Устройство для определения скорости импульсного потока распыленной жидкости
Владельцы патента RU 2254578:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU)
Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике импульсных дисперсных потоков и может быть использовано в двигателестроении для оценки скорости топливо-воздушной струи при впрыске топлива. Устройство содержит генератор импульсного потока распыленной жидкости, последовательно размещенные источники светового излучения для пропускания последнего через сечения импульсного потока распыленной жидкости, оппозитные источникам светового излучения оптические системы, фотодатчики, блоки логарифматоров, блоки интегрирования, причем выходы фотодатчиков соединены с входами блоков логарифматоров, выходы которых подключены к входам первого и второго блоков интегрирования, а другие входы блоков интегрирования связаны с выходом генератора импульсного потока распыленной жидкости, блок N компараторов, первый вход которого соединен с выходом первого блока интегрирования, а выходы подключены к входам блока N таймеров, и блок N делителей. Выходы блока N таймеров подключены к входам блока N делителей. В устройство введены блок разности сигналов, входы которого подключены к выходам блоков интегрирования, первый запоминающий блок, первый вход которого соединен с выходом блока разности сигналов, а второй вход связан с выходом генератора импульсного потока распыленной жидкости, второй запоминающий блок, первый вход которого подключен к выходу второго блока интегрирования, а второй вход связан с выходом генератора импульсного потока распыленной жидкости, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к третьему входу первого запоминающего блока и к третьему входу второго запоминающего блока, а вход подсоединен к выходу генератора импульсного потока распыленной жидкости. Выходы второго запоминающего блока связаны с остальными входами блока N компараторов и с остальными входами блока N таймеров. Заявленное изобретение позволяет объективно определять скорости импульсного потока распыленной жидкости через два сечения на заданном расстоянии друг от друга для всех моментов времени транспортировки этого потока. 1 ил.
Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике импульсных дисперсных потоков и может быть использовано в двигателестроении для оценки скорости топливо-воздушной струи при впрыске топлива.
Известно устройство для определения скорости импульсного потока распыленной жидкости, а именно топливо-воздушной струи, содержащее последовательно расположенные He-Ne лазер, телескопическую систему, призменную сборку, зеркала, фотоэлектронный умножитель, блок питания и запоминающий осциллограф. Призменная сборка разделяет луч лазера на два, формируя два сечения топливо-воздушной струи, генерируемой форсункой. Кривые изменения оптического пропускания импульсного потока распыленной жидкости в двух соседних сечениях за период транспортировки для детального анализа временных интервалов регистрируются на фотопленку. Для экспресс-анализа электрический сигнал с фотоэлектронного умножителя подается на запоминающий осциллограф. С помощью устройства могут быть измерены скорости топливо-воздушной струи, впрыскиваемой в среду различной плотности/ (Кукушкин В.Л. Методы оценки характеристик нестационарной струи распыленного дизельного топлива с помощью лазеров непрерывного излучения// Двигателестроение. - 1988. - №12. С.28-30.)
Основным недостатком этого устройства является субъективность определения скорости импульсного потока распыленной жидкости, так как невозможно однозначно сопоставить по фотопленке соответствующие биения кривых изменения оптического пропускания импульсного потока распыленной жидкости в соседних сечениях.
Известно устройство для определения скорости импульсного потока распыленной жидкости, содержащее генератор импульсного потока распыленной жидкости, вырабатывающий импульсный поток распыленной жидкости, последовательно размещенные источники светового излучения для пропускания последнего через сечения импульсного потока распыленной жидкости, оппозитные источникам светового излучения оптические системы, фокусирующие световое излучение на фоточувствительную поверхность фотодатчиков, блоки логарифматоров, блоки интегрирования. Выходы фотодатчиков соединены со входами блоков логарифматоров, выходы которых подключены к входам первого и второго блоков интегрирования. Другие входы блоков интегрирования связаны с выходом генератора импульсного потока распыленной жидкости. Устройство также содержит блоки N компараторов, блок N таймеров и блок N делителей. Выходы блоков интегрирования соединены со входами блоков N компараторов. Выходы блоков N компараторов подключены к выходам блока N таймеров. Выходы блока N таймеров подключены к входам блока N делителей. Выходные сигналы фотодатчиков логарифмируются в блоках логарифматоров и интегрируются по времени транспортировки импульсного потока распыленной жидкости в блоках интегрирования. Блоками N компараторов сопоставляются уровни сигналов с выходов блоков интегрирования с ранее заданными попарно N порогами срабатывания. Выходными импульсами блока N компараторов, соответствующих первому сечению, запускается работа блока N таймеров, а импульсами от блока N компараторов, соответствующих второму сечению, останавливается работа блока N таймеров. В блоке N делителей определяются скорости переноса заданных масс импульсного потока распыленной жидкости, задаваемых N порогами срабатывания блоков N компараторов, как отношение известной величины базового расстояния L к выходным данным блока N таймеров (патент RU №2147749, МПК7 G 01 P 5/18). Это устройство выбрано в качестве прототипа.
Основным недостатком приведенного устройства является субъективность определения скорости вследствие отсутствия объективности определения масс импульсного потока распыленной жидкости, соответствующих задаваемым порогам срабатывания N компараторов.
Предлагаемым изобретением решается задача объективного определения скорости импульсного потока распыленной жидкости через два сечения на заданном расстоянии друг от друга для всех моментов времени транспортировки импульсного потока распыленной жидкости.
Для достижения указанного технического результата в устройство определения скорости импульсного потока распыленной жидкости, содержащее генератор импульсного потока распыленной жидкости, последовательно размещенные источники светового излучения для пропускания последнего через сечения импульсного потока распыленной жидкости, оппозитные источникам светового излучения оптические системы, фотодатчики, блоки логарифматоров, блоки интегрирования, причем выходы фотодатчиков соединены с входами блоков логарифматоров, выходы которых подключены к входам первого и второго блоков интегрирования, а другие входы блоков интегрирования связаны с выходом генератора импульсного потока распыленной жидкости, блок N компараторов, первый вход которого соединен с выходом первого блока интегрирования, а выходы подключены к входам блока N таймеров, и блок N делителей, причем выходы блока N таймеров подключены к входам блока N делителей, введены блок разности сигналов, входы которого подключены к выходам блоков интегрирования, первый запоминающий блок, первый вход которого соединен с выходом блока разности сигналов, а второй вход связан с выходом генератора импульсного потока распыленной жидкости, второй запоминающий блок, первый вход которого подключен к выходу второго блока интегрирования, а второй вход связан с выходом генератора импульсного потока распыленной жидкости, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к третьему входу первого запоминающего блока и к третьему входу второго запоминающего блока, а вход подсоединен к выходу генератора импульсного потока распыленной жидкости. При этом выходы второго запоминающего блока связаны с остальными входами блока N компараторов и с остальными входами блока N таймеров.
Объективное определение скорости импульсного потока распыленной жидкости между сечениями в предлагаемом устройстве обусловлено тем, что масса импульсного потока распыленной жидкости, пролетевшая первое его сечение, запоминается и сравнивается в каждый такт времени дискретизации за время транспортировки импульсного потока распыленной жидкости с массой импульсного потока распыленной жидкости, пролетевшей второе сечение. При этом сигнал с выхода блока интегрирования, соответствующий первому сечению, запоминается в первом запоминающем блоке последовательно от времени начала в каждый последующий момент времени транспортировки импульсного потока распыленной жидкости, получаемый приращением на заданную величину периода тактовых импульсов с выхода блока генератора, далее в блоке N компараторов сопоставляются значения сигналов с выхода блока интегрирования, соответствующие второму сечению, с ранее запомненными значениями сигнала с выхода блока интегрирования, соответствующего первому сечению. Выходными сигналами первого запоминающего блока запускается работа блока N таймеров, а импульсами от блока N компараторов останавливается работа блока N таймеров. Параллельно масса вещества импульсного потока распыленной жидкости определяется разностью сигналов с выходов блоков интегрирования в блоке разности сигналов и запоминается во втором запоминающем блоке последовательно от времени начала в каждый последующий момент времени транспортировки импульсного потока распыленной жидкости, получаемый приращением на заданную величину периода тактовых импульсов с блока генератора.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства для определения скорости импульсного потока распыленной жидкости.
Устройство для определения скорости импульсного потока распыленной жидкости содержит генератор 1 импульсного потока распыленной жидкости, вырабатывающий импульсный поток распыленной жидкости 2, с сечениями 3 и 4, последовательно размещенные источники светового излучения 5 и 6 для пропускания последнего через сечения 3 и 4 импульсного потока распыленной жидкости, оппозитные источникам светового излучения 5 и 6 оптические системы 7 и 8, фокусирующие световое излучение на фоточувствительную поверхность фотодатчиков 9 и 10, блоки логарифматоров 11 и 12, первый и второй блоки интегрирования 13 и 14. Выходы фотодатчиков 9 и 10 соединены со входами блоков логарифматоров 11 и 12, выходы которых подключены ко входам первого и второго блоков интегрирования 13 и 14 соответственно. Другие входы первого и второго блоков интегрирования 13 и 14 связаны с выходом генератора 1 импульсного потока распыленной жидкости.
Устройство также содержит первый запоминающий блок 15, второй запоминающий блок 16, генератор 17 тактовых импульсов, блок 18 разности сигналов, блок N компараторов 19, содержащий N штук компараторов, блок N таймеров 20, содержащий N штук таймеров, и блок N делителей 21, содержащий N штук делителей. Каждый из запоминающих блоков 15, 16 имеет N ячеек памяти.
Входы блока 18 разности сигналов подключены к выходам блоков интегрирования 13 и 14. Первый вход первого запоминающего блока 15 соединен с выходом блока 18 разности сигналов, а второй вход первого запоминающего блока 15 связан с выходом генератора 1 импульсного потока распыленной жидкости. Первый вход второго запоминающего блока 16 подключен к выходу второго блока интегрирования 14, а второй вход второго запоминающего блока 16 связан с выходом генератора 1 импульсного потока распыленной жидкости. Вход генератора 17 тактовых импульсов подсоединен к выходу генератора 1 импульсного потока распыленной жидкости, а выход генератора 17 тактовых импульсов подключен к третьему входу первого запоминающего блока 15 и к третьему входу второго запоминающего блока 16. Первый вход блока N компараторов 19 соединен с выходом первого блока интегрирования 13, а выходы блока N компараторов 19 подключены к входам блока N таймеров 20. Выходы блока N таймеров 20 подсоединены к входам блока N делителей 21. При этом выходы второго запоминающего блока 16 связаны с остальными входами блока N компараторов 19 и с остальными входами блока N таймеров 20.
Импульсный поток распыленной жидкости 2, вырабатываемый генератором 1 импульсного потока распыленной жидкости, пронизывается в двух сечениях 3 и 4 световым излучением от источников светового излучения 5 и 6. Генератор 1 импульсного потока распыленной жидкости в момент начала вырабатывания потока 2 обнуляет блоки интегрирования 13, 14, запоминающие блоки 15, 16 и запускает генератор 17 тактовых импульсов. Оптическими системами 7 и 8 световое излучение, прошедшее через импульсный поток распыленной жидкости 2, фокусируется на фоточувствительные поверхности фотодатчиков 9 и 10, с выходов которых через блоки логарифматоров 11 и 12 сигналы поступают на входы блоков интегрирования 13 и 14. В блоке 18 разности сигналов определяется значение разности сигналов с выходов блоков интегрирования 13 и 14, которое запоминается в каждой последующей ячейке памяти запоминающего блока 15 с каждым тактовым импульсом, поступающим от генератора 17. Аналогично функционирует второй запоминающий блок 16. По каждому тактовому импульсу от генератора 17 запоминается в каждой последующей ячейке памяти второго запоминающего блока 16 значение сигнала с выхода блока интегрирования 13. Сигналы на выходах второго запоминающего блока 16 служат порогами срабатывания блока N компараторов 19, сравнивающих запомненные сигналы со второго запоминающего блока 16 с сигналами блока интегрирования 13, в каждый тактовый импульс от генератора 17. Одновременно сигналами с выхода второго запоминающего блока 16 запускается N штук таймеров блока N таймеров 20, а сигналами с выходов блока N компараторов 19 прекращается работа N штук таймеров блока N таймеров 20. Выходные данные, полученные от N таймеров блока 20, обрабатываются в блоке N делителей 21, состоящем из N делителей, на выходах которого находятся данные, соответствующие скорости импульсного потока распыленной жидкости между двумя сечениями 3 и 4, определенной для каждого такта времени дискретизации. Выходные данные с каждой ячейки памяти первого запоминающего блока 15 соответствуют массе импульсного потока распыленной жидкости между сечениями в каждый такт времени дискретизации.
Устройство для определения скорости импульсного потока распыленной жидкости работает следующим образом. Источниками светового излучения 5 и 6 непрерывно излучаются световые потоки, пронизывающие пространство импульсного потока распыленной жидкости 2 в двух сечениях 3 и 4. Генератором 1 импульсного потока распыленной жидкости вырабатывается поток 2 и обнуляются блоки интегрирования 13, 14, запоминающие блоки 15, 16 и запускается генератор 17 тактовых импульсов. Фотодатчиками 9 и 10 регистрируется за время измерения to относительная интенсивность светового излучения от источников светового излучения 5 и 6, прошедшего через импульсный поток распыленной жидкости 2 и сфокусированного оптической системой 7 и 8 на их фоточувствительные поверхности. Время to является временем измерения относительной световой интенсивности, определяемое тактовой частотой генератора 17. По закону Ламберта-Бера относительная интенсивность светового излучения, прошедшего через среду, равна
где J(t) - относительная интенсивность светового излучения, прошедшего через импульсный поток распыленной жидкости, в произвольный момент времени транспортировки;
I(t) - интенсивность светового излучения, прошедшего через импульсный поток распыленной жидкости, в произвольный момент времени транспортировки;
Io - интенсивность светового излучения в отсутствие потока распыленной жидкости;
α - оптический коэффициент импульсного потока распыленной жидкости;
ρ - плотность частиц в объеме импульсного потока распыленной жидкости, пронизанном световым излучением;
L - толщина импульсного потока распыленной жидкости в соответствующем сечении.
Интенсивность и плотность импульсного потока распыленной жидкости в i сечении равны соответственно
где μi(t) - интенсивность частиц в объеме импульсного потока распыленной жидкости, пронизанном световым излучением;
N(t) - количество частиц, находящихся в объеме импульсного потока распыленной жидкости, пронизанном световым излучением в произвольный момент времени транспортировки в i сечении;
to - время измерения интенсивности светового излучения;
ρi(t) - плотность частиц в объеме импульсного потока распыленной жидкости, пронизанном световым излучением в i сечении;
V - объем импульсного потока распыленной жидкости, пронизанный световым излучением.
Тогда плотность потока распыленной жидкости в i сечении равна
Выходной сигнал фотодатчика 9 или 10 равен
где U(t) - выходной сигнал фотодатчика 9 или 10;
S - чувствительность фотодатчика.
Тогда μi(t) - интенсивность частиц в объеме импульсного потока распыленной жидкости V, пронизанном световым излучением, находится по величине относительной интенсивности светового излучения, прошедшего через импульсный поток распыленной жидкости, используя формулы (3), (6) и (7), из выражения:
где U0 - выходной сигнал фотодатчика в отсутствие импульсного потока распыленной жидкости;
Ji(t) - относительная интенсивность светового излучения, прошедшего через импульсный поток распыленной жидкости;
Q - константа преобразования измерительного устройства.
Масса импульсного потока распыленной жидкости, прошедшего через сечение 3, равна
где M1 - масса импульсного потока распыленной жидкости, прошедшего через сечение 3;
t1 - время, прошедшее от момента начала транспортировки импульсного потока распыленной жидкости до момента переноса через сечение 3 массы импульсного потока распыленной жидкости M1.
Аналогично, масса импульсного потока распыленной жидкости, прошедшего через сечение 4, равна
где М2 - масса импульсного потока распыленной жидкости, прошедшего через сечение 4;
t2 - время, прошедшее от момента начала транспортировки импульсного потока распыленной жидкости до момента переноса через сечение 4 массы импульсного потока распыленной жидкости, равной М2.
При малых базовых расстояниях толщина импульсного потока распыленной жидкости в сечении 3 равна толщине этого потока в сечении 4 и частицы импульсного потока распыленной жидкости, прошедшие через сечение 3, проходят через сечение 4 за интервал времени транспортировки tz, то есть через сечения 3 и 4 пройдет одинаковая масса потока:
Тогда условие прохода равных порций вещества импульсного потока распыленной жидкости через сечения 3 и 4 с учетом формул (9) и (10) определяется равенством
Подставляя интенсивность импульсного потока распыленной жидкости в i-сечении из выражения (8) в равенство (12) после логарифмирования (8) в соответствии с формулой (2), получим выражение для нахождения интервала времени транспортировки tz по величине сигналов фотодатчиков 9 и 10:
где U1(t) - выходной сигнал фатодатчика 9;
U2(t) - выходной сигнал фотодатчика 10;
tz - интервал времени транспортировки одинаковой массы импульсного потока распыленной жидкости через сечения 3 и 4.
Скорость импульсного потока распыленной жидкости 2 определяют из отношения базового расстояния между сечениями 3 и 4 ко времени транспортировки этого потока через эти сечения в каждый последующий момент времени транспортировки импульсного потока распыленной жидкости по формуле
где υ(t) - скорость потока распыленной жидкости;
z - базовое расстояние между сечениями потока.
Выходные сигналы фотодатчиков 9 и 10 логарифмируются в блоках логарифмирования 11, 12 и интегрируются по времени транспортировки импульсного потока распыленной жидкости в блоках интегрирования 14 и 13. С выхода второго блока интегрирования 14 сигнал запоминается во втором запоминающем блоке 16, состоящем из N ячеек памяти, в каждый тактовый импульс генератора 17. Выходные сигналы с выхода ячеек памяти второго запоминающего блока 16 по мере развития импульсного потока распыленной жидкости запускают работу N штук таймеров в блоке N таймеров 20 и поступают на входы N штук компараторов в блоке компараторов 19. Таким образом, пороги срабатывания компараторов определяются значением массы импульсного потока распыленной жидкости, по мере его развития в сечении 3 в каждый момент времени, определяемый тактовым импульсом генератора 17. На другие входы N штук компараторов в блоке N компараторов 19 поступает сигнал с первого блока интегрирования 13. Через некоторый промежуток времени значения сигнала на входе i-го компаратора, соединенного с блоком интегрирования 13, достигнет значения сигнала на другом входе того же компаратора от блока интегрирования 14, запомненного в i-й момент времени, соответствующий i-му тактовому импульсу генератора 17, в i-й ячейке памяти второго запоминающего блока 16. Выходные сигналы с блока N компараторов 19 останавливают работу таймеров в блоке N таймеров 20. В блоке N делителей 21 определяются скорости переноса масс импульсного потока распыленной жидкости, задаваемых N порогами срабатывания блока N компараторов 19, как отношение известной величины базового расстояния z к выходным данным блока N таймеров 20. Значение числа N определяется отношением времени развития импульсного потока распыленной жидкости к заданной величине времени дискретизации.
Значение массы импульсного потока распыленной жидкости, находящейся между сечениями 3 и 4 в произвольный момент времени транспортировки, используя формулы (9) и (10), определяют как
где M1 - масса импульсного потока распыленной жидкости, прошедшего через сечение 3;
М2 - масса импульсного потока распыленной жидкости, прошедшего через сечение 4;
t - время, прошедшее от момента начала транспортировки импульсного потока распыленной жидкости до момента переноса через сечение 3 массы импульсного потока распыленной жидкости M1, а через сечение 4 - массы импульсного потока распыленной жидкости, равной М2.
На выходах запоминающего блока 15 присутствует значение массы импульсного потока распыленной жидкости, находящейся между сечениями 3 и 4 в каждый момент времени, определяемый тактовой частотой генератора 17 относительно момента начала вырабатывания потока 2.
Таким образом, пороги срабатывания компараторов блока N компараторов 19 задаются массой потока, пролетевшей первое сечение в каждый момент времени транспортировки, определяемый тактовой частотой блока генератора 17 относительно момента начала вырабатывания потока, чем обеспечивается объективность в определении масс импульсного потока распыленной жидкости.
В результате определяется скорость импульсного потока распыленной жидкости через заданные сечения на малом базовом расстоянии друг от друга для каждого значения массы импульсного потока распыленной жидкости, находящейся между сечениями в каждый момент времени транспортировки импульсного потока распыленной жидкости относительно момента начала вырабатывания потока.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает объективное определение скорости между сечениями импульсного потока распыленной жидкости для множества моментов времени транспортировки импульсного потока распыленной жидкости, общее число которых определяется отношением времени транспортировки импульсного потока распыленной жидкости к заданной величине времени дискретизации.
Устройство для определения скорости импульсного потока распыленной жидкости, содержащее генератор импульсного потока распыленной жидкости, последовательно размещенные источники светового излучения для пропускания последнего через сечения импульсного потока распыленной жидкости, оппозитные источникам светового излучения оптические системы, фотодатчики, блоки логарифматоров, блоки интегрирования, причем выходы фотодатчиков соединены с входами блоков логарифматоров, выходы которых подключены к входам первого и второго блоков интегрирования, а другие входы блоков интегрирования связаны с выходом генератора импульсного потока распыленной жидкости, блок N компараторов, первый вход которого соединен с выходом первого блока интегрирования, а выходы подключены к входам блока N таймеров, и блок N делителей, причем выходы блока N таймеров подключены к входам блока N делителей, отличающееся тем, что в него введены блок разности сигналов, входы которого подключены к выходам блоков интегрирования, первый запоминающий блок, первый вход которого соединен с выходом блока разности сигналов, а второй вход связан с выходом генератора импульсного потока распыленной жидкости, второй запоминающий блок, первый вход которого подключен к выходу второго блока интегрирования, а второй вход связан с выходом генератора импульсного потока распыленной жидкости, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к третьему входу первого запоминающего блока и к третьему входу второго запоминающего блока, а вход подключен к выходу генератора импульсного потока распыленной жидкости, при этом выходы второго запоминающего блока связаны с остальными входами блока N компараторов и с остальными входами блока N таймеров.
