency of the frequency range of the signal, it is necessary to reduce the size of the gap of the magnetic system or reduce the area of the part of the measuring electrode involved in the development of its potential.

Устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (фиг.3, 4), имеющее обтекаемую форму, содержит металлический корпус 1, в котором установлена магнитная система 2. Магнитная система 2 имеет один зазор 3 в рабочей части. Над поверхностью магнитной системы 2 на изоляционных пластинах 5 расположены два измерительных электрода 4, подключенных к измерительному электронному блоку 7. Измерительные электроды 4 выполнены в виде пластин, и вся их поверхность покрыта диэлектриком 6.A device for measuring the parameters of the turbulent fluid flow (3, 4), having a streamlined shape, contains a metal housing 1 in which a magnetic system 2 is installed. Magnetic system 2 has one gap 3 in the working part. Above the surface of the magnetic system 2 on the insulating plates 5 there are two measuring electrodes 4 connected to the measuring electronic unit 7. The measuring electrodes 4 are made in the form of plates, and their entire surface is covered with a dielectric 6.

Зазоры 3 в рабочей части магнитной системы 2 предпочтительно выполняются в диаметральных плоскостях.The gaps 3 in the working part of the magnetic system 2 are preferably made in diametrical planes.

Технический результат при использовании данного устройства достигается аналогично устройству по первому варианту.The technical result when using this device is achieved similarly to the device according to the first embodiment.

Работа устройства осуществляется аналогично работе рассмотренного выше устройства. За исключением того, что противоположные по знаку потенциалы измерительных электродов 4 образуются не за счет чередующихся полюсов магнитной системы 2, а вследствие выполнения устройства обтекаемой формы и обязательной установки его в направлении набегающего потока. В результате чего обеспечивается осесимметричное обтекание, которое при неизменяющемся направлении магнитного поля создает разнополярную ионизацию жидкости у диэлектрических поверхностей 6 измерительных электродов 4.The operation of the device is carried out similarly to the operation of the above device. With the exception that the potentials of the measuring electrodes 4 opposite in sign are formed not due to the alternating poles of the magnetic system 2, but as a result of the streamlined device and its mandatory installation in the direction of the incident flow. As a result, an axisymmetric flow is ensured, which creates a bipolar ionization of the liquid at the dielectric surfaces 6 of the measuring electrodes 4 when the direction of the magnetic field remains unchanged.

Таким образом, описанный способ может использоваться для измерения составляющих пульсаций вектора скорости потока жидкости, в частности пресной и морской воды при проведении гидрологических исследований, с существенным сокращением времени выхода устройства на рабочий режим.Thus, the described method can be used to measure the components of the pulsations of the velocity vector of the fluid flow, in particular fresh and sea water during hydrological studies, with a significant reduction in the time the device enters the operating mode.

Представленные описание и чертеж позволяют реализовать способ с использованием известных средств, что характеризует изобретение как промышленно применимое.The presented description and drawing allow you to implement the method using known means, which characterizes the invention as industrially applicable.

Claims

1. Устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости, содержащее установленную в металлическом корпусе магнитную систему с чередующимися полюсами, по крайней мере, с двумя зазорами в рабочей части и, по крайней мере, два измерительных электрода, подключенные к дифференциальному усилителю, отличающееся тем, что измерительные электроды выполнены в виде пластин и расположены над поверхностью магнитной системы на изоляционных пластинах, при этом вся поверхность измерительных электродов покрыта диэлектриком.1. A device for measuring the parameters of a turbulent fluid flow, comprising a magnetic system mounted in a metal housing with alternating poles, at least two gaps in the working part and at least two measuring electrodes connected to a differential amplifier, characterized in that the measuring electrodes are made in the form of plates and are located above the surface of the magnetic system on insulating plates, while the entire surface of the measuring electrodes is coated with a dielectric.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зазоры магнитной системы заполнены веществом, не обладающим ферромагнитными свойствами.2. The device according to claim 1, characterized in that the gaps of the magnetic system are filled with a substance that does not have ferromagnetic properties.

3. Устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости, имеющее обтекаемую форму, содержащее установленную в металлическом корпусе магнитную систему с одним зазором в рабочей части и, по крайней мере, два измерительных электрода, подключенных к измерительному электронному блоку, отличающееся тем, что измерительные электроды выполнены в виде пластин и расположены на изоляционных пластинах над поверхностью магнитной системы, при этом вся поверхность измерительных электродов покрыта диэлектриком.3. A device for measuring the parameters of a turbulent fluid flow, having a streamlined shape, containing a magnetic system installed in a metal casing with one gap in the working part and at least two measuring electrodes connected to a measuring electronic unit, characterized in that the measuring electrodes are made in the form of plates and located on insulating plates above the surface of the magnetic system, while the entire surface of the measuring electrodes is coated with a dielectric.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что зазор магнитной системы заполнен веществом, не обладающим ферромагнитными свойствами. 4. The device according to claim 3, characterized in that the gap of the magnetic system is filled with a substance that does not have ferromagnetic properties.