Спосіб електричного вимірювання швидкості потоку рідини

Спосіб електричного вимірювання швидкості (витрат) потоку рідини шляхом виміряння і відношення струмів, що протікають у рідині, яка рухається у міжелектродному просторі, який відрізняється тим, що одночасно вимірюють в одному об'ємі рідини постійний струм, пропорційний провідності і швидкості потоку рідини, і змінний струм, пропорційний провідності, порівнюючи ці струми, визначають швидкість (витрати) потоку рідини. (19) (21) 97125978 (22) 10.12.1997 (24) 15.11.2000 (33) UA (46) 15.11.2000, Бюл. № 6, 2000 р. (72) Смирнитський Борис Васильович, Смирнитська Майя Борисівна (73) КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ 30051 фіг. 2. При нерухомій рідині у трубопроводі змінна напруга на компенсаційних електродах Е2-Е2 встановлюється резистором R такої величини, щоб зустрічно направлені магніторушійні сили i1W1 й i2W2 у диференційному трансформаторі 2Тр, збуджувані відповідно струмами і1 та і2, були рівні одна одній. Кількісний зв'язок змірюваних струмів і1 та і2 з r параметрами рідини v , g пояснюється таким чином. При нерухомій рідині в трубопроводі і прикладеній до робочих електродів постійній напрузі у міжелектродному просторі перетворювача витрат електрод - рідина - електрод під впливом електричного поля, струм, що протікає крізь поперечний перетин провідника (рідини) дорівнює r r dq = ò j dS. i= dt S У рідині носіями електричних зарядів є іони, розташовані в об'ємі рідини, отже: qp = ò r v dV, дини в безпосередній близькості від внутрішньої поверхні трубопроводу, у третьому варіанті в наслідок зміщення першого електрода проти потоку рідини і третього за потоком рідини відносно другого електрода, локальні кругові завихрення, що виникають у турбулентному потоці рідини, створюють на вимірюваних ділянках різні значення швидкості, більші чи менші відносно середньої швидкості потоку рідини крізь поперечний перетин трубопроводу. Метою винаходу є підвищення точності і незалежності результату вимірювання швидкості (витрат) потоку рідини від зміни провідності. Вказана мета досягається тим, що згідно із способом електричного вимірювання швидкості (витрат) потоку рідини одночасно вимірюють у одному об'ємі рідини постійний струм, пропорційний провідності і швидкості руху рідини і змінний струм, пропорційний провідності і, порівнюючи ці струми, визначають швидкість (витрати) потоку рідини. На фіг. 1 зображено пристрій, що реалізує спосіб вимірювання швидкості (витрат) потоку рідини шляхом вимірювання і відношення з допомогою вимірювальної схеми ВС струмів, які протікають у рідині, що рухається у міжелектродному просторі і перетворювач витрат ПВ, який містить два однакових за конструкцією комбінованих електроди, встановлюваних в отвори з діаметрально протилежних сторін трубопроводу й ізольованих від нього, урівень з внутрішньою поверхнею трубопроводу, при цьому кожен комбінований електрод складається з робочого електрода Е1 і компенсаційного електрода Е2, виготовлених з некорозійного металу і розділених ізоляційним шаром. До пари робочих електродів підводиться постійна напруга, до пари компенсаційних електродів - змінна. Експериментальні досліди показали, що поверхня стикання з рідиною компенсаційного електрода S2 повинна бути в 20-25 разів більшою відповідної поверхні S1 робочого електрода. Таке співвідношення поверхней стикання з рідиною компенсаційного до робочого дозволяє вимірювати змінний струм, який тече в міжелектродному просторі компенсаційний електрод - рідина - компенсаційний електрод, пропорційний провідності рідини і незалежний від швидкості її руху у тробопроводі. Спосіб здійснюють таким чином. При протіканні рідини в міжелектродному просторі комбінованих електродів (фіг. 1) у колі електрод Е1 - рідина – електрод Е1 тече постійний струм, пропорційний r провідності і середній швидкості руху рідини v і1=kvg у колі електрод Е2 - рідина - електрод Е2 тече змінний струм, пропорційний провідності g рідини і2=kg Шляхом порівняння цих струмів з допомогою вимірювальної схеми ВС i1 kgv = =v i2 kg визначають об'ємні витрати рідини. При нерухомій рідині у трубопроводі з допомогою вимірювальної схеми в колі компенсаційних електродів встановлюють струм і2 такої величини, щоб прилад, який реєструє витрати, показував нуль. Один з варіантів такої схеми показаний на v з умови неперервності вектора густини струму, який протікає крізь електрод – рідину r r r div j = div( jp + je ), (1) випливає, що коло струму провідності в електродах r v ie = ò je d S, Se у будь-який момент замикає коло струму в рідині r v ip = ò jpdS. Sp Тут Se, Sp - площі поперечного перетину електродів у рідині; rr je , j p - вектори густини струму відповідно в електродах і рідині. Таким чином з (1) маємо: r r dr v div je = -div jp = . dt Проінтегруємо останнє рівняння по об'єму V обмеженому поверхнею S r dr v (2) ò div je dV = ò dt dV, v v ліву частину якого перетворимо по теоремі Остроградського r r r ò div je dV = ò je dS, v Se а у правій частині винесемо диференціал за знак інтеграла dr d - ò V dV = - ò r v dV dt dt v v остаточно отримаємо dqp (3) ip = . dt Рівняння (3) показує, що струм в електродах і об'ємні заряди рідини не можуть задаватися незалежно один від одних. Об'ємні заряди у рідині qp переміщуються в міжелектродному просторі під впливом електричного поля, збудженого прикладеною до електродів 2 30051 постійною напругою, створюючи в міжелектродному просторі електричну рівновагу: r r Fe = qpE. (4) лу (4), яка діє на іон (носій електричного заряду), у міжелектродному просторі. У зв'язку з цим при швидкості рідини не рівної нулю сила потоку рідини буде більшою кулонівської сили при меншій швидкості руху рідини. Таким чином, зменшуючи поверхню стикання робочих електродів з рідиною, збільшуємо діапазон вимірювання витрат електропровідних рідин в бік малих витрат. З аналізу вище викладеного випливає, що струм у міжелектродному просторі пропорційний провідності і швидкості потоку рідини і1=gv. При цьому провідність рідини також залежить від зміни температури і концентрації. Для виміру витрат рідини необхідно встановити компенсаційні електроди, щоб струм, який тече крізь них, був пропорційний провідності рідини і не залежав від швидкості її руху (6) і2ºg. Це дозволить визначити витрати (швидкість) потоку рідини, як відношення цих струмів gv i =v Q= 1 º i2 v При протіканні змінного струму в рідкому середовищі іони здійснюють коливальні рухи у відповідності із зміною знаку заряду електродів. Можна збудити достатнє по частоті змінне електричне поле у рідині, яка рухається у міжелектродному просторі компенсаційних електродів, щоб швидкість зміни полярності на електродах була набагато вищою швидкості потоку. Якщо подати на електроди змінну напругу, то при протіканні змінного струму крізь подвійний електричний шар, його можна розглядати як електричну ємність e eS C= 0 e l з опором 1 Rc = , 2pfC де Se - площа поперечного перетину електрода на межі електрод - рідина, l - відстань між двома шарами зарядів, f - частота напруги живлення, Гц; С - ємність подвійного електричного шару, Ф. Таким чином, збільшуючи частоту і площу стикання з рідиною компенсаційних електродів, можна виключити вплив подвійного електричного шару на величину змінного струму. Омічний опір рідини змінному струму в міжелектродному просторі d Rpn = gS 2 буде визначатися провідністю рідини і площею стикання компенсаційних електродів з рідиною. Як показали досліди, площа стикання компенсаційних електродів з рідиною повинна бути у 20-25 разів більшою відповідної поверхні робочих електродів. Таким чином введення компенсаційних електродів змінного струму дозволить виконати вимогу (6). Проведені лабораторні і промислові дослідження електричного способу вимірювання витрат електропровідних рідин і пристрою для його здійснення показали високу надійність і точність, відсутність додаткових опорів потоку рідини дозволяє Величина струму буде залежати від кількості рухомих зарядів у міжелектродному просторі. Кількість носіїв зарядів залежить від провідності рідини. g=naq(b++b-), тут q - заряд іона, b+ i b- - рухомість іонів, a - коефіцієнт дисоціації, n - концентрація розчину. Рухомість іонів у рідині обмежена. Відомо, що найшвидший іон водню при Е=1 В/см має швидкість приблизно 12 см/год, що не порівняно із швидкістю потоку у трубопроводі. Отже, питома провідність є функцією добутку na. Згідно з формулою (3) на поверхні провідника, зануреного у рідину, виникає подвійний електричний шар разнойменних зарядів, який характеризується стрибком потенціалу j і своїм електричним полем Eпш=-gradj, направленим зустрічно основному. ЕРС подвійного електричного шару x r EPCпш = ò Eпшdx 0 згідно з методом про компенсацію можна замінити опором рідини подвійного електричного шару із струмом, який протікає назустріч цій ЕРС. Якщо швидкість рідини не дорівнює нулю, частина носіїв заряду у рідині виноситься силовим її потоком, що еквівалентно зміні опору рідкого провідника d Rp = gS e у міжелектродному просторі в залежності від r швидкості руху рідини v та її провідності g. Повний опір рідкого середовища при проходженні постійного струму складається з омічного опору рідини d Rp = gS e і опору, який виникає у подвійному електричному шарі Rпш=Rф, названного фарадеєвським; опори Rp і Rф порівняні. У цьому випадку струм у колі робочий електрод - рідина - робочий електрод дорівнює: U i= . (5) Rпш + Rp З рівняння (4) випливає, що струм залежить від кількості зарядів, які беруть участь у переносі, площини стикання електрода з рідиною, прикладеної напруги до електродів, провідності і швидкості руху рідини, відстані поміж електродами d (d внутрішній діаметр трубопроводу). Ємність і заряд подвійного електричного шару визначаються площею стикання електрода з рідиною і густиною струму на електроді. Отже, зменшуючи площину стикання робочих електродів з рідиною, можна отримати нерівність Rp>>Rпш. З іншого боку, зменшуючи поверхню стикання робочих електродів з рідиною, зменшуємо напруr женість електричного поля E і кулонівську си 3 30051 використовувати пропонований винахід у різних галузях промисловості у схемах контролю та регулювання витрат нейтральних і агресивних рідин із зависями, а також у схемах систем автоматичного керування технологічними процесами гідротранспорту. Фіг. 1 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4