Зонд для изокинетического отбора пробы Советский патент 1986 года по МПК G01N1/22 

Изобретение относится к устройствам для исследования текучих сред, а именно к зондам для отбора проб текучих сред с целью определения концентрации твердых частиц в потоках жидкостей или газов, может быть использовано при исследованиях гидромеханики двухфазных потоков, а также в различных отраслях промышленности при определении содержания механических примесей в потоках жидкостей или газов, движущихся в трубопроводах или технологических аппаратах, и является усовершенствованием известного устройства по авт.св № 1032354.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет точной ориентации отборной трубки зонда навстречу потоку.

На фиг. 1 изображен изокинетический зонд, общий вид; на фиг. 2 - вид на отборную трубку со стороны входного отверстия; на фиг. 3 - вид сбоку на входную часть отборной трубк-и на фиг. 4 - картина обтекания затупленного тела потоком воздуха с частицами графита; на фиг. 5 - результаты расчета форм1.1 оторвавшихся струй; на фиг. 6 - схема симметрияного отрывного обтекания тела; на фиг. 7 - схема несимметричного отрывного обтекания тела.

Зонд содержит отборную трубку 1, установленную навстречу потоку среды, термоанемометрические датчики 2 и 3 с чувствительными элементами 4 и 5, служащие для обеспечения изокинетичности отбора пробы. Датчик 2 закреплен непосредственно на входе в трубку,а датчик 3 с помощью держателей 6, закрепленных на корпусе трубки, вынесен вверх по потоку на расстояние не менее трех диаметров трубки. Чувствительные элементы 4 и 5 датчиков 2 и 3 установлены перпендикулярно друг другу. Для обеспечения точной ориентации зонда навстречу потоку зонд снабжен дополнительной системой термоанемометрических датчиков с чувствительными элементами 7-10, размещенных с помощью держателей 11-14 по сторонам квадрата (фиг. 1 и 2), центр которого совпадает с осью отборной трубки, а плоскость перпендикулярна ей и смещена от входа в трубку вниз по потоку на расстояние S (фиг.З), не превосходящее двух диаметров

трубки, причем чувствительные элементы 7-10 размещены на расстоянии (фиг. З) t от стенки трубки, рассчитываемом по уравнению:

в,|,{с-Ч-а( ( |,/(,+ t)in) {1}

где d - наружный диаметр отборной

трубки, м;

S - смещение от входа в трубку вниз по потоку плоскости размещения чувствительных

5 элементов термоанемометрических датчиков, м; t - расстояние от чувствитель ных элементов термоанемометрических датчиков до наруж0 ной стенки трубки, м.

Введение в конструкцию зонда двух иар симметрично расположенных по сторонам квадрата датчиков позволяет производить двухплоскостную ориентацию трубки. Расстояние от входа в трубку, на котором находится плоскость размещения термоанемометрических датчиков, и расстояние от датчиков до стенки трубки определяются необходимостью размещения чувствительных элементов датчиков в кольцевой струе, возникающей вокруг входной части зонда при его настройке до начала отбора-про5 бы. Тогда даже при малом нарушении параллельности оси трубки и вектора скорости потока, возникает разница в показаниях датчиков, являющаяся сигналом о необходимости пово0 рота трубки.

Как показывают наблюдения, распад струй при отрывном обтекании начинается на определенном расстоянии от носовой части обтекаемого те5 ла. Это расстояние составляет 2-3 толщины тела. Поэтому размещение плоскости датчиков на расстоянии не более двух диаметров трубки от ее входа обеспечивает омывание чувст0 вительных элементов датчиков полностью сформировавшейся, но еще нераспадающейся отрывной струей, что гарантирует получение стабильных сигналов датчиков.

5 Расстояние от датчиков до стенки трубки рассчитьшается по уравнению (1), что обеспечивает размещение чувствительных элементов датчиков в отрывных струях. При этом учитьшается диаметр отборной трубки зонда. Порядок расчетов с использованием уравнения (О следующий. Численные значения диаметра труб ки d и принятой величины расстояния от входа в трубку до плоскости размещения термоанемометрических датчиков S, не превосходящего 2d, подставляются в уравнение (1). Таким образом, получают нелинейное относительно t уравнение. Затем численно решают это уравнение. В результате получают значения расстояния от чувствительных элементов термоанемометрических датчиков до стенки трубки t. Размеры держателей определяются при обычном конструировании с учетом удовлетворения вибрационных и прочностных требований. Положительный эффект достигается при использовании явления возникновения в потоке, несущем твердые частицы, зон отрыва и расслоения потока при обтекании затупленных тел. Роль затупленного т.ела играет отборная трубка зонда в режиме, когда отбор пробы еще не производится, поток внутрь трубки не засасывается и она продольно обтекается как тело без отверстия. Такой режим им ет место в начале операции по отбору Пробы, когда трубка только установлена в потоке и побудитель рас хода среды через Трубку еще не вклю чен. Пример картины обтекания затупленного тела потоком воздуха, несущего частицы графита, показан на фиг. 4. Скорость потока 23,5 м/с, толщина обтекаемого тела 7 мм, сред ний размер твердых частиц 70 мкм. Фотография получена при поперечном просвечивании потока световым пучком. Около поверхности обтекаемого тела вблизи его носовой части возни кают зоны отрыва потока, характеризующиеся резким снижением концентра ции твердых частиц. Отрывные зоны ограничены отрьшными струями, в которых на расстояниях в две - три толщины тела от его носа концентрация частиц повьшена. Далее по потоку отрьшные струи размьшаются и неоднородности концентрации уменьшают ся. При симметричности тела и параллельности его оси вектору скорости набегающего потока картина обтекания симметрична, что проявляется в симметричности формы зон отрыва и формы отрывных струй. При косом обтекании симметрия течения нарушается. Схемы симметричного и несимметричного обтекания затупленного тела показаны на фиг. 6 и 7. Из представленных схем видно, что при косом несимметричном обтекании тела одна из отрывных струй прижимается к поверхности тела, а другая отдаляется от нее. Соответственно изменяются размеры зон отрьдаа потока. Оснащение зонда системой термоанемометрических датчиков, симметрично расположенных вокруг отборной трубки и погруженных в кольцевую отрьюную струю, позволяет измерять и сопоставлять скорости потока в различных участках по окружности этой стрзш. Равенство скоростей в сходственных точках указьшает на симметричность обтекания трубки, т.е. на параллельность ее оси вектору скорости набегающего потока и на точную ориентацию отборной трубки навстречу потоку. Симметричное расположение датчиков обеспечивается размещением их чувствительных элементов по сторонам квадрата, центр которого совпадает с осью отборной трубки, а плоскость перпендикулярна ей. Таким образом, зонд представляет единую конструкцию, содержащую однотипные элементы, обеспечивающие повьшение точности измерения за счет высокой изокинетичности отбора пробы и точной ориентации отборной трубки зонда навстречу потоку. При набегании на отборную трубку, когда отбор Пробы не производится, поток тормозится йеред ее входным отверстием и обтекает трубку как затупленное цилиндрическое тело с образованием кольцевЯй отрывной зоны и кольцевой отрывной струи, При параллельности оси трубки вектору скорости набегающего потока отрывная зона и отрьшная струя симметричны относительно поверхности трубки. Картина обтекания совпадает с известным в гидродинамике случаем обтекания тел идеальной жидкостью с отрывом струй. Для случая обтекания затупленного тела с плоским носом имеется теоретическое решение в котором получены уравн-ения для расчета формы оторвавшихся струй, ограничивающих зону отрыва: Р W d ТТ+4 ,(з) вспомогательный параметр; скорость набегающего потока, м/с; толщина обтекаемого тела,м координаты точек оторвавшейся струи, отсчитьтаемые от угловой точки носа тела, м; потенциал течения, менячгс ющийся вдоль оторвавшихся струй. Пример результатов расчетов по формулам (2)-(4) для случая, представленного на фиг. 4 (скорость потока ,5 м/с, толщина тела d ), показан на фиг. 5 и в виде точек на фиг. 4. Видно хорошее качественное и количественное совпадение формы оторвавшихся струй на фиг. 4 и расчетных данных на фиг.5 Формулы (2)-(4) используют для расчета формы отрывных струй при обте кании тел потоком, несущим твердые частицы. Для практического использования эти формулы удобнее преобразовать . Вынесем величину С из вы ражений (З) и (4) )-ln{Л ) ,( С С . С Из (6) с использованием (7) полу(l.Ti.|) Подставив (7) и (8) в (5), полу-.)-Jc- r- -ii Tj-1п(,(7Г Г If-и

Формула изобретения (9 6 Формула (9) удобна тем, что в ней связаны только параметры трубки отбора (ее диаметр d) и координаты точек отрывной струи (х и у). Эта формула представляет нелинейное относительно X и у уравнение. Зонд работает следующим образом. После установки зонда в поток текучей среды он ориентируется навстречу потоку, при этом попарно сопоставляются сигналы противоположных друг другу термоанемометрических датчиков 7 и 9, 8 и 10. При косом обтекании трубки происходит нарушение симметрии зон и струй отрыва потока и один из симметрично расположенньпс датчиков погружается вглубь зоны отрьта, а другой, противоположный ему, выходит из нее. Таким образом, в показаниях датчиков возникает рассогласование При наличии рассогласования величин сигналов производятся повороты зонда в двух плоскостях до совпадения сигналов, что соответствует одинаковым условиям обтекания датчиков и симметричности обтекания отборной трубки, т.е. совпадению оси трубки и вектора скорости набегающего потока. При этом исключаются погрешности измерения, связанные с неточностью ориентации трубки по отношению к потоку среды. После ориентации зонда вклю ается побудитель расхода среды. При этом фиксируются и сопоставляются сигналы термоанемометрических датчиков 2 и 3. Затем производится регулировка расхода среды через отборную трубку до получения равенства сигналов термоанемометрических датчиков 2 и 3, что соответствует равенству скоростей потока вне и внутри трубки, т.е. изокинетичности отбора пробы. Зонд для изокинетического отбора пробы текучей среды по авт.св. № 1032354, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерения, он снабжен дополнительными термоанемометрическими датчиками, закрепленными на держателях, при этом чувствительные элементы датчиков размещены по сторонам квадрата, центр которого совпадает с осью отборной трубки, плоскость перпендикулярна ей и смещена от входа в трубку вниз по потоку на расстояние не более двух диаметров трубки а расстояние от чувствительных элементов датчиков до наружной стенки трубки рассчитывается по следующему уравнению: ( ТТ+4 txi -га-{ т гп X /По. + tv2 17 lni(l+ -j- ) + V(l+ --я- -IJ J наружный диаметр отборной трубки, м; смещение от входа в трубку вниз по потоку плоскости размещения чувствительных элементов термоанемометрических датчиков, м; расстояние от чувствительньк элементов термоанемометрических датчиков до наружной стенки трубки, м.

Изобретение относится к зонду для газокинетического отбора пробы, может быть использовано при исследованиях гидромеханики двухфазных потоков и позволяет повысить точность измерения. Зонд содержит отборную трубку (т) I, установленную навстречу потоку среды, термоанемометрические датчики 2 и 3 с чувствительными элементами (ЧЭ) 4 и 5, служащие для обеспечения изокинетичности отбора пробы. Датчик 2 установлен на входе в Т непосредственно, а датчик 3 с помошью держателей (Д) 6, закрепленных на корпусе Т, вынесен по потоку на расстоянии не менее трех диаметров Т. Чувствительные элементы 4 и 5 датчиков 2 и 3 установлены перпендикулярно друг другу. Зонд снабжен дополнительной системой термоанемометрических датчиков сЧЭ7, 8, 9, 10, размещенных с помощью Д 11, 12, 13, 14 по сторонам квадрата. Центр квадрата совпадает с осью отборной Т,а плоскость перпендикулярна ей и смещена от входа в Т вниз по потоку на расстояние, не превышающее двух диаметров Т. 7 ил. (Л с

Г

ю

1 / У

-/J

Фиг.З

Направление дбижения nomoj a (ригЛ