СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА СРЕД Российский патент 2005 года по МПК G01F23/22 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения положения границ раздела в слоистых средах с различными физическими свойствами.

Оно может использоваться для измерения уровня жидкости и сыпучих сред в промышленности, в океанологии и гидрологии.

Известны способы определения уровня жидкости с использованием двух распределенных терморезисторов, расположенных вертикально через границу газа и жидкости, и основанных на различии коэффициентов теплообмена датчиков с газом и жидкостью, проявляющимся при нагреве одного из терморезисторов [1, 2].

Недостатками этих способов является ограниченная точность из-за зависимости результата измерения от физических свойств сред (теплоемкости, плотности, теплопроводности и скорости обтекания терморезисторов) и их профилей вдоль терморезисторов. Кроме того, не обеспечивается определение положения нескольких границ раздела в слоистых средах.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения положения границ раздела сред по перепаду температуры [3], выбранный в качестве прототипа. Такой признак, как использование термопрофилемера с установленным через границы раздела сред распределенным датчиком, совпадает с признаками изобретения.

Недостатком прототипа является зависимость результатов измерений от температуры сред и изменчивости их физических свойств, что влияет на точность измерений. Кроме того, способ не применим при равенстве температур сред и не вполне корректен при неравномерном распределении температуры вдоль датчика внутри каждой из сред.

В основу изобретения поставлено решение задачи определения положения границ раздела сред, в котором путем исключения влияния на результаты измерений температуры сред и изменчивости их физических свойств обеспечивается технический результат, выраженный в повышении точности определения положения границ раздела сред. При этом для работоспособности способа необходимо только различие коэффициентов теплообмена сред с датчиком. Поскольку коэффициент теплообмена определяется известным произведением физических параметров [4], характеризующих среду, и вероятность равенства коэффициентов теплообмена различных сред за счет разных скоростей обтекания мала, то на границе сред практически всегда будет иметь место перепад коэффициентов теплообмена.

Дополнительным техническим результатом является расширение области использования способа.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения положения границ раздела сред с использованием термопрофилемера с распределенным датчиком согласно изобретению применяют датчик с встроенным нагрева гелем, подают в нафеватель контролируемый периодически изменяющийся ток нагрева, измеряют текущее значение профиля температуры датчика θ(z, t), вычисляют текущий профиль коэффициента теплообмена датчика со средой по формуле

где P(z, t_i+1) и P(z, t_i+1) - текущая погонная мощность нагрева в момент времени t_i и t_i+1;

mс и S - конструктивные параметры датчика (m - погонная масса, с - удельная теплоемкость материала, S - погонная площадь внешней поверхности);

θ(z₁, t_i) и θ(z₁, t_i+1) - профили температуры датчика в моменты времени t_i, t_i+1;

и - временные производные профилей температуры датчика в моменты времени t_i, t_i+1, вычисляют текущий профиль пространственного градиента коэффициента теплообмена и принимают за положение границ раздела сред положение экстремумов z_m на этом профиле.

Определение положения границ раздела сред сводится к следующему.

Для установленною в среде распределенною датчика с подогревом погонной мощностью P(z, t) справедливо уравнение теплового баланса

где θ_c(z, t) - профиль температуры среды.

Предполагаем, что конструктивные параметры датчика mc и S известны и постоянны, и что профиль температуры среды θ_c(z, t) и ее физические свойства, влияющие на коэффициент теплообмена, не изменяются существенно за несколько (не менее трех) отсчетов профиля температуры датчика, т.е.

θ_c(z, t)=θ_c(z, t_i)≈θ_c(z, t_i+1)≈θ_c(z, t_i+2); α(z, t)=α(z, t_i)≈α(z, t_i+1)≈α(z, t_i+2).

Тогда для выражения (1) можем записать

Для моментов времени t_i и t_i+1 из выражения (2) получим

Решение системы уравнений (3) для α(z, t) дает

Дополнительная информация по профилю температуры среды θ_c(z, t) может быть получена из выражения

В общем случае моменты времени t_i и t_i+1 произвольны, но условие постоянства θ_c(z) и α(z, t) за время измерений налагает требование их близости. Поскольку при вычислении производных по дискретным данным для двух моментов времени t_i и t_i+1 необходимо не менее трех последовательных отсчетов, то желательно близкое (соседнее) расположение отсчетов в моменты времени t_i и t_i+1.

С другой стороны, для корректного вычисления α(z) по выражению (4) необходимо, чтобы профили температуры датчика θ(z, t_i) и θ(z, t_i+1) различались как можно больше. Это может быть получено как разнесением отсчетов t_i и t_i+1 (что противоречит требованию близости), так и снижением постоянной термической инерции датчика при одновременном увеличении изменчивости мощности нагрева P(t).

Таким образом, реализация динамического режима нагрева датчика с большей изменчивостью во времени, чем изменчивость внешней среды по температуре и коэффициенту теплообмена, обеспечивает измерение с помощью одного термопрофилемера с динамически подогреваемым датчиком как профиля коэффициента теплообмена, так и профиля температуры среды.

Число контролируемых параметров уменьшается и вычисления упрощаются, если осуществить нагрев датчика периодической последовательностью импульсов тока так, как это показано на фиг.1 (а). После прекращения нагрева на участке свободного охлаждения датчика, когда P(t_i)=Р(t_i+1)=0 (фиг.1 б) из уравнения (4) для профиля коэффициента теплообмена можем записать

и для профиля температуры среды получим

На фиг.2 показан пример определения положения границ раздела 4-х слойной среды. Размещенный вертикально распределенный датчик (фиг, 2 а) в динамическом режиме охлаждения после нагрева принимает температуру, измеряемые профили которой θ(z, t_i) и θ(z, t_i+1) (фиг.2 б) позволяют по выражению (6) определить профиль коэффициента теплообмена α(z, t) (фиг.2 в) и далее профиль градиента (фиг.2 г) положение z_m экстремума которого соответствует положению границ раздела сред.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Разработка и исследование новых уровнемеров с тепловыми распределенными параметрами. - В кн.: Теория информационных систем и устройств с распределенными параметрами. Уфа, 1974, ч. II, с.157-158. Авт. Р.К.Азимов, С.П.Колмыков, Р.М.Курбанова, А.Азимов, А.Суслов, А.А.Нанбабаев, А.М.Исмаилов.

2. А.С. №263922 (СССР). Уровнемер для жидкости, авт. Рудный Н.М., Рудная А.И., Савелов В.Ф. (опубл. в бюл. “Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки), 1970, №8, - с.99.

3. Гайский В.А., Гайский П.В. Распределенные термопрофилемеры и их возможности в океанографических исследованиях. МГФЖ №6, 1996.

4. Сэблси Г., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы. Пер. с англ. - М.: Мир, 1987. - 592 с.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения положения границ раздела в слоистых средах. Сущность: определение положения экстремумов профиля пространственного градиента коэффициента теплообмена распределенного датчика термопрофилемера с встроенным нагревателем осуществляется путем периодического нагрева датчика, измерения текущего профиля коэффициента теплообмена по формуле

где mc и S - конструктивные параметры датчика (m - погонная масса, с - удельная теплоемкость материала, S - погонная площадь внешней поверхности); P(z, t_i) и P(z, t_i+1) - погонные мощности нагрева; θ₁(z, t_i) и θ₂(z, t_i+1) - профили температуры датчика; и - профили производных температур датчика в моменты времени t_i, t_i+1, вычисления текущего профиля пространственного градиента коэффициента теплообмена и за положение границ раздела принимают положение экстремумов на этом профиле. При использовании для нагрева периодической последовательности импульсов тока и измерениях в интервалах между импульсами текущий профиль коэффициента теплообмена вычисляют по формуле Технический результат: повышение точности определения положения границ раздела сред и расширение области применения способа. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения положения границ раздела сред с помощью датчика термопрофилемера, установленного вертикально через границы раздела сред, отличающийся тем, что используют датчик, в который встроен нагреватель с контролируемым током нагрева, производят измерение текущего профиля температуры датчика и вычисление его производных по времени для двух последовательных моментов времени, вычисляют профиль коэффициента теплообмена α(z, t) датчика со средой в точке z по формуле

где mc и S - конструктивные параметры датчика, m - погонная масса, с - удельная теплоемкость материала, S - погонная площадь внешней поверхности,

P(z, t_i) и P(z, t_i+1) - текущая погонная мощность нагрева датчика в моменты времени t_i и t_i+1 соответственно,

θ(z, t_i) и θ(z, t_i+1) - текущие профили температуры датчика в моменты времени t_i и t_i+1 соответственно,

и - производные профилей температуры датчика в моменты времени t_i и t_i+1 соответственно,

вычисляют текущий профиль пространственного градиента коэффициента теплообмена

и принимают за положение границ раздела сред положение экстремумов z_m на этом профиле.