Зонд для изокинетического отбора пробы

 

Изобретение относится к зонду для газокинетического отбора пробы, может быть использовано при исследованиях гидромеханики двухфазных потоков и позволяет повысить точность измерения. Зонд содержит отборную трубку (т) I, установленную навстречу потоку среды, термоанемометрические датчики 2 и 3 с чувствительными элементами (ЧЭ) 4 и 5, служащие для обеспечения 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 расстоянии не менее трех диаметров Т. Чувствительные элементы 4 и 5 датчиков 2 и 3 установлены перпендикулярно 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 перпендикулярна ей и смещена от входа в Т вниз по потоку на расстояние, не превышающее двух диаметров Т. 7 ил. (Л с f 4 00 fj 6 13 9 Фиг.1 ГЧ5

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (gg 4 G 01 N 1/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Й АВТОРСКОМ,К СВИДЕТЕЛЬСТВУ ю ф

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (61 ) 1032354 (21 ) 3876416/23-26 (22) 02.04.85 (46) 30.12.86, Бюл. № 48 (71) Уральский ордена Трудового

Красного Знамени политехнический институт им. С.M.Кирова (72) И.Д.Ларионов (53) 543.053(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1032354, кл. G 01 N 1/22, 1983.

Ларионов И.Д., Сыромятников Н.И.

О структуре пристенной зоны дисперсного потока при продольном обтекании плоской пластины. — Инжене.рнофизический журнал, 1972, т. 23, ¹ 4, с. 646-649.

Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В, Теоретическая гидромеханика,т. 1-М, Физматгиз, 1963, с. 321-328. (54) ЗОНД ДЛЯ ИЗОКИНЕТИЧЕСКОГО ОТБОРА ПРОБЫ (57) Изобретение относится к зонду для газокинетического отбора пробы, может быть использовано при исследованиях гидромеханики двухфазных потоков и позволяет повысить точность измерения . Зонд содержит отборную трубку (Т) 1, установленную навстречу потоку среды, термоанемометрические датчики 2 и 3 с чувствительными элементами (ЧЭ) 4 и 5, служащие для обеспечения изокинетичности отбора пробы. Датчик 2 установлен на входе в Т непосредственно, а датчик 3 с помощью держателей (Д) 6, закрепленных на корпусе Т, вынесен по потоку на расстоянии не менее трех диаметров Т. Чувствительные элементы 4 и 5 датчиков,SU,» 1280478 А 2

2 и 3 установлены перпендикулярно друг другу. Зонд снабжен дополнительной системой термоанемометрических датчиков с ЧЭ 7, 8, 9, 10, размещенных с помощью Д 11, 12, 13, 14 по сторонам квадрата. Центр квадрата совпадает с осью отборной Т,а плоскость перпендикулярна ей и смещена от входа в Т вниз по потоку на расстояние, не превышающее двух диаметров Т. 7 ил.

12 паратах, и является усовершенствованием известного устройства IIQ авт. св. 15

У 1032354.

Целью изобретения является повышение точности измерения 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 отверстия, на фиг. 3 — вид сбоку на входную часть отборной трубки; на фиг. 4 — картина обтекания затупленного тела потоком воздуха с частицами графита, на фиг. 5 — результаты расчета формы оторвавшихся струй; на фиг. 6 — схема симметрич- 30 ного отрывного обтекания тела; на фиг. 7 — схема несимметричного отрывного обтекания тела.

Зонд содержит отборную трубку 1, установленную навстречу потоку среды, термоанемометрические датчики

2 и 3 с чувствительными элементами 4 и 5, служащие для обеспечения изокинетичности отбора пробы. Датчик 2 закреплен непосредственно на 40 входе в трубку,а датчик 3 с помощью держателей 6, закрепленных на корпусе трубки, вынесен вверх по потоку на расстояние не менее трех диаметров трубки. Чувствительные эле- 45 менты 4 и 5 датчиков 2 и 3 установлены перпендикулярно друг другу.

Для обеспечения 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

55 трубки, а плоскость перпендикулярна ей и смещена от входа в трубку вниз по потоку на расстояние S (фиг.3), не превосходящее двух диаметров

Изобретение относится к устройствам для исследования текучих сред, а именно к зондам для отбора проб текучих сред с целью определения концентрации твердых частиц в потоках жидкостей или газов, может быть использовано при исследованиях гидромеханики двухфазных потоков, а также в различных отраслях промышленности при определении содержания механических примесей в потоках жидкостей или газов, движущихся в трубопроводах или технологических ап80478 2 трубки, причем чувствительные элементы 7-10 размещены на расстоянии (фиг. 3) t от стенки трубки, рассчитываемом по уравнению:

5 d 1 П+4

S= — — (1+ — — -)

I(+4 1 2 d

1п ((1+ -4 I,(1+ ) 11) (1

2 3 2 d

f0 где d — наружный диаметр отборной трубки, м;

S — смещение от входа в трубку вниз по потоку плоскости размещения чувствительных элементов термоанемометрических датчиков, м; — расстояние от чувствительных элементов термоанемометрических датчиков до наружной стенки трубки, м.

Введение в конструкцию зонда двух пар симметрично расположенных по сторонам квадрата датчиков позволяет производить двухплоскостную ориентацию трубки. Расстояние от входа в трубку, на котором находится плоскость размещения термоанемометрических датчиков, и расстояние от датчиков до стенки трубки определяются необходимостью размещения чувствительных элементов датчиков в кольцевой струе, возникающей вокруг входной части зонда при

его настройке до начала отбора-пробы. Тогда даже при малом нарушении параллельности оси трубки и вектора скорости потока, возникает разница в показаниях датчиков, являющаяся сигналом о необходимости поворота трубки.

Как показывают наблюдения, распад струй при отрывном обтекании начинается на определенном расстоянии от носовой части обтекаемого тела. Это расстояние составляет 2-3 толщины тела. Поэтому размещение плоскости датчиков на расстоянии не более двух диаметров трубки от ее входа обеспечивает омывание чувствительнык элементов датчиков полностью сформировавшейся, но еще нераспадающейся отрывной струей, что гарантирует получение стабильных сигналов датчиков.

Расстояние от датчиков до стенки трубки рассчитывается по уравнению (1 ), ч то обеспечивает размещение чувствительных элементов датчиков в отрывных струях. При этом учи1280478 4 тывается диаметр отборной трубки зонда.

Порядок расчетов с использованием уравнения (1) следующий.

Численные значения диаметра трубки d и принятой величины расстояния от входа в трубку до плоскости размещения термоанемометрических датчиков $, не превосходящего 26, подставляются в уравнение (1). Таким образом, получают нелинейное относительно t уравнение. Затем численно решают это уравнение. В результате получают значения расстояния от чувствительных элементов термоанемометрических датчиков до стенки трубки t, Размеры держателей определяются при обычном конструировании с учетом удовлетворения вибрационных и прочностных требований.

Положительный эффект достигается при использовании явления возникновения в потоке, несущем твердые частицы, зон отрыва и расслоения потока при обтекании эатупленных тел.

Роль затупленного тела играет отборная трубка зонда в режиме, когда отбор пробы еще не производится, поток внутрь трубки не засасывается и она продольно обтекается как тело беэ отверстия. Такой режим имеет место в начале операции по отбору пробы, когда трубка только установлена в потоке и побудитель расхода среды через трубку еще не включен.

Пример картины обтекания затупленного тела потоком воздуха, несущего частицы графита, показан на фиг. 4. Скорость потока 23,5 м/с, толщина обтекаемого тела 7 мм, средний размер твердых частиц 70 мкм.

Фотография получена при поперечном просвечивании потока световым пучком. Около поверхности обтекаемого тела вблизи его носовой части возникают зоны отрыва потока, характеризующиеся резким снижением концентрации твердых частиц. Отрывные зоны ограничены отрывными струями, в которых на расстояниях в две — три толщины тела от его носа концентрация частиц повьппена. Далее по потоку отрывные струи размываются и неоднородности концентрации уменьшаются.

При симметричности тела и параллельности его оси вектору скорости

50 набегающего потока картина обтекания симметрична, что проявляется в симметричности формы зон отрыва и формы отрывных струй. При косом обтекании симметрия течения нарушается, Схемы симметричного и несимметричного обтекания затупленного тела показаны на фиг. 6 и 7. Из представленных схем видно, что при косом несимметричном обтекании тела одна из отрывных струй прижимается к поверхности тела, а другая отдаляется от нее. Соответственно изменяются размеры зон отрыва потока.

Оснащение зонда системой термоанемометрических датчиков, симметрично расположенных вокруг отборной трубки и погруженных в кольцевую отрывную струю, позволяет измерять и сопоставлять скорости потока в различных участках по окружности этой струи. Равенство скоростей в сходственных точках указывает на симметричность обтекания трубки, т.е. на параллельность ее оси вектору скорости набегающего потока и на точную ориентацию отборной трубки навстречу потоку, Симметричное расположение датчиков обеспечивается размещением их чувствительных элементов по сторонам квадрата, центр которого совпадает с осью отборной трубки, а плоскость перпендикулярна ей, Таким образом, зонд представляет единую конструкцию, содержащую однотипные элементы, обеспечивающие повьппение точности измерения за счет высокой изокинетичности отбора пробы и точной ориентации отборной трубки зонда навстречу потоку.

При набегании на отборную трубку, когда отбор пробы не производится, поток тормозится Перед ее входным отверстием и обтекает трубку как затупленное цилиндрическое тело с образованием кольцевой отрывной soны и кольцевой отрывной струи. При параллельности оси трубки вектору скорости набегающего потока отрывная зона и отрывная струя симметричны относительно поверхности трубки.

Картина обтекания совпадает с известным в гидродинамике случаем обтекания тел идеальной жидкостью с отрывом струй. Для случая обтекания затупленного тела с плоским носом имеется теоретическое решение, в котором получены уравнения для

Формула (9) удобна тем, что в ей связаны только параметры трубки отбора (ее диаметр (1) и координаты точек отрывной струи (х и у) . Зта формула представляет нелинейное относительно х и у уравнение, Зонд работает следующим образом.

После установки зонда в поток текучей среды он ориентируется навстречу потоку, при этом попарно сопоставляются 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 расположенных датчиков погружается вглубь зоны отрыва, а другой, противоположный ему, выходит из нее. Таким образом, в показаниях датчиков возникает рассогласование

При наличии рассогласования величин сигналов производятся повороты зонда в двух плоскостях до совпадения сигналов, что соответствует одинаковым условиям обтекания датчиков и симметричности обтекания отборной трубки, т.е, совпадению оси трубки и вектора скорости набегающего потока. При этом исключаются погрешности измерения, связанные с неточностью ориентации трубки по отношению к потоку среды.

После ориентации зонда включается побудитель расхода среды. При этом фиксируются и сопоставляются сигналы термоанемометрических датчиков 2 и 3. Затем производится регулировка расхода среды через отборную трубку до получения равенства сигналов термоанемометрических датчиков 2 и 3, что соответствует равенству скоростей потока вне и внутри трубки, т,е. изокинетичности отбора пробы.

5 1280478 расчета формы оторвавшихся струй ограничивающих зону отрыва:

1 х=—

y= Г4ч С -С), W (4) 10

20

С учетом (2) с.» а

1)) П+4 (7) где С вЂ” вспомогательный параметр;

W — скорость набегающего потока, м/с;

d — толщина обтекаемого тела,м, х,у — координаты точек оторвавшейся струи, отсчитываемые от угловой точки носа тела, м;

Ч r,С вЂ” потенциал течения, меняющийся вдоль оторвавшихся струй.

Пример результатов расчетов по формулам (2)-(4) для случая, представленного на фиг. 4 (скорость потока W=23,5 м/с, толщина тела d=

=7 10 м), показан на фиг. 5 и в виде точек на фиг. 4. Видно хорошее качественное и количественное совпадение формы оторвавшихся струй на фиг. 4 и расчетных данных на фиг.5.

Формулы (2)-(4) используют для расчета формы отрывных струй при обте кании тел потоком, несущим твердые частицы. Для практического использования эти формулы удобнее преобразовать . Вынесем величину С из выражений (3) и (4) х= — (((< -1i-j.n(J- + Г -1),(5) у=2 — () + -1j (6), Формула изобретения

Из (6) с использованием (7) получим

Подставив (7) и (8) в (5), получим

- =(1 + --- -) (8) х= —..7 . (1+ --- -)

d Г 1+4 У

iI+4 2 d.

-1п ((1+ )+ (55

-1—

d (9, Зонд для изокинетического отбора пробы текучей среды по авт.св.

9 1032354, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен дополнительными термоанемометрическими датчиками, закрепленными на держателях, при этом чувствительные элементы датчиков размещены по сторонам квадрата, центр которого совпадает с осью отборной трубки, плоскость перm+4 t) 2 d

-)+ ( =;6 ("

m+4

-1n ((1+ ——

+ .,— )-1— напра5пению ®и жени пютуа

7 пендикулярна ей и смещена от входа в трубку вниз по потоку на расстояние не более двух диаметров трубки, а расстояние от чувствительных элементов датчиков до наружной стенки трубки рассчитывается по следующему уравнению:

1280478 8 где d — наружный диаметр отборной трубки, м;

S — смещение от входа в трубку вниз по потоку плоскости раз5 мещения чувствительных элементов термоанемометрических датчиков, м; — расстояние от чувствительных элементов термоанемометрических датчиков до наружной стенки трубки, м.

)280478

Omp sl ie струи

0& екаемае лмио

ОАпемтемае mene

Составитель И,Ландсберг

Редактор Н.Горват Техред A.Кравчук

Корректор Л.Пилипенко

Заказ 7059/47 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Иалра3ление

65имения лаге

Жтекаемое

3 » бЩ;ЛО

Фиа6

Эф ы64/с сЮЩ(и