СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ МАССОПЕРЕНОСА ИМПУЛЬСНОГО ДИСПЕРСНОГО ПОТОКА Российский патент 2006 года по МПК G01P5/18 G01F1/708 

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

Известен способ измерения скорости импульсного дисперсного потока по движению его неоднородностей, заключающийся в том, что через импульсный дисперсный поток в двух сечениях на базовом расстоянии друг от друга пропускают световое излучение, измеряют его относительную интенсивность после прохождения через импульсный дисперсный поток за период транспортировки этого потока путем получения кривых изменения оптического пропускания импульсного дисперсного потока в двух сечениях за период транспортировки, затем определяют время сдвига биений кривых изменения оптического пропускания импульсного дисперсного потока, сдвинутых относительно друг друга, то есть интервал времени транспортировки импульсного дисперсного потока через два сечения. После этого по отношению базового расстояния между лучами к интервалу времени транспортировки импульсного дисперсного потока через эти сечения вычисляют скорость импульсного дисперсного потока / (Кукушкин В.Л. Методы оценки характеристик нестационарной струи распыленного дизельного топлива с помощью лазеров непрерывного излучения // Двигателестроение. - 1988. - №12. С.28-30.)

Недостатком этого способа является субъективность определения скорости импульсного дисперсного 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.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) определения скорости импульсного дисперсного потока является способ, заключающийся в том, что через импульсный дисперсный поток в двух сечениях на базовом расстоянии друг от друга пропускают световое излучение, измеряют его относительную интенсивность после прохождения через импульсный дисперсный поток за период транспортировки этого потока, затем по отношению базового расстояния между двумя сечениями к интервалу времени транспортировки импульсного дисперсного потока через заданные сечения определяют скорость импульсного дисперсного потока. При этом для произвольного момента времени транспортировки интервал времени транспортировки импульсного дисперсного потока через заданные сечения определяют по равенству масс импульсного дисперсного потока, перенесенных через оба сечения:

где t - произвольный момент времени транспортировки;

i - номер заданного сечения импульсного дисперсного потока;

μ_i(t) - интенсивность импульсного дисперсного потока в i сечении в произвольный момент времени транспортировки этого потока;

t_z - интервал времени транспортировки;

Q - константа преобразования измерительного устройства;

J_i(t) - относительная интенсивность светового излучения после прохождения через импульсный дисперсный поток в i сечении в произвольный момент времени транспортировки этого потока (патент RU №2147749, МПК⁷ G 01 Р 5/18).

Основным недостатком описанного способа является субъективность определения скорости, так как, во-первых, ее находят только в один произвольный момент времени транспортировки импульсного дисперсного потока, во-вторых, не используют в качестве информативного элемента значения массы потока между сечениями в произвольный момент времени транспортировки.

Предлагаемым изобретением решается задача объективного определения скорости при использовании в качестве нее скорости массопереноса импульсного дисперсного потока через два сечения на заданном расстоянии друг от друга для множества моментов времени транспортировки импульсного дисперсного потока и определения масс потока между сечения для множества моментов времени транспортировки.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе определения скорости массопереноса импульсного дисперсного потока, заключающемся в том, что через импульсный дисперсный поток в двух сечениях на базовом расстоянии друг от друга пропускают световое излучение, измеряют его относительную интенсивность после прохождения через импульсный дисперсный поток и определяют массу импульсного дисперсного потока, затем определяют скорость импульсного дисперсного потока как отношение базового расстояния к интервалу времени транспортировки импульсного дисперсного потока через эти сечения, определяемому для произвольного момента времени транспортировки по равенству масс импульсного дисперсного потока, перенесенного через оба сечения, после определения массы импульсного дисперсного потока запоминают значения разности масс импульсного дисперсного потока последовательно от времени начала в каждый последующий момент времени транспортировки импульсного дисперсного потока, получаемый приращением на заданную величину времени дискретизации, меньшую интервала времени транспортировки потока, в качестве произвольных моментов времени транспортировки используют множество моментов времени транспортировки импульсного дисперсного потока, общее число которых находят отношением времени транспортировки импульсного дисперсного потока к заданной величине времени дискретизации, и для этих моментов времени определяют разности масс и скорости массопереноса импульсного дисперсного потока.

Объективное определение скорости массопереноса импульсного дисперсного потока между сечениями в предлагаемом способе обусловлено тем, что ее находят для множества моментов времени транспортировки импульсного дисперсного потока, общее число которых определяют отношением времени транспортировки импульсного дисперсного потока к заданной величине времени дискретизации, при использовании в качестве информативного элемента значения массы потока между сечениями, которое определяют по разности масс импульсного дисперсного потока, пролетевших первое и второе сечение, в каждый такт времени дискретизации за время транспортировки этого потока.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства для определения скорости массопереноса импульсного дисперсного потока, реализующего этот способ.

Устройство для определения скорости импульсного дисперсного потока содержит генератор 1 импульсного дисперсного потока, вырабатывающий импульсный дисперсный поток 2, с сечениями 3 и 4, последовательно размещенные источники светового излучения 5 и 6 для пропускания последнего через сечения 3 и 4 импульсного дисперсного потока, оппозитные источникам светового излучения 5 и 6 оптические системы 7 и 8, фокусирующие световое излучение на фоточувствительную поверхность фотодатчиков 9 и 10, блок аналого-цифрового преобразователя 11 и ЭВМ 12.

Вход генератора 1 импульсного дисперсного потока подключен к первому входу блока 11 аналогово-цифрового преобразователя и первому входу в ЭВМ 12. Выходы фотодатчиков 9 и 10 подключены ко второму и третьему входам блока 11 аналогово-цифрового преобразователя соответственно. Выходы блока 11 аналогово-цифрового преобразователя подключены к ЭВМ 12.

Импульсный дисперсный поток 2, вырабатываемый генератором 1 импульсного дисперсного потока, пронизывается в двух сечениях 3 и 4 световым излучением от источников светового излучения 5 и 6. Генератор 1 импульсного дисперсного потока в момент начала вырабатывания потока 2 запускает работу блока 11 аналогово-цифрового преобразователя и программу в ЭВМ 12. Оптическими системами 7 и 8 световое излучение, прошедшее через импульсный дисперсный поток 2, фокусируется на фоточувствительные поверхности фотодатчиков 9 и 10, с выходов которых сигналы поступают на входы блока 11 аналогово-цифрового преобразователя.

Устройство для определения скорости импульсного дисперсного потока работает следующим образом. Источниками светового излучения 5 и 6 непрерывно излучаются световые потоки, пронизывающие пространство импульсного дисперсного потока 2 в двух сечениях 3 и 4. Генератором 1 импульсного дисперсного потока вырабатывается поток 2 и запускается работа блока 11 аналогово-цифрового преобразователя и программа в ЭВМ 12. Фотодатчиками 9 и 10 регистрируется за время измерения t_о относительная интенсивность светового излучения от источников светового излучения 5 и 6, прошедшего через импульсный дисперсный поток 2 и сфокусированного оптической системой 7 и 8 на их фоточувствительные поверхности. Время t_o является временем измерения относительной световой интенсивности, определяемое тактовой частотой блока 11 аналогово-цифрового преобразователя.

Выходные сигналы от фотодатчиков 9 и 10 в блоке 11 аналого-цифрового преобразователя дискретизируются с тактовой частотой блока 11 и преобразуются в цифровую форму для обработки на ЭВМ 12. В каждый момент времени дискретизации сигнала с фотодатчиков 9 и 10, соответствующий моменту времени транспортировки, программа ЭВМ 12 определяет массу импульсного дисперсного потока, находящуюся между сечениями 3 и 4 и соответствующую этой массе скорость массопереноса импульсного дисперсного потока следующим путем.

По закону Ламберта-Бера относительная интенсивность светового излучения, прошедшего через среду, равна:

где k - номер момента времени транспортировки импульсного дисперсного потока;

J_k - относительная интенсивность светового излучения, прошедшего через импульсный дисперсный поток в k-й момент времени транспортировки;

I_k - интенсивность светового излучения, прошедшего через импульсный дисперсный поток в k-й момент времени транспортировки;

I_ok - интенсивность светового излучения в отсутствии дисперсного потока в k-й момент времени транспортировки;

α_k - оптический коэффициент импульсного дисперсного потока в k-й момент времени транспортировки;

ρ_k - плотность частиц в объеме импульсного дисперсного потока, пронизанном световым излучением в k-й момент времени транспортировки;

L - толщина импульсного дисперсного потока в соответствующем сечении.

Интенсивность и плотность импульсного дисперсного потока в i сечении в k-й момент времени транспортировки равны соответственно:

где μ_ik(t) - интенсивность частиц в объеме импульсного дисперсного потока, пронизанном световым излучением в k-й момент времени транспортировки;

N_k - количество частиц, находящихся в объеме импульсного дисперсного потока, пронизанном световым излучением в k-й момент времени транспортировки в i сечении;

t_o - время измерения относительной интенсивности светового излучения;

ρ_ik - плотность частиц в объеме импульсного дисперсного потока, пронизанном световым излучением в i сечении в k-й момент времени транспортировки;

V - объем импульсного дисперсного потока, пронизанный световым излучением.

Тогда плотность импульсного дисперсного потока в i сечении в k-й момент времени транспортировки равна:

Выходной сигнал фотодатчика 9 или 10 в k-й момент времени транспортировки равен:

где U_k - выходной сигнал фотодатчика 9 или 10;

S - чувствительность фотодатчика.

Тогда μ_ik(t) - интенсивность частиц в объеме импульсного дисперсного потока V, пронизанном световым излучением, в k-й момент времени транспортировки находится по величине относительной интенсивности светового излучения, прошедшего через импульсный дисперсный поток, используя формулы (3), (6) и (7), из выражения:

где U_o - выходной сигнал фотодатчика в отсутствии импульсного дисперсного потока;

J_ik(t) - относительная интенсивность светового излучения, прошедшего через импульсный дисперсный поток в k-й момент времени транспортировки;

Q - константа преобразования измерительного устройства.

Масса импульсного дисперсного потока, прошедшего через сечение 3 в k-й момент времени транспортировки, равна:

где M_lk - масса импульсного дисперсного потока, прошедшего через сечение 3 в k-й момент времени транспортировки;

k - номер момента времени транспортировки импульсного дисперсного потока, произведение которого на время измерения относительной световой интенсивности, определяемое тактовой частотой блока 11 аналогово-цифрового преобразователя, дает время, прошедшее от момента начала транспортировки импульсного дисперсного потока до момента переноса через сечение 3 массы импульсного дисперсного потока M_lk.

Аналогично масса импульсного дисперсного потока, прошедшего через сечение 4, равна:

где М_2р - масса импульсного дисперсного потока, прошедшего через сечение 4 в р-й момент времени транспортировки;

р - номер момента времени транспортировки импульсного дисперсного потока, произведение которого на время измерения относительной световой интенсивности, определяемое тактовой частотой блока 11 аналого-цифрового преобразователя, дает время, прошедшее от момента начала транспортировки импульсного дисперсного потока до момента переноса через сечение 4 массы импульсного дисперсного потока М_2р.

При малых базовых расстояниях толщина импульсного дисперсного потока в сечении 3 равна толщине этого потока в сечении 4 и частицы импульсного дисперсного потока, прошедшие через сечение 3, проходят через сечение 4 за интервал времени транспортировки t_z, то есть через сечения 3 и 4 пройдет одинаковая масса потока:

Тогда условие прохода равных порций вещества импульсного дисперсного потока через сечения 3 и 4 с учетом формул (9) и (10) определяется равенством:

Подставляя интенсивность импульсного дисперсного 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 t_z по величине сигналов фотодатчиков 9 и 10:

где U_ij(t) - выходной сигнал фатодатчика 9 в j-й момент времени транспортировки;

U_2j(t) - выходной сигнал фотодатчика 10 в j-й момент времени транспортировки;

t_zk - интервал времени транспортировки одинаковой массы импульсного дисперсного потока через сечения 3 и 4 в k-й момент времени транспортировки.

Значение разности массы импульсного дисперсного потока, находящейся между сечениями 3 и 4 в k-й момент времени транспортировки, используя формулы (9) и (10), определяются как:

где M_lk - масса импульсного дисперсного потока, прошедшего через сечение 3 в k-й момент времени транспортировки;

M_2k - масса импульсного дисперсного потока, прошедшего через сечение 4 в k-й момент времени транспортировки;

k - номер момента времени транспортировки импульсного дисперсного потока, произведение которого на время измерения относительной световой интенсивности, определяемое тактовой частотой блока 11 аналого-цифрового преобразователя, дает время, прошедшее от момента начала транспортировки импульсного дисперсного потока до момента переноса через сечение 3 массы импульсного дисперсного потока M_lk, и до момента переноса через сечение 4 массы импульсного дисперсного потока M_2k.

Скорость массопереноса импульсного дисперсного потока 2 определяют из отношения базового расстояния между сечениями 3 и 4 ко времени транспортировки этого потока через эти сечения в каждый последующий момент времени транспортировки импульсного дисперсного потока по формуле:

где υ_k(t) - скорость дисперсного потока k-й момент времени транспортировки;

z - базовое расстояние между сечениями потока;

t_zk - интервал времени транспортировки в k-й момент времени транспортировки.

Способ определения скорости массопереноса импульсного дисперсного потока осуществляется следующим образом. Через импульсный дисперсный 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 фотодатчиков 9 и 10 регистрируют относительную интенсивность светового излучения, прошедшего через импульсный дисперсный 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 определяют массу импульсного дисперсного потока, перенесенной через сечение 3 и 4, по формуле (9) и (10). После этого последовательно от времени начала в каждый последующий момент времени транспортировки импульсного дисперсного потока, получаемого приращением на заданную величину времени дискретизации, меньшую интервала времени транспортировки потока, определяемую тактовой частотой блока 11 аналого-цифрового преобразователя, находят интервал времени транспортировки импульсного дисперсного потока 2 через сечения 3 и 4 по равенству массы вещества импульсного дисперсного потока 2, перенесенной через оба сечения, определяемой по формуле (13) при малых базовых расстояниях.

В результате последовательно от времени начала в каждый последующий момент времени транспортировки импульсного дисперсного потока по формуле (15) находят и запоминают значения разности масс импульсного дисперсного потока, перенесенных через заданные сечения, а по формуле (16) определяют скорости массопереноса импульсного дисперсного потока через заданные сечения на малом базовом расстоянии друг от друга.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает объективное определение скорости массопереноса между сечениями импульсного дисперсного потока для множества моментов времени транспортировки импульсного дисперсного потока, общее число которых определяют отношением времени транспортировки импульсного дисперсного потока к заданной величине времени дискретизации.

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике импульсных дисперсных потоков и может быть использовано в двигателестроении для оценки скорости топливовоздушной струи при впрыске топлива. Через импульсный дисперсный поток в двух сечениях на базовом расстоянии друг от друга пропускают световое излучение, измеряют его относительную интенсивность после прохождения через импульсный дисперсный поток и определяют массу этого потока. Затем запоминают значения разности масс импульсного дисперсного потока последовательно от времени начала в каждый последующий момент времени транспортировки импульсного дисперсного потока, получаемый приращением на заданную величину времени дискретизации, меньшую интервала времени транспортировки потока. Для произвольных моментов времени транспортировки, в качестве которых используют множество моментов времени транспортировки потока, общее число которых определяют отношением времени транспортировки импульсного дисперсного потока к заданной величине времени дискретизации, определяют разности масс и скорости массопереноса импульсного дисперсного потока как отношение базового расстояния к интервалу времени транспортировки равных масс потока, перенесенных через два сечения. Заявленное изобретение позволяет объективно определять скорости массопереноса импульсного дисперсного потока через два сечения на заданном расстоянии друг от друга для всех моментов времени транспортировки этого потока. 1 ил.

Способ определения скорости массопереноса импульсного дисперсного потока, заключающийся в том, что через импульсный дисперсный поток в двух сечениях на базовом расстоянии друг от друга пропускают световое излучение, измеряют его относительную интенсивность после прохождения через импульсный дисперсный поток и определяют массу импульсного дисперсного потока, затем определяют скорость импульсного дисперсного потока как отношение базового расстояния к интервалу времени транспортировки импульсного дисперсного потока через эти сечения, определяемому для произвольного момента времени транспортировки по равенству масс импульсного дисперсного потока, перенесенного через оба сечения, отличающийся тем, что после определения массы импульсного дисперсного потока запоминают значения разности масс импульсного дисперсного потока последовательно от времени начала в каждый последующий момент времени транспортировки импульсного дисперсного потока, получаемый приращением на заданную величину времени дискретизации, меньшую интервала времени транспортировки потока, в качестве произвольных моментов времени транспортировки используют множество моментов времени транспортировки импульсного дисперсного потока, общее число которых находят отношением времени транспортировки импульсного дисперсного потока к заданной величине времени дискретизации, и для этих моментов времени определяют разности масс и скорости массопереноса импульсного дисперсного потока.