Пристрій для вимірювання сили поверхневого тертя газового потоку з твердими частинками

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании физикомеханических характеристик газового потока с твердыми частицами, а частности, для измерения силы поверхностного трения о стенку трубопровода. В качестве прототипа выбрано устройство для измерения силы поверхностного трения газового потока с твердыми частицами, содержащее трубопровод, состоящий из неподвижных участков и подвешенного между ними подвижного участка, сочлененных резиновыми манжетами, и шток, прикрепленный к подвижному участку, соединенный с датчиком перемещения [1]. Недостатком известного устройства является наличие неконтролируемых погрешностей при измерениях, вызванных деформацией резиновых манжет, сочленяющих подвижную и неподвижные участки трубопроводов. Деформация манжет происходит по следующей причине: при перемещении газового потока с твердыми частицами внутри трубопровода образуется избыточное давление, обусловленное общим сопротивлением всей трубопроводной линии, в которой смонтировано измерительное устройство. Величина этого избыточного давления неодинакова как вдоль трубопровода, так и вдоль его подвижного участка. Вследствие этого и деформация, возникающая в манжетах, будет неодинаковой, поэтому манжеты неодинаковым образом будут влиять на перемещение подвижного участка трубопровода, что и приводит к искажению результатов измерений. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать устройство для измерения силы поверхностного трения газового потока с твердыми частицами, в котором за счет нового выполнения узла сочленения между подвижной и неподвижными частями трубопровода практически исключается деформация резиновых манжет, что приводит к повышению точности измерений. Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения силы поверхностного трения газового потока с твердыми частицами, содержащее трубопровод, состоящий из неподвижных участков и подвешенного между ними подвижного участка, сочлененных резиновыми манжетами, и шток, прикрепленный к подвижному участку, упирающийся в датчик перемещения, согласно изобретению дополнительно содержит герметичную камеру, установленную коаксиально с трубопроводом и закрепленную на неподвижных его участках, при этом неподвижные участки внутри камеры снабжены отверстиями, диаметр которых равен 0,040,01 диаметра трубопровода. Герметичная камера изолирует участки трубопровода, отсекая тем самым влияние внешних факторов на проводимые измерения. Отверстия указанного диаметра в неподвижных участках трубопровода служат для выравнивания давления внутри него и камеры, следствием чего является исключение деформации резиновых манжетов. Выход за указанные пределы размеров отверстий (d =0,04-0,01 dтр.) приводит к искажениям результатов измерений, т.к. если отверстие в трубопроводе слишком велико, т.е. > 0,04 диаметра трубопровода, то большим будет и байпасный поток газа, выходящий из отверстия, который скажется на точности измерений силы поверхностного трения. Если отверстие слишком мало, т.е. < 0,01 диаметра трубопровода, то несинхронные пульсации давления, которые практически всегда присутствуют в газовой сети, на нижние и верхние манжеты также приведут к погрешности измерения силы поверхностного трения. Таким образом, ясно, что диаметр отверстий выбирается экспериментально из соображений, чтобы байпасный поток газа не превышал 1-2% от общего потока через устройство, и пульсации давления не искажали показания деформации датчика перемещения. Вся совокупность признаков в результате обеспечивает повышение точности измерений. На фиг. 1 изображен продольный разрез предлагаемого устройства; на фиг. 2 - зависимость силы трения потока (F) от массовой расходной концентрации (m). Устройство включает трубопровод, состоящий из неподвижных участков 1 и подвижного участка 2, подвешенного на пружинах 3. Неподвижные и подвижный участки сочленяются с помощью резиновых манжет 4. К подвижному участку 2 прикреплен шток 5, выполненный в виде иглы, упирающейся в датчик перемещения 6. К неподвижным участкам 1 трубопровода герметично прикреплена камера 7, сообщающаяся с трубопроводом посредством отверстий 8. Устройство для измерения силы поверхностного трения работает следующим образом. В трубопровод 1 снизу подается поток газа с твердыми частицами. При движении потока возникает сила трения, направленная вверх, которая нарушает равновесие между силой упругости пружины 3 и весом подвижного участка трубопровода 2, вследствие чего пружина сжимается, а подвижная часть трубы 2 перемещается вверх. Благодаря наличию отверстий 8, посредством которых полость трубопровода сообщается с герметичной камерой 7, происходит выравнивание давлений внутри трубопровода и внутри камеры 7. Тем самым исключается деформация резиновых манжетов 4, отрицательно влияющая на измерения. Величина диаметра отверстий 8 зависит от частоты пульсаций давления в потоке и определяется экспериментально, большим частотам пульсаций соответствует больший диаметр и наоборот - меньшим частотам соответствует меньший диаметр. Наличие острых кромок в верхнем торце подвижного участка трубопровода 2 препятствует накоплению на них твердых частиц и тем самым повышает достоверность измерений. При перемещении вверх подвижной части трубы 2 игла 5 деформирует датчик 6, который выдает сигнал на прибор, регистрирующий величину этой деформации (НДЦ-1 "Измеритель деформации цифровой"). Получают зависимость деформации датчика от силы трения потока. Сравнивая эту зависимость с калибровочной зависимостью деформации датчика от перемещения трубы 2, судят о величине силы трения. При этом учитывают ток газа от нижнего отверстия к верхнему, возникающий в связи с тем, что избыточное давление вблизи нижнего отверстия выше, чем вблизи верхнего отверстия. Предлагаемая конструкция прошла лабораторные испытания. При измерениях было использовано устройство с диаметром трубопровода 50 мм, длиной подвижного участка трубопровода 1000 м, диаметром герметичной камеры 160 мм, диаметры отверстий 8-2 мм. В качестве потока с твердыми частицами использовалась смесь азота с частицами стекла диаметром 1,18 мм. Скорость газа 16,5 м/с. На полученном графике дана зависимость силы трения F потока о стенку трубопровода от массовой расходной концентрации. При этом сначала измерялась сила трения F чистого газового потока (μ=0), которая сравнивалась с теоретическим значением, известным для газовых потоков. Экспериментально измеренная величина F отклонялась от теоретической не более чем на 5%. Затем проводились измерения силы трения газа с частицами. Попытки проведения аналогичного эксперимента на конструкции-прототипе не дали удовлетворительного совпадения экспериментально измеренной силы трения F при μ=0 и теоретического значения, что дает основание говорить о неадекватности дальнейших измерений силы трения в потоке газа с твердыми частицами.