Устройство для определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости
Владельцы патента RU 2433872:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU)
Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике дисперсных потоков и может быть использовано в двигателестроении для определения дисперсных характеристик топливовоздушных струй, по которым можно судить о распределении капель струи по размерам. Устройство для определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости содержит форсунку, формирующую струю распыленной жидкости, и снабжено тензометрическим датчиком для регистрации динамики изменения давления жидкости в форсунке. Датчик связан через тензометрический усилитель с блоком обработки сигналов, скоростной видеокамерой для регистрации светового излучения, прошедшего через дисперсный поток воздуха, двумя кольцами. В каждом из колец оппозитно друг к другу расположены источник света и фотоэлемент, предназначенные для контроля одной и той же массы потока струи жидкости. Источник светового излучения выполнен в виде газового лазера. Оптическая система выполнена в виде расположенных последовательно с лазером коллиматора и диафрагмы. Форсунка с тензометрическим датчиком, диафрагма, коллиматор, скоростная видеокамера и два кольца закреплены в защитном кожухе. Технический результатом изобретения является повышенная точность и достоверность определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, а также расширение диапазона регистрации размеров дисперсного потока капель жидкости вследствие отсутствия трансформации струи распыленной жидкости и, следовательно, дробления капель за счет внешних возмущающих сил. 2 ил.
Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике дисперсных потоков и может быть использовано в двигателестроении для определения дисперсных характеристик топливовоздушных струй, по которым можно судить о распределения капель струи жидкости по размерам.
Распыление топлива в двигателях внутреннего сгорания является быстропротекающим, а для исследования распыления топлива нужны адекватные модели, для тестирования которых требуются измерения ряда параметров, в частности дисперсного состава капель распыленной жидкости. При этом важно, чтобы данные параметры измерялись устройствами, не влияющими на результат измерения.
Известно устройство для определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, содержащее форсунку, формирующую струю распыленной жидкости, поддон, который разделен на желобки, расположенные под прямым углом к оси струи жидкости, направленной форсункой горизонтально над поддоном. Желобки заполнены заданным количеством исследуемой жидкости. В струю жидкости добавлен краситель. Над желобками помещена пластина, покрытая слоем окиси магния. При постоянном давлении жидкости, подводимой к форсунке, крупные капли летят дальше мелких, оседая под действием силы тяжести на поддон с желобками. Чем больше масса капель, попавших в тот или иной желобок, тем интенсивней окрашивается в нем жидкость. Интенсивность окраски определяется колориметрическим путем. Определение диаметров капель жидкости, попавших в тот или иной желобок, осуществляется, исходя из измерений размеров отпечатков на пластине, покрытой слоем окиси магния (Пажи Д.Г. Распыливающие устройства в химической промышленности. / Д.Г.Пажи, А.А.Корягин, Э.Л.Ламм. - М.: Химия, 1975. - С.176-177).
Недостатками устройства являются пониженные точность и достоверность определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, так как устанавливаются только средние размеры капель, но не весь диапазон размеров капель струи распыленной жидкости из-за применения ограниченного числа желобков; продолжительность определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости вследствие длительности оседания наиболее мелких капель и необходимости анализа интенсивности окраски жидкости в желобках колориметрическим путем.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство для определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, описанное в патенте (патент RU 277442, МПК7 В05В 12/08). Устройство, содержащее форсунку, формирующую струи распыленной жидкости, направленную вдоль горизонтальной оси перпендикулярно направлению действия сил тяжести капель жидкости, источник светового излучения, выполненный в виде N ламп накаливания, расположенных последовательно в одной плоскости, направляющий поток света на струю распыленной жидкости перпендикулярно направлению сил тяжести капель жидкости, N фотодатчиков, оптическую систему, фокусирующую световое излучение на фоточувствительную поверхность N фотодатчиков и расположенную оппозитно источнику светового излучения, блок обработки сигналов, то тесть блок аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с персональным компьютером. N выходов фото датчиков подключены к N входам блока аналого-цифрового преобразователя. Механизмом подачи воздуха формируется воздушный поток, направленный в сторону сил тяжести капель жидкости. По всей длине струи жидкости капли сдуваются потоком воздуха, вследствие чего траектория полета капель искривляется и струя жидкости трансформируется. Поток света, формируемый источником светового излучения, пересекает пролетающие капли жидкости. Световое излучение фокусируется на фоточувствительную поверхность фотодатчиков. Сигнал с фотодатчиков преобразуется в цифровую форму и далее в цифровой форме поступает для обработки на вход персонального компьютера. Оценка размеров капель жидкости, осевших вниз, осуществляется получением гистограммы дисперсного состава капель струи распыленной жидкости по регистрируемой относительной интенсивности световых лучей.
Недостатками описанного устройства являются пониженные точность и достоверность определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, а также ограниченность диапазона регистрации размеров дисперсного потока капель жидкости, так как поток воздуха, трансформируя струю распыленной жидкости, дробит или наоборот объединяет капли жидкости и тем самым дисперсность капель жидкости изменяется, что снижает точность и достоверность получаемых гистограмм распределения капель по размерам.
Задачей изобретения является повышение точности и достоверности определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, а также расширение диапазона регистрации размеров дисперсного потока капель жидкости.
Поставленная задача решается тем, что устройство для определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, содержащее форсунку, формирующую струю распыленной жидкости, направленную вдоль горизонтальной оси перпендикулярно направлению действия сил тяжести капель жидкости, источник светового излучения, направляющий поток света через струю распыленной жидкости перпендикулярно направлению действия сил тяжести капель жидкости, оптическую систему, фокусирующую световое излучение, расположенную оппозитно источнику светового излучения, блок обработки сигналов, связанный с персональным компьютером, согласно изобретению снабжено тензометрическим датчиком для регистрации динамики изменения давления жидкости в форсунке, связанным через тензометрический усилитель с блоком обработки сигналов, скоростной видеокамерой для регистрации светового излучения, прошедшего через дисперсный поток жидкости, двумя кольцами, в каждом из которых оппозитно друг к другу расположены источник света и фотоэлемент, предназначенные для контроля одной и той же массы потока жидкости. Источник светового излучения выполнен в виде газового лазера, оптическая система - в виде расположенных последовательно с лазером коллиматора и диафрагмы. Форсунка с тензометрическим датчиком, диафрагма, коллиматор, скоростная видеокамера и два кольца закреплены в защитном кожухе. Скоростная видеокамера и фотоэлементы электрически связаны с блоком обработки сигналов.
Точность и достоверность определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, а также расширение диапазона регистрации размеров дисперсного потока капель жидкости обусловлены устранением трансформации струи распыленной жидкости и, следовательно, дробления капель из-за отсутствия внешних возмущающих сил за счет того, что весь поток капель жидкости проходит через два кольца, контролирующих одну и ту же массу капель распыленной жидкости, а также за счет того, что форсунка с тензометрическим датчиком, диафрагма, коллиматор, скоростная видеокамера и два кольца помещены внутри защитного кожуха, который защищает дисперсный поток капель жидкости, оптическую систему и поток лазерного излучения от действия внешних возмущающих сил, и, тем самым, устройством регистрируется действительная дисперсная картина распределения капель жидкости по размерам, охватывающая весь диапазон существующих размеров дисперсного потока капель жидкости.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема устройства для определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, на фиг.2 - гистограмма распределения капель дисперсного потока жидкости по размерам.
Устройство для определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости содержит емкость жидкости 1, связанную с насосом 2, трубопровод 3, соединенный с насосом 2, связанную с трубопроводом 3 форсунку 4, формирующую струю распыленной жидкости, направленную вдоль горизонтальной оси перпендикулярно направлению сил тяжести капель жидкости, с образованием дисперсного потока 5 капель жидкости, крепежный штатив 6, два кольца 7, защитный кожух 8, тензометрический датчик 9 для регистрации динамики изменения давления жидкости в форсунке 4, подключенный через тензометрический усилитель 10 к блоку 11 обработки сигналов, в свою очередь подключенному к персональному компьютеру 12, скоростную видеокамеру 13, предпочтительно VS-CTT-285-2001 с размером пикселя 6,45 мкм, для регистрации светового излучения, прошедшего через дисперсный поток 5 капель жидкости, цифровая матрица которой снабжена защитным стеклом 14, диафрагму 15 и коллиматор 16, источник светового излучения, направляющий поток света через поток капель распыленной жидкости перпендикулярно направлению действия сил тяжести капель жидкости, выполненный в виде газового лазера 17, формирующего широкий аппретурный пространственно когерентный лазерный луч.
Оптическая система, фокусирующая световое излучение, расположенная оппозитно газовому лазеру 17, размещена по одной оси последовательно с лазером 17, коллиматором 16, диафрагмой 15 и видеокамерой 13. Коллиматор 16, состоящий из двух линз, служит для увеличения размеров лазерного луча. Диафрагма 15 предназначена для обрезания лазерного луча по размеру матрицы видеокамеры 13.
В каждом из колец 7 оппозитно друг другу расположены источник света 18 и фотоэлемент 19, предназначенные для контроля одной и той же массы дисперсного потока 5 струи жидкости.
Форсунка 4 с тензометрическим датчиком 9, образующая дисперсный поток 5, диафрагма 15, защитное стекло 14 матрицы видеокамеры, два кольца 7 с источниками света 18 и фотоэлементами 19, скоростная видеокамера 13 закреплены в защитном кожухе 8 для устранения внешних помех от работающего двигателя, расположенного вблизи устройства.
Скоростная видеокамера 13 и фотоэлементы 19 электрически связаны с блоком 11 обработки сигналов.
Тензометрический датчик 9 выдает электрический сигнал на вход тензометрического усилителя 10. С тензометрического усилителя 10 электрические сигналы подаются на вход блока 11 обработки сигналов и далее в персональный компьютер 12. Фотоэлементы 19 и видеокамера 13 выдают электрические сигналы на вход блока 11 обработки сигналов и далее в персональный компьютер 12.
Лазер 17, коллиматор 16, диафрагма 15, видеокамера 13 зафиксированы на крепежном штативе 6 по одной горизонтальной оси так, чтобы луч лазера 17 был направлен горизонтально, перпендикулярно действию сил тяжести дисперсного потока 5 капель жидкости.
Блок 11 обработки сигналов включает блок аналого-цифрового преобразователя (не показано), преобразующий зарегистрированное изображение дисперсного состава 5 капель жидкости цифровой матрицей видеокамеры 13 в цифровую форму, связан с устройством синхронизации с валом насоса 2 (не показано). В качестве блока 11 использованы регистратор оптической плотности в составе программируемого усилителя УСП - 16 и плата сбора данных ЛА - 1,5 РС1.
Устройство для определения дисперсного состава капель распыленной жидкости работает следующим образом. На матрицу скоростной видеокамеры 13 сначала регистрируется излучение лазера 17 без дисперсного состава капель жидкости с получением первой картины излучения. Из емкости 1 жидкость подается насосом 2 по трубопроводу 3 в форсунку 4. Давление жидкости в форсунке 4 контролируется тензометрическим датчиком 9, сигнал с которого подается на вход тензометрического усилителя 10 и далее - в блок 11 обработки сигналов. Форсункой 4 формируется струя распыленной жидкости в направлении горизонтальной оси. Капли дисперсного потока 5 жидкости под действием сил тяжести перемещаются вниз. Дисперсный поток 5 проходит через два кольца 7, в которых источниками света 18 и фотоэлементами 19 контролируется одна и та же масса дисперсного потока 5 жидкости. Сигнал с фотоэлементов 19 подается на вход блока 11 обработки сигналов. Дисперсный поток 5 капель жидкости пересекается световым лучом, формируемым лазером 17. Излучение лазера 17 через коллиматор 16 и диафрагму 15 пересекает дисперсный поток 5 перпендикулярно направлению действия сил тяжести капель жидкости и через защитное стекло 14 матрицы видеокамеры попадает на матрицу скоростной видеокамеры 13 с получением второй картины излучения. Сигнал с выхода видеокамеры 13 подается на вход блока 11 обработки сигналов и далее в цифровой форме - в персональный компьютер 12.
В персональном компьютере 12 численные значения сигналов, полученные с помощью блока аналого-цифрового преобразователя (не показано), находящегося в блоке обработке сигналов 11, обрабатываются программой, которая выдает информацию о размерах капель жидкости. Так вторая картина излучения вычитается из первой картины излучения с помощью компьютерной программы в персональном компьютере 12. Кроме того, из зарегистрированной картины вычитается постоянная засветка матрицы видеокамеры 13. В результате остается чистая голографическая картина, которая далее подвергается числовой обработке в персональном компьютере 12, который выдает гистограмму распределения капель дисперсного потока жидкости по размерам (фиг.2), где по горизонтальной оси отложены диаметры d капель в мкм, а по вертикальной оси - число N капель. Гистограмма позволяет судить о преобладающем числе капель струи распыленной жидкости определенного размера, а также о законе распределения числа капель жидкости по размерам (диаметрам).
Таким образом, в изобретении применена числовая топография, что позволяет с высокой точностью и достоверностью исследовать параметры распыления, строить гистограммы распределения капель жидкости по размерам с помощью персонального компьютера и получать информацию об их пространственном распределении. Осуществлена голографическая регистрация капель распыляемого топлива при работе форсунки дизельного двигателя. Для получения голограммы использована осевая схема регистрации дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, в результате повышается точность и достоверность определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, а также расширяется диапазон регистрации размеров дисперсного потока капель жидкости.
Устройство для определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, содержащее форсунку, формирующую струю распыленной жидкости, направленную вдоль горизонтальной оси перпендикулярно направлению действия сил тяжести капель жидкости, источник светового излучения, направляющий поток света через струю распыленной жидкости перпендикулярно направлению действия сил тяжести капель жидкости, оптическую систему, фокусирующую световое излучение, расположенную оппозитно источнику светового излучения, блок обработки сигналов, связанный с персональным компьютером, отличающееся тем, что оно снабжено тензометрическим датчиком для регистрации динамики изменения давления жидкости в форсунке, связанным через тензометрический усилитель с блоком обработки сигналов, скоростной видеокамерой для регистрации светового излучения, прошедшего через дисперсный поток жидкости, двумя кольцами, в каждом из которых оппозитно друг к другу расположены источник света и фотоэлемент, предназначенные для контроля одной и той же массы потока струи жидкости, при этом источник светового излучения выполнен в виде газового лазера, оптическая система - в виде расположенных последовательно с лазером коллиматора и диафрагмы, форсунка с тензометрическим датчиком, диафрагма, коллиматор, скоростная видеокамера и два кольца закреплены в защитном кожухе.
