Диссертация (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами), страница 6

типов), которые преобразуют его в электрический сигнал [1.35].Хотя механические преобразователи менее чувствительны к загрязнениям,чем термоанемометры, а их показания не столь восприимчивы кэлектромагнитному воздействию, как кондукционные анемометры, тем неменее, они получили лишь ограниченное применение в магнитнойгидродинамике [1.36 – 1.38].

Данное обстоятельство связано с низкимизначениями резонансных частот и достаточно большими (несколькомиллиметров) геометрическими размерами чувствительных элементов;последнее обусловлено желанием увеличить силу лобового сопротивления,посколькуприменяемыеиндукционногоилипреобразователиемкостноготипа)перемещенийобладают(обычно,недостаточнойминиатюрностью и чувствительностью [1.39 – 1.41].Результатыэлементарныхоценокпоказывают,чтопотокртути,движущийся со скоростью 10-1 м/с, воздействует на цилиндрический насадокдиаметром 5*10-5 м и длиной 10-3 м (т.е.

близкими к размерам нититермоанемометра) с силой ~ 3 *10-8 Н. Для измерения незначительныхперемещений чувствительных элементов под действием столь малойнагрузки наиболее приспособлены, на наш взгляд, датчики, основанные наволоконной оптике [1.42 – 1.49], включая преобразователи, предложенные вИВТАН [1.50 – 1.52]. Подобные датчики могут быть изготовлены достаточноминиатюрных размеров и обладать повышенной чувствительностью, аиспользуемая в них световая система передачи сигнала позволяет проводитьизмерения в широком частотном диапазоне. Кроме того, волоконно-33оптические преобразователи перемещений практически нечувствительны квоздействию внешних электромагнитных полей, что особенно важно припроведении магнитогидродинамических экспериментов.Первоначально волоконно-оптические преобразователи скорости ИВТАНразрабатывались для исследования потоков оптически прозрачных сред.

Так,в работах [1.50, 1.51] описан оптико-механический анемометр, позволяющийизмерять двекомпоненты скорости.Этот преобразователь являетсяпрототипом волоконно-оптического преобразователя скорости для жидкихметаллов [1.52, 1.53]. Следует отметить, что в перечисленных работахописаны лишь принцип действия и конструкция преобразователей, аметодические вопросы, связанные с обоснованием применения указанныхпреобразователей для исследования структуры потоков жидкого металла вних практически не рассматривались. Поэтому нами были выполненыисследования по изучению метрологических характеристик волоконнооптическихпреобразователейисозданиюизмерительнойметодики.Результаты этих исследований представлены ниже.1.2.2.

Разработка волоконно-оптической методики измерения скорости вжидких металлах 11.2.2.1. Принцип действия преобразователя, конструкция и методикаизмерения двух компонент скоростиПринцип действия и конструкция преобразователя скорости длянепрозрачных жидкостей поясняет рис. 1.4. Чувствительный элементпреобразователя представляет собой полый тонкостенный стеклянный конус1, в торцевой части которого жестко закреплен стеклянный указатель 2.Свободный конец указателя зачернен и расположен в воздушном зазоремежду двумя парами светопроводов, два из которых 3 и 4, оптически связаныс источником света 5, а два других 6 и 7 – с фотоприемниками 8 и 9.Светопроводыформируютввоздушномзазоредвавзаимноперпендикулярных луча света. В начальном положении (при нулевой1Основная часть результатов по разработке ВОИП, представленных в данном разделе работы, изложена вкандидатской диссертации соискателя [1.4] (науч.

рук. В.Г. Жилин) и монографии В.Г. Жилина [1.55].34скорости) указатель частично перекрывает оба этих луча. Под действиемскорости набегающего потока чувствительный элемент прогибается, ауказатель, меняя свое положение, изменяет количество света, попадающее вприемные световоды. Таким образом, значения электрических сигналов сфотоприемников функционально связаны со значениями двух компонентскорости набегающего потока.5348971106112Рис. 1.4.

Конструкция волоконно-оптического преобразователя скорости длянепрозрачных жидкостей. 1 – чувствительный элемент (конус); 2 – указатель; 3, 4 –осветительные световоды; 5 – источник света (фотодиод); 6, 7 – приемные световоды; 8, 9– приемники света (светодиоды); 10 – электронный блок формирования сигнала; 11 - блокобработки информации.Фотография датчика, сделанная с помощью оптического микроскопа,представленанарис.1.5.Характерныегеометрическиеразмерыпреобразователя следующие: диаметр конуса в торцевой части ~ 30 мкм и уоснования ~ 0.9 мм; диаметр указателя 25 мкм; длина указателя ~ 5 мм.Остановимся более подробно на описании работы волоконно-оптическогопреобразователя скорости для жидких металлов и его метрологическиххарактеристиках [1.54 – 1.70].35Рис.

1.5. Фотография опытного образца чувствительного элемента волоконно-оптическогопреобразователя скорости.Аналитическая связь между электрическими сигналами с фотоприемников(Ux, Uy) и двумя ортогональными компонентами скорости набегающего начувствительный элемент потока (wx и wy), может быть получена изследующих рассуждений. Перемещение указателядинамическимвоздействиемпотоканаr ,обусловленноечувствительныйэлемент,определяется соотношением:r  L sin   y ;(1-1)причем,  ql 3 / 6EI ; y  ql 4 / 8EI ,(1-2)где  – угол поворота торцевого сечения чувствительного элемента, а y - егопрогиб под действием равномерной нагрузки q; L – длина указателя; Е –модульупругостиматериалачувствительногоэлемента(стекла);I  d 4 (1   4 ) / 64 - момент инерции сечения чувствительного элемента;  отношение внутреннего и внешнего диаметров чувствительного элемента; l –длина чувствительного элемента.

Первый член в правой части соотношения(1-1) связан с поворотом торцевого сечения чувствительного элемента,второй – с перемещением конца (прогибом) чувствительного элемента,причем векторы r и q параллельны и направлены в противоположныестороны. Анализ показывает, что при всех ожидаемых режимах работы36преобразователя угол поворота его чувствительного элемента мал иsin(ql 3 / 6 EI )  ql 3 / 6 EI . Поэтому вместо (1-1) можно записатьr  C1q ,(1-3)где С1 – постоянная, определяемая материалом и размерами элементовконструкции чувствительного элемента преобразователя. Величина q припоперечномобтеканиицилиндрическогочувствительногоопределяется известной формулой [1.34] q  0.5C (Re) w w d ,элемента(1-4)где C(Re) – коэффициент лобового сопротивления поперечно-обтекаемогоцилиндра,  - плотность жидкости.

Значение С(Re) может быть определено вдиапазоне чисел Рейнольдса 1  Re  50 по интерполяционной формуле,описывающей опытные данные с погрешностью ±4 %C (Re)  5.06 /[lg( w d / ж )  0.6]1.36 ,(1-5)где  ж - кинематический коэффициент вязкости рабочей жидкости. Таким образом, зависимость r (w) может быть аппроксимирована формулой r  C 2 w w /(lg w  C3 ) ,(1-6)где С2 и С3 – постоянные величины.Две ортогональные компоненты вектора r ( rx , ry ) преобразуются двумяортогональнымипарамисветопроводовидвумянезависимымифотоприемниками в выходные напряжения Ux и Uy , по которым необходимоопределить две компоненты вектора скорости wx и wy.

Примем, чтокомпонента wx направлена вдоль осредненной скорости турбулентногопотока, причем как wx, так и wy перпендикулярны оси чувствительногоэлемента. Поскольку rx / r  wx / w ; ry / r  wy / w ; w  ( wx2  w2y )1/ 2 ,(1-7)то Ux=Ux(wx, wy) и Uy=Uy(wx, wy).

Таким образом, электрические сигналыобоих каналов преобразователя являются функциями wx и wy , и необходимо37найти наиболее простой способ определения wx и wy по измереннымзначениям величин Ux и Uy.321Wi rio3Wirnci2 riРис. 1.6. Волоконно-оптический преобразователь перемещения. 1 – осветительныйсветопровод; 2 – приемный светопровод; 3 – указатель.С целью более подробного анализа характерных зависимостей U i ( ri )рассмотримотдельноработуволоконно-оптическогопреобразователяперемещения (рис. 1.6). Непрозрачная часть указателя 3 перемещается взазоре между торцами осветительного 1 и приемного 2 светопроводов.

Приwi = 0 для света открыта незаштрихованная часть на рис. 1.6 часть сеченияприемного световода. При некотором значении скорости wi указательпереместится на величину ri . Это перемещение приведет к изменению (вданном случае к увеличению) светового потока в приемный световод 2 ивозрастанию электрического сигнала фотоприемника Ui. Принимая, чтоинтенсивность света по сечению луча постоянна и учитывая линейнуюзависимость электрического сигнала фотоприемника от светового потока, изпростых геометрических соображений получим:U i  Ciarccos(1  ri 0  ri )  (1  ri 0  ri ) 2(ri 0  ri )  (ri 02  ri 2 )arccos(1  ri 0 )  (1  ri 0 ) 2ri 0  ri 02.(1-8)Здесь U i  (U i  U i 0 ) / U i 0 , где Ui – сигнал i – го канала при скорости wi; Ui0 – тоже при wi = 0; ri 0  ri 0 / rnci ; ri  ri / rnci ; rnci – радиус приемного световода.38На рис.

1.7 приведены результаты расчета зависимостей U i ( ri ) поформуле (1-8) при различных значениях юстировочного параметра ri 0 .Видно, что в диапазоне 0.6  ri 0  1.4 и 0  ri  0.5 эта зависимость близка клинейной. Таким образом, при соответствующей юстировке (установке ri 0 впределах 0.6 ÷ 1.4) можно ожидать, что преобразователь перемещения невносит заметной нелинейности в суммарную характеристику Ui(wi) датчика.1.

2Ui0.60.8.0.81.01. 20. 4 r i r i0 = 1.40.00.00.20.40.6Рис. 1.7. Зависимость сигнала с фотоприемника от перемещения указателя. Точки – расчетпо формуле (1-8).Тогда согласно (1-4) и (1-5)w wxU x  C5 rx  C6(lg w  C4 )1.36U y  C 7 ry  C8U x w y / wx .(1-9)(1-10)Здесь величины С6 и С8 определяются только свойствами рабочей жидкостии параметрами преобразователя. Значение w определяется выражениемw  ( wx2  w2y )1/ 2  wx (1  w2y / wx2 )1/ 2 , и при небольшой степени турбулентностипотока можно с хорошим приближением считать, чтоw  wx .

Приw y / wx  0.3 это равенство выполняется с точностью 5 %. Таким образом,вместо (1-9) можно записатьU x  C9 wx2 /(lg wx  C4 ) .(1-11)Результаты расчетов зависимости Ui(wi) по формулам (1-8) и (1-11) длятрех значений ri 0 приведены на рис. 1.8. Расчеты выполнены для случая,39когда в качестве рабочей жидкости используется ртуть, а цилиндрическийэлемент имеет длину 1.5 мм, наружный диаметр d = 40 мкм и β = 0.9.