Устройство для определения концентрации газа в жидкости Советский патент 1991 года по МПК G01N29/02 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для дистанционного определения концентрации свободного или растворенного газа в жидкости при анализе кэвитэционных качеств машин, в океанологических исследованиях и в других задачах прикладной гидромеханики.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет дистанционного определения концентрации растворенного газа в жидкости и регистрации на одном информационном поле регистрирующего блока информации о расстоянии до области с газовыми пузырьками, о размерах и концентрации газовых пузырьков.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для определения концентрации газа в жидкости: на фиг;2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.З - эхограмма, образующаяся при регистрации на одном информационном поле регистрирующего блока информации о расстоянии до области с газовыми пузырьками, о резонансных размерах газовых пузырьков и о концентрации газовых пузырьков данного размера.

Осл

со

о

2

Устройство для определения концентрации газа в жидкости содержит первый генератор 1 гармонических колебаний, ключ 2, первый усилитель 3 мощности, фокусирующий преобразователь 4, в фокальной плоскости которого находится исследуемая жидкость с газовыми пузырьками 5, синхронизатор 6, первый и второй формирователи 7 и 8 импульсов, второй генератор 9 гармонических колебаний, генератор 10 модулирующих колебаний, амплитудный модулятор 11, второй ключ 12, второй усилитель 13 мощности, акустический преобразователь 14 накачки, приемный преобразователь 15, регулируемый селективный усилитель 16, первый, второй и третий блоки 17-19 задержки, трехканальный коммутатор 20, первый преобразователь 21 прямоугольных импульсов в пилообразные, первый компаратор 22, блок 23 выборки- хранения, второй компаратор 24, второй преобразователь 25 прямоугольных импульсов в пилообразные, импульсный модулятор 26, генератор 27 импульсов и регистрирующий блок 28,

Выход первого генератора 1 гармонических колебаний подсоединен через первый ключ 2 к входу первого усилителя 3 мощности, выход которого соединен с фокусирующим преобразователем 4, который выполнен в виде пьезокерамического кольца с чередующимися направлениями поляризации в соответствии с фазовыми окнами Френеля, в центре которого размещается акустический преобразователь 14 накачки так, чтобы их акустические оси совпадали. В фокальной области фокусирующего преобразователя 4 на акустической оси параметрического источника звука при дегазации жидкости с растворенным в ней газом образуются газовые пузырьки 5.

Вход первого формирователя 7 импульсов соединен с выходом синхронизатора 6, а выход второго формирователя 8 импульсов - с выходом первого формирователя 7 импульсов и с управляющим входом первого ключа 2.

Выходы второго генератора 9 гармонических колебаний и генератора 10 модулирующих колебаний соединены с соответствующими входами амплитудного модулятора 11, выход которого соединен с информационным входом второго ключа 12, подсоединенного управляющим входом к выходу второго формирователя 8 прямоугольных импульсов и выходом - к входу второго усилителя 13 мощности, выход ко торого соединен с входом акустического преобразователя 14 накачки. Акустический Преобразователь 14 накачки выполнен г; виде пьезокерамического кольца, в центре которого размещается широкополосный приемный преобразователь 15, выходом соединенный с входом перестраиваемого в

широком частотном диапазоне регулируемого селективного усилителя 16,управляющий вход которого соединен с первым выходом генератора 10 модулирующих колебаний.

Вход первого блока 17 задержки соединен с выходом синхронизатора б, а выход - с входом второго блока 18 задержки, выход которого соединен с входом третьего блока 19 задержки. Первый, второй и третий управляющие входы коммутатора 20 соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего блоков 17 - 19 задержки. Вход первого преобразователя 21 прямоугольных импульсов в пилообразные соединен с выходом второго блока 18 задержки. Первый вход первого компаратора 22 соединен с первым выходом генератора 10 модулирующих колебаний, а второй вход первого компаратора 22 соединен с выходом первого преобразователя 21 прямоугольных импульсов в пилообразные. Выход первого компаратора 22 соединен с первым информационным входом коммутатора 20.

Информационный вход блока 23 выборки-хранения соединен с выходом регулируемого селективного усилителя 16 и с вторым информационным входом коммутатора 20. Второй компаратор 24 подсоединен первым входом к выходу блока 23 выборки-хранения, м выходом - к третьему информационному входу коммутатора 20. Второй преобразователь 25 прямоугольных импульсов в пилообразные соединен входом с выходом третьего блока 19 задержки и

выходом - с вторым входом второго компаратора 24. Импульсный модулятор 26 подсоединен первым входом к выходу коммутатора 20 и вторым входом -- к выходу генератора 27 импульсов. Вход регистрирующего блока 28 соединен с выходом импульсного модулятора 26. а выход - с входом синхронизатора 6.

Устройство для определения концентрации газа в жидкости работает следующим

образом.

Задними фронтами синхроимпульсов Ui с выхода синхронизатора 6 (фиг.2а), управляющего работой всего устройства, запускается первый формирователь 7

импульсов, на выходе которого формируются видеоимпульсы Uz (фиг.26) с необходимой длительностью Ал и скважностью, определяемой периодом следования синхроимпульсов Ui. Задними фронтами импульсов U2 запускается второй формирователь 8 импульсов, формирующий видеоимпульсыUa(фиг.2в) длительностью Ги2 Непрерывные колебания с частотой fi с выхода первого генератора 1 гармонических колебаний поступают на информационный вход первого ключа 2, на выходе которого (фиг.2г) под воздействием видеоимпульсов U2. подающихся на уп- равляющий вход первого ключа 2, образуются радиоимпульсы 1М, которые усиливаются первым усилителем 3 мощности и излучаются фокусирующим преобразователем 4.

Непрерывные колебания с несущей частотой f с выхода второго генератора 9 гармонических колебаний модулируются гармоническими колебаниями с частотой F- , поступающими с выхода генератора 10 модулирующих колебаний в амплитудном модуляторе 11. Непрерывные амплитудно- модулированные колебания (АМК) с выхода амплитудного модулятора 11 подаются на информационный вход второго ключа 12, на выходе которого под воздействием видеоимпульсов Уз. поступающих на его управляющий вход, образуются радиоимпульсы Us (фиг.2д), которые усиливаются вторым усилителем 13 мощности и излучаются в водную среду акустическим преобразовате лем 14 нчкачки.

В результате нелинейного взаимодействия излучаемых волн накачки с частотными компонентами АМК f, (f- F-), (f + F-) в воде образуются волны резонансной частоты (ВРЧ) F-,облучающие образующиеся при дегазации исследуемой жидкости с растворенным в ней газом газовые пузырьки в фокальной области фокусирующего преобразователя 4. Эхо-сигналы, рассеянные газовыми пузырьками, принимаются приемным преобразователем 15 и в виде электрических сигналов Ue (фиг.2е) поступают на вход регулируемого селективного усилителя 16, резонансная частота которого изменяется в соответствии с изменением частоты колебаний, генерируемых генератором 10 модулирующих колебаний.

Отселектированные и усиленные сигналы разностных частот F- с помощью амплитудного детектора, входящего в состав усилителя 16, преобразуются в видеоимпульсы Uy. (фиг.2ж), уровень которых несет информацию о концентрации газовых пузырьков в жидкости, резонансных зондирующим частотам.

Задними фронтами синхроимпульсов Ui (фиг.2а)с выхода синхронизатора 6 также запускается первый блок 17 задержки, на

-

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

выходе которого формируются (фиг.2г) видеоимпульсы Ue длительностью гзад1 , задними фронтами которых запускается второй блок 18 задержки, на выходе его формируются видеоимпульсы Ug (фиг.2и) длительностью Г3ад2 , задними фронтами которых запускается третий блок 19 задержки, на выходе которого формируются видеоимпульсы Uio (фиг.2к) длительностью ГзадЗ Времена задержек1 зад1 .

гэад2 , ГзадЗ меньше периода следования синхроимпульсов Ui (фиг.2а), формируемых на выходе синхронизатора 6, управляемого посылочными синхроконтак- тами регистрирующего блока 28 (самописца), которые синхронизируют момент излучения зондирующих импульсных сигналов накачки и определяются из требований к масштабу, а следовательно, и точности, отображаемой на информационном поле регистрирующего блока 28 информации о расстоянии до лоцируемой области с газовыми пузырьками гэад1 , о частоте облучающих эту область акустических сигналов г3ад2 , о концентрации газовых пузырьков, резонансных этим сигналам ГзадЗ .

На фиг.З информация о расстоянии до лоцируемой области с газовыми пузырьками, например, заняла примерно 30% информационного поля регистрирующего блока 28, оставшееся поле поделено поровну для регистрации частоты зондирующих сигналов (т.е. информации и размерах газовых пузырьков, так как радиус газового пузырька, как известно, однозначно связан с его резонансной частотой) и концентрации газовых пузырьков, резонансных этой частоте, т.е. концентрации газовых пузырьков определенного радиуса. Такая пропорция (1:1:1) не обязательна, она может быть изменена в пользу любой из трех, выносимых на информационное поле регистрирующего блока 28, видов информации, вплоть до исключения одной или даже двух из них путем изменения длительности соответствующих импульсов задержки. Этими же импульсами поочередно открываются ключи коммутатора 20,пропускающие на вход регистрирующего блока 28 соответствующую информацию.

Информация о резонансных частотам зондирующих сигналов размерах пузырьков (их резонансных радиусах) регистрируется следующим образом. Постоянное напряжение Un с уровнем (фиг.2л), пропорциональным частоте генерируемых генератором 10 модулирующих колебаний, с выхода генератора 10 модулирующих колебаний подается не только на управляемый

вход регулируемого селективного усилителя 16, но и на первый вход первого компаратора 22, на второй вход которого поступает пилообразное напряжение Ui2 (фиг.2м), получающееся в результате преобразования прямоугольного импульса Ug (фиг.2и) с выхода второго блока 18 задержки в пилообразный в первом преобразователе 21 прямоугольных импульсов в пилообразные. При этом амплитуда и длительность пилообразного импульса Ui2 (фиг.2м) соответствует максимально возможной частоте зондирующего сигнала F- (т.е. минимально возможному радиусу пузырька, резонансного этой частоте F-). При равенстве уровней сравниваемых сигналов на выходе первого компаратора 22 образуется видеоимпульс и1з(фиг.2н), который для дальнейшей регистрации подается на первый информационный вход коммутатора 20. При этом временной интервал Гт , пропорциональный расстоянию от начала соответствующей данному виду информации части информационного поля регистрирующего блока 28 до регистрирующей отметки на этом поле, пропорционален уровню постоянного напряжения 1)ц (фиг.2д), несущему информацию о резонансных частоте зондирующих сигналов радиусах пузырьков.

Информация о концентрации газовых пузырьков, резонансных частотам зондирующих сигналов, регистрируется следующим образом.

Видеосигнал Uy (фиг.2ж), уровень которого несет информацию о концентрации газовых пузыоьков, запоминается в блоке 23 выборки-хранения, (который сбрасывается задним фронтом импульса ию,п°дэваемого на его управляющий вход) и в виде напряжения Ui4 (фиг.2о) подается на первый вход второго компаратора 24, на второй вход которого поступает пилообразное напряжение Uis (фиг.2п), образующиеся в результате преобразования прямоугольного импульса 0ю с выхода третьего блока 19 задержки (фиг.2к) в пилообразный во втором преобразователе 25 прямоугольных импульсов в пилообразные. Амплитуда и длительность пилообразного импульса Uis (фиг,2г) соответствует максимально возможной концентрации пузырьков в жидкости. При равенстве уровней сравниваемых сигналов на выходе второго компаратора 24 образуется видеоимпульс 111б(фиг.2р), который для дальнейшей регистрации подается на третий информационный вход коммутатора 20. При этом временной интервал TI или, что одно и то же, расстояние от начала соответствующей данному виду информации части информационного поля регистрирующего блока 28 до регистрируемой отметки на этом поле, пропорциональны уровню видеосигнала U (фиг.2ж), несущему информацию о концентрации газовых пузырьков. резонансных частоте зондирующего сигнала.

Таким образом, на вход импульсного модулятора 26 через коммутатор 20, пооче0 редно открываемый управляющими импульсами Us, Ug и Uio. поступает информация в виде сигнала Uw (фиг.2с), которая для нормальной работы регистрирующего блока 28 модулируется в нем сигналом с выхода гене5 ратора 27 импульсов и в виде импульсов Uia (фиг.2) поступает на вход регистрирующего блока 28, на одном информационном поле которого регистрируется информация о расстоянии до лоцируемой области жидкости с

0 газовыми пузырьками, о резонансных размерах лоцируемых пузырьков, о концентрации газовых пузырьков данного размера.

Использование изобретения обеспечивает оперативное определение концентра5 ции растворенного газа в жидкости и регистрацию на одном информационном поле регистрирующего блока одновременно информации о расстоянии до области с газовыми пузырьками, о резонансных раз0 мерах и о концентрации пузырьков данного размера, что позволяет проследить за динамикой изменения определяемой величины во времени от импульса к импульсу, прогнозировать дальнейшее развитие исследуемо5 го процесса. Оперативное определение, контроль и наглядная регистрация концентрации растворенного газа в жидкости позволяют уточнить методику определения кавитационных качеств гидромашин (гидро0 турбин, гребных винтов, насосов и т.д.), предсказать кавитационные качества рабочих жидкостей, а значит, и влиять на характер и интенсивность различных технологических процессов, что ведет к со5 кращению длительности технологических процессов, к увеличению выпуска продукции.

Формула изобретения Устройство для определения концент0 рации газа в жидкости, содержащее два ге нератора гармонических колебаний, формирователь импульсов, синхронизатор, два ключа, первый блок задержки,селективный усилитель, регистрирующий блок, аку5 стический преобразователь накачки и приемный преобразователь, выход которого соединен с информационным входом селективного усилителя, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет дистанционного

определения концентрации растворенного газа в жидкости и регистрации на одном информационном поле регистрирующего блока информации о расстоянии до обпясти с газовыми пузырьками, о размерах и концентрации газовых пузырьков, в нею введены два усилителя мощности, фокусирующий преобразователь, выполненный в виде кольца из зонной пластины Френеля с исключением нескольких первых фазовых зон, второй формирователь импульсов, генератор модулирующих колебаний, амплитудный модулятор, второй и третий блоки задержки, коммутатор, два преобразователя прямоугольных импульсов в пилообразные, два компаратора, блок выборки-хранения, импульсный модулятор и генератор импульсов, акустический пре образователь накачки выполнен в виде кольца, располагающегося в центре фокусирующего преобразователя, приемный преобразователь расположен в центре акустического преобразователя накачки, все преобразователи расположены в одноЛ плоскости и их акустические оси совпадаю г, а селективный усилитель выполнен регули руемым и подключен управляющим входом к первому входу первого компаратора и первому выходу генератора модулирующих колебаний, выход первого генератора гармонических колебаний соединен с информационным входом первого ключа, подсоединенного управляющим входом к выходу первого и к входу второго формирователей импульсов и выходом - к входу первого усилителя мощности, выход которого соединен с входом фокусирующего преобразователя, выход второго формирователя импульсов соединен с управляющим входом второго ключа, подсоединенного информационным

входом к выходу амплитудного модулятора и выходом - к входу второго усилителя мощности, выход которого подключен к входу акустического преобразователя някачки.

первый и второй входы амплитудного модулятора соединены с выходами соответственно второго генератора гармонических колебаний и генератора модулирующих колебаний, первый компаратор подключен выходом к первому информационному входу коммутатора и вторым пходом к выходу первого преобразователя прямоугольных импульсов в пилообразные, подсоединенного входом к первому управляющему входу

коммутатора, к выходу второго блока задержки и входу третьего блока задержки, выход селективного усилителя соединен с вторым информационным входом коммутатора и информационным входом блока выборки-хранения, подсоединенного управляющим входом к второму управляющему входу коммутатора, к выходу третьего блока задержки и входу второго преобразователя прямоугольных импульсов в пилообразные и выходом - к одному входу второго компаратора, подключенного вторым входом к выходу второго преобразователя прямоугольных импульсов в пилообразные и выходом - к третьему информационному входу коммутатора, выход которого соединен с первым входомимпульсногомодулятора, подсоединенного вторым входом к выходу генератора импульсов и выходом - к входу регистрирующего блока, выход которого

подключен к входу синхронизатора, подсоединенного выходом к входу первого формирователя импульсов и входу первого блока задержки,выход которого соединен с входом второго блока задержки и третьим

управляющим входом коммутатора.

III

X

l(l||,(l

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для дистанционного определения концентрации свободного или растворенного газа в жидкости при анализе кавитационных качеств машины, в океанологических исследованиях и других задачах прикладной гидромеханики. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет дистанционного определения концентрации растворение о газа в жидкости и регистрации на одном информационном поле регистрирующего блока информации о расстоянии до области с газовыми пузырьками, размерах и концентрации газовых пузырьков. Определение растворенного в жидкости газа осуществляется с помощью дегазации или кавитации, создаваемой в Фокальной области фокусирующего преобразователя, фокусное расстояние которого изменяется пропорционально изменению частоты колебаний на выходе первого генератора гармонических колебаний. По уровню рассеянного эхосигнэл от образующихся при дегазации о фокальной области фокусирующего преобразователя газовых пузырьков возможно определение концентрации растворенного газа в жидкости. 3 ил. ko

«H.l ll(|i

IMII lMt,

,

«111

Фиг.3