Електромагнітний вимірник компонент вектора швидкості течії електропровідної рідини

Реферат: Електромагнітний вимірник компонент вектора швидкості течії електропровідної рідини містить циліндричний міцний немагнітний корпус подовженої форми з заданим співвідношенням довжини та діаметра. У корпусі встановлений з можливістю обертання щодо його осі магнітний блок з принаймні двох пар постійних магнітів з полярністю, що чергується. Магніти орієнтовані так, що магнітне поле спрямоване вздовж осі обертання магнітного блока. На кожному з магнітів на його полюсах закріплені наконечники з магнітного матеріалу, вільні кінці яких утворюють зону концентрації магнітного поля. На корпусі, посередині його довжини, закріплені розташовані в рідині і підключені до блока електроніки принаймні дві пари електродів, робочі поверхні яких знаходяться в зоні концентрації магнітного поля на заданій відстані від вільних кінців наконечників. UA 105060 C2 (12) UA 105060 C2 UA 105060 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вимірювальної техніки, а саме до електромагнітних пристроїв для вимірювання параметрів вектора швидкості течії електропровідної рідини, і може бути використаний, наприклад, при проведенні гідрофізичних і гідродинамічних досліджень. Практично всі електромагнітні вимірювачі швидкості електропровідної рідини вимірюють проекції (компоненти) вектора швидкості течії на вісь між парою електродів, що знаходяться в магнітному полі. Швидкість, як така, потім визначається через компоненти вектора швидкості течії. А за допомогою датчиків витрати рідини фактично визначають швидкість потоку в будьякому каналі, а витрата обчислюється з урахуванням перерізу каналу. Найбільш затребуваний в Україну і в країнах СНД автономний прилад для тривалих досліджень поля швидкості течій в прісноводних басейнах і морях. Враховуючи специфіку тривалих вимірів швидкості і напряму течій в шельфовій зоні і, особливо, в прибережній області морів і прісноводних басейнів, прилад не повинен мати зовнішніх відносно до корпусу рухомих елементів вимірювального тракту, повинен бути стійким до дії абразивних частинок суспензії, яких дуже багато в прибійній зоні і які виносяться на значні відстані, бути корозієстійким відносно до морської води. Відомий Faraday effect speedometer [1] - вимірювач швидкості електропровідної рідини з використанням ефекту Фарадея, представлений на фіг. 1 (номера позицій узяті з [1]), який містить у собі набір магнітів 18 з чергуванням північного і південного полюсів, встановлений в корпусі 12 і пристосований для обертання через вал 20 двигуном 24, щоб створити змінне магнітне поле. Корпус прилягає до стінки судна 14 так, що магнітне поле поширюється в стінці судна і в рідині, по іншу сторону стінки судна. Електроди 16а-16с розміщені в стінці і знаходяться в магнітному полі. Чутлива котушка 30 ізольована від рідини і розташована зовні відносно до корпусу, таким чином, що реагує на змінне магнітне поле і управляє перемиканням сигналу. Потік рідини на зовнішній стінці судна при його руху змінює потенціал електродів, що забезпечує відповідний сигнал. Сигнали від чутливої котушки і електродів об'єднуються, щоб утворити сигнал, відповідний швидкості судна. Подібними з ознаками заявленого винаходу є такі ознаки аналога: циліндричний корпус з встановленим в ньому магнітним блоком з магнітів з полярністю, що чергується, і підключені до блока електроніки електроди, робочі поверхні яких розміщені в рідині в зоні поля магнітного блока. Головний недолік цього вимірника полягає в тому, що за призначенням він є судновим лагом і не може, в силу цього, застосовуватися як окремий вимірювальний прилад. Інші його недоліки: громіздка конструкція і невисока інтенсивність магнітного поля в робочій зоні вимірювання швидкості внаслідок застосованої орієнтації магнітів, коли магнітне поле перпендикулярне площині, на якій розташовані електроди, і відсутні його концентратори. В результаті цього не може бути забезпечена висока чутливість вимірника. Відомий Magnetic flow sensor [2] - магнітний датчик для вимірювання витрати потоку електропровідної рідини, який за сукупністю ознак є найбільш близьким до пропонованого винаходу і тому обраний як прототип [2, FIG 57]. Датчик представлений на фіг. 2 (номера позицій узяті з FIG 57A-57D прототипу) і включає: корпус 3701, розташований в потоці рідини 3722; принаймні дві пари постійних магнітів 3703, об'єднаних в магнітний блок 3702, розташований усередині корпусу для забезпечення магнітного потоку, ортогонального напрямку потоку рідини; привід 3707 механічного переміщення магнітів і чергування полярності магнітного потоку для отримання електричної перемінної напруги в рідині, що має величину, пропорційну швидкості потоку рідини; принаймні два електроди 3711 для контакту з рідиною і знімання напруги змінного струму, закріплені на корпусі і розташовані один проти одного на протилежних сторонах проточної частини перпендикулярно напрямку потоку рідини. Прототип має такі ознаки, подібні з суттєвими ознаками заявленого винаходу: циліндричний немагнітний корпус, в якому встановлений з можливістю обертання щодо його осі магнітний блок з принаймні двох пар постійних магнітів з полярністю, що чергується, і закріплені на корпусі підключені до блока електроніки кілька пар електродів, робочі поверхні яких розташовані в потоці рідини в зоні поля магнітного блока. Прототип при всій різноманітності його виконань (58 варіантів) має ряд суттєвих недоліків. (Зазначимо, що виконання за FIG 57D передбачає використання електромагнітів 3703', тому для створення сильного магнітного поля, з метою досягнення високої чутливості, вимагає величезного енергоспоживання, що категорично неприйнятно в умовах роботи вимірювача, що заявляється.) Недоліками прототипу є наступне: - установка електродів поблизу плоского дна корпусу прийнятна тільки при розташуванні датчика в будь-якому каналі, коли виключається набігання потоку на корпус під кутом, що 1 UA 105060 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 суттєво відрізняються від 90° щодо його осі, і утворення сильно турбулізованої області близько електродів, що спотворює поле швидкості потоку, внаслідок впливу переходу плоске дно циліндрична поверхня корпусу, але навіть при 90° цей перехід вносить серйозні викривлення потоку; - відсутність концентраторів магнітного поля, в силу вибраної орієнтації магнітів, і, як наслідок, знижена чутливість вимірювача; - надмірне число електродів при вимірюванні двох компонент вектора швидкості течії - вісім електродів, досить чотири; - мінімальне число магнітів для даного способу створення змінного магнітного поля - чотири магніти; більше число магнітів дозволяє зменшити швидкість обертання магнітної системи і знизити споживання енергії електродвигуном або, не змінюючи швидкість, збільшити частоту модуляції, що необхідно при великий часовий мінливості досліджуваного потоку. В основу винаходу поставлено задачу створення електромагнітного вимірювача компонент вектора швидкості електропровідної рідини з поліпшеними метрологічними характеристиками, сукупність суттєвих ознак якого забезпечує досягнення технічного результату - зменшення похибок вимірювань компонент вектора швидкості течії, що викликаються динамікою обтікання корпусу, і збільшення чутливості (роздільної здатності по рівню). Додатковим технічним результатом винаходу є поліпшення експлуатаційних властивостей вимірювача - поліпшення вагогабаритних характеристик, забезпечення малого енергоспоживання і корозійної стійкості, збільшення граничного гідростатичного тиску, забезпечення зносостійкості при наявності в рідині абразивних частинок. Поставлена задача вирішується тим, що в електромагнітному вимірнику компонент вектора швидкості течії електропровідної рідини, що містить циліндричний немагнітний корпус, в якому встановлений з можливістю обертання щодо його осі магнітний блок з принаймні двох пар постійних магнітів з полярністю, що чергується, і закріплені на корпусі підключені до блоку електроніки принаймні дві пари електродів, робочі поверхні яких розташовані в рідині в зоні поля магнітного блока, новим є те, що магніти орієнтовані так, що магнітне поле спрямоване вздовж осі обертання магнітного блока, на кожному з магнітів на його полюсах закріплені наконечники з магнітного матеріалу, вільні кінці яких розташовані на заданій відстані від робочих поверхонь електродів, які знаходяться посередині довжини корпусу в зоні концентрації магнітного поля, при цьому корпус має подовжену форму із співвідношенням довжини та діаметру, що забезпечує мінімальну похибку вимірювань, і виконаний з матеріалу, що забезпечує міцність корпусу під час океанографічних вимірах. При цьому переважно електроди виконані у вигляді розбірних ремонтно-придатних елементів, а в магнітному блоці передбачено осьовий отвір під прокладку провідників. Сутність винаходу пояснюється з посиланням на креслення (фіг. 3), на якому представлений загальний вид вимірювача в розрізі. Вимірювач містить циліндричний корпус 1, який виконаний з міцного немагнітного матеріалу, наприклад немагнітного металу, і має подовжену форму із заданим співвідношенням довжини та діаметра - наприклад, довжина в 4-6 разів перевищує діаметр. Виконання корпусу міцним забезпечує надійність роботи при океанографічних вимірах, а подовжена форма покращує  динаміку обтікання корпусу потоком. На кресленні стрілками U показаний вектор швидкості потоку рідини. У корпусі 1 встановлений з можливістю обертання щодо його осі магнітний блок у вигляді тіла обертання з пар постійних рівноспрямованих магнітів з рідкоземельних металів 2 з полярністю, що чергується, - вони орієнтовані так, що магнітне поле спрямоване вздовж осі обертання магнітного блока. В даному випадку магнітний блок виконаний у вигляді кільця і містить чотири пари магнітів 2 у вигляді його секторів, задана відстань між якими виключає їх взаємне ослаблення. На кресленні стрілками В показаний вектор індукції магнітного поля. На кожному з магнітів 2 на його полюсах закріплені полюсні наконечники 3 з магнітного матеріалу, наприклад, відпаленої стали Ст.3, у вигляді плоских накладок заданої товщини, які мають вільно виступаючі щодо магнітів кінці, що створюють зону концентрації магнітного поля. На кресленні круглими стрілками показано напрям магнітного поля, створюваного магнітами 2. На зовнішній поверхні корпусу 1 закріплені в його двох взаємно ортогональних осьових площинах дві пари електродів 4, які в даному випадку мають циліндричну форму і орієнтовані вздовж корпусу. Електроди встановлені так, що їх робочі поверхні знаходяться посередині довжини корпусу в зоні концентрації магнітного поля і на заданій відстані від вільних кінців полюсних наконечників 3. Електроди, в даному випадку, закріплені герметично в прохідних отворах металевого міцного корпусу та ізольовані від нього. Для виключення шунтування 2 UA 105060 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 корисного сигналу, що знімається з електродів, металевий міцний корпус в зоні розташування електродів має електроізоляційне покриття (лакофарбове або з діелектричної плівки). Розміщення робочих поверхонь електродів посередині подовженого корпусу дозволяє максимально зменшити викривлення поля швидкості течії в приелектродній області та правильно формувати діаграму спрямованості. Індукція магнітного поля може бути збільшена, наприклад, шляхом виконання на зовнішній стороні корпусу 1, що має значну товщину для роботи на великих глибинах, поблизу електродів 4, проточки, що дозволяє забезпечити необхідну відстань від зони максимального магнітного поля до рухомої провідної рідини. Таким чином, магнітний блок розміщений посередині довжини корпусу 1 і ділить його внутрішній простір на дві частини, в яких розміщені інші елементи вимірювача. Наприклад, в одній з частин знаходиться двигун 5, що обертає магнітний блок, наприклад, мікродвигун ІДР6М, і акумулятор 6 для живлення стабілізатора оборотів цього двигуна і блока електроніки, а в іншій частині - блок електроніки 7. Електричний зв'язок між елементами двох частин корпусу здійснюється провідниками. У разі вимоги оптимального використання внутрішнього простору корпусу - згідно заявленому винаходу в магнітному блоці передбачають наявність осьового отвору під прокладку провідників. Це досягається шляхом використання зубчастої передачі магнітний блок монтують на немагнітної основі 8, встановленої через пару шарикопідшипників 9 на порожнистому валу 10. Магнітний блок з'єднаний через зубчасту пару коліс 11 з двигуном 5. При океанографічних дослідженнях в прибережній зоні найбільш уразливими елементами вимірювача є електроди - існує ймовірність виходу їх з ладу. Тому винаходом пропонується можливість виконання їх у вигляді розбірних ремонтно-придатних елементів, які легко демонтуються і встановлюються, що покращує експлуатаційні якості вимірювача. Пристрій працює наступним чином. Мікродвигун 5 обертає магнітний блок з восьми магнітів 2 навколо його осі, внаслідок чого в приелектродній зоні вимірника на зовнішній стороні корпусу 1 в рухомої рідини виникає змінне по величині і знаку магнітне поле. При проходженні повз кожного з чотирьох електродів 4 області концентрованого, за допомогою полюсних наконечників 3, магнітного поля різного напрямку на електродах 4 виникають потенціали різного знака. Різниця змінних по знаку потенціалів кожної пари електродів 4 надходить на входи елементів блока електроніки 7 (на кресленні ці елементи блока не показані і позиціями не позначені) - диференціального інструментального підсилювача, а потім на смуговий фільтр і синхронний детектор. Синхронним детектором управляє датчик Холла 12, що визначає у кожний момент часу напрям магнітного поля, а значить і фазу змінної напруги, що надходить після посилення і фільтрації на синхронний детектор. Для виключення фазових спотворень сигналів, що фільтруються, швидкість обертання двигуна 5 підтримується постійною за допомогою електронного стабілізатора (на кресленні не показаний і не позначений). Заявником виготовлений експериментальний зразок запропонованого вимірника, який у випробуваннях добре себе проявив і підтвердив досягнення технічного результату винаходу. Джерела інформації: 1. Патент США № 3777561, МПК G 01 Ρ 5/08, опубл. 11.12.1973. 2. Патент США № 6085599, МПК G 01 F 1/58, опубл. 11.07.2000 - прототип. 45 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 1. Електромагнітний вимірник компонент вектора швидкості течії електропровідної рідини, що містить циліндричний немагнітний корпус, в якому встановлений з можливістю обертання щодо його осі магнітний блок з принаймні двох пар постійних магнітів з полярністю, що чергується, і закріплені на корпусі підключені до блока електроніки принаймні дві пари електродів, робочі поверхні яких розташовані в рідині в зоні поля магнітного блока, який відрізняється тим, що магніти орієнтовані так, що магнітне поле спрямоване вздовж осі обертання магнітного блока, на кожному з магнітів на його полюсах закріплені наконечники з магнітного матеріалу, вільні кінці яких розташовані на заданій відстані від робочих поверхонь електродів, які знаходяться посередині довжини корпусу в зоні концентрації магнітного поля, при цьому корпус має подовжену форму із співвідношенням довжини та діаметра, що забезпечує мінімальну похибку вимірювань, і виконаний з матеріалу, що забезпечує міцність корпусу під час океанографічних вимірів. 3 UA 105060 C2 2. Електромагнітний вимірник за п. 1, який відрізняється тим, що електроди виконані у вигляді розбірних ремонтно-придатних елементів. 3. Електромагнітний вимірник за п. 1, який відрізняється тим, що в магнітному блоці виконано осьовий отвір під провідники. 4 UA 105060 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5