Устройство для исследования двухфазных потоков Советский патент 1992 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к физико-химическим исследованиям и может найти применение в лабораторных и промышленных условиях для измерения поверхности контакта фаз в подвижных газожидкостных системах, образующихся при взаимодействии жидкости и газа, например, в пенных, бар- ботажных и других аппаратах.

Известно устройство для измерения поверхности раздела фаз, содержащее источник света, поляризатор и анализатор, включающий приемник для измерения интенсивности светового потока в двух направлениях:параллельноиперпендикулярно первоначальной плоскости поляризации. Степень деполяризации света в таком устройстве характеризует развитость поверхности раздела фаз.

Недостатком такого устройства является возможность получения только интегральных оценок поверхности раздела фаз по всему аппарату в целом. С помощью таких устройств принципиально невозможны исследования локальных макрообъемов для идентификации плохо работающих зон аппарата: застойных зон, проскоков газа, газовых факелов и др.

Известно также устройство содержащее два точечных электрода, погружаемых в исследуемую структуру, и один опорный неизолированный электрод, предварительный электронный усилитель, сравнительный электронный блок, электронный коммутатор, счетчик регистрации импульсов общей длины секущей и счетчик количеVJ

О СО 00

ства импульсов, соответствующих фактам разделения точечных электродов.

Такое устройство позволяет исследователь развитие поверхности контакта фаз в любом макрообьеме рабочей зоны аппарата.

Однако область применения этого устройства ограничена газожидкостными системами со сплошной и обязательно электропроводной жидкостной фазой. Кроме того, применение электрически коммутируемых открытых цепей не применимо в случаях, когда исследуемые среды являются горючими, например для исследования ректификационных процессов перегонки нефтепродуктов, так как электрически коммутируемый датчик внутри аппарата может инициировать загорание или даже взрыв ректификационной колонны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения расхода, основанное на зависимости от расхода оптических свойств волоконного световода, находящегося в потоке измеряемого вещества. В одном из таких расходомеров неоново-гелиевый лазер соединен с волоконным световодом, проложенным вдоль оси медной трубки, по которой движется измеряемая жидкость. Противоположный конец световода соединен с фотопреобразователем. Течение жидкости вызывает вибрацию волоконного световода, хотя и небольшую, но достаточную для возникновения фазовых изменений светового луча. Сигнал, вырабатываемый фотопреобразователем, после усиления, фильтрации и интегрирования поступает к измерительному прибору. Описанный способ измерения расхода основывается на зависимости интенсивности гидродинамики движущегося сплошного потока жидкости от скорости движения этого потока и непригоден для измерения удельной поверхности контакта фаз в подвижных газожидкостных системах.

Цель изобретения - обеспечение возможности измерения удельной поверхности контакта фаз в газожидких системах.

Цель достигается тем, что световод выполнен в йиде двух отрезков, торцы которых установлены в объеме соосно с зазором, причем один отрезок световода подсоединен к источнику, а второй к приемнику оптического излучения, а блок вторичного преобразования сигнала содержит формирователь импульсов, электронный коммутатор и два счетчика импульсов, формирователь импульсов соединен с входом электронного коммутатора, к выходам которого подключены счетчики импульсов.

Установленные соосно отрезки световода организуют световую цепь, в которой световой поток изменяется в зависимости от того, в какой среде, жидкостной или газовой, находится каждый из отрезков световода. С помощью такой измерительной системы появляется возможность измерения удельной поверхности контакта фаз при исследовании гидродинамики как электро0 литов, так и диэлектрических и плохо проводящих электричество жидкостей. Замена открытых электрических цепей световыми потоками позволяет обеспечить безопасность условия работы аппаратов.

5 На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для измерения удельной поверхности контакта фаз; на фиг. 2 - зависимости электрического тока, протекающего через приемник светового излучения при различ0 ных состояниях торцов отрезков световода: уровень А - между торцами отрезков световода находится поверхность раздела фаз; уровень В - промежуток между торцами заполнен сплошной жидкость; уровень С - в

5 промежутке между торцами находится газ (торцы световода находятся внутри газового пузыря).

Устройство для измерения удельной поверхности контакта фаз в подвижных газо0 жидкостных системах включает стабилизированный источник 1 излучения, световолоконный кабель 2, приемник 3 излучения, предварительный усилитель 4, электронный модуль 5, электронный комму5 татор 6, электронный счетчик 7 импульсов, соответствующих фактам разделения торцов световода межфазной поверхностью, электронный счетчик 8 общего количества импульсов.

0 Устройство работает следующим образом.

Источник 1 излучения подключается к стабилизированному питающему напряжению +1)оп. Световой поток от источника 1

5 через левый отрезок световода 2 подводится к исследуемому макрообъему, находящемуся в промежутке между торцами отрезков световода и затем, проходя через указанный макрообъем, через правый отрезок све0 товода поступает- на приемник 3 светового потока. Электрический сигнал с выхода приемника поступает на вход предварительного электррнного усилителя 4 для увеличения чувствительности измерений. Электриче5 ский сигнал с выхода предварительного усилителя поступает на вход электронного модуля 5, который формирует на выходе электрический импульс при низком уровне сигнала на входе. Для фиксации факта пересечения светового потока межфазной поверхностью в случайном положении относительно исследуемой структуры, а также иск- лючения в момент такой фиксации перемещения газовых включений относительно торцов световода электронный счет- чик 7 импульсов, считающий и регистрирующий импульсы, сформированные электронным модулем 5, периодически подключают к модулю на очень короткий промежуток времени при помощи электронного коммутатора 6. Для пенного слоя этот промежуток времени составляет 10-12 мс. В течение, такого.короткого промежутка времени газовые включения остаются практически неподвижными относительно торцов световода. Так, при максимальной скорости перемещения газового факела в пенном слое, равной 5 м/с, за 10 мс газовое включение перемещается всего лишь на 0,05 мм, что адекватно статическому состоянию. В течение времени, когда счетчик импульсов 7 находится в подключенном к электронному модулю 5 состоянии, этот счетчик фиксирует факт прохождения поверхности раздела фаз между торцами отрезка световода (если такой факт имеет место) и суммирует его с другими аналогичными фактами. Электронный счетчик 3 выполняет общий счетчик количества подключений, выполненных за весь период измерения. Затем, пользуясь содержимым счетчиков 7 и 8, вычисляют удельную поверхность контакта фаз по формуле

-.

где m - количество фактов разделения торцов световода межфазной поверхностью (содержимое счетчика 7);

z- общее количество выполненных подключений электронного модуля 5 к счетчику 7 (содержимое счетчика 8);

1 - расстояние между торцами световода.

На фиг. 2 изображены зависимости электрического тока, протекающего через приемник излучения при различных состояниях датчика. Состояния А и В отличаются уровнем принимаемого сигнала ввиду различной оптической плотности соответственно газовой и жидкостной сред: во втором случае сигнал несколько слабее, чем в первом. Состояние С существенно отличается по уровню сигнала от состояний А и В ввиду присутствия явлений отражения и преломления света на поверхности раздела фаз, что ведет к резкому ослаблению сигнала С по отношению к состояниям А и В.

В качестве источника светового потока использован светодиод АЛ 107. запитанный от источника стабилизированного питания

ИПС, применяемого обычно для питания измерительной схемы автоматических потенциометров. Диаметр световода составляет 0,3 мм. Приемник светового излучения выполней на фототранзисторе ФТ-2К. предварительный усилитель 4 - на базе операционного усилителя КР140УД608. Учитывая, что современные микропроцессорные средства имеют значительные пре0 имущества (большое быстродействие, помехозащищенность, универсальность и др.), а также то, что алгоритм организации измерения и расчета результата не особенно сложен, устройства 5-8 выполнены на

5 базе микроЭВМ Электроника 60. Для этого сигнал с выхода предварительного усилителя преобразуется в цифровую форму быстродействующим аналогово-цифровым преобразователем типа Ф7077 и обрабаты0 вается с целью определения соответствия уровня сигнала одному из трех возможных состояний датчика А, В, или С (см. фиг. 2). Наличию сплошной жидкости соответствует нейтральный уровень сигнала (состояние В).

5 Перекрытию датчика газовым включением соответствует большой выброс сигнала (состояние А). Наличию поверхности контакта фаз между торцами световода соответствует провал сигнала (состояние С). В режиме

0 реального времени и ЭВМ программно реализован периодический опрос датчика. Период опроса определяется временем, достаточным для полной смены гидродинамической обстановки, и составляет 1...2 мс.

5 Количество опросов состояния датчика составляет 1000...2000, что является достаточным для получения оптически достоверной оценки. В процессе опроса датчика программно реализовано суммирование (счет0 чики 7, 8) и вычисление удельной поверхности контакта фаз по приведенной выше формуле.

Использование предлагаемого устройства для измерения поверхности контакта

5 фаз в подвижных газожидкостных системах обеспечивает по сравнению с существующими устройствами следующие преимущества: расширение области применения устройства для исследования широкого

0 класса, газожидкостных систем с неэлектропроводной жидкостной фазой (например, все жидкостные системы в процессах неф- теперегонки), а также для исследования инверсных газожидкостных систем, в которых

5 сплошной является газовая фаза; увеличение точности измерения за счет автоматизации процессов установления и подсчета фактов пересечения светового потока поверхностью межфазового контакта при помощи микропроцессорной системы, а также

исключение создающих помехи различного рода поляризационных и гальванических эффектов, имеющих место на поверхности точечных электродов, изготовленных из металла; повышение точности измерения за счет снижения уровня помех введением гальванической развязки в цепи источник - приемник, а также высокой помехоустойчивости оптико-волоконных систем передачи информации; увеличение скорости опреде- ления удельной поверхности контакта фаз за счет полного исключения промежуточных подготовительных операций и организации параллельной обработки результатов в процессе измерения; возможность количест- веннооцениватьсостояние

гидродинамической обстановки в любой точке рабочего объема тепло- и массообмен- ных аппаратов с целью улучшения их конструкции, например выявления застойных зон, проскоков газа, газовых факелов и т.п.; оптимизация конструкций проектируемых массообменных аппаратов и режимов их работы на действующем производстве, проводимая на основе анализа информации об истинной величине поверхности контакта фаз, развиваемой в рабочих зонах аппаратов, что дает экономию в народном хозяйстве за счет интенсификации массообменных

процессов при одновременном снижении затрат на технико-экономические обследования.

Формула изобретения Устройство для исследования двухфазных потоков газопарожидких сред, содержащее световод, закрепленный в объеме исследуемой среды, источник и приемник оптического излучения и блок вторичного преобразования сигнала, причем световод установлен между источником и приемником светового излучения, а выход приемника соединен с блоком вторичного преобразования сигнала, отличающее- с я тем, что, с целью обеспечения возможности измерения удельной поверхности контакта фаз в газожидких системах, световод выполнен в виде двух отрезков, торцы которых установлены в объеме соосно зазором, причем один отрезок световода подсоединен к источнику, другой - к приемнику оптического излучения, а блок вторичного преобразования сигнала содержит формирователь импульсов, электронный коммутатор и два счетчика импульсов, формирователь импульсов соединен с входом электронного коммутатора, к выходам которого подключены счетчики импульсов.

Использование: аналитическое приборостроение, гидродинамика. Сущность изобретения: устройство для исследования двухфазных потоков1 газопарожидких сред содержит световод, закрепленный в объеме исследуемой среды, источник и приемник оптического излучения и блок вторичного преобразования сигнала. Световод установлен между источником и приемником светового излучения, а выход приемника соединен с блоком вторичного преобразования сигнала. Световод выполнен в виде двух отрезков, торцы которых установлены в объеме соосно с зазором, причем один отрезок световода подсоединен к источнику, а второй - к приемнику оптического излучения. Блок вторичного преобразования сигнала содержит формирователь импульсов, электронный коммутатор и два счётчика импульсов. Формирователь импульсов соединен с входом электронного коммутатора, к выходам которого подключены счетчики импульсов. 2 ил. fe

Фиг.1

1„,мкА

150Уровень А ет лР0 °дил7 еРез газ Уровень 8- с бе т проходи/я через ж идя ост

50 Уройен с сйе/я лролодит уерез

яобермос/776 pffjdesa ср0з

lI1119 0 10 20 30 40 50 60 70 t,MC

Фиг. 2