Устройство для измерения параметров турбулентности потока электропроводной жидкости

(54) УСТРОЙСТ РАМЕТРОВ Т ЭЛЕКТРОПРО (54) Использов гидродинамике ров турбулентн мерения пул ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОВЛУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ свидетельство СССР .0 01 К 27/02.ВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАУРБУЛЕНТНОСТИ ПОТОКА ВОДНОЙ ЖИДКОСТИ ание: в экспериментальной для определения параметости, в океанологии для изьсаций скорости потока Изобретение относится к гидрофизйческим исследованиям и может найти применение в экспериментальной гидродинамике для определения параметров турбулентности, в океанологии для измерения в одной чувствительной зоне пульсаций скорости потока злектропроводной жидкости, удельной электропроводности и температуры и для исследования тонкой структуры вод океана, и является усовершенствованием известного устройства.По основному авт. св,М 1679338 известно устройство для измерения параметров турбулентности потока электропроводной жидкости, состоящего из четырехэлектродного первичного преобразователя, выполненного в виде тела вращения из покрытого диэлектриком постоянного магнита, в поперечном зазоре носовой части которого сим- . метрично относительно оси симметрии электроды расположены попарно, причем 2электропроводной жидкости, удельной электропровсдности и температуры, и для исследования тонкой структуры вод океана, Сущность изобретения; в автоматизированный измеритель кондуктометрического проточного типа дополнительно введей какал измерения температуры и ряд блоков вторичного преобразования сигнала, В связи с этим существенно расширя отся функциональные возможности устройства, так как стало возможным измерить в одной чувствительной зоне пульсации потока электропроводной жидкости, удельную электропроводность и температуру и по совокупности этих параметров определять пульсации солености и плотности при океанографических исследованиях, 2 ил внешние электроды являются измерительными, а внутренниетоковыми, дифференциального усилителя, входы которого подключены к измерительным электродам, первого фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход является йервым выходом устройства, полосового фильтра, вход которого соединен с выходом диффе-ренциального усилителя; первого 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 соединенс выходом управля10, 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 синхронныйдетектор 22, регулятор 23, четвертыйфильтр нижних частот 24, фильтр верхних частот 25, второй фильтр нижних частот 26, избирательный усилитель 27, первый преобразователь напряжение - ток 28, управляемый генератор 29,50 емого генератора, а выходы которого соеди- .нены с токовыми электродами, второго синхроннбго детектора, вход которогосоединен"с выходом управляемого генератора, компаратора, вход которого соединен 5с выходом управляемого генератора, а выход соединен с опорными входами первогои второго синхронйых"детектора, второгофильтра нижних частот и избирательногоусилителя,"входы котЪ)3 ьГхсоединейы с выходом второго"синхронногодетектора, а выходыявляются; соответствейно, вторым итретьим выходами устройства",Для вычйсления пульсаций плотности,потока теплаи переноса массы известное 15устройство можно применять только прималых, близких кнулю,значейиях пульсаций солености. Так как в экспериментальныхисследованиях пульсации- соленостйдостаточно частоне равны нулю, то это приводит кпогрешности определения пульса-.ций"плотности, йотока тепла и переносамассьСЦель изобретения - повышение точности из 4 ерений и расширение функциональных возможностей устройства за счетсовместных измерений в одной чувствительной зоне пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температуры.: - ;:, 30На фиг. 1 представлен первичный преобразователь; на фиг, 2 - функциональнаясхема предлагаемого устройства для измерения параметров турбулентности потока электропроводной жидкости, 35Устройство содержит термопреобразователь 1, установленныйсоосно оси сим.: метрии первичного преобразователя,вйполненного в виде тела вращения из постоянного магнита 2, покрытого диэлектриком 3, В поперечном зазоре(вид А) носовой части первичного преобразователя симметрично относительнооси симметриираспо ложены попарно измерительные 4, 5 итоковые 6, 7 электроды, Устройство содержит первый дифференциальный усилитель 8, второй преобразователь напряжение - ток 9, второй дифференциальный усилитель Термопреобразователь 1 установлен соосно оси симметрии четырехэлектродного 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, Одно- временно 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 опорного напряжения 15, Выход управляемого генератора 29 подключен к компаратору 20, выход которого подсоединен к опорным входам первого 16 и второго 22 синхронных детекторов, причем 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 термопреобразователя 1, которые соединены с входами второго дифференциального усилителя 10, 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 6 и 7 с двух выходов первого преобразователя 28 напряжение - ток подается переменный ток синусоидальной формы, величина которого определяется следующим соотношением;11 =. 02 я/В 1, где 02 о - выходное напряжение1755159 019 = 015+ 029 Йж К 1 Кз/н 1 5) Г 1 ропорцианально ин гегральный регулятор 23 осуществляетнепрерывное регули рооание выходного напряжения 029управляемого генератора 29 таким образом, чтобы поддерживать вйходное напряжение 019 сумматора 19 равным нулю, Поэтому выходное напряжение 029 управляемого ге О нератора определяется следующим соотношением,15 где А - кондуктивная постоянная преобразователя удельной злектропровадности; к - величина мгновенных зйачений удельной злектраправадности,Второй синхронйый детектор 22 осуще ствляет детектирование выходного напряжения О 29. Ега выходное напряжение прямо пропорционально значениям к," Второй фильтр нижних частот 26 выделяет и усиливает в КЛ раз средние значения кудельной 25 электраправадности, Его выходное напряжение 025 Определяется Следующим соотношением: 012 = К 1 К 2 Кпр Ч 1Р)30Первый паласовой фильтр 11 настроен на частоту выходного напряжения управля- емога генератора 29, Его выходное напряжение 011 определяется следующим соотношением: 35 где Кз - коэффициент усиления первого паласового фьра 11. 40Первый синхронный детектор 16 осуществляет детектирование выходного напряжения 011. Так как поступающий сигнал компаратора 20 на опорный вход первого синхронного детектора 16 и выходной сиг нал 029 управляемого генератора 29 синфазны, то однополярное выходное напряжение 015 первого синхронного детектора 16 определяется следующим соотношением; 50 015 =11 В К 1 Кз (4)Сумматор 19 осуществляет суммирование разнаполярных выходных напряжений 015 и 015, соответственно, первого синхрой наго детектора 16 и источника опорного на- пряжения 15, Его выходное напряжение 019 определяется следующим соотношением: управляемого генератора 29, Я 1 - токовый резистор первого преобразователя 28 напряжение - ток, Первый дифференциальный усилитель 8 измеряет и усиливает в К 1 раз разность патенциалао измерительных электродов 4 и 5, Выходное напряжение Ов первого дифференциального усилителя 8 определяется следующим соотношением: 08 = 11 (йж+ 1 Я И С К 1+ К 1 КпрЧ, (1) где Яж - активное сопротивление раствора электролита между токовыми электродами с - суммарная емкость двойного электрического слоя токовых электродов; в- круговая частота. выходного напряжения управляемого генератора 29; К,р - коэффициент преобразования пульсации скорости Ч в1 напряжение, С целью выделения второй составляющей соотношения (1) используется первый фильтр нижних частот 12, который усиливает эту составляющую в Кг раз. Выходное напряжение 012 первоо фильтра нижних частот 12, прямо пропорциональ- ное пульсациям скорости потока электро- проводной жидкости, определяется следующим соотношением: 011 =11 (Кж+ 1/О юс К 1 Кз, (3) 1-29 =-О 15 Й 1 к /(К 1 Кз А),025 = -015 В 1 К 1 к /(К 1 Кз А),Избирательный усилитель 27 выделяет и усиливает в К 5 раз пульсации удельной электрапроводностйк, Его выходное напряжение Ог 7 Определяется следующим соотношением: 027 = -О 15 К 1 К 5 к/К 1 Кз А). Коммутатор 17 вырабатывает двухполярный сигнал прямоугольной формы, который синфазен выходному сигналу, управляемого генератора 29, причем ега амплитуда равна либО 015 либО -015, Второй паласовой фильтр 13 также настроен на частоту выходного напряжения управляемого генератора 29. Поэтому ега выходное напряжение 01 з имеет синусаидальную форму, которое синфазно с напряжением 029. Второй преобразователь 9 напряжение - ток формирует так 12 синусоидальной формы, который 1 подается на выводы чувствительного элемента термопреабразователя 1 и определяется следующим соотношением, 12 = 015%2, где Вг - токовый резистор второго преобразователя 9 напряжение - так". Второй дифференциальный усилитель 10 измеряет и усиливает в К 5 раз напряжение на чувствительном элементе термопреабразавателя 1, который для исключения влилния сопротивления подВОдящих проводов Включен по четырехпроводной схеме, Выходное напряжение О 1 ю второго дифференциального усилителя 10 определяется следующим соотношением О 1 ю = 12 Вт Кб, где Вт - сопротивление чувствительного элемента термопреобразователя;:Третий синхронный детектор 14 осуществляет детектирование напряжения 01 ю. Так как опорный сигнал третьего синхронного детектора 14 синфазен с напряжением О 1 ю; то выходное однополярное напряжение О 14 третьего синхронного детектора прямо пропорционально значениям В Третий фильтр нижних частот 18 фильтрует напряжение Оц, причем его граничная частота, соответствующая уровню - 3 дБ, равна верхней граничной частоте избирательного усилителя 27, Так как сопротивление Вт чувствительного элемента термопреобразователя . является нелинейной функцией Вт = ФЯ от температуры Т, то для линеаризации этой зависимости применяется линеаризатор 21, на в: ройвход которого для формирования кусочно;линейной аппроксимации подключен источник опорного напряжения 15, Выходное напряжение 021 линеаризатора 21 определяется следующим соотношением;О 21 =- О 15 Кб Кт (Т - То)/В 2,гце Т - величина мгновенных значений температуры; То - значение температуры из ее диапазона измерений; Кт - коэффициент преобразования линеаризатора.Четвертый фильтр нижних,астот 24 выделяет и усиливает в К 7 раз среднлезначения температуры Т. Его выходное напряжение О 24 определяется следующим соотношением:О 24 = О 15 Кб Кт К 7 (Т-То)/В 2,(10)Фильтр верхних частот 25 выделяет и усиливает в К 8 раз пульсации температуры Т, причем его граничная частота равна нижней граничной частоте избирательного усилителя 27, Его выходное напряжение О 25 определяется следующим соотношением:О 25 = О 15 Кб Кт К 8 Т /В 2,Из соотношений (2), (8) и (11) видно, чтовыходные сигналы пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температуры не зависят друг от друга.Для того, чтобы исключить взаимноевлияние питающих токов псрвичного преобразователя пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температу 20 ры 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 соосно 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 термопреобразо.- вателя для повышения его быстродействия должен обмываться со всех сторон жидкостью, чтобы исключить влияние покрытого диэлектриком корпуса, а с другой стороны,термопреобразователлль должен быть максимально утопленным в коопус для того,чтобы он не оказывал влияния на первичныйпреобразователь пульсаций скорости потока, Именно поэтому, термопреобразовательуста:1 овлен так, что его чувствительный элемент расположен на внешней поверхностидиэлектрического покрытия первичногопоеобразователя,Б качестве термопреобразователя можно использовать термистор ГР 07, граничная частота 1, которого определяется изЮ,5 следующего соотношения Рт =.25,7 Ч , где Ч - безмерная величинасредней скорости перемещения первичного преобразователя, причем при Ч =- 1 м/с, б = 25,7 Гц. Так как 35 граничные волновь 1 е числа первичных преобразователей пульсаций скорости потока иудельной электропроводности составляютприблизительно 15,5 1/м, то для средних скоростей перемещения первичного преобразователя 0 - 4 м/с можно считать, что измеряемые параметры первичного преобразователя пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температуры имеют практически одинаковь 1 е полосЫ пропускания,Так как предлагаемое устройство можетизмерять 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 Я и пульсации плотностирпо следующим соотношениям; Я= а(к, Т) к+Д(к, Т) Т,р =- у ( к, 1 )с+ д ( к, Т) Т", 1 2) где а(к, Т), рЯ Т), у(к Т) и д(к,Т) -размерные коэффициенты, вычисляемые пошкале практической солености и уравнению состояния морской воды по средним значениям удельной электропроводности к и температуры Т, которые определяются, соответственно, по соотношениям 7) и (10), 5Формула изобретенияУстройство для измерения параметров турбулентности потока электропроводной жидкости по авт, св. М 1679338, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения 10 тоцности измерений и расширения функциональных возможностей устройства за счет совместных измерений в одной чувствительной зоне пульсаций скорости потока, удельной электропроводности и температу ры, в него введены термопреобразователь, второй преобразователь напряжение - ток,второй дифференциальный усилитель, трети синхронный детектор, линеаризатор, третий и четвертый фильтры нижних частот, 20 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 25 входом втсрого полосового фильтра, выход которого соединен с входом второго преобразователя напряжение - ток, выходы которого соединены с выводами чувствительного злемента 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 атом чувствительный элемент термопреобразователя расположей на внешней поверхности дизлектрического покрытия первичного преобразователя.Составитель Ю,КоршунаТехред М,Моргентал Редактор М.Повх орректор Л,Лук Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 1 Заказ 2888 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5