Устройство для исследования двухфазных потоков

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 51)5 601 Й 2 НИЕ ИЗОБРЕТ И И К АВТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Пермский политехнический институт(56) Авторское свидетельство СССРМ 213409, кл. 6 01 М 21/44, 1960,Авторское свидетельство СССРМ 510668, кл. 0 01 М 27/02, 1973.Кремлевский П, П. Расходомеры и счетчики количества. Л,; Машиностроение, 1989,с. 486-487,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ(57) Использование: аналитическое прибо ростроение, гидродинамика. Сущность изо бретения; устройство для исследования Изобретение относится к физико-химическим исследованиям и может найти применение в лабораторных и промышленных условиях для измерения поверхности контакта фаз в подвижных газожидкостных системах, образующихся при взаимодействии жидкости и газа, например, в пенных, барботажных и других аппаратах.Известно устройство для измерения поверхности раздела фаз, содержащее источник света, поляризатор и анализатор, включающий приемник для измерения интенсивности светового потока в двух направлениях; параллельно и перпендикулярно первоначальной плоскости поляризации. Степень деполяризации света в таком устройстве характеризует развитость поверхности раздела фаз,ЯО 1741038 А 1 двухфазных потоков газопарожидких сред содержит световод, закрепленный в объеме исследуемой среды, источник и приемник оптического излучения и блок вторичного преобразования сигнала, Световод установлен между источником и приемником светового излучения, а выход приемника соединен с блоком вторичного преобразования сигнала. Световод выполнен в виде двух отрезков, торцы которых установлены в объеме соосно с зазором, причем один отрезок световода подсоединен к источнику, а второй - к приемнику оптического излучения. Блок вторичного преобразования сигнала содержит формирователь импульсов, электронный коммутатор и два счетчика импульсов. Формирователь импульсов соединен с входом электронного коммутатора,к выходам которого подключены счетчикиимпульсов. 2 ил. Недостатком такого устройства является возможность получения только интегральных оценок поверхности раздела фаз по всему аппарату в целом. С помощью таких устройств принципиально невозможны исследования локальных макрообъемов для идентификации плохо работающих зон аппарата: застойных зон, проскоков газа, газовых факелов и др.Известно также устройство содержащее два точечных электрода, погружаемых в исследуемую структуру, и один опорный неизолированный электрод, предварительный электронный усилитель, сравнительный электронный блок, электронный коммутатор, счетчик регистрации импульсов общей длины секущей и счетчик количества импульсов, соответствующих фактам разделения точечных электродов.Такое устройство позволяет исследователь развитие поверхности контакта фаз в любом макрообъеме рабочей зоны аппарата.Однако область применения этого устройства ограничена газожидкостными системами со сплошной и обязательно электропроводной жидкостной фазой. Кроме того, применение электрически коммутируемых открытых цепей не применимо в случаях, когда исследуемые среды являются горючими, например для исследования ректификационных процессов перегонки нефтепродуктов, так как электрически коммутируемый датчик внутри аппарата может инициировать загорание или даже взрыв ректификационной колонны.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения расхода, основанное на зависимости от расхода.оптических свойств волоконного световода, находящегося в потоке измеряемого вещества. В одном из таких расходомеров неоново-гелиевый лазер соединен с волоконным световодом, проложенным вдоль оси медной трубки, по которой движется измеряемая жидкость. Противоположный конец световода соединен с фотопреобразователем. Течение жидкости вызывает вибрацию волоконного световода, хотя и небольшую, но достаточную для возникновения фазовых изменений светового луча, Сигнал, вырабатываемый фотопреобразователем, после усиления, фильтрации и интегрирования поступает к измерительному прибору. Описанный способ измерения расхода основывается на зависимости интенсивности гидродинамики движущегося сплошного потока жидкости от скорости движения этого потока и непригоден для измерения удельной поверхности контакта фаз в подвижных газожидкостных системах.Цель изобретения - обеспечение возможности измерения удельной поверхности контакта фаз в газожидких системах.Цель достигается тем, что световод выполнен в виде двух отрезков, торцы которых установлены в объеме соосно с зазором, причем один отрезок световода подсоединен к источнику, а второй к приемнику оптического излучения, а блок вторичного преобразования сигнала содержит формирователь импульсов, электронный коммутатор и два счетчика импульсов, формирователь импульсов соединен с входом электронного коммутатора, к выходам которого подключены счетчики импульсов. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Установленные соосно отрезки свето- вода организуют световую цепь, в которой световой поток изменяется в зависимости от того, в какой среде, жидкостной или газовой, находится каждый из отрезков световода. С помощью такой измерительной системы появляется воэможность измерения удельной поверхности контакта фаз. при исследовании гидродинамики как электролитов, так и диэлектрических и плохо проводящих электричество жидкостей, Замена открытых электрических цепей световыми потоками позволяет обеспечить безопасность условия работы аппаратов.На фиг, 1 изображена блок-схема устройства для измерения удельной поверхности контакта фаз; на фиг, 2 - зависимости электрического тока, протекающего через приемник светового излучения при различных состояниях торцов отрезков световода: уровень А - между торцами отрезков свето- вода находится поверхность раздела фаз; уровень В - промежуток между торцами заполнен сплошной жидкость; уровень С - в промежутке между торцами находится газ (торцы световода находятся внутри газового пузыря),Устройство для измерения удельной поверхности контакта фаз в подвижных газожидкост н ы х системах в кл ючает стабилизированный источник 1 излучения, световолоконный кабель 2, приемник 3 излучения, предварительный усилитель 4, электронный модуль 5, электронный коммутатор 6, электронный счетчик 7 импульсов, соответствующих фактам разделения торцов световода межфазной поверхностью, электронный счетчик 8 общего количества импульсов.Устройство работает следующим образом,Источник 1 излучения подключается к стабилизированному питающему напряжению +Ооп. Световой поток от источника 1 через левый отрезок световода 2 подводится к исследуемому макрообъему, находящемуся в промежутке между торцами отрезков световода и затем, проходя через указанный макрообъем, через правый отрезок световода поступает на приемник 3 светового потока, Электрический сигнал с выхода приемника поступает на вход предварительного электррнного усилителя 4 для увеличения чувствительности измерений. Электрический сигнал с выхода предварительного усилителя поступает на вход электронного модуля 5, который формирует на выходе электрический импульс при низком уровне сигнала на входе. Для фиксации факта пересечения светового потока межфазной по10 20 25 30 35 40 45 50 55 верхностью в случайном положении относительно исследуемой структуры, а также исключения в момент такой фиксации перемещения газовых включений относительно торцов.световода электронный счетчик 7 импул.ьсов, считающий и регистрирующий импульсы, сформированные электронным. модулем 5, периодически подключают к модулю. на очень короткий промежуток времени при помощи электронного:коммутатора.б. Для пенного слоя этот промежутак:времени составляет 10-12 мс. В течение; такогокороткого промежутка вре-мени. газовые включения остаются практически неподвижными относительно торцов световода. Так, при максимальной скорости перемещения: газового факела в пенном слое,:равной 5 м/с, за 10 мс газовое включение перемещается всего лишь на 0,05 мм, что адекватно статическому состоянию. В течение времени, когда счетчик импульсов 7 находится в подключенном к электронному модулю 5 состоянии, этот счетчик фиксирует фа кт. и рохожден ия поверхности раздела фаз между торцами отрезка свето- вода (если такой факт имеЕт место) и суммируетего.с другими аналогичными фактами, Электронный счетчик 3 выполняет общий счетчик количества подключений, выполненных за весь период измерения. Затем, пользуясь содержимым счетчиков 7 и 8, вычисляют удельную поверхность контакта фаз по формуле2 в 1:а=ь 1 мгде щ - количество фактов разделения торцов световода межфазной поверхностью (содержимое счетчика 7);г- общее количество выполненных подключений электронного модуля 5 к счетчику 7.(содержимое счетчика 8);1 - расстояние между торцами световода.На фиг. 2 изображены зависимости электрического тока, протекающего через приемник излучения при различных состояниях датчика, Состояния А и В отличаются уровнем принимаемого сигнала ввиду различной оптической плотности соответственно газовой.и жидкостной сред: во втором случае сигнал несколько слабее, чем в первом. Состояние С существенно отличается по уровню сигнала от состояний А и В ввиду присутствия явлений отражения и преломления света на поверхности раздела фаз, что ведет к резкому ослаблению сигнала С по отношению ксостояниям А и В.В качестве источника светового потока использован светодиод АЛ 107, запитанный от источника стабилизированного питания ИПС, применяемого обычно для питания измерительной схемы автоматических потенциометров. Диаметр световода составляет 0,3 мм, Приемник светового излучения выполнен на фототранзисторе ФТК. предварительный усилитель 4 - на базе операционного усилителя КР 140 УД 608. Учитывая, что современные микропроцессорные средства имеют значительные преимущества (большое быстродействие, помехозащищенность, универсальность и др.), а также то, что алгоритм организации измерения и расчета результата не особенно сложен, устройства 5-8 выполнены на базе микроЭВМ "Электроника 60". Для этого сигнал с выхода предварительного усилителя преобразуется в цифровую форму быстродействующим аналогово-цифровым преобразователем типа Ф 7077 и обрабатывается с целью определения соответствия уровня сигнала одному из трех возможных состояний датчика А, В, или С (см, фиг. 2), Наличию сплошной жидкости соответствует нейтральный уровень сигнала (состояние В), Перекрытию датчика газовым включением соответствует большой выброс сигнала (состояние А). Наличию поверхности контакта фаз между торцами световода соответствует провал сигнала (состояние С), В режиме реального времени и ЭВМ программно реализован периодический опрос датчика. Период опроса определяется временем, достаточн ым для полной смен ы гидродинамической обстановки, и составляет 12 мс Количество опросов состояния датчика составляет 10002000, что является достаточным для получения оптически достоверной оценки, В процессе опроса датчика программно реализовано суммирование (счетчики 7, 8) и вычисление удельной поверхности контакта фаз по приведенной выше формуле.Использование предлагаемого устройства для измерения поверхности контакта фаз в подвижных газожидкостных системах обеспечивает по сравнению с существующими устройствами следующие преимущества: расширение области применения устройства для исследования широкого класса, газожидкостных систем с неэлектропроводной жидкостной фазой (например, все жидкостные системы в процессах нефтеперегонки), а также для исследования инверсных газожидкостных систем, в которых сплошной является газовая фаза; увеличение точности измерения за счет автоматизации процессов установления и подсчета фактов пересечения светового потока поверхностью межфазового контакта при помощи микропроцессорной системы, а такжеисключение создающих помехи различного рода поляризационных и гальванических эффектов, имеющих место на поверхности точечных электродов, изготовленных из металла; повышение точности измерения за счет снижения уровня помех введением гальванической развязки в цепи источник - приемник, а также высокой помехоустойчивости оптико-волоконных систем передачи информации; увеличение скорости определения удельной поверхности контакта фаз за счет полного исключения промежуточных подготовительных операций и организации параллельной обработки результатов в процессе измерения; возможность количественно оценивать состояние гидродинамической обстановки в любой точке рабочего объема тепло- и массообменных аппаратов с целью улучшения их конструкции, например выявления застойных зон, проскоков газа, газовых факелов и т.п.; оптимизация конструкций проектируемых массообменных аппаратов и режимов их работы на действующем производстве, проводимая на основе анализа информации об истинной величине поверхности контакта фаз, развиваемой в рабочих зонах аппаратов, что дает экономию в народном хозяйстве за счет интенсификации массообменных процессов при одновременном снижениизатрат на технико-экономические обследования. 5 Формула изобретенияУстройство для исследования двухфазных потоков газопарожидких сред, содержащее световод, закрепленный в объеме исследуемой среды, источник и приемник 10 оптического излучения и блок вторичногопреобразования сигнала, причем световод установлен между источником и приемником светового излучения, а выход приемника соединен с блоком вторичного 15 преобразования сигнала, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью обеспечения возможности измерения удельной поверхности контакта фаз в газожидких системах, световод выполнен в виде двух отрезков, торцы 20 которых установлены в объеме соосно зазором, причем один отрезок световода подсоединен к источнику, другой - к приемнику оптического излучения, а блок вторичного преобразования сигнала содержит форми рователь импульсов, электронный коммутатор и два счетчика импульсов, формирователь импульсов соединен с входом электронного коммутатора, к выходам которого подключены счетчики импульсов.301741038 п, ф ОСЛА лроодиа через Составитель Ю.КоршуновРедактор Л.Веселовская Техред М,Моргентал Корректор С,Ч каз 2081 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С113035, Москва, Ж,Раушская наб 4/5 город, ул. Гагарина, 10 роизводственно-издательский комбинат "Патент рыл ерш ъ раздела раз