Датчик для определения газосодержания в пристенном слое газожидкостного потока Советский патент 1992 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к технике для измерения газосодержания в пристенном ;слое газожидкостных потоков.

Известны следующие методы определения газосодержания в газожидкостных потоках: дискретного отбора гидросмеси, непрерывного отбора гидросмеси, электрический импульсный, термоанемо- метрический, гаммаскопический, электрический резистивный метод. Определять величину газосодержания в пристенном слое газожидкостного потоХа с достаточной степенью точности позволяет только электрический резистив- ный метод. Электрический резистивньй метод определения величину газосодёржания состоит в измерении электропроводности гидросмеси в исследуемой области (эффективного электрического ; поля), которая изменяется в зависимости от концентрации гидросмеси в этой области. По конструкции различают следующие типы датчиков, входящих в комплект прибора, в основу которого положен электрический резистивный способ: коаксиальный, концентрический, штыревой, пластинчатый и бифи- лярный. Проведенный анализ показал, что существенным недостатком всех перечисленных датчиков являются значительные гидродинамические погрешности при определении величины газо-

СО

to

содержания в высокоскоростных потоках. Кроме того, применение их в натурных исследованиях осложнено тем, что, например, при сбросе вместе с водой льда, плавающих предметов, частиц наносов возможно механическое повреждение этих датчиков. К недостаткам этого типа датчиков, кроме бифилярного, из-за конструктивных особенностей, следует отнести достаточно большие размеры эффективного электрического поля (15-20 мм от центра датчика). Это обстоятельство не позволяет проводить измерения непо- средственно в пристенном слое. Би- филяриый датчик, позволяет выполнять измерения на расстоянии от стенки 1- 2 мм, но применим только в лабораторных условиях при скоростях пото- ков не больше 10 м/с.

Наиболее близким к предлагаемому является дисковый датчик аэрации, предусматривающий совмещение с обтекаемой потоком поверхностью измеритель- ной плоскости датчика, в пределах которой имеются пластины-электроды, выполненные заподлицо с названной плоскостью.- Электроды включаются в электрическую цепь прибора, измеряю- щего электропроводность гидросмеси ; в исследуемой области. Такая конструкция Датчика позволяет проводить измерения в пристенном слое и не подвержена механическим воздействиям со стороны потока.

Недостатками известйой конструкции являются двухэлектродная схема (две крайние пластины, соединенные электрическим проводом, представляют как бы один электрод, а центральная пластина - другой), взаимное влияние условий обтекания потоком одной пластины-электрода на обтекание другой, обусловленное близким расположе нием этих пластин, фиксированный размер измерительной области.

Цель изобретения - повышение точности измерений и надежности работы датчика, увеличение толщины при- стенного слоя (в котором измеряется воздухосодержание), оценка существования градиента.концентрации (возду- хосодержания) по нормали к поверхности.

Указанная цель достигается применением электрического резистивногй метода и датчика новой конструкции

с

0 5

Q

5

(плоский датчик). Измерительная плоскость датчика совмещается с обтекаемой потоком поверхностью, электроды, выполненные заподлицо с измерительной поверхностью, включаются в электрическую цепь прибора, измеряющего электропроводность гидросмеси в исследуемой области. В предлагаемой конструкции предусмотрено устройство трех - пяти электродов, так как. боль-

-л -

шее количество электродов ведет к увеличению размеров датчика и делает невозможным его практическое применение из-за трудностей установки, позволяющих при разных расстояниях между парой задействованных при измерении электродов (например, первый, второй, первый и третий и т.д.), получать и разную толщину эффективного электрического поля, в котором измеряется электропроводность (а значит, и воздухосодержание), при этом повышается и надежность датчика, так как случайный обрыв провода к любому электроду оставляет возможность использовать для измерений остальные электроды; придание угла наклона 0 3-5 измерительной плоскости датчика относительно поверхности водосброса (именно в этих пределах обеспечивается минимальная погрешность измерения воэдухосодержания в .придонной области и безотрывное обтекание этой плоскости высокоскоростным потоком).

На Лиг. 1 приведен датчик, общий вид (стрелкой показано направление потока); на Лиг. 2 - разрез Л-А на фиг. 1.

Датчик состоит из электродов 1, корпуса ., изолятора 3, кабеля 4. Электроды, представляют собой шпильки диаметром 3-5 мм, выполненные из нержавеющей стали. Электроды жестко крепятся в цилиндрическом корпусе (из неэлектропроводного гидрофобного материала) так, что торцовые части электродов устанавливаются заподлицо с плоскостью-корпуса. Этот корпус, например, с-помощью винтовой резьбы совмещается с обтекаемой потоком по- верхностью, К внутренним концам электродов датчика подсоединяется кабель, включающий датчик в измерительную цепь известного прибора.

Для проверки достижения цели изобретения были проведены экспериментальные исследования предлагаемой, конструкции и известной в лабораторных и

натурных условиях. Сравнение, проведенное между измерениями, выполненными предлагаемым и бифилярным датчиками в аэрированном потоке в наклон ном лотке, имитирующем низовую грань водосливной плотины, показало совпадение результатов ъ пределах прибор iной погрешности +1%. БиЛилярный датчик является наиболее приемлемым для локальных измерений в плавно- изменяющихся лабораторных по.токах. При измерениях предлагаемой конструкции датчика за/гействовались разные1 пары электродов, что позволяло оценить изменение концентрации воздуха по нормали к плоскости датчика. Использование известного датчика для определения градиента гаэосодержания из-за его конструкции принципиально невозможно.,

Исследования выявили, что двух- электродная схема, взаимное влияние условий обтекания потоком одной плас- тины- электрода на обтекание другой, а также отрывы потока над пластиной (при скорости жидкой фазы больше 3- 4 м/с) не позволяют получать надежные результаты в натурных условиях. Погрешность измерения газосодержания достигала 40%, а при отрыве потока от плоскости датчика и образования газовой каверны - 100%. В ходе исследований на специально изготовленном экспериментальном стенде, суть которых состояла в определении эпюры воздухосодержания в водовоздушном потоке при его набегании на поверхности с различным углом наклона к оси потока, был сделан вывод ,о том что угол & 3-5° позволяет обеспе % чить безотрывное обтекание потоком

o

5

плоскости с таким наклоном и одновременно не оказывает влияние на эпюру воздухосодержания по сравнению с He- возмущенным потоком. Скорости течения, при которых выполнялись измерения, достигали 45 м/с, что соответ-.. ствует скоростям,встречающимся в натурных условиях. Испытания датчика в натурных условиях показали,его надежность (за счет многоэлектронной схемы), точность измерения концентрации воздуха в придонном (пристенном) слое и градиента воздухосодержания по нормали к поверхности датчика с точностью ±5«.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования позволяют утверждать, что в. предлагаемом техническом решении повышается точность изме- рений и надежность работы датчика, а также возможно получение результатов измерений в слоях с разной толщиной.

Формула изобретения Датчик для определения газосодержания в пристенном слое газожидкостного потока, содержащий электроды, выполненные заподлицо с измерительной поверхностью, включенные в измерительную цепь электрического прибора, выполненного на основе резистивного метода измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, датчик содержит по крайней мере 3-5 электродов, размещенных по прямой линии, направленной навстречу потока, угол наклона 0 измерительной плоскости 3-5°, в измерительной цепи дополнительно установлено линеаризующее сопротивление.

0

5

0

5

Изобретение-относится к технике для измерения газосрдержания в пристенном слое газожидкостного и, в частности, аэрированного водного потока. Многоэлектродный датчик включается в измерительную цепь (имеющую линеаризующее сопротивление) прибора, работающего согласно электрическому резистийному методу. За счет придания угла наклона измерительной плоскости датчика и размещения нескольких электродов по линии,- направленной поперек потока, повышена точность измерения газосодержания, а также появляется возможность оценки градиента газосо- держания по нормали к обтекаемой поверхности. 2 ил. (Л

/