Устройство для измерения локального объемного паросодержания Советский патент 1980 года по МПК G01N29/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО ОБЪЕМНОГО ПАРОСОДЕРЖАНИЯ

1

Изобретение относится к технике измерения параметров сред ультразвуковыми методами и может найти применение для определения параметров двухфазных сред.

Известны устройства для измерения свойств двухфазных сред, основанные на ультразвуковом прозвучивании сред, содержащие излучатель и приемник ультразвука, подключенные соответственно к генератору и усилителю С1 . Однако эти устройства сложны.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для контроля жидкостей, содержащее генер-атор электрических чмпульсоБ, излучатель ультразвука i приемник, закрепленные на одних горцах звукопроводов, другие свободные торцы которого помещены в измеряемую среду друг против друга, усипитель и регистраторИОднако это устройство не обеспечивает достаточной точности измерений.

Цель изобретения - повышение точности за счет автоматизации процесса измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введен элемент

ШЖШШ

держки, а регистратор выполнен в виде последовательно соединенных формирователя импульсов, элемента 2И-НЕ и измерителя отношения частот, причем свободные входы элемента 2И-НЕ и измерителя.отношения частот подключены к генератору электрических импульсов через элемент задержки.

Крепление звукопроводов торцами друг против друга осуществлено при помощи акустического механического фильтра низких частот.

Свободные торцы звукопроводов выполнены в виде концентраторов, преимущественно, экспоненциальной формы.

На, чертеже показана функциональная схема устройства.

На трубопроводе 1 с контролируемым

20 потоком 2 друг против друга закреплены звукопроводы 3 и 4, свободные торцы которых, помещенные в поток 2, образуют межзвукопроводный промежуток- 5. На торцах звукопроводоь 3 и

25 4, расположенных вне трубопровода 1 с контролируемым потоком 2, закреплены приемный и излучающий пьезоэлементы б и 7. Приемный пьезоэлемент б через- усилитель 8 соединен с формирователем 9 импульсов, который соединен с одним из выходов элемента 2И-НЕ 10. Выход элемента 2И-НЕ 10 соединен с измерителем 11 отношения частот. Излучающий пьезоэлемент 7 соединен с генератором 12 импульсов и через элемент 13 задержки со свободными входами элемента 2И-НЕ 10 и измерителя 11 отношения частот.

Для н.адежного закрепления звукопроводов 3 и 4 свободными торцами друг против друга применен акустический механический фильтр 14, состоящий из трубки 15 с глубокими вырезами, прикрепленной к звукопроводам радиальными штифтами 16.

Свободные торцы звукопроводов 6 и 7 выполнены сужающимися по экспоненциальной образующей.

Работает измеритель паросодержания следующим образом.

Вырабатываемые генератором 12 импульсов электрические импульсы прямоугольной формы преобразуются пьезоэлементом 7 в акустические сигналы,

которые по звукопроводу 4 подаются в межзвукопроводный промежуток 5

с контролируемым объемом среды. Вследствие малости объема промежутка 5 в нем в каждый фиксированный момент времени может находиться либо жидкость, либо пар, причем прохождение акустических сигналов к торцу звукопровода 3 с относительно небольшим затуханием происходит лишь в те моменты времени, когда в контролируемом объеме промежутка 5 находится жидкость. Поэтому при паросодержании потока, отличном от нуля, средняя частота следования акустических сигналов в приемном звукопроводе 3 меньше, чем частота следования импульсов вырабатываемых генератором 12 импульсов .

Акустические сигналы, достигающие звукопровода 3, попадают в приемный пьезоэлемент б, где преобразуются в электрические импульсы, форма которых обусловлена предаточной функцией системы: пьезоэлемент 7 звукопровод 4, измеряемый объем промежутка 5, звукопровод 3, пьезозлемент 6. Далее эти импульсы усиливаются усилителем 8 и поступают на формирователь 9 импульсо, который преобразует их в импульсы прямоугольной формы. Прямоугольные импульсы поступают на один из входов элемента 2И-НЕ, на второй вход которого попадаются импульсы с выхода генератора 12 с задержкой, равной времени распространения акустического сигнала от излучающего пьезоэлемента 7 к приемному б, которая достигается подключением генератора импульсов

через элемент задержки. Элемент 2И-НЕ выполняет функцую схемы §нтисовпадений, вырабатывая на выходе импульсы при отсутствии сигнала на первом входе, которые подсчитываются измерителем 11 отноиюния частот в течение определенного периода времени. Этот период времени задается количеством импульсов, подаваемых на второй вход измерителя отношения от генератора импульсов. Отношение указанных частот равно среднему локальному паросодержанию в промежутке 5.

Сказанное можно пояснить путем следующих рассуждений.

По определению объемное паросодержание

где 1 f, - объем пара в измеряемом потоке ;

V - измеряемый объем.

Выделяя мысленно элементарную струйку измеряемого потока, проходящего через контролируемый объем 5 устройства., можно записать

fTjvs fTj i И 11 I

рС

TVS Т

де ii - время нахождения i-ro пузырька в измеряемом объеме 5; V - скорость движения потока; S - сечение элементарной струйки, равное сечению объема 5 по

осевой ЛИНИИ;

Т - выбранный период времени (интервал измерений);

t - полное время нахождения паровой фазы в контролируемом объеме в течение интервала измерений;

п - количество импульсов, не прошедших к приемному пьезоэлементу 6, вследствие появления в измеряемом потоке пара в течение интервала измерений ;

N - полное количество импульсов, излученных пьезоэлементом 7 в течение интервала измерений ;

f - средняя частота импульсов, не прошедших к приемному пьезЬэлементу 6;

F - частота импульсов, вырабатываемых генератором 12 и посылаемых в измеряемый объем.

Таким образом, измерением отношения частоты следования импульсов, не прошедших к приемному пьезоэлементу, к частоте генератора импульсов определяется среднее локальное паросодержание в промежутке 5.„

При установке свободных торцов звукопроводов друг против друга так, чтобы они образовали межзвукопроводный промежуток величиной меньшей, О чем размеры ггузырьков пара (при соответствующем выборе их диаметра), в межзвукопроводном промежутке может находиться либо только жидкость, либо только пар. Неопределенность, 5 связанная с определением соотношения

пара и воды в Фиксированный момент времени, исчезает и паросодержание в тот же фиксированный момент времени принимает значение нуль или сто процентов. Ультразвуковые импульсы, поступающие в мeжзвyкoпpoвo .ный промежугсок, контролируемый объем, будут достигать торца приемного звукопровода лишь в момент времени, когда в -контролируемом объеме находится жидкость. Находя соотношение между количеством посланных в контролируемый объем и принятых импульсов за определенный промежуток времени,можн определить среднее локальное объемно паросодержание в этом контролируемом объеме в течение указанного промежутка времени.

Минимальный диаметр паровых пузырей в потоке можно оценить теоретически по теплофизическим параметрам двухфазного потока или экспериментально, изменяя расстояние между торцами заукопроводов до тех пор, пока показания измерителя отношения частот не будут изменяться (при фиксированном паросодержании). Можно также воспользоваться двумя идентичными устройствами, установленными так, чтобы измеряемые ими объемы находились бы в непосредственной близости друг от друга, причем расстояния между торцами звукопроводов этих устройств необходимо выбрать несколько различающимся. При этом, если эти расстояния будут меньше минимальных размеров паровых пузырей, показа. ния вторичных приборов устройств будут практически одинаковы. В ряде (Случаев минимальный размер пузырьков можно определить визуально.

Для нормальной работы устройства необходимо надежное крепление звуко- проводов торцами друг против друга, при большой длине звукопроводов для увеличения жесткости конструкции приходится механически прикреплять звукопроводы друг к другу. При этом возникает опасность акустического .короткого замыкания излучающего и приемного звукопроводов: акустический сигнал может распространяться не только через контролируемый объем но и по элементу крепления. Для исключения этого вредного эффекта элемент крепления необходимо выполнять в виде акустического механического фильтра низких частот, исключающего распространение высокочастотного ультразвукового сигнала от излучающего к приемному звукопроводу через себя.

Указанный фильтр может быть выполнен в виде трубочек различного диаметра, скрепленных между собой со звукопроводами штифтами или даже в виде одной трубки с глубокими вырезами, как показано на рисунке. Высокочастотный акустический сигнал,

распространяясь по указанной конструкции, вследствие многократного перехода из меньшего сечения в большее и, наоборот, и поворотах на 90 затухает, что и обеспечивает эффективную фильтрацию паразитного ультразвукового сигнала.

Изготовление звукопроводов механическими жесткими и тонкими одновременно Затруднительно, поэтому для получения -требуемого минимального измеряемого объема можно срав- нительно толстые звукопроводы выполнить с сужающимися торцами Б виде концентраторов. Причем для снижения отражения акустического сигнала от торца это сужение необходимо выполнять по экспоненциальной образующей .

Предлагаемое устройство отличается широким диапазоном измерения паросодержания и относительно высокой точностью, которая определяется лишь временем усреднения и влиянием звукопроводов на поток. Регистрация пузырьков пара не зависит от среднего паросодержания, давления, температуры среды, скорости потока.

Формула изобретения

1.Устройство для измерения локального объемного паросодержания, содержащее генератор электрических импульсов, излучатель ультразвука и приемник, закрепленные на одних торцах звукопроводов, другие свободные торцы которых помещены в измеряемую среду друг против друга, усилитель и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повьлиения точности за счет автоматизации процесса измерений, в него введен элемент задержки, а регистратор выполнен в виде последовательно соединенных формирователя импульсов, элемента 2И-НЕ и измерителя отношения частот, причем свободные входы элемента 2И-НЕ и измерителя отношения частоты подключены к генератору электрических импульсов через элемент задержки.

2.Устройство по п. 1, отли0чающееся тем, что крепление звукопроводов торцами друг против друга осуществлено при помощи акустического механического фильтра низких частот.

5

3.Устройство по п. 1, отличаю щ е е с. я тем, что свободные торцы звукопроводов выполнены в виде концентраторов,- преимущественно, экспоненциальной формы.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 584241, кл. G 01 N 29/00, 1975.

2.Цатент Франции 2198640, кл. G 01 N 29/02, 1974.

5