СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ИМПУЛЬСНОГО АЭРОДИСПЕРСНОГО ПОТОКА Российский патент 2000 года по МПК G01P5/18 

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике аэродисперсных потоков и может быть использовано в двигателестроении для оценки скорости топливо-воздушной струи при впрыске топлива.

Известен способ измерения скорости аэродисперсного потока с помощью лазерного доплеровского измерителя скорости, заключающийся в том, что через аэродисперсный поток пропускают лазерный световой пучок и в соответствии с эффектом Доплера по величине, пропорциональной сдвинутой относительно частоты исходного излучения частоте рассеянного аэродисперсным потоком излучения, и наблюдаемой при смешении рассеянного света с исходным лазерным световым пучком, определяют скорость аэродисперсного потока [1].

Недостатками описанного способа являются, во-первых, использование его для измерения скорости только слабозапыленных потоков, так как измерения осуществляют в малом анализируемом объеме, во-вторых, повышенная трудоемкость измерения, так как необходима статическая обработка полученных данных.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ измерения скорости импульсного аэродисперсного потока по движению его неоднородностей, заключающийся в том, что через импульсный аэродисперсный поток в двух сечениях на базовом расстоянии друг от друга пропускают световое излучение, измеряют его относительную интенсивность после прохождения через импульсный аэродисперсный поток за период транспортировки этого потока путем получения кривых изменения оптического пропускания импульсного аэродисперсного потока в двух сечениях за период транспортировки, затем определяют время сдвига биений кривых изменения оптического пропускания импульсного аэродисперсного потока, сдвинутых относительно друг друга, то есть интервал времени транспортировки импульсного аэродисперсного потока через два сечения. После этого по отношению базового расстояния между лучами к интервалу времени транспортировки импульсного аэродисперсного потока через эти сечения вычисляют скорость импульсного аэродисперсного потока [2].

Недостатком этого способа является субъективность определения скорости импульсного аэродисперсного потока вследствие отсутствия объективного критерия в определении времени сдвига биений кривых изменения оптического пропускания, так как невозможно однозначно сопоставить соответствующие биения кривых изменения оптического пропускания в соседних сечениях.

Сущность предлагаемого способа определения скорости импульсного аэродисперсного потока заключается в том, что через импульсный аэродисперсный поток в двух сечениях на базовом расстоянии друг от друга пропускают световое излучение, измеряют его относительную интенсивность после прохождения через импульсный аэродисперсный поток за время транспортировки этого потока, затем по отношению базового расстояния между двумя сечениями к интервалу времени транспортировки импульсного аэродисперсного потока через заданные сечения определяют скорость импульсного аэродисперсного потока, при этом для произвольного момента времени транспортировки интервал времени транспортировки импульсного аэродисперсного потока через заданные сечения определяют по равенству масс импульсного аэродисперсного потока, перенесенных через оба сечения

μ_i(t) = K_измLnJ_i(t), (2)
где t - произвольный момент времени транспортировки;
i - номер заданного сечения импульсного аэродисперсного потока;
μ_i(t) - интенсивность импульсного аэродисперсного потока в i сечении в произвольный момент времени транспортировки этого потока;
t₀ - интервал временит транспортировки;
K_изм - константа преобразования измерительного устройства;
J_i(t) - относительная интенсивность светового излучения, после прохождения через импульсный аэродисперсный поток в i сечении в произвольный момент времени транспортировки этого потока.

Техническим результатом является обеспечение объективности определения скорости импульсного аэродисперсного потока.

Объективность определения скорости импульсного аэродисперсного потока обеспечивается путем однозначного определения в произвольный момент времени транспортировки интервала времени транспортировки импульсного аэродисперсного потока через два сечения одинаковых масс импульсного аэродисперсного потока.

Предлагаемый способ определения скорости импульсного аэродисперсного потока поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства для определения скорости импульсного аэродисперсного потока, реализующего этот способ.

Устройство для определения скорости импульсного аэродисперсного потока содержит генератор 1 импульсного аэродисперсного потока, вырабатывающий импульсный аэродисперсный поток 2, с сечениями 3 и 4, источники светового излучения 5 и 6, размещенные оппозитно сечениям 3 и 4 для пропускания через эти сечения светового излучения, оптические системы 7 и 8, фокусирующие световое излучение на фоточувствительную поверхность фотодатчиков 9 и 10. Выходы фотодатчиков 9 и 10 соединены со входами блоков логарифматоров 11 и 12, выходы которых подключены ко входам блоков интегрирования 13 и 14. При этом оптические системы 7 и 8, фотодатчики 9 и 10, блоки логарифматоров 11 и 12, блоки интегрирования 13 и 14, размещены оппозитно сечениям 3 и 4 соответственно. Другие входы блоков интегрирования 13 и 14 соединены с генератором 1 импульсного аэродисперсного потока. Выходы блоков интегрирования 13 и 14 соединены со входами блоков компараторов 15 и 16, каждый из которых состоит из N штук компараторов. Выходы блоков компараторов 15 и 16 связаны с входами блока таймеров 17, имеющим N таймеров, а выходы блока 71 с входами блока давления 18.

Импульсный аэродисперсный поток 2, вырабатываемый генератором 1 импульсного аэродисперсного потока, пронизывается в двух сечениях 3 и 4 световым излучением от источников излучения 5 и 6. Генератор импульсного аэродисперсного потока 1 в момент начала вырабатывания потока 2 обнуляет интеграторы 13 и 14. Оптическими системами 7 и 8 световое излучение, прошедшее через импульсные поверхности фотодатчиков 9 и 10, с выходов которых через блоки логарифматоров 11 и 12 сигналы поступают на входы блоков интегрирования 13 и 14. В блоках компараторов 15 и 16, состоящих из N штук компараторов, сигналы с выходов интеграторов 13 и 14 сопоставляются с ранее заданными попарно N порогами срабатывания. Выходными импульсами от блока компараторов 15 начинают работу N таймеров в блоке 17, а выходными импульсами от блока компараторов 16 заканчивают работу N таймеров в блоке 17. Выходные данные, полученные от N таймеров блока 17, обрабатываются в блоке деления 18, с выхода которого снимаются данные, соответствующие скорости переноса между двумя сечениями одинаковых масс вещества импульсного аэродисперсного потока, ранее заданными порогами срабатывания в N штук компараторах блоков 15 и 16.

Устройство для определения скорости импульсного аэродисперсного потока работает следующим образом. Источниками светового излучения 5 и 6 непрерывно излучаются световые потоки, пронизывающие пространство импульсного аэродисперсного потока 2 в двух сечениях 3 и 4. Генератором импульсного аэродисперсного потока 1 вырабатывается поток 2 и обнуляются блоки интегрирования 13 и 14. Фотодатчиками 9 и 10 регистрируется за время измерения t_изм относительная интенсивность светового излучения от источников светового излучения 5 и 6, прошедшего через импульсный аэродисперсный поток 2 и сфокусированного оптической системой 7 и 8 на их фоточувствительную поверхность. Время t_изм является временем измерения относительной световой интенсивности, определяемое тактовой частотой устройства. По закону Ламберта-Бера, относительная интенсивность светового излучения, прошедшего через среду равна

где J(t) - относительная интенсивность светового излучения, прошедшего через импульсный аэродисперсный поток, в произвольный момент времени транспортировки;
I(t) - интенсивность светового излучения, прошедшего через импульсный аэродисперсный поток, в произвольный момент времени транспортировки;
I₀ - интенсивность светового излучения в отсутствие аэродисперсного потока;
α - оптический коэффициент импульсного аэродисперсного потока;
ρ - плотность частиц в объеме импульсного аэродисперсного потока, пронизанном световым излучением;
V - объем потока, пронизанный световым излучением;
z - толщина импульсного аэродисперсного потока в соответствующем сечении.

Интенсивность и плотность импульсного аэродисперсного потока в i сечении равны соответственно


где μ(t) - интенсивность частиц в объеме импульсного аэродисперсного потока, пронизанном световым излучением;
N(t) - количество частиц, находящихся в объеме импульсного аэродисперсного потока, пронизанном световым излучением в произвольный момент времени транспортировки в i сечении;
t_изм - время измерения интенсивности светового излучения;
ρ_i(t) - плотность частиц в объеме импульсного аэродисперсного потока, пронизанном световым излучением в i сечении;
V - объем импульсного аэродисперсного потока, пронизанный световым излучением.

Тогда плотность аэродисперсного потока в i сечении равна

Выходной сигнал фотодатчика 9 или 10 равен
U(t) = S I(t) (7)
где U(t) - выходной сигнал фотодатчика 9 или 10;
S - чувствительность фотодатчика.

Тогда μ(t) - интенсивность частиц в объеме импульсного аэродисперсного потока V, пронизанном световым излучением, находится по величине относительной интенсивности светового излучения, прошедшего через импульсный аэродисперсный поток, используя формулы (3), (6), и (7), из выражения

где U₀ - выходной сигнал фотодатчика в отсутствие импульсного аэродисперсного потока;
J(t) - относительная интенсивность светового излучения, прошедшего через импульсный аэродисперсный поток;
K_изм - константа преобразования измерительного устройства.

Масса импульсного аэродисперсного потока, прошедшего через сечение 3, равна

где M₁ - масса импульсного аэродисперсного потока, прошедшего через сечение 3;
t₁ - момент времени переноса через сечение 3 массы импульсного аэродисперсного потока M₁. Аналогично, масса импульсного аэродисперсного потока, прошедшего через сечение 4, равна

где M₂ - масса импульсного аэродисперсного потока, прошедшего через сечение 4;
t₂ - момент времени переноса через сечение 4 массы импульсного аэродисперсного потока, равной M₂.

При малых базовых расстояниях толщина импульсного аэродисперсного потока z в сечении 3 равна толщине этого потока в сечении 4 и частицы импульсного аэродисперсного потока, прошедшие через сечение 3, проходят через сечение 4 за интервал времени транспортировки t₀, то есть через сечения 3 и 4 пройдет одинаковая масса потока
M₁ = M₂. (11)
Тогда условие прохода равных порций вещества импульсного аэродисперсного потока через сечения 3 и 4 с учетом формул (9) и (10) определяется равенством

Подставляя интенсивность импульсного аэродисперсного потока в i - сечении из выражения (8) в равенство (12) после логарифмирования (8) в соответствии с формулой (2), получим выражение для нахождения интервала времени транспортировки t₀ по величине сигналов фотодатчиков 9 и 10

t₀=t₂-t₁, (14)
где U₁(t) - выходной сигнал фотодатчика 9;
U₂(t) - выходной сигнал фотодатчика 10;
t₀ - интервал времени транспортировки.

Выходные сигналы фотодатчиков 9 и 10 логарифмируются в блоках логарифматоров 11, 12 и интегрируются по времени транспортировки импульсного аэродисперсного потока в блоках интегрирования 13 и 14 соответственно. Блоками компараторов 15 и 16, каждый из которых состоит из N штук компараторов, сопоставляются уровни сигналов с выходов блоков интегрирования 13 и 14 с ранее заданными попарно N порогами срабатывания. Выходными импульсами блока компараторов 15 запускается работа N таймеров в блоке 17, а импульсами от блока компараторов 16 останавливается работа N таймеров в блоке 17. В блоке деления 18 определяются скорости переноса заданных масс импульсного аэродисперсного потока, задаваемых N порогами срабатывания блоков компараторов 15 и 16, как отношение известной величины базового расстояния L к выходным данным блока таймеров 17.

Способ определения скоростных характеристик импульсного аэродисперсного потока осуществляется следующим образом. Через импульсный аэродисперсный поток в двух сечениях 3 и 4 на известном базовом расстоянии друг от друга пропускают световое излучение. Затем в сечениях 3 и 4 с помощью фотодачиков 9 и 10 регистрируют относительную интенсивность светового излучения, прошедшего через импульсный аэродисперсный поток 2, на протяжении времени транспортировки этого потока. Далее, из формул (3), (7) и (8) прологарифмированный сигнал с выхода фотодатчика 9 или 10 по формуле (2) интегрируют, в результате чего получают величину, пропорциональную массе импульсного аэродисперсного потока, перенесенной через сечение 3 или 4 соответственно, по формуле (9) или (10). После этого, для произвольного момента времени транспортировки находят интервал времени транспортировки импульсного аэродисперсного потока 2 через сечения 3 и 4 по равенству массы вещества импульсного аэродисперсного потока 2, перенесенной через оба сечения, определяемой по формуле (13) при малых базовых расстояниях. Скорость импульсного аэродисперсного потока 2 определяют из отношения базового расстояния между сечениями 3 и 4 ко времени транспортировки этого потока через эти сечения в произвольный момент времени транспортировки по формуле

где V(t) - скорость аэродисперсного потока;
L - базовое расстояние между сечениями потока;
t₀ - интервал времени транспортировки.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает объективность определения скорости импульсного аэродисперсного потока.

Источники информации:
1. Дюррани Т., Грейтид К. Лазерные системы в гидродинамических измерениях: Пер. с англ. - М.: Энергия, 1980, с. 114.

2. Кукушкин В.Л. Методы оценки характеристики нестационарной струи распыленного дизельного топлива с помощью лазеров непрерывного излучения. - Двигателестроение, 1988, N 12, с. 28-30.

Способ предназначен для использования в двигателестроении для оценки скорости топливовоздушной струи при впрыске топлива. Пропускают через импульсный аэродисперсный поток световое излучение в двух сечениях на базовом расстоянии друг от друга. Измеряют относительную инстенсивность светового излучения после прохождения через поток за время транспортировки этого потока. Определяют интервал времени транспортировки потока через оба сечения по равенству масс потока, перенесенных через первое и второе сечения на малом базовом расстоянии друг от друга. Определяют скорость потока для произвольного момента времени транспортировки как отношение известного базового расстояния между двумя сечениями к интервалу времени транспортировки потока через заданные сечения. Массу потока определяют в произвольный момент времени транспортировки как интеграл по времени транспортировки логарифма относительной интенсивности светового излучения, прошедшего через поток в обоих сечениях. Обеспечивается объективность определения скорости потока путем однозначного определения в произвольный момент времени транспортировки времени переноса между двумя сечениями одинаковых масс импульсного аэродисерсного потока. 1 ил.

Способ определения скорости импульсного аэродисперсного потока, заключающийся в том, что через импульсный аэродисперсный поток в двух сечениях на базовом расстоянии друг от друга пропускают световое излучение, измеряют его относительную интенсивность после прохождения через импульсный аэродисперсный поток за период транспортировки этого потока, а скорость движения импульсного аэродисперсного потока определяют отношением базового расстояния между двумя сечениями к интервалу времени транспортировки импульсного аэродисперсного потока через эти сечения, отличающийся тем, что для произвольного момента времени транспортировки интервал времени транспортировки импульсного аэродисперсного потока через два сечения определяют по равенству масс импульсного аэродисперсного потока, перенесенных через оба сечения

μ_i(t) = K_измlnI_i(t),
где t - произвольный момент времени транспортировки;
i - номер заданного сечения импульсного аэродисперсного потока;
μ_i(t) - интенсивность импульсного аэродисперсного потока в сечении в произвольный момент времени транспортировки этого потока;
t_o - интервал времени транспортировки;
K_изм - константа преобразования измерительного устройства;
I_i(t) - относительная интенсивность светового излучения, после прохождения через импульсный аэродисперсный поток в i сечении в произвольный момент транспортировки этого потока.