Устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 5 п 4 С 01 Р 5/О ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ниОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(56) Авторское свидетельство СССР У 679878, кл. С 01 Р 5/08, 1978.Авторское свидетельство СССР Р 775699, кл. С 01 Р 5/08, 1979 (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА ЖИДКОСТИ, содержащее магнитную систему с чередующимися полюсами, выполненную в виде тела вращения с зазорами, заполненными диэлектриком, в которых установлены две пары электродов, расположенные в вершинах квадрата, центр которого находится на оси тела вращения, а также измерительный блок, включающий схему сложения и две схемы вычитания, на входы которых подключены пары про 7 иволежащих электродов,801239604 А 1 о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью увеличения объема получаемойинформации, зазоры выполнены во взаимно перпендикулярных диаметральныхплоскостях, при этом в одном из нихсимметрично относительно оси телавращения установлена пара дополнительных электродов, а в измерительный блокдополнительно введены три дифференци-альных усилителя и корреляционный измеритель средней скорости, к входамдвух дополнительных дифференциальныхусилителей подключены по две пары противолежащих электродов, расположенныхв вершинах квадрата, выходы этих усилителей подключены к схеме сложения,к входу третьего дополнительногодифференциального усилителя подключены дополнительные электроды, на выходы корреляционного измерителя среднейскорости подключены выходы двух дифференциальных усилителей, к входамкоторых подключены основная и дополнительная пары электродов, размещенных в общем зазоре.1 12Изобретение относится к области из мерений параметров движения, предназначено для исследования движения жидких сред и может быть использовано для измерения вектора пульсаций и средней скорости турбулентного потока в одном объеме измерения,что обеспечивает принципиальную возможность вычисления пространственного масштаба турбулентности и анизотропии при проВедении гидрофизических исследований и изучении полей скорости водной среды морей, океанов и потоков в гидротехнических сооружениях.Известно устройство для измерения пульсаций скорости потоков жидкости, содержащее постоянный магнит и электроды, однако это устройство позволяет измерять только пульсационные характеристики потока 1 .Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устрой. ство для измерения параметров турбулентного потока жидкости, содержащее магнитную систему с чередующимися полюсами, выполненную в виде тела вращения с,цвумя зазорами в рабочей части, заполненными диэлектриком, на поверхности которого установлены четыре электрода, а измерительный блок содержит схемы сложения и вычитания, к которым подключены электроды.Реал".Ьное течение. жидкости - это трехмерное турбулентное движение, характеризуемое величиной вектора пульсаций скорости, пространственным масштабом и средней скоростью переноса, Таким образом, для полной характеристики турбулентного потока необходимы определение величины вектора пульсаций скорости, одновременное (в том же объеме) измерение средней скорости и вычисление пространст.венного масштаба.Известные устройства не предназначены для одновременного измерения трех компонент вектора пульсаций и средней скорости турбулетного потока и, следовательно, не обеспечивают возможности вычисления пространственного масштаба и анизотропии турбулентного потока.Цель изобретения - увеличение объема получаемой информации.Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем магнитную систему с чередующимися полюсами, выполненную в виде тела вращения с зазо 19604 2рами, наполненными диэлектриком, вкоторых усгановлвны цве пары электродов, размещенные в вершинах квадрата, центр которого находится наоси тел вращения, а также измерительный блок, включающий схему сложе.иия и две схемы вьиитания, на входыкоторых подключены пары противолежащих электродов, зазоры выполнены вовзаимно перпендикулярных диаметральных плоскостях, при этом в одном изних симметрично относительно оси тела вращения установлена пара дополнительных электродов, а в измеритель ный блок дополнительно введены три дифФеренциальных усилителя и корреляционный измеритель средней скорости,.к входам двух дополнительных,циффер нциальных усилителей подключены по о цве пары противолежащих электродов,расположенных в вершинах квадрата,выходы этих. усилителей подключены ксхеме сложения, к входу третьего дополнительного дифференциального усилителя подключены дополнительные электроды, на выходы корреляционного измерителя средней скорости подключенывыходы двух дифференциальных усилителей, к входам которых подключены основная и дополнительная пары электродов, размещенных в общем зазоре.На Фиг, 1 приведена блок-схемаустройства с первичным измерительнымпреобразователем; на фиг. 2 - магнитная система с указанием точек расположения электродов, вид спереди; нафиг, 3 - то же, вид сбоку; на фиг.4 -развернутая схема магнитной системыс линиями направлений магнитных потоков в полюсахи зазорах; на фиг.5 - 4 Сблок-схема корреляционного измерителясредней скорости; на фиг. б - осциллограммы сигналов с выходов усилителей.На корпусе 1 устройства размещеныэлектроды 2 - 7, которые подключены к входам дифференциальных усилителей 8 - 12, связанным с сумматором 13 и корреляционным измерителем 14. средней скорости. Измерительный блок так.же содержит усилители-ограничители 15 и 16, схемы 17 - 20 совпадения стандартный последовательный регистр 21 сдвИга счетчики 22 и 23, схему управления частотой генератора 24тактовых импульсов 24 и генератор 25 тактовых импульсов.Измерение компонент вектора пульсаций скорости производится в систеТ 4 3 5 уфгде К - постоянный коэффициент, имеющий размерность кг м/а, с (произведение магнитной индукции на расстояние), и сумма четырех электродов зователя.Устройство работает следующим образом.Примем, что вектор средней скорости потока (илинаправление движенияпервичного измерительного преобразователя) совпадает по направлению спродольной осью 1 системы координат, связанной с преобразователем,/Ч Ч 4/ + /+9/ = 2 КЧ,Так как величина суммы от перестановки слагаемых не меняется, то тогда сумма величин потенциалов электродов преобразователя, расположен" ных в одной диаметральной плоскости, пропорциональна величине продольной компоненты вектора пульсаций скорости Ч, а разности величин потенциаСледовательно, сумма потенциалов четырех электродов является выходным сигналом, пропорциональным продольной компоненте вектора пульсаций скорости Ч.,Измерение средней скорости потока в том же объеме, в котором измеряются компоненты вектора пульсаций, производится с помощью дополнительных электродов 6 и 7, установленных на расстоянии. 1 от электрода 2 и 4 в тех же зазорах, показанных на Фиг, 1 и 2, Сигналы на выходе дифференциального усилителя 12 (вход которого подключен к электродам 6 и 7) запаздыва. ют от сигналов усилителя 8 (вход которого подключен к электродам 2 и 4) на время Ь йпропорциональное средней скорости потока Ч . На фиг. 4 приведены осциллограммы сигналов с выходов усилителей 8 и 12 и показано 1 ремя запаздывания дс. Это время определяется простой зависимостью лов электродов в каждой из диаметральных плоскостей, совпадающих с осями и 2 , выбранной системы координат, соответственно пропорциональны компонентам Ч и Ч. Учитывая созданные направления полей в зазорах магнитной системы,(Фиг. 2) и направления векторов скорости обтекания, которые направленывдоль зазоров, мгновенные значения 25;потенциалов на электродах 2 и 4, 3 и 5 всегдаодинаковых знаков и на выЗО ходах дифференциальных усилителей 8 Фи 9, подключенных к этим электродам, сигналы пропорциональны разности потенциалов на входе, т.е. пропорциональны компонентам вектора Ч и Ч и являются выходными. 35Для получения сигнала, пропорционального компоненте вектора пульсации скорости Ч, применена схема двойного суммирования, Дифференциальныеусилители 10 и 11 подключены соответ О йсртогда средняя скорость измеряемогопотока определяется по формулеУС д ственно к электродам 2 и 3, 4 и 5,которые установлены в зазорах с различными (по отношению к обтекающему потоку) направлениями магнитных полей, и мгновенные значения потенциалов на электродах 2 и 3, 4 и 5 будутразличных знаков, следовательно, навыходах усилителей 10 и 11 сигналы Расстояние между парами электродов 2 и 4, 6 и 7 отсчитывается по направлению оси Х и его величина определяется следующим требованием. Величина задержки ЬС не должна превышать (Фиг. 4) половину периода Т мак. симальной частоты Йполосы пропус. кания усилителей 8 и 12. Тогда имеем1 ас Ч пропорциональны суммам входных сигна 50 55 лов (однако, эти суммы не пропорциональны компоненте Ч, так как электроды, подключенные к входам усилителей, находятся в разных диаметральных плоскостях). Сигналы с усилителей 10 и 11 поступают на вход сумматора 13, на выходе которого получимсумму потенциалов четырех электроТ су, щпг Ф щв гг дов, пропорциональную удвоенной велиз 1239604 4ме координат, две оси которой совпа- чине компоненты Ч, что подтверждаетдают по направлениям с осями зазоров, ся простыми формулами. Известно, чтоа третья - с продольной осью преобра 1239604Измерение средней скорости по времени запаздывания случайных сигналов полученных из различных точек движущейся среды, широко применяется н технике и, в частности, для измерения средней скорости проката металла.Таким образом, для измерения средней скорости турбулентного потока жидкости с помощью первичного измерительного преобразователя магнито- гидродинамического типа обтекаемой формы при установке в зазорах одной диаметральной плоскости по одному дополнительному .электроду может быть применена корреляционная схема измерения средней скорости потока.Для измерения средней скорости потока в предлагаемом устройстве ис-. пользуется корреляционныи измеритель скорости с дискретным полярным коррелятором, в котором в качеств блока переменной задержки применен регистр сдвига с переменной частотой тактовых (передвигающих) импульсов. 25Сущность работы такого измерителя средней скорости заключается в автоматическом слежении за перемещением максимума функции взаимной корреляции двух сигналов, полученных из разных точек движущейся среды, что соответствует измерению времени задержк 1 между сигналами с выходов усилителей 8 и 12.Рассмотрим последовательность про 35 хождения сигналов в блок-схеме и выработку выходного сигнала, пропорционального средней скорости потока. Сигналы с выходов дифференциальных усилителей 8 и 12 поступают на усили 4 О тели-ограничители 15 и 16, где преобразуются (клиппируются) в последовательности прямоугольных импульсов. Затем поступают на схемы 17 и 18 совпадений, на вторые входы которых пос. тупают короткие импульсы с генератора 25 тактовых импульсов. На выходах схем совпадения импульсы будут только в те моменты времени, когда последовательности прямоугольных импульсов усилителей 8 и 12 будут иметь.50 положительные значения. Импульсы со схемы 17 совпадения поступают на .стандартный последовательный регистр 19 сдвига, который выполняет Функцио блока переменной задержки. Регистр сдвига имеет два выхода, с которых импульсы поступают на две следующие схемы 20 и 21 совпадения, на вторые входы этих схем совпадения поступают импульсы канала усилителя 12, сдвину тые по времени на величину Ь. В схе мах 20 и 21 совпадения (осуществляющих Функцию перемножения) Фактически производится оценка (сравнение) величины задержки импульсов канала усилит ля 8 в рере два ь, с вел чиной задержки Ь, пропорциональной средней скорости потока. Разница в задержках с учетом знака (больше или меньше) определяется счетчиками 22 и 23, выходы которых подключены к схеме 24 управления частотой генератора 25 тактовых импульсов.Генератор тактовых импульсов по цепи обратной связи управляет величиной задержки в регистре сдвига. Управление производится таким образом, чтобы разница в задержках была равной пулю и это состояние автоматически поддерживается при изменении, т.е. средней скорости потока. При автоматическом слежении выполняется условиеЯлсроткуда следуетЬс ЯТ ГИР гигде Г - число ячеек регистра сдвига;Т " период частоты генераторатактовых импульсов;РС 1 - частота генератора тактовыхимпульсов;Е - постоянный коэффициент пропорциональности, равный исоответственно имеющий размерность длины, м.В результате средняя скорость потока в принятой схеме линейно опреде ляется частотой генератора тактовых импульсов. Постоянный коэффициент может быть вычислен по конструктивным параметрам,Таким образом, применение в устройстве магнитной системы с четырьмя зазсрами с принятым направлением магнитных полей и использование схемы двойного суммирования обеспечивает независимое измерение трех компонент вектора пульсаций скорости в выбранной системе координат, а установка дополнительных электэодов с корреля" ционным измерителем скорости обеспечивает одновременное измерение сред 7 12 ней скорости потока в том же объеме измерения.Независимость измерения трех компонент вектора пульсации скорости в выбранной системе координат обусловлена ее симметрией относительно зазоров. Отклонение вектора скорости относительно осив силу симметрии и совпадения осей с направлением зазоров вызывает изменение в разности потенциалов электродов, расположенных только по оси У , а отклонения относительно.оси 2 повлияют только на разность потенциалов элект 39 ббч 8родов осн Х , что равносильно появлению соответствующих компонент вектора пульсаций скорости,Предлагаемое устройство позволяетпутем изменения магнитной системы,добавления электронных блоков, уста. новки дополнительных электродов ивведения корреляционного измерителяскорости расширить его функциональщ ные возможности для измерения параметров турбулентного потока жидкостиизмерять среднюю скорость и обеспечи.вать возможность вычисления пространственяых масштабов и анизотропии.239 Ю 4 Составитель В. Назароедакэор Л. Гратилло Техред О.СопкоДемчик ррект Подписи омитета Соткрытий 4/ я н Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул тная,Заказ 3390/44ВНИИПИ Гпо дел113035, Моск Тираж 77 сударственного м изобретений и а, Ж, Раушск