EE05811B1 - Seade ja meetod vedelikuvooluga seotud parameetrite määramiseks - Google Patents

Abstract

Leiutise sisuks on seade ja meetod vedeliku voolamise parameetrite määramiseks anduriga, mis sisaldab ühest otsast mehaaniliselt elastse lüli kaudu korpuse külge kinnitatud piklikku silindrilist elementi ning sellega mehaaniliselt ühendatud vibratsiooniandurit ning vibratsioonianduriga elektriliselt ühendatud, korpusesse paigutatud andmehõivemoodulit, mis on seadistatud määrama vedelikuvoolu poolt silindrilises elemendis tekitatud võnkumise sageduskarakteristikut ning mõõdetud sageduskarakteristikust tuletama vedeliku voolamise kiiruse ja tüübi.

Description

Tehnikavaldkond

Käesolev leiutis kuulub hüdrotehniliste sensorite ja mõõtmismeetodite valdkonda, täpsemalt lahenduste hulka, mille abil määratakse vedeliku-, sh veevoolu kiirust jms vooluga seotud parameetreid, sh veekogudes ja torudes.

Töö on teostatud Euroopa Liidu Horizont 2020 raames toetatud Lakhsmi projekti nr 635568 rahastusel (vt www.lakhsmi.eu)

Tehnika tase

Vee voolamine on üldjuhul üldistatav ka teiste vedelike voolamisele. Patenditaotluses on kasutatud üldmõistet "vedelik" ka siis, kui kontekstist lähtudes on selge, et silmas peetakse vett.

Vedeliku voolamine jõgedes ja rannikul on kirjeldatav kiiruse, pööriselisuse ja rõhu kaudu üle laia aja-ruumilise skaala. Seetõttu pole otseselt võimalik fikseerida vedelikuvoolu kõikide füüsikaliste parameetrite muutumist. Selle asemel keskendutakse põhilistele, hüdrodünaamika seisukohalt olulistele parameetritele, nt põhjalähedasele voolukiirusele ja -suunale.

Vedeliku voolamisel väikestel kiirustel on vool pigem laminaarne, st vedeliku aineosadel on vaid ühtlane voolusuunaline kiirus; vedeliku laminaarset voolamist võib vaadelda paljude õhukeste vedelikukihtide libisemisena üksteise peal (vt ka fig 3). Turbulentne voolamine on selline vedeliku voolamine, kus aineosakesed moodustavad keeriseid, kuigi aine mass liigub voolu suunas (vt ka fig 4). Teatud kriitilise kiiruse juures hakkab hõõrdumine põhjustama keeriseid ja vool muutub turbulentseks. Üleminekut laminaarselt voolamiselt turbulentsele iseloomustab nn Reynoldsi arv:

Re =UL /v on väiksem kui Recrt ~ 500-2500, kus

Re - Reynoldsi arv, U - karakteristlik voolukiirus, L- voolamise pikkusmastaap ning vkinemaatiline viskoossus.

Looduslikes veekogudes üksnes laminaarset voolu peaaegu ei kohta.

Voolukiirusi määratase peamiselt vedeliku vooluhulga määramiseks. Voolamine on enamasti turbulentne ning mõõtmine põhineb turbulentse voolamise seaduspärastustel. Voolukiirus kõigub keskväärtuse ümber; õige tulemuse saamiseks on vaja mõõta teatud aja jooksul, nt 60 - 100 sekundi jooksul. Mõõtmiseks kasutatakse enamasti hüdromeetrilisi tiivikuid, aga ka ujukeid või elektromagnetilisi mõõteriistu. Samas on voolukiiruste ja voolu iseloomu määramine vajalik vees liikuvate objektide juhtimisel, samuti on võimalik vedelikuvoolu ära kasutada veesõidukite energiaallikana.

Tuntud on rõhusensoritel põhineva, kala küljejoonest (lateralis) inspireeritud anduri kasutamine voolu kiiruse hindamiseks piiratud vahemikus (0 kuni 0,5 m/s), milles neuromastist inspireeritud sensor kaldub voolus kuni 90 kraadi võrreldes ilma vooluta olekuga. Antud lahendusel võivad rõhuandurid kergelt määrduda ning saada rikutud veevoolus esinevate osakestega kokkupuutel.

Tuntud on US20140137664, mis kirjeldab mere põhja lõastatud ja ujukiga seadet, mis sisaldab akseleromeetrit lainetest tulenevat voolukiirust, ookeani voolusid, suhtelist lainekineetikat (relative swell kinetics), jms. Seade koosneb ujukist, selle küljes rippuvast akseleromeetrist, mis on köiega ankurdatud veekogu põhja, kusjuures akseleromeeter mõõdab ujuki kallet. See lahendus nõuab ujukit ning kinnitust veekogu põhja, mis teeb lahenduse paigaldamise keeruliseks.

Vaja on uudseid, lihtsa konstruktsiooniga andureid, mis sobivad vedelikuvoolu kiiruse jt parameetrite, näiteks voolu turbulentsuse ja nn Reynoldsi arvu määramiseks.

Leiutise olemus

Leiutisekohane seade sisaldab ühest otsast mehaaniliselt elastse lüli kaudu aluse külge kinnitatud piklikku silindrilist elementi ning sellega mehaaniliselt ühendatud vibratsiooniandurit ning vibratsioonianduriga elektriliselt ühendatud andmehõivemoodulit, mis on seadistatud määrama vedelikuvoolu poolt silindrilises elemendis tekitatud võnkumise sageduskarakteristikut ning mõõdetud sageduskarakteristikust tuletama voolu parameetrid, nt voolamise kiiruse, voolamise suuna, voolamise tüübi ning Reynoldsi numbri.

Eelistatult, vibratsioonianduriks on kiirendusandur (akseleromeeter ehk G-sensor).

Leiutisekohase meetodi kohaselt vedeliku voolamise parameetrid, sh voolu kiirus, voolu suund ja voolu tüüp (laminaame või turbulentne) määratakse voolu takistava keha meetodil, st vedelikku paigutatud, ühest otsast elastse lüli kaudu kinnitatud pikliku silindrilise keha vedelikuvoolus tekkiva võnkekarakteristiku järgi. Eelistatult määratakse voolu kiirus võnkekarakteristiku sagedusspektrist, eelistatult sagedusspektri amplituudi keskväärtuse järgi silindrilise keha süsteemi resonantssageduse piirkonnas.

Modifitseeritud meetodi kohaselt määratakse vedeliku voolamise parameetrid ühest otsast elastse lüli kaudu kinnitatud pikliku keha vedelikuvoolus põhjustatud kaldest gravitatsioonivektori suhtes ning pikliku silindrilise keha võnkumiskarakteristikust määratakse voolamise iseloomu muutus laminaarsest turbulentseks. Eelistatult määratakse voolamise iseloomu muutus laminaarsest turbulentseks resonentssageduse ilmemise järgi võnkumiskarakteristiku sagedusspektris.

Modifitseeritud meetodi kohaselt määratakse vedeliku laminaarse voolamise parameetrid pikliku keha vedelikuvoolus põhjustatud kaldest gravitatsioonivektori suhtes ning vedeliku turbulentse voolamise parameetrid keha võnkumiskarakteristiku kaudu.

Eelistatult määratakse silindrilise keha kalle ning võnkumine kehaga ühendatud ühe või enama akseleromeetriga (G-sensoriga). Eelistatult määratakse vedelikuvoolu suund mitmedimensionaalsete akseleromeetrite väljundsignaalide erinevuse kaudu.

Eelistatult määratakse gravitatsioonivektori suund täiendava, vedelikuvoolust sõltumatu staatilise paigutusega referenstmikromehaaniliste sensorite abil, eelistatult täiendava akseleromeetri abil.

Leiutisekohane seade võib olla paigaldatud veekogu põhja, piklik keha suunaga üles. Seade võib olla paigutatud vees asuvate tehniliste ehitiste külge, piklik keha suunaga üles või alla.

Leiutisekohase seadme paigalduskoha vibratsiooni kompenseeritakse seadmesse paigaldatud teiste mikromehaaniliste sensorite, nt akseleromeetrite, informatsiooni abil, mida ei mõjuta vedeliku voolamine.

Meetodi kohaselt kogutud andmeid töödeldakse vahetult seadmega ühendatud arvuti või mikroprotsessori abil või edastatakse töötlemiseks tsentraalsesse arvutisse või

pilveteenusesse.

Mitu leiutisekohast seadet võib grupeerida, et mõõta vedelikuvoolu parameetrid mitmes ruumipunktis ning seeläbi konstrueerida vedelikuvoolu parameetrite vektor või kahe- või kolmedimensionaalne kaart. Selliselt grupeeritud seadmed võivad paigaldamisel olla seadistatud lugema ja salvestama andmeid ettemääratud perioodilisusega või muu seaduspärasuse alusel ettemääratud ajavahemiku jooksul. Seadmed sünkroniseeritakse paigaldamisel ning eemaldatakse pärast ettemääratud ajavahemiku möödumist andmete lugemiseks.

Jooniste loetelu

Joonisel fig 1 on kujutatud leiutisekohane seadme esimese teostusnäite üldvaade.

Joonistel fig 2 ja 3 on kujutatud leiutise esimese teostusnäite külgvaated.

Joonisel fig 4 on kujutatud joonisel fig 3 tähistatud lõige A-A.

Joonised fig 5 ja fig 6 selgitavad vastavalt laminaarset ja turbulentset vedelikuvoolamist.

Joonis fig 7 kujutab joonisel fig 1 kujutatud seadme plastvarda voolusuunalise kaldenurga ruutkeskmise väärtuse sõltuvus vedelikuvoolu kiirusest (millest on eemaldatud korpuse ja plastvarda algasendi kaldenurga mõju) nii laminaarse kui turbulentse voolu piirkonnas.

Joonis fig 8 kujutab plastvarda võnkumise sagedusspektri amplituudi keskväärtuste (millest on eemaldatud korpuse võnkumisest tingitud signaali mõju) ja vedelikuvoolu kiiruse (0 kuni 0,5 m/s2) vahelist sõltuvust joonisel fig 1 kujutatud seadme teostusnäite korral.

Joonis fig 9 kujutab plastvarda kalde ruutkeskmiste sõltuvust vedelikuvoolu kiirustest koos vastavate Reynoldsi arvu väärtustega, kusjuures suurim standarhälve nähtub üleminekul laminaarselt voolamiselt turbulentsele voolamisele.

Joonis fig 10 kujutab kiire Fourier' teisenduse sagedusspektrit plastvarda ja korpuse vahelise kaldenurga vahelisest signaalist voolukiirustel 0-0,5 m/s 0,05 m/s sammuga. Teravad tipud graafikutel tekivad turbulentse vedelikuvoolu juures.

Joonised fig 11 kuni 13 näitavad leiutisekohase seadme erinevaid paigaldusjuhte.

Joonis fig 14 näitab leiutisekohastest seadmetest moodustatud liini;

Joonis fig 15 näitab leiutisekohastest seadmetest moodustatud võrku.

Leiutise teostusnäited

Leiutise esimese teostusnäite kohane andur 1 vedelikuvoolu parameetrite määramiseks on detailselt kujutatud joonistel fig 1 kuni 4 ning sisaldab piklikku silindrilist elementi 2, mis on ühest otsast kinnitatud elastse elemendi, nimelt teostusnäite kohaselt elastse membraani 3 külge, mis võimaldab silindrilisel elemendil voolus kalduda voolu suunas. Silindriline element on membraani kaudu mehaaniliselt sidestatud vibratsioonianduriga, nimelt esimese akseleomeetriga 4 (ka G-sensor). Membraan 3 on kinnitatud korpuse 5 külge läbi korpuse esimese seina 6, milles on selleks vastav avaus 7 ning membraani servad on korpuse 5 sees oleva klambri 8 abil surutud korpuse esimese seina vastu. Korpuse külge on kinnitatud teine akseleromeeter 9.

Katsetulemused

Joonistel fig 1 kuni 4 kujutatud seadme puhul valmistati piklik element ümmarguse ristlõikega jäigast plastvardast läbimõõduga 10 mm pikkusega 100 mm. Membraan valmistati silikoonist (Elite Double 22, Zhermack SpA). Paigaldamisel tekkivate ja muude korpuse võimalike kallete välistamiseks paigaldati korpuse külge teine akseleromeeter; mõõdeti varda ja korpuse kaldeid mõõtvate akseleromeetrite näitude vahet.

Akseleromeetrid ühendati 32 bitise ARM mikrokontrolleriga (ST Microelectronics) üle 400 kbps I2 C siini. Kalle x ja y telje suunas arvutati gravitatsioonivektori ja arctan funktsiooni abil, eeldati, et varras ei pöörle z-telje ümber ning vedeliku turbulentsi muutusest tingitud müra mõju kõrvaldati väljundsignaali ajakeskmistamise läbi.

Sensorit testiti voolutunnelis mõõtmetega 0,5 m x 0,5 m x 1,5 m, kus tagati ühtlane ja kalibreeritud kiirusega vedeliku vool. Sensor paigaldati tunneli põhja, keskele. Viidi läbi eksperimendid voolukiiruse 0,05 m/s sammudega maksimumkiirusega 0,5 m/s. Iga voolukiirust hoiti stabiilsena ning andmeid salvestati 30 s jooksul.

Katsetulemused on näidatud joonistel fig 7 kuni 10. Valitud parameetritega (pikliku

elemendi pikkus, läbimõõt, membraani suurus, paksus, elastsus) seadme puhul muutub selle käitumine vedelikuvoolu kiirusel 0,25 m/s. Elemendi kaldenurga α (vt fig 2) sõltuvus vedelikuvoolu kiiruste ruutkeskmistest (kusjuures algnihked on elimineeritud teise akseleromeetri abil) on kujutatud joonisel fig 7. Kiirustel kuni 0,25 m/s on tegemist ruutsõltuvusega (korrelatsioonikordaja R2 = 0,9987), kiirustel 0,25 m/s kuni 0,5m/s aga lineaarse sõltuvusega (R2 = 0,9913). Muutus on tingitud üleminekust turbulentsele voolamisele. Turbulentne voolamine tekitab elemendist ja membraanist koosnevas süsteemis igale voolukiirusele iseloomuliku võnkumise, mida mõjutavad eelkõige vedeliku vool, elemendi ujuvus ning membraani jäikus.

Võnketulemuste spektraalanalüüs kiire Fourieri teisendusega on kujutatud joonisel fig 10. Kiirusel üle 0,3 m/s ilmnevad eristuvad sagedustipud. Keskmistatud amplituud kasvab voolukiiruse suurenemisel, kusjuures kehtib ruutsõltuvus (R2 = 0,9913).

Seadme eri käitumised kahe voolurežiimi puhul on näha ka võnkumiste standardhälvetest, mis on suurim üleminekul laminaarselt voolamiselt turbulentsele voolamisele (vastav Reynoldsi arv üle 2000), vt joonis fig 9.

Vedelikuvoolamise kiirust võib seadmega määrata kahel viisil. Esiteks võib määrata voolamise kiiruse elemendi kalde järgi, kusjuures võnkumisspektri spektraalanalüüsil ilmnevate sagedustippude olemasolu järgi määratakse ruut- või lineaarse sõltuvuse piirkond. Teine võimalus on kasutada ruutsõltuvust sagedusspektri amplituudi keskväärtuste ja voolukiiruse vahel. Parima tulemuse võib aga anda kirjeldatud kahe viisi kombineerimine.

Piklikust silindrilisest elemendist ja elastsest lülist moodustatud võnkesüsteemi parameetrite, sh silindrilise elemendi jäikuse ning läbimõõdu ja pikkuse ning membraani mõõtmete ja elastsuse valikuga saab muuta võnkesüsteemi käitumist nii laminaarses kui turbulentses voolus. Pehmem membraan võimaldab piklikul elemendil laminaarses voolus rohkem kalduda, andes suurema tundlikkuse. Samuti on pehmema membraaniga süsteem tundlikum laminaarselt turbulentsele voolamisele ülemineku tuvastamisel.

Leiutisekohase seadme paigaldamisel võib piklik element gravitatsioonivektori suhtes jääda eri asenditesse, nt suunatuna alla (fig 11), üles (fig 12) või kaldu (fig 13). Kalde arvessevõtmiseks on seadme korpus varustatud teise akseleromeetriga. Teine

akseleromeeter võimaldab ka elimineerida paigaldusaluse vibratsioonist tekkida võivat viga.

Joonistel fig 14 ja fig 15 on kujutatud vastavalt mõõteliin 11 ja võrk 13, mis omavahel elektriliselt ja mehaaniliselt ühenduse 12 abil ühendatud leiutisekohaseid seadmeid mõõtmiste korraldamiseks mitmes ruumipunktis, võimaldades konstrueerida vooluparameetrite vektor või kahe- või kolmedimensionaalne kaart. Selliselt grupeeritud seadmed võivad paigaldamisel olla seadistatud lugema ja salvestama andmeid ettemääratud perioodilisusega või muu seaduspärasuse alusel ettemääratud ajavahemiku jooksul. Seadmed sünkroniseeritakse paigaldamisel ning eemaldatakse pärast ettemääratud ajavahemiku möödumist andmete lugemiseks.

Käesolevad teostusnäited on mõeldud üksnes leiutise illustreerimiseks. Leiutise muud variatsioonid ja modifikatsioonid, näiteks teistsuguse kujuga ja teisiti dimensioneeritud voolu takistavate kehade kasutamine ning teistsuguste tehnika tasemest tuntud andurite kaustamine on iseenesestmõistetavad vastava ala asjatundjatele ilma, et need erineksid kirjeldatud leiutise olemusest.

Claims (20)

1. 1. Seade vedelikuvooluga seotud parameetrite määramiseks, mis sisaldab vibratsiooniandurit ja sellega elektriliselt ühendatud andmehõivemoodulit, mis erineb selle poolest, et vibratsiooniandur on mehaaniliselt ühendatud ühest otsast mehaaniliselt elastse lüli kaudu korpuse külge kinnitatud pikliku silindrilise elemendiga ning korpusesse paigutatud andmehõivemoodul on seadistatud määrama vedelikuvoolu poolt piklikus silindrilises elemendis tekitatud võnkumise sageduskarakteristikut ning mõõdetud sageduskarakteristikust tuletama vedeliku voolamise kiiruse ja tüübi.
2. 2. Seade vastavalt nõudluspunktile 1, mis erineb selle poolest, et vibratsioonianduriks on akseleromeeter.
3. 3. Seade vastavalt nõudluspunktidele 1 kuni 2, mis erineb selle poolest, et silindriline element on jäik plastvarras.
4. 4. Seade vastavalt nõudluspunktidele 1 kuni 3, mis erineb selle poolest, et elastne lüli on elastsest materjalist membraan.
5. 5. Seade vastavalt nõudluspunktidele 1 kuni 4, mis erineb selle poolest, et sisaldab korpuse külge kinnitatud teist akseleromeetrit seadme kalde ja võnkumise määramiseks.
6. 6. Meetod vedelikuvooluga seotud parameetrite määramiseks veekogudes ja torustikes, milles vedelikku viiakse andur, mis sisaldab voolu takistavat keha ning sellega ühendatud esimest akseleromeetrit, esimese akseleromeetri abil määratakse keha võnkekarakteristik ning võnkekarakteristiku sagedusspektrist määratakse vedeliku vooluparameetrid.
7. 7. Meetod vastavalt nõudluspunktile 6, mis erineb selle poolest, et vooluparameetrid on vedeliku kiirus ja tüüp.
8. 8. Meetod vastavalt nõudluspunktidele 6 kuni 7, mis erineb selle poolest, et voolu takistav keha on ühest otsast elastse lüli kaudu kinnitatud piklik silindriline keha.
9. 9. Meetod vastavalt nõudluspunktile 8, mis erineb selle poolest, et elastne lüli on membraan.
10. 10. Meetod vastavalt nõudluspunktidele 6 kuni 9, mis erineb selle poolest, et voolu kiirus ja tüüp määratakse keha sagedusspektri amplituudi keskväärtuse järgi silindrilise keha süsteemi resonantssageduse piirkonnas.
11. 11. Meetod vastavalt nõudluspunktidele 7 kuni 10, mis erineb selle poolest, et vedeliku voolamise parameetrid, sh voolu kiirus ja suund määratakse vedeliku voolamisest tingitud pikliku silindrilise keha ja gravitatsioonivektori vahelises nurga mõõtmisega akseleromeetri abil ning voolamise tüüp määratakse võnkumise sagedusspektris amplituudi keskväärtuse tippude olemasolu järgi.
12. 12. Meetod vastavalt nõudluspunktile 11, mis erineb selle poolest, et vedelikuvoolu suund määratakse mitmedimensionaalsete akseleromeetrite valjundsignaalide erinevuse kaudu.
13. 13. Meetod vastavalt nõudluspunktidele 8 kuni 12, mis erineb selle poolest, et andur on paigutatud veekogu või torustiku põhja, kusjuures piklik silindriline element on suunatud üles.
14. 14. Meetod vastavalt nõudluspunktidele 8 kuni 12, mis erineb selle poolest, et andur on paigutatud vees asuvate tehniliste ehitiste külge, kusjuures piklik silindriline element on suunatud allapoole.
15. 15. Meetod vastavalt nõudluspunktidele 8 kuni 14, mis erineb selle poolest, et pikliku silindrilise elemendi algkalle gravitatsioonivektori suhtes korrigeeritakse sensori korpuse külge kinnitatud staatilise paigutusega teise akseleromeetri abil, mida ei mõjuta määratav vedelikuvool.
16. 16. Meetod vastavalt nõudluspunktidele 8 kuni 15, mis erineb selle poolest, et pikliku silindrilise elemendi paigalduskoha vibratsioon kompenseeritakse sensori korpuse külge kinnitatud teise akseleromeetri abil, mida ei mõjuta määratav vedelikuvool.
17. 17. Meetod vastavalt nõudluspunktidele 8 kuni 16, mis erineb selle poolest, et korraga määratakse mitme sensori abil voolu parameetrid mitmes ruumipunktis ning määratud parameetritest moodustatakse vedeliku parameetrite vektor.
18. 18. Meetod vastavalt nõudluspunktidele 8 kuni 17, mis erineb selle poolest, et korraga määratakse voolu parameetrid mitmes ruumipunkis ning kogutud andmete alusel konstrueeritakse vedeliku parameetrite kahe- või kolmedimensionaalne kaart.
19. 19. Meetod vastavalt nõudluspunktidele 8 kuni 18, mis erineb selle poolest, et kogutud andmed töödeldakse kohapeal mikroprotsessori või arvuti abil.
20. 20. Meetod vastavalt nõudluspunktidele 8-19, mis erineb selle poolest, et kogutud andmeid töödeldakse tsentraalses arvutis või pilveteenuses.