Способ определения положения границ раздела сред

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в океанографии и в промышленности для определения положения границ раздела в многослойных средах. Сущность: через границы раздела устанавливают нагреваемый и ненагреваемый датчики термопрофилемеров. Определяют текущие профили температуры датчиков. Вычисляют текущий профиль коэффициента теплообмена датчиков со средой по формуле

где P(z, t) - текущая погонная мощность нагрева датчика в точке z; mc и S - конструктивные параметры датчиков термопрофилемеров (m - погонная масса, с - удельная теплоемкость материала, S - погонная площадь внешней поверхности; θ₁(z, t) - текущий профиль температуры нагреваемого датчика и θ₂(z, t) - текущий профиль температуры ненагреваемого датчика, вычисляют текущий профиль пространственного градиента коэффициента теплообмена и положение экстремумов z_m на этом профиле принимают за положение границ раздела сред. Технический результат: повышение точности определения положения границ раздела сред и расширение области применения способа. 9 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения положения границ раздела в слоистых средах.

Оно может быть использовано в океанографии для измерения уровня моря и в промышленности для измерения границ раздела газообразных, жидких и сыпучих многослойных сред.

Известны способы определения уровня жидкости на основе различия коэффициентов теплообмена датчиков температуры с газом и жидкостью [1, 2]. В этих способах обычно используется два распределенных терморезисторных датчика температуры, пересекающих границу раздела, находящихся в разных тепловых режимах за счет подогрева одного из датчиков и включенных в смежные плечи измерительного моста для получения сигнала, зависящего от положения уровня жидкости.

Недостатком этого способа является зависимость результата измерения от физических свойств сред (теплоемкости, плотности, теплопроводности и скорости обтекания датчиков) и их распределения вдоль датчиков и, следовательно, ограниченная точность.

Кроме того, этот и другие известные способы определения уровня не обеспечивают определение положения нескольких границ раздела в многослойных средах.

Прототипом изобретения является способ, заложенный в основе работы датчика уровня жидкости [3]. Такие признаки, как использование двух, нагретого и ненагретого, линейно-протяженных терморезисторов с переменным сечением по длине, установленных через границу раздела сред, совладают с признаками заявленного изобретения. Прототипу также свойственны указанные выше недостатки аналогов.

В основу изобретения поставлено решение задачи определения положения границ раздела сред, в котором путем исключения влияния на результаты измерений изменчивости физических свойств сред и их распределения вдоль датчиков обеспечивается технический результат, выраженный в повышении точности определения положения границ раздела сред.

Дополнительным техническим результатом является расширение области применения способа, поскольку обеспечивается возможность определения положения границ раздела многослойных сред.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения положения границ раздела сред с использованием нагретого и ненагретого линейно-протяженных терморезисторов, установленных через границу раздела сред, согласно изобретению используют два термопрофилемера с распределенными датчиками, определяют текущие профили температуры θ₁(z, t) и θ₂(z, t) нагретого и ненагретого датчиков термопрофилемеров вдоль датчиков, вычисляют текущие профили коэффициента теплообмена α(z, t) датчиков со средой в точке z по формуле

где P(z, t) - текущая погонная мощность нагрева датчика в точке z;

mc и S - конструктивные параметры датчиков термопрофилемеров (m - погонная масса, с - удельная теплоемкость, S - погонная площадь внешней поверхности),

вычисляют текущий профиль пространственного градиента коэффициента теплообмена и положения экстремумов на этом профиле принимают за положение границ раздела сред.

Определение положения границ раздела сред сводится к следующему.

Как известно [4], датчики термопрофилемеров содержат параллельно уложенные распределенные терморезисторы с термочувствительностью, пространственно модулированной по заданным функциям, например, ортогонального базиса (Фурье, Уолша и т. д.). Термопрофилемеры измеряют профиль температуры вдоль датчика. Для нагреваемого мощностью P(z, t) первого датчика справедливо уравнение теплового баланса.

где θ_c(z, t) - текущий профиль температуры среды вдоль датчика.

Для ненагретого второго датчика справедливо

Из уравнений 1 и 2 получим для профиля коэффициента теплообмена

В стационарном режиме P(z, t)=const и

Таким образом, в стационарном режиме нагрева и состоянии среды (при неизменном профиле температуры среды и профилях ее других физических свойств) профиль коэффициента теплообмена α(z, t), нормированный на S, однозначно определяется разностью профилей температур датчиков.

Коэффициент теплообмена датчика со средой α зависит от физических свойств и состояния среды, поэтому в разных средах он имеет разные значения и на границах раздела сред претерпевает резкие изменения, т.е. имеют место большие пространственные градиенты Поэтому положению границ раздела сред z_m будут соответствовать положения экстремумов на профиле градиента коэффициента теплообмена

Для уровнемера жидкости на фиг.1а показаны текущие профили температур нагретого θ₁(z, t) и ненагретого θ₂(z, t) датчиков, профиль разности этих температур Δθ(z, t) (фиг.1б), профиль коэффициента теплообмена α(z, t) (фиг.1в) и его пространственного градиента (фиг.1г).

На фиг.2 показан пример определения положения границ в 4-х слойной среде: размещение датчиков (фиг.2а), профили температур θ₁(z, t) и θ₂(z, t) датчиков (фиг.2б), профиль разности температур датчиков Δθ(z, t) (фиг.2в), профиль коэффициента теплообмена α(z, t) (фиг.2г), профиль пространственного градиента коэффициента теплообмена (фиг.2д). Дополнительная информация, которая может быть получена из уравнений 1 и 2 при реализации способа - это текущий профиль температуры среды θ_с(z, t), вычисляемый по формуле

Использованные источники

1. Разработка и исследование новых уровнемеров с тепловыми распределенными параметрами. - В кн.: Теория информационных систем и устройств с распределенными параметрами. Уфа, 1974, ч.11, с.157-158. Авт. Р.К.Азимов, С.П.Колмыков, Р.М.Курбанова, А.Азимов, А.Суслов, А.А.Нанбабаев, А.М.Исмаилов.

2. А.С. №263922 (СССР). Уровнемер для жидкости, авт. Рудный Н.М., Рудная А.И., Савелов В.Ф., опубл. в бюл. “Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки”, 1970, №8, с.99.

3. А.С. №1673857 (СССР). Датчик уровня жидкости, авт. Г.А.Франк, Ю.И.Гладков, А.Б.Игошин, С.В.Гомбиков, опубл. в бюл. Открытия. Изобретения, 1991, №32.

4. Гайский В.А., Гайский П.В. Распределенные термопрофилемеры и их возможности в океанографических исследованиях. МГФЖ №6, 1996.

Способ определения положения границ раздела сред с использованием нагреваемого и ненагреваемого линейно-протяженных терморезисторов, установленных через границы раздела сред, отличающийся тем, что используют два, нагреваемый и ненагреваемый, датчика термопрофилемеров, содержащих линейно-протяженные терморезисторы, определяют текущие профили температуры вдоль нагреваемого и ненагреваемого датчиков термопрофилемера, вычисляют текущие профили коэффициента теплообмена α(z, t) датчиков со средой в точке z по формуле

где P(z, t) -текущая погонная мощность нагрева датчика в точке z;

mc и S - конструктивные параметры датчиков термопрофилемеров (m - погонная масса, с - удельная теплоемкость материала, S - погонная площадь внешней поверхности);

θ₁(z, t) - текущий профиль температуры нагреваемого датчика;

θ₂(z, t) - текущий профиль температуры ненагреваемого датчика,

вычисляют текущий профиль пространственного градиента коэффициента теплообмена

и положение экстремумов z_m на этом профиле принимают за положение границ раздела сред.