CN105466326B - 一种采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的实验装置及测量方法 - Google Patents

一种采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的实验装置及测量方法 Download PDF

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王斌武
封立志
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Abstract

本发明公开了一种采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的实验装置及测量方法，属于冷凝器或降膜蒸发器中液膜厚度的测量技术领域。包括CPU板，在CPU板上设有C51芯片；沿待测液膜的波峰设置与待测液膜底边垂直的中心线，在中心线上依次等距离布设9个电导探针，每个电导探针连接一根IC总线，9根IC总线的另一接头设置在CPU板上；其中，1号～8号IC总线相互并联，并联后与0号IC总线串联形成闭合回路。该装置结构简单紧凑，响应快，测量精度适中，能够对实验室用20～30mm的液膜厚度进行测量。

Description

一种采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的实验装置及测 量方法
技术领域
本发明属于冷凝器或降膜蒸发器中液膜厚度的测量技术领域，具体涉及一种采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的实验装置及测量方法。
背景技术
工业领域有30％的设备采用换热器，而换热器中又多采用凝结和蒸发来实现高效换热。在这两种换热模式中，均发生着液膜流过固体壁面完成换热的过程，换热热阻集中在液膜中。而且，绝大多数换热会发生在湍流或雷诺数较高的层流膜中，这两种情况均会发生界面波动现象，这会使换热系数增加20％甚至更高。因此，了解和测量液膜波动特点是预测冷凝和沸腾换热系数的关键。
目前，已有部分文献实验测量了蒸汽流过倾斜或垂直通道内壁水膜表面产生的界面波动特点，测量的重点是液膜厚度。1994年，南朝鲜浦项科技大学的Kang等采用双线探头测量了倾角为4.1°的矩形通道内含空气的蒸汽流过射流水膜表面接触冷凝的气液界面波动，给出液膜厚度(1～3mm)随时间的变化图，偏差比膜厚小1个数量级。然而该测量装置需要部分电级埋入到固体壁面中。他们的研究再次证实气液界面的波动会提高冷凝换热系数。1995年，Karabpantsios等采用平行电导探针法实验测量了圆管内静止蒸汽在空气中与贴壁垂直下流水膜接触冷凝的界面波动特性。然而，平行电导探针法因受到液膜表面较高气相温度的影响，不能给出蒸汽接触冷凝液膜厚度测量的精确结果。在1996年，南朝鲜浦项科技大学的Park等再次采用双线探针法实验测量了垂直壁面蒸汽在空气中与给入液膜接触冷凝时的液膜厚度。在2009年，德国弗莱贝格工业大学的Gross等在垂直管内设置高速摄像机拍摄了等温充分发展下降的水膜和异丙醇膜的形状。在2011年，西安交大的侯旱等采用电导探针法测量了水平管表面水膜稳态流动无凝结发生时液膜厚度沿着圆周表面的变化，膜厚在0.1～0.5mm的量级，液膜最薄的位置在周角为90°～115°之间。然而，该测量装置仅可测量静态下的液膜厚度，无法测量液膜厚度随时间的变化。
但是，在以上膜厚的测量中，膜厚测量中探头种类和探头测量瞬态膜厚的装置并未报道。而采用静态的电导探针测量液膜厚度的方法无法应用于瞬态波动中，因此，有必要发明适用于测量液膜厚度随时间变化的仪器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的实验装置及测量方法，该装置结构设计合理，简单紧凑，响应快，测量精度高；该测量方法，操作简单，重复性好，适用性强。
本发明所采用的技术方案是：
本发明公开了一种测量液膜厚度随时间变化的实验装置，包括CPU板，在CPU板上设有C51芯片；沿待测液膜的波峰设置与待测液膜底边垂直的中心线，在中心线上依次等距离布设9个电导探针，每个电导探针连接一根IC总线，9根IC总线的另一接头设置在CPU板上。
在CPU板上设有电源。
电源提供的电压为5V。
在CPU板上安装有接地线。
在CPU板上设有LED显示器。
所述待测液膜的厚度为20～30mm。
本发明还公开了一种采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的方法，基于测量装置进行测量；
所述测量装置，包括CPU板，在CPU板上设有C51芯片；沿待测液膜的波峰设置与待测液膜底边垂直的中心线，在中心线上依次等距离布设9个电导探针，每个电导探针连接一根IC总线，对应0号～8号IC总线；9根IC总线的另一接头设置在CPU板上；其中，1号～8号IC总线相互并联，并联后与0号IC总线串联形成闭合回路；在CPU板上设有LED显示器；
测量包括以下步骤：
1)将9根IC总线端头的电导探针均接于中心线上，将CPU板的CPU接地线连接好，为CPU板通电；
2)设定液膜初始厚度为δ，则测量液膜厚度装置的分辨率为δ/8；
3)任取1号到8号电导探针i，如果此时i电导探针正处于液膜的最外侧，则从1到i-1个探针均处于液膜中，处于导通状态；
而i+1到第8个探针处于气体中，处于不导通状态；
4)选择第i个探针所在液膜厚度，并用LED加以显示；
5)记录LED显示器在不同时刻的显示值，测出液膜厚度随时间的变化结果。
对于导通的探针，探针i距离待测液膜底边的垂线距离即探针i与探针0的距离作为液膜厚度，，则电导探针的分辨率n0用下式计算：
其中，n为8。
CPU板接通电源为5V。
待测液膜的厚度为20～30mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的效果：
本发明公开的一种测量液膜厚度随时间变化的实验装置，该装置在沿待测液膜的波峰设置与待测液膜底边垂直的中心线，并在该中心线上等距布置9个电导探针，这9个电导探针分别是9位IC总线上的9个接点，9根IC总线的另一端接头均与CPU板相连接，在CPU板上采用C51芯片来分析这9个节点的导通状况，如果电导探针处于液膜中，则电路导通，出现电流；如果电导探针处于气体中，则电路中断，无电流发生。此外，还可通过判断探针i距离待测液膜底边的垂线距离即探针i与探针0的距离作为液膜厚度，这样就可实现液膜厚度的瞬态测量。该装置采用多个电导探头构成测量回路，通过导通电导探头所在位置确定液膜厚度，结构设计合理，简单紧凑，响应快，测量精度高。
本发明公开的基于上述实验装置的测量方法，操作简单，重复性好，测量精度高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中：1为1号IC总线；2为2号IC总线；3为3号IC总线；4为4号IC总线；5为5号IC总线；6为6号IC总线；7为7号IC总线；8为8号IC总线；9为IC总线0；10为CPU板；11为CPU接地线；12为C51芯片；13为电源；14为待测液膜；15为中心线；16为LED显示器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行说明：
参见图1，在待测液膜14的波峰处垂直于待测液膜14底边位置设有中心线15，在中心线15上依次等距离布置有9个电导探针，每个电导探针连接一根IC总线(0号IC总线9、1号IC总线1、2号IC总线2、3号IC总线3、4号IC总线4、5号IC总线5、6号IC总线6、7号IC总线7和8号IC总线8)。这9根IC总线的另一头分别接在CPU板10上，在该CPU板10上安装有C51芯片12，在CPU板10右上角安装了电源13，在该CPU板10左下角安装有CPU接地线11，在CPU板上还设置有LED显示器16。
本发明的测量液膜厚度随时间变化的实验装置，在使用时：
工作前，将仪器上总线上的0-9个电导探头依次等距放置在波峰的中心线15上，然后为CPU板10接通电源13，电压为5V，同时，将CPU板10的CPU接地线11连接。液膜高度随着时间的变化，8位IC总线上的8个电导探针部分或全部处于液膜中，当电导探针处于液膜中时，电路导通，CPU板10显示电流；否则，当电导探针处于气体中时，电路中断，无电流发生，CPU板10不显示电流。对于导通的探针，探针i距离待测液膜底边的垂线距离即探针i与探针0的距离作为液膜厚度，，液膜厚度被显示在LED显示屏16上。
则，电导探针的分辨率n0，可用下式计算：
式中，n为C51芯片的位数，本发明为8位。
如果电导探针处于液膜中，则电路导通，出现电流；如果电导探针处于气体中，则电路中断，无电流发生。此外，还可通过判断0-8号导通的测点的距离，选择探针i距离待测液膜底边的垂线距离即探针i与探针0的距离作为液膜厚度，这样就可实现液膜厚度的瞬态测量。该装置结构简单紧凑，响应快，测量精度高。该装置能够针对实验室内20～30mm液膜厚度的测量。具体操作如下步骤：
1)为CPU板接通电源13，并连接地线11；
2)将探针0-7号电导探针和8号电导探针等间距放置在垂直液膜厚度的方向上，其中0号电导探针放在最左侧液膜中；然后其它8个探针依序排开，并给定这8个探针所在液膜厚度；
3)初始设定液膜厚度为δ，则测量液膜厚度装置的分辨率为δ/8；
4)任取1到8中探针i，如果此时i探针正处于液膜的最外侧，则从1到i-1个探针也均处于液膜中，处于导通状态；而i+1到第8个探针处于气体中，处于不导通状态；
5)选择第i个探针所在液膜厚度，并用LED加以显示；
6)目测记录LED显示器在不同时刻的显示值，就测出了液膜厚度随时间的变化。

Claims (6)

1.一种采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的实验装置，其特征在于，包括CPU板(10)，在CPU板(10)上设有C51芯片(12)；沿待测液膜(14)的波峰设置与待测液膜(14)底边垂直的中心线(15)，在中心线(15)上依次等距离布设9个电导探针，每个电导探针连接一根IC总线，9根IC总线的另一接头设置在CPU板(10)上；其中，1号～8号IC总线相互并联，并联后与0号IC总线串联形成闭合回路；在CPU板(10)上设有电源(13)；在CPU板(10)上安装有接地线(11)。
2.根据权利要求1所述的采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的实验装置，其特征在于，电源(13)的电压为5V。
3.根据权利要求1所述的采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的实验装置，其特征在于，在CPU板(10)上设有LED显示器(16)。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的实验装置，其特征在于，所述待测液膜(14)的厚度为20～30mm。
5.一种采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的方法，其特征在于，基于测量装置进行测量；
所述测量装置，包括CPU板(10)，在CPU板(10)上设有C51芯片(12)；沿待测液膜(14)的波峰设置与待测液膜(14)底边垂直的中心线(15)，在中心线(15)上依次等距离布设9个电导探针，每个电导探针连接一根IC总线，对应0号～8号IC总线；9根IC总线的另一接头设置在CPU板(10)上；其中，1号～8号IC总线相互并联，并联后与0号IC总线串联形成闭合回路；在CPU板(10)上设有LED显示器(16)；
测量包括以下步骤：
1)将9根IC总线端头的电导探针均接于中心线(15)上，将CPU板(10)的CPU接地线(11)连接好，为CPU板(10)通电；
2)设定液膜初始厚度为δ，则测量液膜厚度装置的分辨率为δ/8；
3)任取1号到8号电导探针i，如果此时i电导探针正处于液膜的最外侧，则从1到i-1个探针均处于液膜中，处于导通状态；
而i+1到第8个探针处于气体中，处于不导通状态；
4)选择第i个探针所在液膜厚度，并用LED加以显示；
5)记录LED显示器在不同时刻的显示值，测出液膜厚度随时间的变化结果；
对于导通的探针，探针i距离待测液膜底边的垂线距离即探针i与探针0的距离作为液膜厚度，则电导探针的分辨率n0用下式计算：
其中，n为8，待测液膜(14)的厚度为20～30mm。
6.根据权利要求5所述的采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的方法，其特征在于，CPU板(10)接通电源为5V。
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