Способ измерения концентрации и размеров капель в двухфазных газовых потоках и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации и размеров

капель в двухфазных газовых потоках, преимущественно в криогенных аэродинамических установках

Измерение распределения массы жидкой фазы, определение размеров, числа и веса капель необходимо при изучении условий конденсации жидкой фазы в газовых потоках аэродинамических труб, атмосфере (облаках), парогенераторах и так далее, а также при изучении процессов распыления жидкости, например увлажнении или захо- лаживании газа путем распыления форсунками.

Известен способ исследования двухфазных газовых потоков, при котором используют приемники давления различных размеров, в канале и в пограничном слое которых производят испарение жидкой фазы, и по приращению давления судят о наличии жидкости в потоке газа 1.

Устройство для осуществления указанного способа содержит приемник с каналом, в котором происходит процесс испарения, и измеритель давления 1.

Недостатками способа и устройства является то, что они не позволяют получать количественной информации о массе жидкой фазы в потоках с близким значением плотности испарившейся жидкости и газа, например жидкий азот в воздухе, и в потоках с малой концентрацией жидкости. Кро- ме того, они принципиально не применимы для измерения числа и размеров капель жидкой фазы в потоке газа. Известен способ, включающий нагрев

электрическим током термочувствительного элемента, расположенного в двухфазном потоке, регистрацию его электрического со- противления, компенсацию изменения электрического сопротивления дополни- тельным электрическим током, подаваемым на термочувствительный элемент по цепи отрицательной обратной связи, формирование и регистрацию выходного сигнала, пропорционального дополнительному электрическому току в цепи отрицательной обратной связи, и определение числа и размеров капель в двухфазном потоке расчетным путем 2.

Устройство для осуществления указанного способа содержит последовательно со- единенные датчик с проволочным термочувствительным элементом, термо- аиемометр постоянного сопротивления, фильтр высоких .частот и счетчик импульсов 2 и 3.

Недостатки известного способа и устройства заключаются в том, что они не обес- печивают возможности получения количественной информации о массовых характеристиках жидкой фазы без значения величин местной скорости, плотности и температуры в измерительном объеме,газожидкостного потока, не позволяют производить точный подсчет числа капель жидкой фазы в турбулентных высокоскоростных потоках газа, так как минимальный размер регистрируемых капель ограничен высоким уровнем шумового сигнала термоанемометра, обусловленного чувствительностью термоанемометра к пульсациям скорости, плотности и температуры газовой фазы потока, имеют

а основном качественную возможность определения размеров капель в газожидкостном потоке, так как применение фильтра высоких частот для фильтрации выходного сигнала термоанемометра искажает форму

импульсного сигнала, связанного с периодическим случайным попаданием капель на термочувствительный элемент датчика. Кроме того, уменьшение точности происходит за счет субъективного выбора полосы прозрачности фильтра, особенно в турбулентных потоках с мелкомасштабной турбулентностью.

Целью изобретения является повышение точности и эффективности измерения.

Согласно способу измерения концентрации и размеров капель в двухфазных газовых потоках, включающему нагрев электрическим током термочувствительного

элемента, регистрацию и компенсацию изменения его электрическою сопротивления дополнительным электрическим током, подаваемым на термочувствительный элемент по цепи отрицательной обратной связи,

формирование и регистрацию выходного сигнала, пропорционального дополнительному электрическому току в этой цепи и определение концентрации и размера капель до соответствующей зависимости, в том же

измерительном объеме газового потока размещают дополнительный идентичный первому термочувствительный элемент и производят с каждым раздельно указанные операции, при этом нагрев термочувствительных элементов регулируют до достижения каждым температуры,, превышающей температуру газового потока и кипения жидкой фазы, а также равенства коэффициентов чувствительности к изменению массовой скорости газового потока и температуры, после чего измеряют выход- ныесигналы, вычитают из величины первого выходного сигнала величину второго, формируют, измеряют и регистрируют разностный выходной сигнал и по нему определяют эквивалентное среднеквадратичное значение массы по соотношению

V

I2f

r + C(TK-T4) E

где I. Rw- электрический ток i-. сопротивление нагретого термочувствительного элемента;

е - среднеквадратичное значение пульсации выходного разностного напряжения;

Е - напряжение на выходе термоанемометра;

г,С Т к - удельная теплота парообразования, теплоемкость и температура кипения вещества жидкой фазы;

Тж - температура капель;

,«- градуировочная константа.

Устройство для измерения концентрации и размеров капель в двухфазных газовых потоках, включающее последовательно соединенные датчик с термочувствительным элементом, термознемсметр постоянного сопротивления, фильтр высоких частот и счетчик импульсов, снабжено дополнительным аналогичным основному датчиком и термоанемометром постоянного сопротивления, к выходу которого подключен вольтметр постоянного напряжения и последовательно соединенные вычитающее устройство, компараторе регулируемым порогом срабатывания, интегратор и вольтметр постоянного напряжения, при этом основной и дополнительный датчики размещены в одном измерительном объеме и под- соединены к входам основного и дополнительного термоанемометров, выходы которых подключены к входам вычитающего устройства, причем вольтметр переменного напряжения подсоединен к выходу вычитающего устройства, а счетчик импульсов - к выходу компаратора.

Кроме того, с целью повышения надежности работы датчиков термочувстви- тельные элементы основного и дополнительного датчиков выполнены в виде пленок, размещенных на г.орерхно- стях граней симметричного клина из диэлектрического материала с углом раскрытия не менее 120°.

П р и м е р. В двухфазный газовый поток криогенной аэродинамической трубы вводят два пермоанемометрических датчика, термочувствительные элементы которых изготовлены из одинаковых по длине (I 1,5-2,0 мм) и диаметру (d - 8.мм) кусков вольфрамовой проволоки. Термочувствительные элементы располагаются на

расстоянии 0,5 мм параллельно один другому и перпендикулярно напрчвпению потока газа, т.е. находятся в одном измерителчиом объеме.

Каждый датчик подключается к входу

одного из двух термоанемометров постоянного сопротивления, с помощью которых термочувствительные элементы датчиков нагружаются до одинаковой температуры

Т,-;, превышающей температуру кипения жидкой Фазы газового потока Тк м температуру потока Тд. При этом при условии идентичности термочувствительных элементов обеспечивается также равенство их козффициентов чувствительности к измем -чю массового расхода и температуры.

С помощью вычитающего устройства, входы которого подключены к выходам тер- моаьемометров, из выходного напряжения

первого термоанемометра EI вычитается выходное напряжение второго термоанемометра Е2 и формируется разностный сигнал, который измеряется вольтметром эффективных значений и поступает на вход

компаратора напряжения с регулируемым порогом срабатывания. Импульсный разностный сигнал с помощью компаратора преобразовывается з клиппированный импульсный сигнал - последовательность

прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды и случайной длительности, пропорциональной амплитуде импульсного разностного сигнала

С помощью счетчика, подключенного к

выходу компаратора, подсчитывается число импульсов в единицу времени, т.е. определяется частота попаданий капель жидкости на термочувствительный элемент с массой, для которых величина отклика термоаиемометра по напряжению превышает выбранный порог срабатывания компаратора.

Напряжения EI и Е2 на выходах обоих термоанемометров можно представить, разложив его в трехмерный ряд Тейлора, в

виде

FI Ei +d EI Ei +

+ (1|-)+(1)и)1 +

+ ()dm1+...,

(1)

где Pg - электрическое сопротивление не- нагр.етого датчика;

Е - осредненное по времени значение выходного напряжения термоанемометра;

p U - массовый расход потока газа (произведение скорости U на плотность р газа);

m - эквивалентная масса капель жидкой фазы, попадающая на чувствительные элементы датчиков,

Принимая во внимание, что попадание капель на каждый термочувствительный элемент - событие статистически независимое, а одновременное попадание одинаковых капель на первый и второй термочувствительные элементы - событие маловероятное, а также учитывая равенство коэффициентов чувствительности для обоих термоанемометров, т.е.

0

Производную dE/dm обычно определяют либо прямыми градуировочными опытами в специальных установках, либо дифференцированием уравнения теплового баланса термочувствительного элемента датчика при некоторых очевидных предположениях. Составив такое уравнение и продифференцировав его, получают формулу, пригодную для расчета массы потока капель, попадающих на термочувствительный элемент в стационарном потоке газа (из-за громоздкости вывод уравнения и его дифференцирование опускаются)

V2 V2

Rv

Г + С(ТК-ТЖ)3

X

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано преимущественно в криогенных аэродинамических трубах. Целью изобретения является повышение точности и эффективности. В одном измерительном объеме с основным датчиком размещают второй, идентичный первому, термочувствительный датчик и производят раздельно нагрев электрическим током термочувствительного элемента каждого датчика, регистрацию его электрического сопротивления, компенсацию изменения электрического сопротивления дополнительным электрическим током, подаваемым на термочувствительный элемент по цепи отрицательной обратной связи, формирование и регистрацию выходного сигнала, пропорционального дополнительному электрическому току в цепи отрицательной обратной связи. При этом нагрев термочувствительных элементов датчиков регулир/юг до достижения каждым температуры, превышающей температуру газового потока и кипения жидкой фазы, а также равенства коэффициентов чувствительности к изменению массовой скорости газового потока и температуры Измеряют выходной сигнап, а затем вы штают из величины первого выходного сигнала величину второго Формируют, измеряют и регистрируют разностный выходной сигнал и по нему определяют среднеквадратичное значение массы капель. Устройство для измерения снабжено дополнительным, идентичным основному, датчиком и термоанемометром постоянного сопротивления, к выходу которого подключен вольт- метр постоянного напряжения и последовательно соединенные вычитающее устройство, компаратор с регулируемым порогом срабатывания и интегратор. 2 с.п. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил. X

3Ei ЭЕ2

ЭЕ1

8Е2

dRg а (/о U.) Э(ри) дЕг

д т

(2)

и хорошо выполняющиеся в любой момент времени для неоднородностей в потоке газа с масштабом большим, чем измерительный объем датчика, равенства

dRgi dRgz; d(p U)i d(p life,

(3)

находят, вычитая из выходного напряжения первого термоанемометра выходное напряжение второго, разностное напряжение на выходе вычитающего устройства

d Ei -d E2

ЗЕ д m

(d mi -d ni2).(4}

Затем, выполнив с помощью вольтметра эффективных значений, подключенного к выходу вычитающего устройства, операции возведения в квадрат, осреднения по времени, извлечение корня и измерения результирующего напряжения, можно найти, что

V(d Ei-dE2f /2(ЭЕ/Эт)

(5)

Из соотношения (5) видно, что, определив частную производную (йЕ/дт) каким-либо способом и измерив напряжение

V ( d Е1 - d Ј2 f на выходе вычитающего устройства, легко определить среднеквадратичное значение потока массы капель

V cf m . Причем в отличие от известного, результат измерения не зависит от чувствительности датчиков к пульсациям скорости, плотности и температуры потока газа.

X

(TiT d E2 )2

(6)

где , RW - электрические ток и сопротивление нагретого термочувствительного элемента;

dEi, dEa - пульсации напряжения на выходах основного и дополнительного термоанемометров сопротивления;

Е - напряжение на выходе одного из термоанемометров;

r,C,TK - удельные теплота парообразования, теплоемкость и температура кипения вещества жидкой фазы;

TIC-температура капель (для стационарных потоков можно принять Тж Тд);

V cfrn2 - эквивалентное среднеквадратичное значение массы потока капель.

Эквивалентное среднеквадратичное массы потока капель можно связять с среднеквадратичным значением массы капель жидкости в

потоке V j m2OT соотношением

fi Vj

- 2 ГПпот

(7)

где / 1 - коэффициент эффективности взаимодействия, зависящий от конструкции и размеров чувствительных элементов датчиков, определяется градуировкой.

Из соотношения (4) видно, что определив эффективную величину каждого импульса выходного разностного сигнала, можно определить массу каждой капли и, подсчитав частоту попадания капель на термочувствительный элемент, определить расчетным путем концентрацию капель, распределение капель по размерам, среднюю величину капель при заданных параметрах потока.

Таким образом, предлагаемый способ, как видно из соотношений (4) и (6), позволяет увеличить эффективность измерений по сравнению с известным путем получения информации о массовых характеристиках потока капель, среднеквадратичном значении массы потока капель, массовой концентрации, распределение капель по массе, величине и массе отдельных капель и так далее, а также увеличить точность определения частоты следования, концентрации и так далее, причем в отличие от известного результат измерений не зависит от величины скорости и плотности газг.

Кроме того, предлагаемый способ не требует специальной градуировки датчиков по массовому расходу потока газа, с целью опредеделения градуировочных констант и коэффициентов чувствительности и позволяет значительно увеличить отношение сигнал/шум выходного сигнала в турбулентных потоках, тем самым повышается не менее чем в 2-3 раза точность измерения общего числа капель за счет регистрации более мелких по массе.

На чертеже представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство состоит из основного 1 и дополнительного 2 идентичных термодатчиков, размещенных в одном измерительном объеме 3, подключенных соответственно к входам термоанемометров 4 и 5 постоянного сопротивления, выходы которых соединены с входами вычитающего устройства б. К выходу вычитающего устройства 6 подсоединены вольметр 7 переменного напряжения и вход компаратора 8 с регулируемым порогом срабатывания, выход которого соединен со счетчиком 9 импульсов и интегратором 10. Кроме того, к выходу термоанемометра 4 постоянного сопротивления подключен вольметр 11 постоянного напряжения.

К выходу вычитающего устройства 6 и интегратора 10 могут быть дополнительно подключены приборы, например осциллографы, самописцы, анализаторы (не показаны) и т.д.

Устройство работает следующим образом.

В двухфазный газожидкостный поток криогенной аэродинамической трубы вводятся основной 1 и дополнительный 2 термодатчики, термочувствительные элементы которых располагаются в одном измерительном объеме 3. С помощью термоанемометров 4 и 5 постоянного сопротизления каждый термочувствительный элемент термодатчиков 1 и 2 соответственно нагревается электрическим током до температуры Т«, превышающей температуру газового потока и температуру кипения вещества жидкой

фазы. С помощью цепи глубокой отрицательной связи обоих термоанемометров электрическое сопротивление обоих термочувствительных элементов термодатчиков 1 и 2 поддерживается постоянным с высокой степенью точности по мгновенному значению.

При этом в силу идентичности обоих термочувствительных элементов датчиков

0 обеспечивается равенство коэффициентов чувствительности к пульсациям скорости, плотности и температуры. Выходное напряжение термоанемометра 4 измеряется интегрирующим вольтметром 11 и поступает

5 на вход вычитающего устройства 6, нз /Jiy- гой вход которого подается напряжение с выхода термоанемометра 5.

Так как оба идентичных термочувствительных элемента датчиков находятся в

0 одном измерительном объеме газожидкостного потока, то на выходе вычитающего устройства образуется переменный импульсный сигнал с постоянной составляющей равной нулю, измеряемый с по5 мощью вольтметра 7 эффективного переменного напряжения. Используя значения напряжений, полученных вольтметрами 11 и 7, расчетным путем по предлагаемому соотношению (6) определя0 ют среднеквадратичное значение потока массы жидких капель, попадающих на термочувствительный элемент.

Затем выходное напряжение вычитающего устройства 6 преобразовывается с

5 помощью компаратора 8 напряжения с регулируемым порогом срабатывания в последовательность прямоугольных импупьсов постоянной амплитуды и длительностью, пропорциональной величине

0 амплитуды каждого импульса разностного сигнала. Прямоугольные импульсы выходного сигнала компаратора 8 считаются счетчиком 9 импульсов, при этом определяется число капель, для которых величина

5 отклика термоанемометра по напряжению превышает выбранный порог срабатывания компаратора 8. Изменяя величину порога срабатывания компаратора, измеряют распределение капель жидкой

0 фазы по массе.

Суммируя длительности прямоугольных импульсов за определенное время с помощью интегратора 10, подключенного к выходу компаратора 8, и зная количество

5 импульсов за тот же период времени, определяют средний размер (массу) капель жидкой фазы.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет получать информацию о среднеквадратичном потоке массы жидких

капель в данной точке газожидкосп ного по- тока, частоте попадания капель, распределении капель по массе, среднем размере (массы) капель и т.д., т.е. по сравнению с известным повышается эффективность из- мерениа.

Формула изобретения 1. Способ измерения концентрации м размеров капель в двухфазных (азовых по- ТОРЗХ, преимущественно в криогенных аэродинамических трубах, включающий нагрев электрическим током термочувствительного элемента, регистрацию и компенсацию изменения его электрического сопротивления дополнительным электрическим током, подаваемым на термочувствительный элемент по цепи отрицательной обратной связи, формирование и регистрацию выходного сигнала, пропорци- ональнот дополнительному электрическому току в этой цепи и определение концентрации и размера капель по соответ- с гвующей зависимости, отличаю щи й- с я тем, что, с целью повышения эффективности измерения, в том же измерительном объеме газового потока размещают дополнительный идентичный первому термочувствительный элемент и- производят с каждым раздельно упомянутые операции, при этом нагрев термочувствительных элементов регулируют до достижения каждым температуры, превышающей температуру газового потока и кипения жидкой фазы, а также равенства коэффициентов чувствительности к изменению массовой скорости газового потока и температуры, после чего измеряют выходные сигналы, вычитают из величины nepsojo выходного сигнала яеля- | чину втооого, формируют, измеряют и регистрируют разностный выходной сигнал и по нему определяют эквивалентное среднеквадратичное значение массы по соотношению

Rv

/4 г + С ( Тк - Тж )

где , Rw электрический гок и сопротивление нагретого термочувствительного элемента;

v g - среднеквадратичное значение пульсации выходного разностного напряжения;

Е - напряжение на выходе термоанемометра;

г, С, Л-, - удельная теплога парообразо- вания, теплоемкость и температура кипения вещества жидкой фазы;

Тж - температура капель;

I- градуировочная константа.

последовательно соединенные вычитающее устройство, компаратор с регулируемым порогом срабатывания и интегратор, при этом основной и дополнительный датчики размещены в одном измерительном объеме и подсоединены к входам основного и дополнительного термоанемометров, выходы которых подключены к входам вычитающего устройства, причем вольтметр переменного напряжения подсоединен к

выходу вычитающего устройства, а счетчик импульсов - к выходу компаратора,

элементы основного и дополнительного датчиков выполнены в виде пленок, размещенных на поверхностях граней симметричного клина из диэлектрического материала с углом раскрытия не менее 170°