УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F15B21/12 G01L27/00 

Изобретение относится к технике создания импульсов давления в жидкости и может быть использовано в измерительной технике для калибровки импульсных датчиков давления и в приборостроении при проектировании микронасосов и микродозаторов.

Известны самые разнообразные устройства для создания коротких импульсов давления. Это и ударные трубы, и быстро разгреметизируемые сосуды, находящиеся под давлением, устройства, использующие явления гидравлического удара и многие другие.

Наиболее близкой к предлагаемому устройству является плазменная гидроустановка импульсных давлений, которая состоит из камеры с отверстиями для образцового и градуируемого индикаторов давления, двух изолированных электродов, введенных в камеру, тонкой металлической проволочки, натянутой внутри камеры между электродами, и жидкости, заполняющей камеру. Установка снабжена источником электрического тока, его коммутатором и конденсатором.

Работает установка следующим образом.

Конденсатор при помощи коммутатора сначала соединяют с источником электрического тока, а затем с электродами. В результате через проволочку протекает импульс электрического тока, проволочка быстро разогревается и взрывообразно "сгорает" с образованием плазмы. В жидкости возбуждается импульс давления.

Амплитуда импульсов давления зависит от напряжения источника тока, емкости конденсатора, диаметра проволоки и расстояния между электродами.

Основными недостатками установки являются ее низкая производительность и невозможность генерирования импульсов давления малой амплитуды. Перечисленные недостатки связаны с необходимостью многократной замены "сгорающих" проволочек, работа с которыми, кроме того, требует квалифицированного ручного труда. Для уменьшения амплитуды импульсов давления требуется уменьшить диаметр проволочек, что при диаметрах меньших 5 мкм становится практически невозможным.

Целью изобретения является расширение интервала амплитуд генерируемых импульсов и повышение производительности установки.

Поставленная цель достигается за счет того, что устройство, состоящее из камеры, заполненной жидкостью, и нагревателя, помещенного в эту жидкость, снабжено аппаратом для эмульгирования и формирования потока эмульсии, который сообщен с камерой через трубку для его ввода. В качестве дисперсионной среды получаемой эмульсии можно использовать ту же жидкость, что и жидкость, заполняющая камеру, а для дисперсной фазы взять любую другую жидкость, которая имеет более низкую температуру кипения по сравнению с дисперсионной жидкостью и не растворима в ней. Нагреватель делают обеспечивающим нагрев эмульсии в камере до температуры взрывного вскипания капелек дисперсной фазы.

Аппарат для эмульгирования и формирования потока эмульсии содержит полый корпус и две системы для подачи жидкостей дисперсионной среды и дисперсной фазы. Обе системы и камера сообщены с полостью корпуса соответствующими трубками. При этом входной конец трубки для ввода эмульсии в камеру из корпуса аппарата помещается в этом корпусе соосно с выходным концом трубки для подачи дисперсной фазы.

Возможны два варианта взаимного расположения концов этих трубок в корпусе аппарата. В первом варианте расстояние 1 между выходным концом трубки для подачи в корпус жидкости дисперсной фазы и входным концом трубки для ввода потока эмульсии в камеру и внутренний диаметр D_э последней трубки определены из соотношений l ≅ G_дсD_дф ²/(4G_дфD_э, D_э ≅ D_дф(G_дс/G_дф)^1/2,
где G_дс и G_дф расходы жидкостей дисперсионной среды и дисперсной фазы соответственно,
D_дф внутренний диаметр выходного конца трубки для жидкости дисперсной фазы.

Второй вариант заключается в том, что конец трубки для жидкости дисперсной фазы введен в трубку для ввода потока эмульсии.

Предпочтительность использования какого-либо из этих вариантов зависит только от типа применяемых материалов. В обоих случаях при работе аппарата формируется поток монодисперсной эмульсии, который по трубке для ввода эмульсии подается в камеру устройства.

Для повышения точности задания амплитуды импульсов устройство снабжено дополнительным нагревателем для предварительного нагрева потока эмульсии. Он размещен на трубе для ввода потока эмульсии.

В большинстве практических случаев наиболее удобно в качестве жидкости дисперсионной среды использовать воду, глицерин или какую-либо кремнийорганическую жидкость, а в качестве жидкости дисперсной фазы соответственно фреон-11, н пентан или воду.

На фиг. 1 представлена одна из возможных схем предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 варианты расположения в корпусе аппарата концов трубок.

Устройство состоит из камеры 1, аппарата 2 для эмульгирования и формирования потока эмульсии, нагревателей 3 и 4 и жидкости 5, залитой в камеру.

Камера имеет четыре отверстия: два отверстия 6 для подсоединения приемников импульсного давления (например образцового и градуируемого датчиков давления), отверстия 7 для ввода потока эмульсии и отверстия 8 для отвода отработанных жидкостей.

Аппарат для эмульгирования и формирования потока эмульсии состоит из полого корпуса 9, трех трубок (для жидкости дисперсной фазы 10, для ввода эмульсии в камеру 11 и для жидкости дисперсионной среды 12) и двух систем для подачи жидкостей дисперсионной фазы 13 и дисперсионной среды 14. Системы для подачи жидкостей состоят из сосудов 15, 16, краников 17, 18 и соединительных трубок 19 22. Сосуд 15 заполнен жидкостью дисперсионной среды, а сосуд 15 жидкостью дисперсной фазы. Для рассматриваемой конструкции устройства в качестве дисперсной фазы использовали н-пентан, а в качестве дисперсионной среды глицерин. При атмосферном давлении температура кипения н-пентана равна 36^oC, температура его взрывного вскипания 146^oC, а температура кипения глицерина 290^oC.

Расход эмульсии, вводимой в камеру, регулируют гидростатическим столбом Н₁, а давление, необходимое для протекания рабочей жидкости через тонкое отверстие (фиг. 2 и 3) на торце трубки 10, столбом Н₂.

Работает устройство следующим образом.

Камеру 1 заполняют жидкостью, например глицерином, а сосуды 15 и 16 при закрытых краниках 17 и 18 соответственно глицерином и н-пентаном. Затем открывают краники 17 и 18. Жидкость из сосуда 16 через трубки 20, 22 и краник 18 поступает в трубку 10 и вытекает из последней в виде тонкой струйки. Под действием капиллярных сил и потока жидкости дисперсионной среды (глицерина), поступающей из сосуда 15 через трубки 19, 21, 12 и краник 17, струйка жидкости дисперсной фазы (н-пентана) распадается на отдельные капельки одинакового размера (≈ 300 мкм). Образующиеся капельки н-пентана увлекаются потом глицерина по трубке 11 в камеру 1. Для исключения скапливания жидкости дисперсной фазы на кончике трубки 10 в виде крупных капелек неопределенного размера между трубками 10 и 11 был установлен малый зазор в 0,1 мм (фиг. 2) согласно соотношению l ≅ G_дсD_дф ²/(4G_дфD_э). Внутренний диаметр входного конца трубки 11 для ввода эмульсии был сделан равным 1,2 мм, внутренний диаметр выходного конца трубки 10 для подачи жидкости дисперсной фазы равным примерно 0,1 мм. Это удовлетворяло соотношению D_э ≅ D_дв(G_дс/G_дф)^1/2.

Поток жидкости дисперсионной среды с капельками дисперсной фазы н-пентана поступал в камеру 1 через отверстие 7, где он нагревался до температуры взрывного вскипания н-пентана при помощи нагревателя 3. Капельки н-пентана взрывообразно вскипали, при вскипании каждой капельки в камере 1 возникал импульс давления, амплитуда которого определяется диаметром вскипающей капельки н-пентан.

Отработанные жидкости выходят из камеры через отверстие 8: н-пентан в виде пара, глицерин сливается в жидком состоянии.

Для повышения точности задания амплитуды генерируемых импульсов давления необходимо локализовать место вскипания капелек. Это, в частности, можно сделать за счет уменьшения толщины теплового пограничного слоя около нагревателя 3. Для этого поток эмульсии предварительно нагревают в трубке 11 при помощи дополнительного нагревателя 4, подключенного к уже имеющемуся источнику электрического тока 23. Предварительный нагрев производят до температуры, близкой, но меньшей температуры взрывного вскипания капелек жидкости дисперсной фазы эмульсии, например до 140^oC. Величину предварительного нагрева эмульсии определяют экспериментально для каждой конкретной конструкции камеры. Легко получить такой режим работы устройства, когда практически все капельки н-пентана вскипают в самом верхнем слое глицерина в камере 1. В этом случае всякий раз при вскипании каждой очередной капельки н-пентана приемники импульсов давления фиксируют практически одинаковые по амплитуде импульсы давления, величина которых задается расходами жидкостей дисперсной фаза и дисперсионной среды, а также размерами отверстий на концах трубок 10 и 11.

Таким образом, предлагаемое устройство работает в автоматическом режиме и позволяет генерировать серию импульсов давления малой амплитуды.

Использование: в измерительной технике для калибровки импульсных датчиков давления. Сущность: импульсы давления генерируются вследствие взрывного вскипания капелек дисперсной фазы эмульсии в камере, заполненной жидкостью, при нагреве жидкости с помощью помещенного в нее нагревателя. Устройство содержит аппарат для эмульгирования и формирования потока эмульсии, сообщенный с камерой через трубку для ввода эмульсии. Жидкость дисперсной фазы эмульсии имеет температуру кипения ниже, чем жидкость дисперсионной среды и эти две жидкости взаимно нерастворимы. В качестве дисперсионной среды использована та же жидкость, что и заполняющая камеру. Нагреватель обеспечивает нагрев эмульсии до температуры взрывного вскипания капелек дисперсной фазы. В качестве дисперсионной среды могут быть использованы воды, глицерин или любая кремнийорганическая жидкость, а в качестве дисперсной фазы - соответственно фреон-11, н-пентан или вода. Изобретение обеспечивает генерирование импульсов давления в более широком диапазоне амплитуд. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для генерирования импульсов давления в жидкости, содержащее камеру, заполненную жидкостью, и нагреватель, помещенный в жидкость, отличающееся тем, что оно снабжено аппаратом для эмульгирования и формирования потока эмульсии, сообщенным с камерой через трубку для ввода эмульсии, причем жидкость дисперсной фазы эмульсии имеет температуру кипения ниже, чем жидкость дисперсионной среды, и эти две жидкости взаимно нерастворимы, в качестве жидкости дисперсионной среды использована та же жидкость, что и заполняющая камеру, нагреватель выполнен обеспечивающим нагрев эмульсии до температуры взрывного вскипания капель дисперсной фазы, а камера имеет отверстие для отвода отработанных жидкостей. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что аппарат для эмульгирования и формирования потока эмульсии содержит полый корпус, соединенный с камерой при помощи трубки для ввода эмульсии, системы подачи жидкостей дисперсионной среды и дисперсной фазы, сообщенные с полостью корпуса при помощи соответствующих трубок, причем конец трубки для ввода эмульсии и конец трубки для подачи жидкости дисперсной фазы размещены внутри корпуса соосно. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что расстояние l между концами последних двух трубок и внутренний диаметр D_э входного конца трубки для эмульсии определены из соотношений
l ≅ G_дс•D2дф