Способ измерения параметров потока среды, истекающей в неподвижную среду

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРО ПОТОКА СРЕДЫ, ИСТЕКАЮ1ЦЕЙ В НЕПОДВИЖ rfTv T- -НУЮ СРЕДУ, заключающийся в измерении перепада давлений при отклонении вводимой в поток вспомогательной струи с известными расходами и плотностью, отличающийся тем, что, с целью повьгшения точности измерения параметров потока при неравномерном . распределении скоростей и плотностей по его сечению путем исключения влияния интенсивности смешения и отношения плотностей сред вспомогательной струи и потока, вспомогательную струю подают радиально через кольцевую щель на срезе канала и измеряют перепад между давлением на стенке канала в сечении, отстоящем от -щели вверх по потоку на расстоянии радиуса канала, и давлением в неподвижной среде. Неподвижная cpefa (.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (П) 3(5D G 01 F 1/34

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЙепсИипнаа срач к

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3373856/18-10 (22) 30.12.81 (46) 23.07.83. Бюл. Р 27 (72) A.È.ÑìèðíoB (53) 681.121(088.8) (56) 1. Горлин С.М. и Слезингер H.H.

Аэромеханические измерения, методы и приборы. М., Наука, 1964.

2. Залманзон Л.A. Аэрогидродинамические методы измерения входных па. раметров автоматических систем. М., Наука, 1973.

3. Авторское свидетельство сссР

9 493639, кл. G 01 F 1/20, 1975 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ПОТОКА СРЕДЫ, ИСТЕКАЮЩЕЙ В НЕПОДВИЖНУЮ СРЕДУ, заключающийся в измерении перепада давлений при отклонении вво димой в поток вспомогательной струи с известными расходами и плотностью, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения параметров потока при неравномерном, распределении скоростей и плотностей по его сечению путем исключения влияния интенсивности смешения и отношения плотностей сред вспомогатель. ной струи и потока, вспомогательную струю подают радиально через кольцевую цель на срезе канала и измеряют перепад между давлением на стенке ка нала в сечении, отстоящем от щели вверх по потоку на расстоянии радиусами канала, и давлением в неподвижной среде.

1030655

Е () Изобретение относится к технике измерений, а именно к способам измерения параметров по тока жидкости или газа, в том числе для высокотемпературных сред либо сред, содержащих твердые или жидкие мелкодисперсные частицы, при выходе потока в окружающую неподвижную среду (атмосферу).

Параметры такого потока: расход,, скорость, плотность, температура, состав, с одной стороны, определяют качество работы технического устройства (генератора), в ко-ором создается поток, с другой стороны, эти параметры являются рабочими характеристиками процессов, в которых использу-f5 ется поток; последнее имеет место в технологических устройствах, научно-исследовательских установках, np;i испытаниях образцов материалов или моделей в условиях обтекания потокам и т,д. Все это определяет необходимость измерения указанных параметров. При неравномерности скорости,, температуры, состава и т.п. по сечению потока необходимо измерять их

2 ) профили. По этим профилям часто затем устанавливают усредненные характеристики потока.

Известен способ, согласно которому в обычных условиях (неагрессивные и однофазные среды при невысоких тем-

30 пературах) измерения распределя,нных по сечению параметров г:.полняются, как правило, с помощью зондов (трубки Пито, датчики термоанонеметра, термопары,пробаа-.Gopники состава и т.д.!, вводимых ннутрь канала ) 11.

Однако при нысокой температ, ре потока либо при содержании в пем агрессивных нещестн введение зон- 4() дов в поток, как пранило, затруднительно, а измерение параметров патока выполняется бескантактными способами.

Известны также способы, основан-ные на использовании .-ффек".ав взаимодействия потока с вспомогательными струями газа или жидкости 2).

Наиболее близким K npepJIBI"аемому по технической сущности является способ измерения расхода, согласно которому расход потока среды опреде-ляют на оснонании измерения перепац-. данлений при отклонении вспомогательной струк с известныли плотностью и расходом, вводимой через отверстие в стенке канала н контролируемый поток под углом к ега направлению)3).

Недостатками известного спссаба являются неприменимость его,цля измерения параметров потока с неравномерными профилями скорости и плотности, а также приводящая к погреш-ностям зависимость измеряемого перепада давления не только от динамичесКого напора, но и от интенсиннасти смешения в зоне обратных токов за струей. Измеряемый перепад давления р, характеризуя динамический напор потока этога"слоя, не определяет характеристики центральной части потока. Гсли скорость и плотность распределены по сечению канала неравномерно и также неранномерна распределен динамический напор, то, применяя данный способ измерения, принципиальна можно получить лишь некоторое эффективное значение динамического напора пристенного слоя, однако размер этого слоя и характер распределения по нему динамического напора при этом.остаютсв неизвестными. B связи с этим применение такого способа измерений становится нецелесообразным.

Причина второго недостатка состоит в том, что силовое воздействие патака на струю зависит не только ат ега динамического напора Н, определяющего повышение давлениФ в области..натекания потока на струю, но и от давления за струей, существующега н зоне обратных токов. Последнее определяется характером те-чения н этой зоне и турбулентным смеиением потока и струи. Интенсивность смешения зависит от разницы скоростей и отношения плотностей смешивающихся потоков. Поэтому локальное искривление струи н окрестности ее выхода в 9оток и связанное с этим изменение давления будут определяться не талька динамическим напором потока вблизи стенки канала, но и отношением плотностей струи и потока в пристенной области (разность скоростей -три этом является производной от разности динамических напоров струй и потока и от отношения их плотностей). Неучет этого фак. та приводит к погрешности в определении величины динамического напора.

Для noòàêà с постоянной плотностью по сечению указанная погрешность принципиально устранима. Необходима,: но-первых, при модельных испытаниях внес:p поправку в тариравачную характеристику на изменение в ожидаемом диапазоне отношения плотностей

9g — на-вторых, для установления не л личины этого отношения при основных измерениях необходимо провести дополнительное независимое измерение плот ности

В случае переменной плотности па сечению потока погрешность, обусловленная интенсивностью смешения потокон, выражающаяся в зависимости р ат отношения плотностей вЂ, из-за

Рл неопределенности последней величины по пристенному слою не устраняется.

1030655

Цель изобретения — повышение точности измерения параметров потока при неравномерном распределении скоростей плотностей по его сечению путем исключения влияния интенсинности смешения и отношения плотностей сред 5 вспомогательной струи и потока на получаемый результат измерений.

Цель достигается тем, что вспомогательную струю подают радиально через кольценую щель на срезе ка- 10 нала, при этом измеряют перепад между давлением на стенке канала в сечении, отстоящем от щели вверх по потоку на расстоянии радиуса канала, и атмосферным давлением.

На чертеже представлена схема, поясняющая способ измерения.

На срезе канала 1, из которого истекает контролируемый поток, располагается кольцевая щель 2, через которую радиально подают газ или жидкость с известной плотностью (газ — с известной температурой) для формирования вспомогательной струи. ИзмеРяют расход стРУи GZ c помощью расходомера 3. С помощью дат. чика 4 измеряют перепад давления др между отверстием 5 на стенке канала, располагаемым на расстоянии радиуса канала от щели вверх по потоку, и атмосферой. Результирующим измеряемым параметром контролируемого потока является его суммарный импульс, который определяют расчетным путем на основе измеренных величин др, G и известной плотности З5

2. струи 2 с привлечением тарироноч,ной характеристики взаимодействия. ,Тарировочную характеристику получают заранее при проведении модельных испытаний данного измерительного 40 устройстна, при этом в качестве потока П используют поток с известными расходами, плотностью и профилем . скорости при нормальной температуре (воздух или вода). 45

Подача струи через кольцевую щель определяет ее воздействие на поток в целом, что выражается в поджатии и ускорении нсего потока под действием радиального импульса стРУи. В связи с этим давление потока вдоль участка ускорения падает. Струя, испытывая противодействие потока, отклоняется и изменяет направление от радиального до осевого. К некоторому сечению К-К деформация обоих потоков, вызванная радиальными изменениями давления, заканчивается„ и далее потоки движутся в осевом направлении, смешиваясь друг с другом и с внешней средой. 60

Свободная эжекция этой среды иэ неорганического пространства в зону смешения не изменяет осевого количества движения указанных потоков независимо от соотношения их скоростей, а также от отношений плотностей потоков и окружающей среды.

Между сечением начала деформации потока Н-Н и атмосферой появляется перепад давления др, являющийся следствием и мерой ускорения потока под сжимающим действием струи, т.е. мерой изменения era осевого количества движения — импульса. Перепад давления др также не зависит от интенсивности смешения потоков в условиях свободной эжекции среды иэ неподвижного пространства. Этот факт подтвержден проведенными экспериментами, при этом установлено, что сечение начала деформации Н-Н отстоит от щели вверх по потоку на расстоянии, примерно равном радиусу канала; именно в этом сечении и сле. дует измерять избыточное над атмосферным давление др.

Массовый расход струи 6, и ее плотность 1 2 определяют радиальный импульс струи I

Я

G - Р2 где Г, — площадь поперечного сечения щели на выходе в ка нал.

Величина р для газа при этом рассчитывается по температуре струи и при атмосферном давлении.

По величинам импульса струи 12 и измеренного перепада давления др может быть, как уже указывалось, найден импульс потока в сечении Н-Н

Fq

=ГBU4dF о где F площадь поперечного сечения канала 1.

Из выражения для импульса видно, что он характеризует суммарный динамический напор измеряемого потока н целом независимо от закона распреде.

Pj П- ления †по сечению в отличне от

2 известного способа, где измеряется лишь локальное значение динамического напора н пристенном слое. Формула для определения Х „ являющаяся обобщением полученных экспериментальных данных по тарировочной характеристике взаимодействия, имеет вид

АЕ2 (— Буй — В) 1 (1)

F 2 где A и В - экспериментальные коэффициенты, не зависящие от режимов течения потока и струи в широком диапазоне чисел Рейнольдса 10 -10, они определя3 ются н основном геометрическим параметром

Fa. 4h

b = — = — (h - ширина

Г„D щели, Π— )диаметр канала 1 и несколько зависят от профилирования тракта подвода расхода в щель

1030655

Тираж 643 Подписное

ВНИИПИ Заказ 5192/42

Филиал ППП "Патент", г„ужгород,ул.Проектная„.4

Зависимость (1) установлена и проверена экспериментально при широком варьировании параметров, в том числе для потоков с неравномерным распределением скорости и плотности по сечению Н-Н потока. Диапазон варьирования основных параметров при этом составляли I /I2 = 0,01-6, Ь =0,1-0,8.

Характерные отношения плотностей потока и струи, струи и окружающей средЫ изменялись в десятки раэ. Столь (0 же большими были изменения плотности и скорости по сечению канала при их неравномерных профилях.

Предлагаемый способ измерения и формула (1) справедливы при условии 15

? /Q )i (1,02-1,05) b или G1-@, /(С„ р } ;

411

>(1,02-1,05) — (С вЂ” массовый расход средняя плотность контролируемога потока). Эти условия являют20 . ся предель ными ограничениями выбора соотношения между расходом струи и шириной щелевого канала. При этогл наибольшая точность измерения импульса 1(достигается при минимальном значении расхода струи. Однако для выбранной ширины щели при минимальном расходе Gz, удовлетворяющЕм указаHíûì условиям, иногда сигнал h р может быть слишком мал. В таком случае расход Gz необходимо повысить для получения более высоко го р, достаточного для качественного измерения с помоцью имеющихся в наличии измерительных средств, -5

По измеренному значению импульса потока I в сечении Н-H могут

1 быть определены а) средний динамический напор Й по сечению потока 9Й, = 2Q /Г,„., 40 б) при известной плотности средняя (точнее, среднеквадратичная) скорость U по сечению потока

U =-II /(o Г )1 с с 4 4 45 в) при известном массовом расходе

G - среднемассовая скорость потока

О(и далее средняя плотность пото- ка

" c = 1,(«a i У = С(/(ц„с,„) ° 5() по оследней величине для газа находится средняя температура Т г.,ри известном давлении р в сечении Н-Н:

T4 = p /(й р ), где В„ — газовая постоянная потока, 55

При равномерном по скорости и плотности потоке измеряемая величина импульса используется для нахождения уже не усредненных, а действительных величин. В данном случае при известной плотности (и найденной скорости U4может быть установлен также действительный массовый расход потока G .

Для потока с неравномерными параметрами значение импульса I мо1 жет быть использовано и в более сложных системах диагностики с составлением математических моделей распределения параметров потока по сечению и в сочетании с другими измеренными интегральными или локальными параметрами потока.

Следует отметить, что особенно удобно применять данный способ измерения, если разбавление потока вспомогательной струей и выход в неограниченное пространство (достаточно большое, по сравнению с диаметром канала) предусматривается в схемах энергетических или технологических установок, в которых используется указанный поток.

Применение данного способа измерений отличается простотой и ма" люли затратами средств и времени по сравнению с затратами на оборудование и трудоемкостью проведения эондовых измерений.

Выход контролируемого потока в неограниченное пространство или атмосферу является необходимым условием осуществления предлагаемого способа измерения. Точнее это означает, что поток выходит в объем, заполненный неподвижной средой, а поперечные и продольные размеры объема в несколько десятков или сотен раэ превышают диаметр канала, Эффективность применения предлагаемого способа измерения, а также устройства, осуществляющего способ, проверена экспериментально при испытаниях установок с применением газов разной плотности, жидкостей, а также при измерении параметров потока с высокой температурой. Достижимая погрешность определения импульса потока 2-6Ъ, погрешность определения средних скоростей, плотности и температуры 3-10Ъ.

Таким образам, предлагаемый спо"об измерения позволяет определять, параметры потока, в там числе при неравномерном распределении скорости и плотности по его сечению, и устраняет погрешности измерения, связанные с влиянием интенсивности смешения и отношения плотностей веществ струи и контролируемага потока.