SU1280478A2 - Зонд дл изокинетического отбора пробы - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к зонду дл  газокинетического отбора пробы, может быть использовано при исследовани х гидромеханики двухфазных потоков и позвол ет повысить точность измерени . Зонд содержит отборную трубку (т) I, установленную навстречу потоку среды, термоанемометрические датчики 2 и 3 с чувствительными элементами (ЧЭ) 4 и 5, служащие дл  обеспечени  изокинетичности отбора пробы. Датчик 2 установлен на входе в Т непосредственно , а датчик 3 с помошью держателей (Д) 6, закрепленных на корпусе Т, вынесен по потоку на рассто нии не менее трех диаметров Т. Чувствительные элементы 4 и 5 датчиков 2 и 3 установлены перпендикул рно друг другу. Зонд снабжен дополнительной системой термоанемометрических датчиков сЧЭ7, 8, 9, 10, размещенных с помощью Д 11, 12, 13, 14 по сторонам квадрата. Центр квадрата совпадает с осью отборной Т,а плоскость перпендикул рна ей и смещена от входа в Т вниз по потоку на рассто ние, не превышающее двух диаметров Т. 7 ил. (Л с

Description

Изобретение относитс  к устройствам дл  исследовани  текучих сред, а именно к зондам дл  отбора проб текучих сред с целью определени  концентрации твердых частиц в потоках жидкостей или газов, может быть использовано при исследовани х гидромеханики двухфазных потоков, а также в различных отрасл х промышленности при определении содержани  механических примесей в потоках жидкостей или газов, движущихс  в трубопроводах или технологических аппаратах , и  вл етс  усовершенствованием известного устройства по авт.св № 1032354.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  за счет точной ориентации отборной трубки зонда навстречу потоку.

На фиг. 1 изображен изокинетический зонд, общий вид; на фиг. 2 - вид на отборную трубку со стороны входного отверсти ; на фиг. 3 - вид сбоку на входную часть отборной трубк-и на фиг. 4 - картина обтекани  затупленного тела потоком воздуха с частицами графита; на фиг. 5 - результаты расчета форм1.1 оторвавшихс  струй; на фиг. 6 - схема симметри ного отрывного обтекани  тела; на фиг. 7 - схема несимметричного отрывного обтекани  тела.

Зонд содержит отборную трубку 1, установленную навстречу потоку среды , термоанемометрические датчики 2 и 3 с чувствительными элементами 4 и 5, служащие дл  обеспечени  изокинетичности отбора пробы. Датчик 2 закреплен непосредственно на входе в трубку,а датчик 3 с помощью держателей 6, закрепленных на корпусе трубки, вынесен вверх по потоку на рассто ние не менее трех диаметров трубки. Чувствительные элементы 4 и 5 датчиков 2 и 3 установлены перпендикул рно друг другу. Дл  обеспечени  точной ориентации зонда навстречу потоку зонд снабжен дополнительной системой термоанемометрических датчиков с чувствительными элементами 7-10, размещенных с помощью держателей 11-14 по сторонам квадрата (фиг. 1 и 2), центр которого совпадает с осью отборной трубки, а плоскость перпендикул рна ей и смещена от входа в трубку вниз по потоку на рассто ние S (фиг.З), не превосход щее двух диаметров

трубки, причем чувствительные элементы 7-10 размещены на рассто нии (фиг. З) t от стенки трубки, рассчитываемом по уравнению:

в,|,{с-Ч-а( ( |,/(,+ t)in) {1}

где d - наружный диаметр отборной

трубки, м;

S - смещение от входа в трубку вниз по потоку плоскости размещени  чувствительных

5 элементов термоанемометрических датчиков, м; t - рассто ние от чувствитель ных элементов термоанемометрических датчиков до наруж0 ной стенки трубки, м.

Введение в конструкцию зонда двух иар симметрично расположенных по сторонам квадрата датчиков позвол ет производить двухплоскостную ориентацию трубки. Рассто ние от входа в трубку, на котором находитс  плоскость размещени  термоанемометрических датчиков, и рассто ние от датчиков до стенки трубки определ ютс  необходимостью размещени  чувствительных элементов датчиков в кольцевой струе, возникающей вокруг входной части зонда при его настройке до начала отбора-про5 бы. Тогда даже при малом нарушении параллельности оси трубки и вектора скорости потока, возникает разница в показани х датчиков,  вл юща с  сигналом о необходимости пово0 рота трубки.

Как показывают наблюдени , распад струй при отрывном обтекании начинаетс  на определенном рассто нии от носовой части обтекаемого те5 ла. Это рассто ние составл ет 2-3 толщины тела. Поэтому размещение плоскости датчиков на рассто нии не более двух диаметров трубки от ее входа обеспечивает омывание чувст0 вительных элементов датчиков полностью сформировавшейс , но еще нераспадающейс  отрывной струей, что гарантирует получение стабильных сигналов датчиков.

5 Рассто ние от датчиков до стенки трубки рассчитьшаетс  по уравнению (1), что обеспечивает размещение чувствительных элементов датчиков в отрывных стру х. При этом учитьшаетс  диаметр отборной трубки зонда. Пор док расчетов с использованием уравнени  (О следующий. Численные значени  диаметра труб ки d и прин той величины рассто ни  от входа в трубку до плоскости размещени  термоанемометрических датчиков S, не превосход щего 2d, подставл ютс  в уравнение (1). Таким образом, получают нелинейное относительно t уравнение. Затем численно решают это уравнение. В результате получают значени  рассто ни  от чувствительных элементов термоанемометрических датчиков до стенки трубки t. Размеры держателей определ ютс  при обычном конструировании с учетом удовлетворени  вибрационных и прочностных требований. Положительный эффект достигаетс  при использовании  влени  возникновени  в потоке, несущем твердые частицы , зон отрыва и расслоени  потока при обтекании затупленных тел. Роль затупленного т.ела играет отборна  трубка зонда в режиме, когда отбор пробы еще не производитс , поток внутрь трубки не засасываетс  и она продольно обтекаетс  как тело без отверсти . Такой режим им ет место в начале операции по отбору Пробы, когда трубка только установлена в потоке и побудитель рас хода среды через Трубку еще не вклю чен. Пример картины обтекани  затупленного тела потоком воздуха, несущего частицы графита, показан на фиг. 4. Скорость потока 23,5 м/с, толщина обтекаемого тела 7 мм, сред ний размер твердых частиц 70 мкм. Фотографи  получена при поперечном просвечивании потока световым пучком . Около поверхности обтекаемого тела вблизи его носовой части возни кают зоны отрыва потока, характеризующиес  резким снижением концентра ции твердых частиц. Отрывные зоны ограничены отрьшными стру ми, в которых на рассто ни х в две - три толщины тела от его носа концентраци  частиц повьшена. Далее по потоку отрьшные струи размьшаютс  и неоднородности концентрации уменьшают с . При симметричности тела и параллельности его оси вектору скорости набегающего потока картина обтекани  симметрична, что про вл етс  в симметричности формы зон отрыва и формы отрывных струй. При косом обтекании симметри  течени  нарушаетс . Схемы симметричного и несимметричного обтекани  затупленного тела показаны на фиг. 6 и 7. Из представленных схем видно, что при косом несимметричном обтекании тела одна из отрывных струй прижимаетс  к поверхности тела, а друга  отдал етс  от нее. Соответственно измен ютс  размеры зон отрьдаа потока. Оснащение зонда системой термоанемометрических датчиков, симметрично расположенных вокруг отборной трубки и погруженных в кольцевую отрьюную струю, позвол ет измер ть и сопоставл ть скорости потока в различных участках по окружности этой стрзш. Равенство скоростей в сходственных точках указьшает на симметричность обтекани  трубки, т.е. на параллельность ее оси вектору скорости набегающего потока и на точную ориентацию отборной трубки навстречу потоку. Симметричное расположение датчиков обеспечиваетс  размещением их чувствительных элементов по сторонам квадрата, центр которого совпадает с осью отборной трубки, а плоскость перпендикул рна ей. Таким образом, зонд представл ет единую конструкцию, содержащую однотипные элементы, обеспечивающие повьшение точности измерени  за счет высокой изокинетичности отбора пробы и точной ориентации отборной трубки зонда навстречу потоку. При набегании на отборную трубку, когда отбор Пробы не производитс , поток тормозитс  йеред ее входным отверстием и обтекает трубку как затупленное цилиндрическое тело с образованием кольцевЯй отрывной зоны и кольцевой отрывной струи, При параллельности оси трубки вектору скорости набегающего потока отрывна  зона и отрьшна  стру  симметричны относительно поверхности трубки. Картина обтекани  совпадает с известным в гидродинамике случаем обтекани  тел идеальной жидкостью с отрывом струй. Дл  случа  обтекани  затупленного тела с плоским носом имеетс  теоретическое решение в котором получены уравн-ени  дл  расчета формы оторвавшихс  струй, ограничивающих зону отрыва: Р W d ТТ+4 ,(з) вспомогательный параметр; скорость набегающего потока , м/с; толщина обтекаемого тела,м координаты точек оторвавшейс  струи, отсчитьтаемые от угловой точки носа тела , м; потенциал течени , мен чгс ющийс  вдоль оторвавшихс  струй. Пример результатов расчетов по формулам (2)-(4) дл  случа , представленного на фиг. 4 (скорость потока ,5 м/с, толщина тела d ), показан на фиг. 5 и в виде точек на фиг. 4. Видно хорошее качественное и количественное совпадение формы оторвавшихс  струй на фиг. 4 и расчетных данных на фиг.5 Формулы (2)-(4) используют дл  расчета формы отрывных струй при обте кании тел потоком, несущим твердые частицы. Дл  практического использовани  эти формулы удобнее преобразовать . Вынесем величину С из вы ражений (З) и (4) )-ln{Л ) ,( С С . С Из (6) с использованием (7) полу (l.Ti.|) Подставив (7) и (8) в (5), полу- .)-Jc- r- -ii Tj -1п(,(7Г Г If-и

Claims (1)

1. Формула изобретени  ( 9 6 Формула (9) удобна тем, что в ней св заны только параметры трубки отбора (ее диаметр d) и координаты точек отрывной струи (х и у). Эта формула представл ет нелинейное относительно X и у уравнение. Зонд работает следующим образом. После установки зонда в поток текучей среды он ориентируетс  навстречу потоку, при этом попарно сопоставл ютс  сигналы противоположных друг другу термоанемометрических датчиков 7 и 9, 8 и 10. При косом обтекании трубки происходит нарушение симметрии зон и струй отрыва потока и один из симметрично расположенньпс датчиков погружаетс  вглубь зоны отрьта, а другой , противоположный ему, выходит из нее. Таким образом, в показани х датчиков возникает рассогласование При наличии рассогласовани  величин сигналов производ тс  повороты зонда в двух плоскост х до совпадени  сигналов, что соответствует одинаковым услови м обтекани  датчиков и симметричности обтекани  отборной трубки, т.е. совпадению оси трубки и вектора скорости набегающего потока . При этом исключаютс  погрешности измерени , св занные с неточностью ориентации трубки по отношению к потоку среды. После ориентации зонда вклю аетс  побудитель расхода среды. При этом фиксируютс  и сопоставл ютс  сигналы термоанемометрических датчиков 2 и 3. Затем производитс  регулировка расхода среды через отборную трубку до получени  равенства сигналов термоанемометрических датчиков 2 и 3, что соответствует равенству скоростей потока вне и внутри трубки, т.е. изокинетичности отбора пробы. Зонд дл  изокинетического отбора пробы текучей среды по авт.св. № 1032354, отличающийс  тем, что, с целью повьшени  точности измерени , он снабжен дополнительными термоанемометрическими датчиками , закрепленными на держател х, при этом чувствительные элементы датчиков размещены по сторонам квадрата , центр которого совпадает с осью отборной трубки, плоскость перпендикул рна ей и смещена от входа в трубку вниз по потоку на рассто ние не более двух диаметров трубки а рассто ние от чувствительных элементов датчиков до наружной стенки трубки рассчитываетс  по следующему уравнению: ( ТТ+4 txi -га-{ т гп X /По. + tv2 17 lni(l+ -j- ) + V(l+ -- - -IJ J наружный диаметр отборной трубки, м; смещение от входа в трубку вниз по потоку плоскости размещени  чувствительных элементов термоанемометрических датчиков, м; рассто ние от чувствительньк элементов термоанемометрических датчиков до наружной стенки трубки, м.

   Г

   ю

   1 / У

   -/J

   Фиг.З

   Направление дбижени  nomoj a (ригЛ