RU1812502C - Первичный измерительный преобразователь вектора скорости течени - Google Patents

Abstract

Использование: измерительна  техника , определение вектора скорости течени  в геомагнитной системе координат. Сущность: преобразователь содержит корпус с установленным в нем электроприводом, на валу которого закреплен посто нный магнит, намагниченный перпендикул рно оси вращени , две взаимно перпендикул рные неподвижно закрепленные провод щие рамки. Посто нный магнит закреплен в держателе из немагнитного материала, имеющего плотность , равную плотности материала посто нного магнита. Держатель имеет смещенный в направлении вектора намагниченности посто нного магнита центр т жести. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  определени  вектора скорости течени  (ВС7) в геомагнитной системе координат, в измерител х скорости течени , где учет ориентации устройства позвол ет вычислить широтную и меридиональную составл ющие ВСТ.

Целью изобретени   вл етс  повышение информативности за счет возможности определени  направлени  течени  непосредственно в геомагнитной системе координат .

На фиг. 1 схематично изображен один из возможных вариантов выполнени  предлагаемого первичного измерительного преобразовател ; на фиг. 2 показана схема его включени  в устройство дл  определени  вектора скорости течени .

Первичный измерительный преобразователь содержит корпус 1, измерительные электроды 2, 3, держатель 4, посто нный магнит 5, привод 6, рамки 7, 8.

Дл  обеспечени  заданной разрешающей способности по ориентации (около 1°) кажда  рамка 7, 8 содержит по 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,05 мм, выбранным из услови  минимального сечени  обмотки и удобства намотки. Обмотки расположены в пазах цилиндрического каркаса из органического стекла (на фиг. не показан), внутри которого находитс  держатель 4, выполненный в виде тонкостенного латунного цилиндрического стакана с основанием и крышкой 9 (тонкие боковые стенки стакана на фиг. не показаны). Вал 10 привода 6, на котором жестко закреплен держатель 4, проходит через отверсти  в каркасе

00

ю ел о

го

обмотки к немагнитному подшипнику 11, закрепленному на внутренней поверхности электрода 2.

Посто нный магнит 5 выполнен самарий-кобальтового сплава в форме цилиндра , например, диаметром 20 мм и высотой 40 мм, вклеенного внутрь стакана держател  4. Магнит намагничен по радиусу цилиндра , перпендикул рно оси его вращени . Цилиндрический магнит 4 позвол ет получить правильную гармоническую форму сигнала с рамок 7, 8, что особенно важно, поскольку об изменении ориентации преобразовател  суд т по изменению формы сигнала с рамки за счет углового ускорени .

Электроды 2, 3 выполнены из титана или немагнитного, не подверженного вли нию морской воды сплава. Электроды 2, 3 закреплены на корпусе 1 и охватывают верхний и нижний торцы цилиндрического магнита 5 по окружност м, расположенным в перпендикул рных оси вращени  плоскост х этих торцов.

Корпус 1 представл ет собой цилиндр из изол ционного материала, например из компаунда, и соединен с электродами 2, 3 так, что образуетс  герметична  оболочка обтекаемой формы.

Вывод от электрода 2 проходит сквозь корпус 1 в плоскости рамки 8 дл  компенсации возможной квадратурной помехи.

Привод 6 представл ет собой, например , электродвигатель переменного тока с немагнитным ротором и статором из магни- том гкого материала, не содержащим посто нные магниты. Привод должен быть удален от магнита 5 на определенное рассто ние , с тем чтобы снизить момент сопротивлени  от взаимодействи  магнита и магнитом гкого материала двигател . Удаление от магнита должно составл ть не менее 5 см. Это рассто ние определ ют экспериментально с учетом момента трени  немагнитного подшипника 11 и сопротивле- ни  воздуха вращению держател  4, выполнен из латуни, немагнитного материала, имеющего такую же плотность, как и материал магнита 5 (самарий-кобальтовый сплав).

Держатель 4 выполнен со смещением его центра т жести относительно оси вращени  10. Величину смещени  центра т жести держател  4 определ ют из услови  приблизительного равенства (в пределах одного пор дка величин) моментов от геомагнитного пол  и силы т жести, что позвол ет различить эти моменты на фоне друг друга в заданном диапазоне измерений.

Смещение центра т жести держател  4 производ т в направлении вектора намагниченности магнита 5, например, путем сверлени  отверстий в основании держател  4 или в крышке 9 (отверсти  на фиг. 1 не показаны) параллельно вектору магнитной

индукции.

Устройство работает следующим образом .

С помощью электродвигател  7 магнит 5 с держателем 4 приводитс  во вращение

относительно оси вала 10 с частотой 10-30 Гц. Выбор этой частоты обусловлен стремлением к исключению пол ризационных процессов на измерительных электродах и верхней частотой исследуемых процессов.

Вращающийс  магнит5 создает магнитное поле с вектором индукции В, которое взаимодействует с потоком электропровод щей жидкости, движущимс  в плоскости XV со скоростью v, что вызывает электрическое поле с вектором напр женности Е BXv, которое, в свою очередь, вызывает напр жение U на электродах 2,3:

25

U - KEI sin (p,

(2)

где I 40 мм - рассто ние между электродами , соответствующее высоте магнита 5;

К - экспериментальный коэффициент, определ емый при градуировке и учитываю- щий концевые токи;

ф- угол между векторами В и v.

Из выражени  (6) при р 90°

Ivl

макс KBI

(3)

Направление v относительно рамок 7 и 8 определ етс  по соответствующей разности фаз сигналов с измерительных электродов и одной из рамок, т.к. момент двигател  (10 н.м.) значительно больше измер емых моментов и отклонени  формы сигналов от гармонической практически не наблюдаетс .

При наличии квадратурной помехи она устран етс  с помощью фазового детектора , подключаемого к измерительным электродам , или путем вычитани  сигнала с опорной рамки, э плоскости которой лежат

выводы от измерительных электродов, из сигнала с измерительных электродов в соответствующем масштабе. Масштаб выбираетс  из равенства нулю сигнала с измерительных электродов в отсутствие скорости течени .

Затем электропривод б отключают дл  исключени  реакции привода из измерительного уравнени , т.к. зависимость момента привода от скорости вращени  (механическа  характеристика) зависит от

многих факторов и носит по существу эмпирический характер.

Далее по измеренным ранее напр жени м Ux, Uy с опорных рамок 7, 8 дл  четырех положений вектора намагниченности, определ емых по пересечению им этих рамок дл  углов 0°, 90°, 180°, 270°, определ ют значени  угловой скорости (а дл  этих углов. Затем дифференцированием получают значение (Ь дл  углов # 0°, 90°, 180°,

А В

mrgy + IHy ;mrgx + fHx

(6)

(7)

10

Мсопр - const дл  данной ориентации устройства в течение одного оборота магнита;

дх,9у, Их, Ну - проекции силы т жести и напр женности геомагнитного пол  на оси X и Y св занной системы координат преобразовател .

Запишем выражение (5) дл  чр 0°, 90°,

270° и составл ют четыре измерительных 180 , 270 , т.е. дл  моментов пересечени 

(6)

(7)

Мсопр - const дл  данной ориентации устройства в течение одного оборота магнита;

дх,9у, Их, Ну - проекции силы т жести и напр женности геомагнитного пол  на оси X и Y св занной системы координат преобразовател .

Запишем выражение (5) дл  чр 0°, 90°,

уравнени , где неизвестными  вл ютс  углы наклона и направлени  наклона, а также момент трени . Из этих уравнений определ ют углы наклона и направлени  наклона оси вращени  магнита, которые полностью определ юториентацию преобразовател  в геомагнитной системе координат и позвол ют пересчитать ранее измеренный вектор скорости течени  в системе координат пре- образовател  в геомагнитную систему.

Измерительное уравнение в случае отключени  привода имеет вид:

(10 + mr2} У (mrgy 1НУ)cosif)-imrgx +

+ IHx)sinVV

где 1о - момент инерции магнита с держателем без смещени  центра т жести держател ;

m - суммарна  масса магнита и держател ;

г - смещение центра т жести магнита и держател  относительно оси вращени ;

«у-угловое ускорение вращени  магнита с держателем ;

9х, 9у - проекции ускорени  свободного падени  на оси X, Y св занной системы координат преобразовател ;

Нх, Ну - проекции напр женности геомагнитного пол  на оси X, Y св занной системы координат преобразовател ;

1р.- УГОЛ отклонени  вектора намагниченности посто нного магнита от оси X св занной системы координат преобразовател .

Перепишем выражение (4) в виде

I U A COS Sin 1р- Мсопр.

где I - приведенный момент инерции держател  с магнитом:

вектором намагниченности плоскости опорных рамок, которые фиксируютс  по нулево- -му сигналу с одной из опорных рамок.

(8)

(9)

(10)

(11)

15 20

25

Из выражений (8)....(11):

A(ftb )

Р((И27о- Оэо) 2

В

(12)

(13)

Углова  скорость (О дл  этих углов вычисл етс  по сигналам с опорных рамок, измеренным приборами с высоким входным сопротивлением 10-100 МОм. В момент времени, когда Uy О,

35

0)

U BS

(14)в момент времени, когда Ux О

со

Ц, BS

(15)

50

где В - индукци  посто нного магнита 5; -..... S - площадь рамки 7, 8. 45 Угловое ускорение Ф может быть получено дифференцированием угловой скорости.

Обозначим геомагнитную систему коор- динат:ось направлена на север, ось вертикально вверх, ось | на восток.

Дл  пересчета Н , Нл , 9- в систему координат воспользуемс  таблицей направл ющих косинусов.

71812502 f 8

где а- угол наклона оси вращени  Z;где п 100 - число витков рамки;

Д- угол направлени  наклона. ТогдаВ 0,2 Тл - индукци  посто нного Магнита ,

Hx-HbSlna-H- со$ a sin Д(16) угловое ускорение; ...... 5 Мтах 510 н.м, - максимальный гео- Ну Н. cosa+H.slnasIn (17) магнитный момент;

. I 5,4 10 ° кг-м - момент инерции де- gx -gcosaslnЈ (18) ржател  с магнитом;

д - угбл между вектором намагниченно- fy g slnasln/3(19) Ю сти и вектором напр женности геомагнит ного пол ; Преобразу  (16) и (18), получим . Аб-приращение этого угла.

Подставл   указанные значени  и пре- A (mrg + IH )sinasln#+Hs cosa (20). образу  выражение (26), получим .;.

B -(mrg + IH4)cosastn +H sina (21)до 1i6. 10..2 s}n АЈ.С08(5 )Из выражений(20)и(21)следует: ;

Дл  До .выраженного в радианах,  олsln/8 20 -

A-Htcosq; HfcSln«-B. А0 1,6-10-3cbs(5 + 4)в7рад. mrg+IH sina (m rg+1Н, )cos« Дд 2

(22) 25Таким образом, при минимальной чувИз выражени  (22):ствительности с одной рамки имеет место

.- .максимальна  чувствительность с другой

Acosa+Bsina IH.,(23) рамки.

В случае автономного устройства значеотсюда- 30 ни  U9, Ux, Uy занос тс  в запоминающее

RIH н-vVвlнлVг-fA 4. гirl нl .. ytf ройство или р .помощью микроЭВМ рас- . singu 81 ( )(i )считываютс  М,Ј, а, Д либо широтна  vm

. z. , Nл и меридиональна  Vm составл ющие v, что

Значение и уточн ют путем пОдстанов-позвол ет вместо дев ти значений за цикл

ки в (20), (21), (22), (23).35 измерений запирывать соответственно чеИтак , работа устройства заключаетс  втыре или два значени .

следующем:В случае непосредственной св зи с

1. Включают привод с частотой f 10-30ЭВМ возможно использование избыточной

Гц .информации дл  коррекции возможных сбо2 . Измер ют и запоминают иэ и Ux (или40 ев, векторное осреднение в зависимости от

yy)tчастоты процесса, использование других

3. Выключают приводформул (систем координат) дл  расчета и т.д,

4. Измер ют и запоминают Ux и Uy дл В сравнении с прототипом предлагачетырех положений магнита. .емый первичный измерительный преобПривод включают и выключают, напри-45 разователь обладает более высокой

2информативностью, т.к. позвол ет опредемер , через врем  .т - jл ть ориентацию преобразовател  в геомагЧувствительность устройства по скоро-нитной системе координат без введени 

сти течени  составл ет:дополнительного ориентирующего устрой .-.. 50 ства. Это позвол ет снизить габариты, вес,

U пкп оппл- А 1/г3 а/ / пглэнергопотребление погружаемого устройст- KBI г-0,5 0,2 0,04-410 В/м/с U5)ва включающего преобразователь вектора

скорости течени .

Чувствительность устройства по,углу за

врем  действи  ускорени  Лт 10с при- 55 Формул а изо б ре тени  близительно определитс  из выражени 

.Мтах л,г / j-A/sv- Первичный измерительный преобразо- . й Дг пВ5-j-Дт 8 п() + До)- ватель вектора скорости течени , содержа-sin 5 ,(26) Щий корпус с установленным в нем

электроприводом, на валу которого жестко закреплен посто нный магнит, намагниченный перпендикул рно оси вращени , неподвижно закрепленную провод щую рамку, охватывающую посто нный магнит, и измерительные электроды, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что с целью повышени  информативности за счет возможности определени  направлени  течени  в геомагнитной системе координат, в него введена втора  провод ща  рамка,закрепленна  в плоскости , перпендикул рной плоскости установки первой рамки, посто нный магнит установлен в держателе из немагнитного материала, плотность которого равна плот- ности материала посто нного магнита, при этом держатель выполнен со смещенным в направлении вектора намагниченности магФнг . I

нита центром т жести, причем смещение г определ етс  как

()УмН pVg

где Вг - остаточна  индукци  материала магнита.

fa- магнитна  посто нна ;

Не - коэрцитивна  сила материала магнита;

VM - объем магнита;

Н - напр женность горизонтального геомагнитного пол ;

р- плотность материала держател  или магнита;

V - обьем держател  с магнитом.

g - ускорение силы т жести.

ПЕРВИЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕШИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ

ИНТЕРФЕЙС

Фиг. 2