Способ измерения параметров потока среды, истекающей в неподвижную среду

(21) 33 (22) 30 (46) 23 (72) А. (53) 68 (56) 1, Аэромех тоды и 27 Б нов088.8)н С.М. и Слезингер И.кие измерения, меы. М Наука, 196 А. Аэрмерениеских идродинавходных па стем. М.,2. Залманзон мические методы раметров автома Наука, 1973.3, Авторское Р 493639, кл, С (прототип). во 19 свидетель 01 Г 1/20 воти.кмаа срй ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТИРЬ 54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРО ОТОКА СРЕДЫ,ИСТЕКА(0 ЩЕЙ В НЕПОДВИЖНУЮ СРЕДУ, заключающийся в измерении перепада давлений при отклонении вво димой в поток вспомогательной струи с известными расходами и плотностью, о т л и ч а ю щ и й с я 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 радиусаГ канала, и давлением в неподвижной среде.Изобретение относится к техникеизмерений, а именно к способам измерения параметров потока жидкости илигаза, в том числе для высокотемпературных сред либо сред, содержащихтвердые или жидкие мелкодисперсные частицы, при выходе потока в окружающую неподвижную среду (атмосферу).Параметры такого потока: расходскорость, плотность, температура,состав, с одной стороны, определяют 1качество работы технического устройства (генератора), в котором создается поток, с другой стороны, эти параметры являются рабочими характеристиками процессов, в которых использу ется поток; последнее имеет местов технологических устройствах, научно-исследовательских установках, прииспытаниях образцов материалов илимоделей в условиях обтекания потоками т,д, Все это определяет необходимость измерения указанных параметров, При неравномерности скороститемпературы, состава и т.п. по сечению потока необходимо измерять ихд 3профили. 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 распределзнных по сечению параметров гыпот. -няются, как правило, с помощью зондов (трубки Пито, датчики термоананеметра, термопары,пробаотборники состава и т,д.), вводимыхвнутрь канала ( 1).Однако при высокой температуре потока либо при содержании в пем агрессивных веществ введение зон дов в поток, как правило, затруднительно, а измерение параметров патока выполняется бескантактными способами.Известны также способы основан-. ные на использовании эффектов ззаи адействия потока с вспомогательными струями газа или жидкости 2).Наиболее близким к предлагаемому по технической сущпасти является способ измерения расхода, согласно которому расход потока среды опреде" ляют на основании измерения перепада давлений при отклонении вспомогательной струи с известныли плотностью и расходом вводимой через отверстие в стенке канала в контролируемый поток пад углом к ега направлению 1,31,Недостатками известного спссаба являются неприменимость его,цля изЕ мерения параметров потока с неравна- аО мерными профилями скорости и плотности, а также приводящая к погрешностям зависимость измеряемого перепада давления не только от динамичесКога напора, но и от интенсивное-;"-.5 ти смешения в зоне обратных токов за струей. Измеряемый перепад давления р характеризуя динамический напор потока этого"слоя, не определяет характеристики центральной части потока. Гсли скорость и плотность распределены па сечению канала неравномерно и также неравномерна распределен динамический напор, то, применяя данный способ измерения, принципиально можно получить лишь некото. рае эффективное значение динамического напора пристенного слоя, однако размер этого слоя и характер распределения по нему динамического напора при этом остаютсв неизвестными. В связи с этим применение такого способа измерений становится нецелесообразным.Причина второго недостатка состоит в том, что силовое воздействие патака на струю зависит не только от ега динамического напора Н , определяющего повышение давлениФ в областинатекания потока на струю но и от давления за струей, существующего в зоне обратных токов. Последнее определяется характером те.ения в этой зоне и турбулентным сме. щением потока и струи, Интенсивность смешения зависит от разницы скоростей и отношения плотностей смешивающихся потоков. Поэтому локальное искривление струи в окрестности ее вы. хада в ноток и связанное с этим изменение давления будут определяться не только динамическим напором потока вблизи стенки канала, но и отношением плотностей струи и потока в пристенной области (разность скоростей при 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 потока с постоянной плотностью по сечению указанная погрешность принципиально устранима. Необходима во-первых, при модельных испытаниях ввести поправку в тарировочную характеристику на изменение в ожидаемом диапазоне отношения плотностей - ва-вторых для установления величины этого отношения при основных измерениях необходимо провести дополнительное независимое измерение плот ности В случае переменной плотности па сечению потока погрешность, обусловленная интенсивностью смешения потоков, выражающаяся в зависимостир ат отношения плотностей в , из-заРнеопределенности последней величины по пристенному слою не устраняется, 103065515 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 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 вспомогательнойструи. Измеряют расход струи 6 с 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, С и изВестной плотности З 52.струис привлечением тарироноч,ной характеристики взаимодействия. ,Тарировочную характеристику получают заранее при проведении модель. ных 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). 45Подача 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, 60Свободная эжекция этой среды иэ неорганического пространства в зону смешения не изменяет осевого количества движения указанных потоков независимо от соотношения их ско ростей, а также от отношений плотностей потоков и окружающей среды.Между сечением начала деформациипотока Н-Н и атмосферой появляетсяперепад давления др, являющийсяследствием и мерой ускорения потокапод сжимающим действием струи, т.е.мерой изменения его осевого количества движения - импульса. Перепаддавления др также не зависит от интенсивности смешения потоков в условиях свободной эжекции среды иэнеподвижного пространства, Этотфакт подтвержден проведенными экспериментами, при этом установлено,что сечение начала деформации Н-Нотстоит от щели вверх по потоку нарасстоянии, примерно равном радиусуканала; именно в этом сечении и следует измерять избыточное над атмосферным давление Ьр.Массовый расход струи С, и ееплотностьопределяют радиальныйимпульс струи 1Я62.Райгде Р - площадь поперечного сечения щели на выходе в канал.Величина р для газа при этомрассчитывается по температуре струии при атмосферном давлении.По величинам импульса струи 1и измеренного перепада давления дрможет быть, как уже указывалось,найден импульс потокав сечении Н-Н111= )ПдГ,огде Р, площадь поперечного сеченияканала 1.Из выражения для импульса видно,что он характеризует суммарный динамический напор измеряемого потока нцелом независимо от закона распределения впо сечению в отличИе от2известного способа, где измеряетсялишь локальное значение динамического напора н пристенном слое. Формула для определения 1(являющаясяобобщением полученных экспериментальных данных по тарировочной характеристике взаимодействия, имеет вид1, = А 1 ( - В), (1)д Г 2где А и В - экспериментальные коэффициенты, не зависящиеот режимов течения потока и струи в широкомдиапазоне чисел Рейнольдса 10 -10 , они определя 3ются н основном геометрическим параметромГа 4 ЬЬ = - = - (Ь - ширинаПщели, О - )диаметр канала 1 и несколько зависятот профилирования тракта подвода расхода в щель1030655 Тираж 643 Подписное ВНИИПИ Заказ 5192/42 Филиал ППП "Патент", г.ужгород,ул.Проектная,4 Зависимость (1) установлена и проверена экспериментально при широкомварьировании параметров, в том числедля потоков с неравномерным распределением скорости и плотности по сечению Н-Н потока. Диапазон варьирования основных параметров при этомсоставляли 1 /12 = 0,01-6, Ь =0,1-0,8,Характерные отношения плотностей потока и струи, струи и окружающей средЫ изменялись в десятки раэ. Столь (Оже большими были изменения плотности и скорости по сечению канала приих неравномерных профилях.Предлагаемый способ измерения иФормула (1) справедливы при условии 151/1 ) (1,02-1,05) Ь или С 1-д/(С 1 Я) Ъ411(1,02-1,05) - (С - массовый расходсредняя плотность контролируемого потока). Эти условия являют 20. ся предельными ограничениями выборасоотношения между расходом струи ишириной щелевого канала. При этоглнаибольшая точность измерения импульса 1 достигается при минимальном значении расхода струи, Однакодля выбранной ширины щели при минимальном расходе С, удовлетворяющЕм указанным условиям, иногда сигнал Лр может быть слишком мал, Втаком случае расход С необходимоповысить для получения более высокого Ьр, достаточного для качественного измерения с помощью имеющихся в наличии измерительных средств,-5По измеренному значению импульса потока 1 в сечении Н-Н могутбыть определеныа) средний динамический напор Йпо сечению потока 9.Й,= 21 г/Г40б) при известной плотностисредняя (точнее, среднеквадратичная)скорость О по сечению потокац :-)г 1./( в Г )1 СК 45в) при известном массовом расходеС - среднемассовая скорость потокаО(сг, и далее средняя плотность пото-ка рП =1/С, 7 =С/(Гц ), 5 Опо последней величине для газа находится средняя температура Тг п,риизвестном давлении р 1 в сечении Н-Н;Т 4 = р /(В,г р), где В - газоваяпостоянная потока,55При равномерном по скорости иплотности потоке измеряемая величина импульса используется для нахождения уже не усредненных, а действительных величин. В данном случае при известной плотности г инайденной скорости П 4 может быть установлен также действительный массовый расход потока С.Для потока с неравномерными параметрами значение импульса 1 может быть использовано и в болеесложных системах диагностики ссоставлением математических моделейраспределения параметров потока посечению и в сочетании с другими измеренными интегральными или локальными параметрами потока.Следует отметить, что особенноудобно применять данный способ иэмере.ния, 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"лгпи затратами средств и временипо сравнению с затратами на оборудование и трудоемкостью проведения эондовых измерений,Выход контролируемого потока внеограниченное пространство илиатмосФеру является необходимым условием осуществления предлагаемогоспособа измерения. Точнее это означает, что поток выходит в объем,заполненный неподвижной средой,а поперечные и продольные размерыобъема в несколько десятков илисотен раэ превышают диаметр канала,ЭФФективность применения предлагаемого способа измерения, а такжеустройства, осуществляющего способ,проверена экспериментально при испытаниях установок с применениемгазов разной плотности, жидкостей,а также при измерении параметров потока с высокой температурой, Дости-жимая погрешность определения импульса потока 2-6, погрешность определения средних скоростей, плотности и температуры 3-10. Таким образом, предлагаемый спо"об измерения позволяет определять, параметры потока, в том числе при неравномерном распределении скорости и плотности по его сечению, и уст. раняет погрешности измерения, связанные с влиянием интенсивности смешения и отношения плотностей веществ струи и контролируемого потока.