СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ И ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ

Полезная модель относится к области химической, пищевой, атомной промышленности и коммунальному хозяйству и, в частности, может быть использована для анализа процессов и измерения параметров нагревания и охлаждения различных тел в жидкой среде.
Известно устройство для определения скорости потока жидкости в стационарных и переходных режимах, содержащее термопарный измеритель скорости (ТИС), теплоноситель, чувствительный элемент ТИС, электрическую цепь и источник электрического питания, см. патент РФ №2320999, G01P 5/10, G01F 1/696, от 25.04.2006.
Известно устройство для определения параметров тепловых процессов, содержащая цилиндрический закрытый съемной крышкой барабан, внутри которого размещена исследуемая электрообогреваемая пластина с установленным над ней распылителем жидкости. Барабан соединен трубопроводами с конденсатором паров и вакуум-насосом. Распылитель жидкости включает расширенную часть-сепаратор из диэлектрического материала, к которому тангенциально подводится трубопровод подачи жидкости из конденсатора, и капилляр из проводника, соединенный токопроводом с источником высокого напряжения.
Распыляемая под действием высокого напряжения жидкость на поверхности электрообогреваемой пластины превращается в пар, который конденсируется в конденсаторе. Конденсат возвращается в распылитель.
Установка снабжена датчиками определения температур, давления в барабане, подаваемого на капилляр напряжения, электрической мощности, потребляемой для обогрева пластины, и расхода распыляемой жидкости. Снимаемый с пластины тепловой поток определяется как отношение потребляемой мощности к площади пластины, см. «Установка для исследования тепловых потоков», патент РФ №2032879, F28F 13/00, от 22.07.1991.
Однако такая установка имеет низкую объективность анализа процессов в жидких средах.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является устройство визуализации и измерения параметров физических процессов в жидкой среде, содержащее лазер, преобразователь лазерного излучения в лазерную плоскость, жидкую среду визуализации с нагревателем внутри и регистратор (см. Расковская И., Л.Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В., Лазерная рефрактография оптически неоднородных сред // Квантовая электроника, 2007, 312, с.1176-1180).
Однако известная система малофункциональна и не способна в полной мере показать все процессы, происходящие в нагреваемой или остывающей жидкой среде, так как оптическое излучение распространяется только в одной лазерной плоскости, что понижает объективность анализа процессов в жидких средах.
Технической задачей полезной модели является повышение объективности анализа процессов в жидких средах при нагревании или охлаждении, повышение точности измерения параметров, характеризующих тепловые процессы и расширение функциональных возможностей.
Технический результат обеспечивается тем, что известная система визуализации и измерения параметров физических процессов в жидкой среде, содержащей, последовательно ориентированные по одной оси, лазер, преобразователь излучения в лазерную плоскость, направленную через прозрачную кювету с жидкой средой и нагревателем внутри, полупрозрачный экран на цифровую фотокамеру, подключенную к компьютеру, дополнительно снабжена, последовательно ориентированными по одной оси, пересекающими ось первичного оптического набора, втором лазером, спектр которого отличен от спектра излучения лазера, вторым оптическим блоком формирования лазерной плоскости, направленной через прозрачную кювету с жидкой средой, второй цифровой фотокамерой, расположенной под углом к этой плоскости, вторым компьютером.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на Фиг.1 показана общая схема системы визуализации и измерения параметров, на Фиг.2 приведены рефрактограммы процессов нагревания и охлаждения тел в жидкости и процессов перемешивания.
Система визуализации и измерения параметров физических процессов в жидкой среде, состоит из последовательно ориентированных по одной оси: лазера 1 (например, красного спектра излучения), оптического блока преобразования 2 излучения в лазерную плоскость 3, проходящую через кювету 4 с жидкой средой 5 и нагревателем 6 внутри, через матовый экран 7 на цифровую камеру 8, подключенную к компьютеру 9.
При этом под углом к оси указанного оптического набора установлены, последовательно ориентированные по одной оси, второй лазер 10, (например, зеленого спектра излучения), второй оптического блока преобразования 11 излучения в другую лазерную плоскость 12, направленную через кювету 4 с жидкой средой 5 и нагревателем 6 внутри, через другой матовый экран 13 на вторую цифровую камеру 14, подключенную к второму компьютеру 15.
Система визуализации и измерения параметров физических процессов в жидкой среде происходит следующим образом.
При ее включении лазеры 1, 2 испускают пучки, которые оптические блоки преобразования излучения 3, 11 трансформируют в лазерные плоскости 3, 12, пересекающиеся под углом, в прозрачной кювете 4 с жидкой средой 5 в области расположения нагревателя 6.
Световое излучение лазерных плоскостей 3 и 12 проходя через жидкую среду, создает подсвеченный объем жидкости в области расположения нагревательного элемента 6 и падает на имеющиеся в ней микрочастицы, сгустки, кластеры жидкой среды.
Это рассеянное на движущихся вместе с конвекционным потоком, светорассеивающих частицах излучение регистрируется цифровыми фотокамерами 8, 14 и в оцифрованном виде переводятся в компьютеры 9, 15.
Каждый видеокадр с камер 8, 14 визуально представляет собой картину протекания теплового процесса в отдельные промежутки времени в объемном пространстве возле нагревателя 6.
Следующие один за другим видеокадры позволяют получить полную картину потока, по которой рассчитываются такие параметры процесса нагревания или охлаждения, как:
- скорость движения частиц в среде и тем самым определяется поле скоростей около исследуемого объекта;
- поля градиентов температур в различных слоях и зонах жидкости;
- характер (ламинарный или турбулентный) движения слоев жидкости в различные фазы нагрева или охлаждения жидкости;
- поле градиента показателя преломления среды;
- время нагрева или остывания;
- степень однородности нагрева или остывания жидкой среды,
Т.е. всех тех параметров исследуемого объекта нагревания обусловленных естественной конвекцией в жидкости около нагретого и остывающего тела. Дополнительно с помощью заявленной полезной модели можно определять время гомогенизации смешиваемых растворов в химических реакторах.
Полученная информация позволяет оценить геометрические размеры характерных зон около исследуемого объекта, например, толщину пограничных слоев.
Полученные параметры также позволяют выявить зоны с нестационарными хаотическими течениями, построить двумерные поля скоростей, выбрать оптимальную форму нагревателей и его пространственное расположение в технологических резервуарах, чтобы обеспечить равномерное, полное и быстрое нагревание жидкости или охлаждение в различных технологических процессах химической, пищевой, энергетической промышленности и оборудовании коммунальных служб.
Все параметры рассчитываются по известным методикам. Так скорость движения жидкости определяется по смещению изображения частиц за определенный промежуток времени между кадрами (PIV-метод).
Пример конкретной работы лазерной системы при определении трех параметров жидкости:
- времени остывания нагретого тела в жидкости;
- времени нагрева охлажденного тела в жидкости;
- времени перемешивания двух оптически разнородных жидкостей.
В первом случае, при определении времени остывания нагретого тела в жидкости с помощью цифровой фотокамеры 8, на матовом экране 7 регистрируется исходное изображение лазерной плоскости 3, прошедшей холодную жидкость в кювете 4. На мониторе компьютера стационарное изображение лазерной плоскости в виде тонкой линии. Затем в кювету 4 с водой вносится нагретое тело 6, подводится к лазерной плоскости 3 и отсчитывается время. Из-за рефракции лазерной плоскости в тонком тепловом слое происходит изменения ее формы: она приобретает вид изогнутой линии, которая называется рефракторгаммой.
Одновременно посредством цифровой фотокамеры 8 регистрируется изображение лазерной плоскости, прошедшей слой нагретой воды, на экране 7. Два изображения лазерного излучения постоянно сравниваются на мониторе компьютера 9 (см. рефрактограмму 2б). Время остывания определяется по промежутку времени от начала процесса до времени совпадения форм этих двух изображений, т.е. получение прямой линии.
Полученное значение времени используются для оптимизации технологических процессов по оценке времени, необходимой для остывания нагретого тела в холодной жидкости.
Во втором примере, при определении времени нагрева охлажденного тела в нагретой жидкости, сначала с помощью цифровой фотокамеры 8, на матовом экране 7, регистрируется первичное изображение лазерной плоскости 3, прошедшей через нагретую жидкость. Затем в кювету 4 с нагретой жидкостью вносится нагреватель 6 и устанавливается возле лазерной плоскости 3. С помощью цифровой фотокамеры 8 регистрируется изображение искаженной лазерной плоскости на экране 7, прошедшей слой жидкости вблизи охлажденного тела, см. рефрактограмму 2в. Два изображения лазерной плоскости 2 исходного и текущего на компьютере 9 постоянно сравниваются. Время нагрева охлажденного тела в нагретой жидкости определяется по времени совпадения этих двух изображений, т.е.получение прямой линии.
Полученные параметры используются для оптимизации технологических процессов, по оценке времени, необходимого для нагрева нагретого тела в нагретой жидкости.
В третьем примере, при определении времени перемешивания двух оптически разнородных жидкостей на первом этапе с помощью цифровой фотокамеры 8 регистрируется изображение лазерной плоскости 3, прошедшей через исходную жидкость на экране 7. Затем с помощью компьютера 9 определяется площадь изображения лазерной плоскости.
Затем в кювету 4 с первичной жидкостью добавляется другая жидкость, показатель преломления которой отличается от показателя преломления исходной жидкости. Объем вводимой жидкости определяется технологическим процессом, Включается мешалка, (на Фиг.1 не показана) и изображение искаженной лазерной плоскости, прошедшей через смесь жидкостей, на экране 7 регистрируется с помощью цифровой фотокамеры 8. С помощью компьютера 9 определяется площадь изображения размытой линии от лазерной плоскости 3 (рефрактограммы), прошедшей через смесь жидкостей. Два изображения лазерной плоскости 3, исходное и текущее, размытость линий сравниваются на компьютере 9. Время перемешивания определяется по времени достижения исходного вида линейных изображений (см. рефрактограмму 2в).
Полученные значения времени используются для оптимизации технологических процессов в химической технологии, для получения однородной смеси.
Заявленная схема и конструкция системы визуализации и измерения параметров может быть изготовлена на радиотехническом или приборостроительном предприятии средней степени технологической оснащенности.
Использование полезной модели позволяет легко визуализировать различные вихревые образования, распространяющиеся в жидкости и скорость их перемещения, повысить объективность анализа процессов в жидких средах при нагревании или охлаждении и повысить точность измерения параметров, характеризующих тепловые процессы.