УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНОГО ГАЗА В ЖИДКОСТИ Российский патент 1994 года по МПК G01N29/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительным приборам и может быть использовано для контроля малых концентраций свободного газа в жидкости.

Известно устройство для определения концентрации свободного газа в жидкофазных средах, содержащее два излучателя и приемник, подключенные к последнему два селективных усилителя, подключенные к их выходам первый и второй усилители-ограничители, подключенные к первому усилителю-ограничителю первый делитель частоты, измеритель разности фаз, входы которого соединены с выходом второго усилителя-ограничителя и первого делителя частоты, кварцевый генератор, первый усилитель мощности, включенный между кварцевым генератором и излучателем, последовательно соединенные третий усилитель-ограничитель, второй делитель частоты, фильтр низких частот и второй усилитель мощности, включенные между выходом кварцевого генератора и излучателем [1].

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости, состоящее из генератора синхроимпульсов, нагруженного на генератор низкой частоты (НЧ), генератор высокой частоты (ВЧ), измеритель временных интервалов и два коммутатора, причем первый коммутатор соединен своими двумя входами с выходом генератора НЧ и первым обратимым преобразователем и нагружен через первый селективный усилитель на первый сигнальный вход измерителя временных интервалов, второй коммутатор соединен двумя своими входами с вторым обратным преобразователем и генератором ВЧ и нагружен через второй селективный усилитель с вторым сигнальным входом измерителя времени интервалов [2].

Недостатком прототипа является низкая точность измерения. Обусловлена она недостаточностью характеристик каналов возбуждения и частот ВЧ и НЧ колебаний, вызванных нестабильностью питания, непостоянством температуры окружающей среды, старением элементов и т.п., приводящих к случайным изменениям амплитуд и сдвигам во времени между излучаемыми НЧ и ВЧ-сигналами, напрямую искажающих результаты измерений.

Техническим результатом изобретения является увеличение точности измерений.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее генератор высокой частоты, генератор низкой частоты, два селективных усилителя, приемник и излучатель, введены балансный модулятор, соединенный своими входами с генераторами низкой и высокой частот, нагруженный на излучатель, последовательно соединенные квадратор, фильтр нижних частот и фазометр, выключенные между выходами первого и второго селективных усилителей, подключенных к выходу приемника.

Возможность достижения цели изобретения подтверждается следующими выводами. Принцип действия устройства основан на измерении времени запаздывания низкочастотной (НЧ) волны, частота которой F существенно ниже резонансной частоты f_o газовых пузырей относительно высокочастотной волны, частота f которой существенно выше резонансной частоты газовых пузырей. Как известно, фазовая скорость НЧ-волны определяется объемной концентрацией свободного газа, в то время как скорость ВЧ-волны практически не зависит от концентрации газа и равна скорости акустической волны в жидкости без пузырьков.

Измерение времени запаздывания производится фазовым методом, для чего в жидкости с газовыми пузырьками излучается непрерывный балансно-модулированный (БМ) низкой частоты F/2 высокочастотный сигнал с несущей частотой f
P_f= P_mfcoscos(2πft) (1) который в силу нелинейности среды детектируется, в результате чего в исследуемой жидкости генерируется низкочастотная волна, так называемая волна разностной частоты (ВРЧ) с частотой F
P_F = P_mFcos 2π Ft (2)
Расстояние L между излучателем и приемником БМ ВЧ-волна (1) проходит с фазовой скоростью С_о, равной скорости звука в дегазированной жидкости, в то время как НЧ-волна (2) распространяется со скоростью С_ф < С_о.

В результате на приемник приходят сигналы
P(t;L) = Pcos - · cos2πft - (3)
P(t; L) = Pcos2πFt - = Pcos2πFt - - (4) где Δϕ= 2π F(C_o-C_ф/С_фС_о - разность фаз, обусловленная запаздыванием НЧ-волны в жидкости с пузырьками газа относительно НЧ-волны в жидкости без пузырьков. Если принятый БМ ВЧ-сигнал (3) подвергнуть квадратичному детектированию, то образовавшийся при этом низкочастотный сигнал
P''_f (t, L) = P'_mf cos (2π Ft - 2π FL/C_o) (5) оказывается сдвинутым по фазе относительно НЧ-сигнал (4) на величину
Ψ= Δϕ=2πFL(C_o-C_ф/C_фC_o=2πFΔt, которая определяется временем запаздывания Δt.

Нестабильность амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик излучающего тракта, включая нестабильность характеристик излучателя, нестабильность частот генераторов низкой и высокой частот, вызванные различными дестабилизирующими факторами, при этом никак не влияют на процесс генерации ВРЧ и фазовые соотношения между ВРЧ м огибающей БМ ВЧ-волны. Это объясняется, во-первых, отсутствием НЧ-сигнала в излучающем тракте, испытывающем нестабильность своих характеристик, во-вторых жесткой привязкой фаз генерируемой ВРЧ и огибающей БМ ВЧ волнами, что обусловлено физикой процесса нелинейной генерации ВРЧ, и, в-третьих, устойчивостью процесса генерации ВРЧ высокочастотной волны с балансной модуляцией к фазовым и амплитудным искажениям БМ ВЧ-волны.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие работу устройства.

Устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости состоит из последовательно соединенных генератора 1 низкой частоты, балансного модулятора 2, к второму входу которого подключен генератор 3 высокой частоты, и излучатель 4, последовательно соединенных приемника 5, первого селективного усилителя 6, квадратора 7, фильтра 8 низких частот и фазометра 9, второй вход которого через второй селективный усилитель 10 соединен с приемником 5.

Работает схема следующим образом. Непрерывные низкочастотные колебания V₁, например, с частотой F/2 = 5 КГц, с выхода генератора 1 низкой частоты одновременно с непрерывными высокочастотными колебаниями V₂, например, с частотой f = 1 МГц, с выхода генератора 3 высокой частоты поступают на отдельные входы балансного модулятора 2.

Промодулированные высокочастотные колебания V₃ с выхода модулятора 3 излучаются в исследуемую жидкость излучателем 4. Распространяясь в нелинейной среде, обладающей квадратичной нелинейностью, балансно-модулированная волна детектируется, генерируя низкочастотную волну с частотой F = 10 кГц, которая распространяется коллинеарно с первичной балансно-модулированной волной в направлении приемника 5. Пройдя измерительную базу протяженностью l, низкочастотный и высокочастотный сигналы принимаются приемником 5 и поступают в виде электрических сигналов на вход селективного усилителя 6, настроенного на пропускание высокочастотного балансно-модулированного сигнала, и на вход селективного усилителя 10, настроенного на пропускание сигнала низкой частоты F.

Из-за различных скоростей распространения акустических волн с частотами 10 кГц и 1 МГц в жидкости, содержащей газовые пузырьки, низкочастотная волна проходит на приемник с задержкой Δt = L˙(C_o - С_ф)/С_ф˙ С_о относительно высокочастотной волны. Величина задержки определяется концентрацией свободного газа. Низкочастотный сигнал V₅ с выхода селективного усилителя 10 поступает на фазометр 9. Высокочастотный балансно-модулированный сигнал V₄ с выхода селективного усилителя 6 детектируется квадратичным детектором-квадрататором 7, после чего из него фильтром 8 нижних частот выделяется низкочастотный сигнал V₆ с частотной огибающей.

С выхода фильтра 8 низкочастотный сигнал V6 подается на другой вход фазометра 9, который измеряет разности фазΔϕ между низкочастотными сигналами V₅ и V₆, концентрация газа находится с помощью тарировочной кривой Δϕ= F(U) по измеренной разности фаз Δϕ.

Использование нелинейного механизма генерации низкочастотной волны и использование высокочастотной волны с балансной модуляцией позволяет исключить прохождение низкочастотного сигнала по подверженному влиянию дестабилизирующих факторов излучающему тракту. Тем самым устраняется влияние нестабильности характеристик излучающего тракта на процесс генерации низкочастотной волны и на фазовые соотношения между низкочастотной волной и огибающей высокочастотной волны с балансной модуляцией, что позволяет повысить точность измерения времени запаздывания, а вместе с тем и точность измерения концентрации свободного газа в жидкости.

Изобретение относится к контрольно-измерительным приборам и может быть использовано для контроля малых концентраций свободного газа в жидкостях с помощью ультразвука. Для увеличения точности измерений в устройство, содержащее генератор высокой частоты, генератор низкой частоты, два селективных усилителя, приемник и излучатель точности, введены балансный модулятор, соединенный своими входами с генераторами низкой и высокой частот, нагруженный на излучатель, последовательно соединенные квадрататор, фильтр нижних частот и фазометр, включенные между выходами первого и второго селективных усилителей. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНОГО ГАЗА В ЖИДКОСТИ, содержащее генератор высокой частоты, генератор низкой частоты, два селективных усилителя, приемник и излучатель, отличающееся тем, что оно снабжено балансным модулятором, соединенным входами с генераторами низкой и высокой частот, а выходом - с излучателем, и последовательно соединенными квадратором, фильтром нижних частот и фазометром, выход приемника подключен к входам селективных усилителей, первый из которых связан выходом с входом квадратора, а второй - с вторым входом фазометра.