Конструкция проточной измерительной камеры в составе системы гранулометрического анализа жидких дисперсных сред

метрология и информационно-измерительные устройства

Харисова З. И. Kharisova Z. I.

аспирант кафедры информационно-измерительной техники, ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет », г. Уфа, Российская Федерация

УДК 535.241.6

КОНСТРУКЦИЯ ПРОТОЧНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ КАМЕРЫ В СОСТАВЕ СИСТЕМЫ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Определена оптимальная форма проточной измерительной камеры в составе системы гранулометрического анализа жидких дисперсных сред для обеспечения ликвидации застойных зон, выявлена предпочтительная форма патрубков, при использовании которой наблюдаются наименьшие потери напора.

Одним из важнейших элементов в составе поточных систем гранулометрического анализа жидких дисперсных сред является проточная измерительная камера, от конструктивного исполнения которой зависят точность, длительность и достоверность проводимых измерений.

Предложена система гранулометрического анализа, в которой реализован нефелометри-ческий принцип измерения на основе проточной измерительной камеры с прозрачной стенкой и видеокамеры, установленной перед ней. В статье рассмотрен наиболее простой вариант исполнения измерительной камеры для системы гранулометрического анализа жидких дисперсных сред прямоугольной формы, в которой при движении среды происходят дестабилизация потока, образование области основного транзитного потока и водоворотных областей застойных зон в связи с резким изменением конфигурации канала. Предлагаемое конструктивное исполнение измерительной камеры значительно снижает неравномерность скоростей, возникающую на участках изменения конфигурации канала, тем самым обеспечивая ликвидацию застойных зон.

В работе представлена трехмерная модель измерительной камеры, описано и показано расположение световой ловушки, необходимой для предотвращения отражения лазерного луча обратно в камеру от ее стенки. Проходящий сквозь исследуемую среду лазерный луч, попадая в окно световой ловушки, по размеру превосходящее диаметр луча, отражается от зеркальной наклонной поверхности в ее полости, расположенной под небольшим углом ко дну измерительной камеры. Дальнейшие многократные переотражения от стенок световой ловушки препятствуют выходу луча в измерительную камеру.

В работе были рассчитаны коэффициенты истечения для различных конфигураций патрубков, позволяющих регулировать скорость истечения жидкой дисперсной среды и время опорожнения измерительной камеры, на основании чего была выявлена их предпочтительная форма, при использовании которой наблюдаются наименьшие потери напора.

Ключевые слова: определение размеров частиц, гранулометрия, дисперсность, жидкие дисперсные среды, интеллектуальное средство измерений, нейросетевые технологии, поточные измерения, проточная измерительная камера, нефелометрия, видеотехнические средства.

ЖИДКИХ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 13, 2017

THE FLOW MEASURING CHAMBER CONSTRUCTION OF THE PARTICLE SIZE ANALYSIS SYSTEM FOR LIQUID DISPERSE MEDIA

The optimal construction of the flow measuring chamber of the particle size analysis system for liquid disperse media and stagnant zones liquidation is proposed. The configuration of the nozzles for least head loss is identified.

One of the most important elements in the particle size analysis system for liquid disperse media is a flow measuring chamber. Сonstruction of the chamber depends on the accuracy, duration and reliability of the measurements.

It is proposed a particle size analysis system which based on the nephelometric measurement principle and flow measuring chamber with a transparent wall and a video camera. The simplest rectangular variant of the measuring chamber for a particle size analysis system for liquid disperse media is considered. When the medium moves in chamber the flow is destabilized, the main transit flow region and the vortex areas of stagnant zones are formed due to a sharp change in the percolating channel configuration. The design of the proposed measuring chamber significantly reduces the unevenness of the velocities arising at the areas of the channel configuration change, thereby ensuring the of stagnant zones liquidation.

A three-dimensional model of the measuring chamber is presented, the location of the light trap, which is necessary to prevent reflection of the laser beam back into the chamber from its wall is describes. The laser beam passing through the analyzed medium, falling into the window of a light trap larger than the diameter of the beam, is reflected from the mirror inclined surface in its cavity located at a small angle to the bottom of the measuring chamber. Further multiple reflections from the walls of the light trap prevent the beam from reaching the measuring chamber.

The flow coefficients for different configurations of nozzles has been calculated, which allow to regulate the flow rate of the liquid disperse medium and the emptying time of the measuring chamber, on the basis of which their preferred configuration for the least head loss was revealed.

Key words: particle size analysis, granulometry, dispersion, liquid disperse media, intelligent measuring instrument, neural network technologies, flow measuring, flow measuring chamber, nephelometry, video equipment.

Проведение гранулометрического анализа (ГА) жидких дисперсных сред (ЖДС) является неотъемлемой частью технологического контроля во многих областях промышленности, например в химической, пищевой, нефтяной, лакокрасочной, фармацевтической и пр., поскольку свойства производимых материалов во многом зависят от размера частиц дисперсной фазы. Под гранулометрическим составом подразумевают процентное (долевое) распределение массы или числа частиц по их размерам (диапазонам размеров) [1].

Одним из важнейших элементов в составе поточных систем ГА ЖДС является проточная измерительная камера, от конструктивного исполнения которой зависят точность, длительность и достоверность проводимых

измерений. Предложена система гранулометрического анализа [1], в которой реализован нефелометрический принцип измерения на основе проточной измерительной камеры с прозрачной стенкой и видеокамеры, установленной перед ней. В центр измерительной камеры подведен жесткий световод, вводящий в среду зондирующее лазерное излучение. Картина рассеянного излучения периодически регистрируется видеокамерой и преобразуется в числовые результаты, характеризующие распределение частиц по размерам.

Рассмотрим наиболее простой вариант исполнения измерительной камеры для системы ГА ЖДС (рисунок 1) прямоугольной формы.

Метрология и информационно-измерительные устройства

В связи с резким изменением конфигурации канала (переход от диаметра dэ1 к dэ2) в области перехода входного патрубка в измерительную камеру происходит дестабилизация потока, образуется область основного транзитного потока и водоворот-ные области застойных зон А. Аналогично для перехода из измерительной камеры в выходной патрубок (от диаметра ёэ2 к dэ3 = ёэ1).

Повышение давления вызывает вращательное циркуляционное движение частиц дисперсной фазы в углах измерительной камеры, поскольку эти частицы не обладают необходимой кинетической энергией для перемещения совместно с транзитным потоком. Постепенно увлекая частицы вихревой зоны, основной поток будет вновь расширяться и заполнять сечение канала.

Стабилизация потока происходит на некоторой длине застоя 1з, приблизительно равной десяти диаметрам входного патрубка (рисунок 2) [2]. Значительно снизить нерав-

номерность скоростей, возникающую на участках изменения конфигурации канала, тем самым обеспечив безотрывное протекание ЖДС от стенок и, соответственно, ликвидацию застойных зон в измерительной камере, можно изменив ее конструктивное исполнение, заменив резкое расширение и сужение канала на плавное, с углом расширения канала а не более 50° (диффузоры).

При угле расширения канала а более 50° происходит заметный отрыв основного потока от стенок аналогично резкому расширению при а = 90° [3] (рисунок 2).

Тогда, для исключения образования застойных зон, при 1з = 10^э1 целесообразно принять за границы измерительной камеры вписанную в диффузоры окружность диаметром Dк = 2 • 1 .

Для предотвращения отражения лазерного луча обратно в камеру от ее стенки оппозитно диоду устанавливается световая ловушка (рисунок 2). Проходящий сквозь исследуемую среду лазерный луч попадает в

Рисунок 1. Образование застойных зон при внезапном расширении канала в камере для системы ГА ЖДС прямоугольной формы

Рисунок 2. Форма измерительной камеры с ликвидацией застойных зон

Таблица 1. Коэффициенты истечения для различных конфигураций патрубков

Конфигурация патрубка К сж К расх К скор К сопр Доля потерь от напора, %

Цилиндрический внешний 1,00 0,82 0,82 0,50 32,8

Цилиндрический внутренний 1,00 0,71 0,71 1,00 49,6

Конический сходящийся (12°) 0,98 0,94 0,96 0,09 7,8

Конический расходящийся (7°) 1,00 0,47 0,47 3,53 77,9

Коноидальный 1,00 0,97 0,97 0,06 5,9

- 77

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 13, 2017

Рисунок 3. Трехмерная модель проточной измерительной камеры

окно световой ловушки, которое по размеру чуть превосходит диаметр луча. Затем луч отражается от зеркальной наклонной поверхности в полости ловушки, расположенной под небольшим углом ко дну измерительной камеры (10-12°). Дальнейшие многократные переотражения от стенок световой ловушки препятствуют выходу луча в измерительную камеру.

Трехмерная модель проточной измерительной камеры представлена на рисунке 3.

Использование насадков (входного и выходного патрубков) в измерительной камере по сравнению с обычными отверстиями позволяет изменить скорость истечения ЖДС, потери напора, пропускную способ-

Список литературы

1. Харисова З.И., Фетисов В.С. Система для экспрессного определения гранулометрического состава суспензий на основе видеотехнических средств и искусственной нейросети, дообучаемой в процессе работы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2017. № 2. С. 57-64.

2. Руднев С.С. Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач : учеб. пособие для студ. втузов / Под ред. С.С. Руднева, Л.Г. Подвидза. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1974. 416 с.

3. Чугаев Р.Р. Гидравлика (техническая механика жидкости): учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоиздат, 1982. 672 с.

4. Рабинович Е.З. Гидравлика: учеб. пособие для нефтяных спец. вузов. М.: Недра, 1980. 278 с.

ность канала, оказывая влияние на время опорожнения камеры. Длина патрубков обычно принимается не менее 2-3 размеров диаметра отверстия. Различают цилиндрические, конические и коноидальные патрубки [4]. Различные конфигурации патрубков позволяют регулировать скорость истечения ЖДС, время опорожнения сосуда. Так, например, цилиндрические и конические патрубки позволяют снизить скорость истечения ЖДС, одновременно увеличивая расход благодаря явлениям сжатия и последующего расширения струи.

Наиболее распространенным и простым в изготовлении видом патрубков является цилиндрический внешний, по этой причине предлагается использовать данный тип для проточных измерительных камер.

Вывод

Таким образом, была определена оптимальная форма проточной измерительной камеры в составе системы гранулометрического анализа жидких дисперсных сред, в которой обеспечена ликвидации застойных зон, описан принцип предотвращения отражения лазерного луча в измерительную камеру и выявлена предпочтительная форма патрубков, при использовании которой наблюдаются наименьшие потери напора.

References

1. Kharisova Z.I., Fetisov V.S. The system for the express size determination of suspension particles based on the video facilities and an artificial neural network with additional learning // Instruments and Systems: Monitoring, Control, and Diagnostics. 2017. No. 2. P. 57-64.

2. Rudnev S.S. Laboratory Course of Hydraulics, Pumps and Hydraulic Transmission: Textbook for Students of Technical Colleges / Ed. by S.S. Rudnev, L.G. Podvidz. 2-e izd., pererab. i dop. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1974. 416 p.

3. Chugaev R.R. Hydraulics (Technical Fluid Mechanics): Textbook for High Schools. 4-e izd., pererab. i dop. Leningrad: Energoizdat Publ., 1982. 672 p.

4. Rabinovich E.Z. Hydraulics: Textbook for Oil Specialties of Universities. Moscow: Nedra Publ., 1980. 278 p.