устройство для измерения концентрации твердой фазы двухфазного потока

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА, включающее корпус, пьезоэлектрический преобразователь, установленный на державке, и блок регистрации, связанный с пьезоэлектрическим преобразователем и содержащий электрический счетчик импульсов, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде полого цилиндра, внутри которого установлен с возможностью осевого перемещения держатель, выполненный в виде цилиндра, на торце которого установлен пьезоэлектрический преобразователь, на цилиндрах закреплены втулки, между которыми установлена пружина.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на боковой поверхности корпуса установлен второй пьезоэлектрический преобразователь, связанный с устройством остановки счета в счетчике импульсов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен с прорезью вдоль образующей цилиндра, а держатель пьезоэлектрического преобразователя установлен в корпусе таким образом, что пьезоэлектрический преобразователь при свободно разжатой пружине занимает среднюю часть прорези, при этом отношение продольного размера прорези к расстоянию между положениями пьезоэлектрического преобразователя при полностью сжатой и свободно разжатой пружин не превышает 0,15.

4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что пьезоэлектрический преобразователь установлен на держателе под острым углом к направлению движения потока.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что величина угла удовлетворяет соотношению

= arctg U/V,

где V скорость потока;

U скорость движения пьезоэлектрического преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике измерения концентрации твердой фазы двухфазного потока и может быть использовано в теплоэнергетике, химической и металлургической промышленности.

Известно устройство для измерения концентрации твердой фазы двухфазного потока [1] в котором по электромагнитным импульсам судят о концентрации пузырей во взвешенном слое.

Недостатком этого устройства является сложность в обработке результатов и изготовлении подобных конструкций.

Наиболее близким к изобретению является датчик [2] содержащий пьезоэлектрический преобразователь, узел подвода потока частиц к пьезоэлектрическому преобразователю, выполненному в форме направляющего канала, и узел отвода частиц в форме расширяющегося в направлении потока тела. Плоскость пьезоэлектрического преобразователя расположена перпендикулярно направлению потока. Частицы до попадания на пьезоэлектрический преобразователь имеют одинаковую скорость.

Недостатком датчика является сложность конструкции, так как необходим насос с регулируемым вентилем для отсоса двухфазного потока. Кроме того, для идентификации результатов измерений необходимо поддерживать расходную скорость отсоса равной расходной скорости потока, входящего в измерительную головку, или по крайне мере знать скорость потока у пьезоэлектрического преобразователя. Особые затруднения при измерениях подобной конструкцией возникают при малых скоростях потока, так как скорость потока у пьезоэлектрического преобразователя создается только за счет работы отсасывающего насоса и изменения скорости основного потока приведут к существенной ошибке в измерении концентрации, предлагаемой в прототипе, измерительной головкой.

Сущность изобретения заключается в том, что корпус выполнен в виде полого цилиндра, внутри которого установлен с возможностью осевого перемещения держатель, выполненный в виде цилиндра, на торце которого установлен пьезоэлектрический преобразователь, а на цилиндрах закреплены опорные втулки, между которыми установлена пружина.

Подобное выполнение устройства для измерения концентрации твердой фазы двухфазного потока решает задачу измерения при одновременном упрощении устройства и обработки результатов, особенно в малоскоростных потоках. Для фиксации предельного размера измерительного объема используется два варианта конструкции. В одном из них остановка счета импульсов от ударяющихся о пьезоэлектрический преобразователь частиц происходит в крайней точке при ударной остановке держателя, что фиксируется вторым пьезоэлектрическим преобразователем, связанным с устройством остановки счета в счетчике импульсов. Место расположения второго пьезоэлектрического преобразователя на корпусе несущественно. Как показали эксперименты, он надежно фиксирует сигнал на остановку счета при закреплении его в любой точке корпуса, так как скорость передачи звукового сигнала по металлу более, чем на порядок превосходит скорости характерных процессов движения держателя и измеряемого потока. Во втором варианте конструкции для фиксации предельного размера измерительного объема в корпусе выполнена прорезь вдоль образующей цилиндра, а держатель пьезоэлектрического преобразователя установлен в корпусе таким образом, что пьезоэлектрический преобразователь при свободно разжатой пружине зажимает среднюю часть прорези, при этом отношение предельного размера прорези к расстоянию между положениями пьезоэлектрического преобразователя при полностью сжатой и свободно разжатой пружине не превышает 0,15.

Если энергии ударяющихся об пьезоэлектрический преобразователь частиц недостаточно при поперечном движении держателя относительно основного потока, тогда используется вариант конструкции с частично развернутой к потоку плоскостью пьезоэлектрического преобразователя, а именно пьезоэлектрический преобразователь установлен на держателе под острым углом к направлению движения потока, причем величина угла удовлетворяет соотношению

arctg u/v где v скорость потока;

u скорость движения пьезоэлектрического преобразователя.

На фиг.1 показано устройство, продольный разрез; на фиг.2 вариант выполнения внешнего цилиндра с прорезью при сжатой пружине; на фиг.3 сечение А-А на фиг. 2; на фиг.4 вариант выполнения внутреннего цилиндра со скосом; на фиг.5 схема устройства счета.

Устройство содержит пьезоэлектрический преобразователь 1 с акустической прокладкой 2, закрепленные на цилиндре 3, входящем в узел крепления (фиг.1). Узел крепления содержит концентрично расположенные цилиндры 3, 4 и пружину 5 между ними. Для фиксации пружины используют опорные втулки 6, 7. Причем втулка 6 закреплена на внешнем цилиндре 4 и жестко фиксирует один конец пружины 5, а другой свободно упирается во втулку 7, закрепленную на внутреннем цилиндре 3. Направляющая втулка 8 служит для центровки внутреннего цилиндра 3. Пьезоэлектрический преобразователь 1 закреплен на торце внутреннего цилиндра 3 и связан через усилитель 10 электрических импульсов со счетчиком 11 импульсов (фиг. 5). Прокладка 2 выполнена из материала с плохой акустической проводимостью, наример поролона, что гасит помехи от акустических шумов, возникающих при ускорениях цилиндра 3. Второй пьезоэлектрический преобразователь 9 закреплен на боковой поверхности внешнего цилиндра 4 и связан через усилитель 12 электрических импульсов со счетчиком 11 импульсов (фиг.5).

На фиг.5 показана схема устройства счета, состоящего из пьезоэлектрических преобразователей 1, 9, усилителей 10, 12 электрических импульсов и счетчика 11 импульсов, причем пьезоэлектрический преобразователь 1 связан с включением счетчика 11, а пьезоэлектрический преобразователь 9 с остановкой счета в счетчике 11 импульсов.

На фиг.2 приведен вариант выполнения внешнего цилиндра с прорезью вдоль образующей, что позволяет фиксировать измерительный объем без использования пьезоэлектрического преобразователя 9 и усилителя 12 с остановкой счета в счетчике 11 импульсов.

На фиг.4 приведен вариант выполнения внутреннего цилиндра со скосом, что приводит к увеличению чувствительности устройства за счет использования кинетической энергии набегающего потока.

Устройство работает следующим образом.

Устройство вводится в двухфазный поток, при этом пружина 5 сжата. Освобождение пружины 5 приводит к движению пьезоэлектрического преобразователя 1 через измерительный объем. Одновременно ведется счет электрических импульсов, возникающих при ударе твердой фазы о пьезоэлектрический преобразователь 1. Причем при поступлении первого сигнала на пьезоэлектрический преобразователь 1 включается счетчик 11 импульсов, а при ударе пружины 5 о внешний цилиндр 4 пьезоэлектрический преобразователь 9 подает сигнал для остановки счета в счетчике 11 электрических импульсов, что позволяет избежать повторного счета частиц при колебании пьезоэлектрического преобразователя 1 около положения равновесия, т.е. строго фиксировать измерительный объем, заметаемый пьезоэлектрическим преобразователем 1.

Другой вариант фиксации измерительного объема предложен на фиг.2. В этом случае преобразователь 9 отсутствует и измерительный объем задается длиной прорези во внешнем цилиндре 4. Для обеспечения точности счета необходимо постоянство скорости движения пьезоэлектрического преобразователя 1 через измерительный объем, задаваемый длиной прорези. Допустим, что при подобном движении скорость изменяется не более, чем на 5% Изменение скорости пьезоэлектрического преобразователя 1 и длина измерительного участка связаны соотношением, полученным в результате экспериментальных измерений

k (1) где u максимальное значение скорости движения пьезоэлектрического преобразователя 1 на измерительном участке;

u изменение скорости на измерительном участке;

А длина измерительного участка, причем середина измерительного участка совмещена с положением равновесия пьезоэлектрического преобразователя 1;

А расстояние между положением пьезоэлектрического преобразователя при полностью сжатой и свободной пружине;

k коэффициент пропорциональности полученный экспериментально. Для малых А k 0,3.

Отсюда находят максимальную длину прорези, изменение скорости вдоль которой не превышает 5%

A_max= 0,05A (2)

Из выражения (2) видно, что отношение максимальной длины прорези к расстоянию между положением пьезоэлектрического преобразователя при полностью сжатой и свободной пружине не должно превышать 0,15.

0,15 (3)

В состоянии покоя пьезоэлектрический преобразователь 1 расположен в середине прорези. На фиг.4 показан вариант устройства, при котором используется кинетическая энергия набегающих частиц. Для измерения концентрации в этом случае необходимо или предварительное измерение скорости потока, или два измерения при движущемся и покоящемся пьезоэлектрическом преобразователе. Найдем величину угла скоса (фиг.4) для максимальной передачи импульса на пьезоэлектрический преобразователь 1. При переходе в новую систему координат, связанную с пьезоэлектрическим преобразователем 1, увеличивается перпендикулярная составляющая скорости потока, а следовательно, и передаваемый импульс, что позволяет проводить измерения концентраций частиц меньшей массы. Угол сноса определяется из следующих соотношений:

W=u sin + v cos , (4)

W перпендикулярная составляющая скорости потока в движущейся системе координат;

u скорость пьезоэлектрического преобразователя;

v скорость потока;

угол скоса

-u cos+v sin 0 (5)

tg (6)

Наиболее эффективно вариант устройства со скосом будет работать при углах скорости к потоку:

arctg (7)

Предлагаемая конструкция позволяет упростить устройство, увеличить удобство эксплуатации и расширить функциональные возможности устройства. Упрощение конструкции происходит из-за уменьшения силовых элементов схемы, таких как электродвигатель насоса, вентиль, расходомер. Кроме того, для врезки датчиков по патенту ГДР [2] в трубопровод требуется обеспечение герметичности соединений. Датчик не позволяет производить измерения в различных точках по длине и сечению трубопровода с двухфазным потоком. Предлагаемая конструкция более удобна в работе, так как пьезоэлектрический преобразователь закреплен на штанге в виде цилиндров 3, 4 узла крепления и положение штанги легко изменяется как по длине, так и по сечению исследуемого двухфазного потока, при этом требования к обеспечению герметичности менее жесткие.

Использование потенциальной энергии пружины позволяет проводить измерения концентрации при скоростях потока, близких к нулю, что значительно увеличивает функциональные возможности устройства. Кроме того, для частиц размером менее 100 мкм для получения полезного сигнала с пьезоэлектрического преобразователя 1 отличного от уровня шумов, в варианте конструкции, изображенном на фиг.4, используется кинетическая энергия набегающего потока, что позволяет увеличить полезный сигнал от более мелких частиц.

Эксперименты, проведенные на холодном двухфазном потоке с размером частиц в диапазоне 50-500 мкм, показали, что предлагаемая конструкция достаточно достоверно дает значение концентраций твердой фазы, что подтверждено тарировочным опытом и натурными экспериментами.