Устройство для определения параметров газожидкостных сред Советский патент 1992 года по МПК G01N29/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для определения распределения газовьк пузырьков по размерам с высоким пространственным разрешением.

Известно устройство для обнаружения пузырьков газа в жидкости, содержащее генератор видеоимпульсов, два кварцевых генератора, два модулятора, два усилителя, мощности, два аку- стических излучателя, акустический приемник, селективный усилитель, ключ, схему задержки, регистратор, в котором при облучении исследуемой жидкости с газовыми пузырьками акустическими сигналами двух различных частот по уровню рассеянного пузырьками сигнала разностной частоты обнаруживают пузырьки газа фиксированного размера.

Недостатком устройства является то, что с его помои 1ью невозможно определение концентрации растворенного газа в жидкости и распределения газовых пузырьков по размерам.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения содержания газа в газожидкостных средах, содержащее генератор видеоимпульсов, две схемы задержки, три кварцевых генератора, четыре модулятора, три усилителя мощности, три акустических излучателя, один из которых фокусирующ.ий, акустический приемник, селективный усилитель, три формироварегистимпульсов, теля прямоугольных ратор,. За счет дегазации исследуемой жидкости в фокальной области фокусирующего излучателя появилась возможность определения концентрации растворенного газа в жидкости, однако прототип обладает малой пространственной разрешающей способностью, которая обусловлена конечными размерами апертуры акустических излучателей Кроме того, невозможно определение распределения газовых пузырьков по размерам. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет определения не только концентрации газа, но и распределения газовых пузырьков по размерам и повышение разрешающей способности измерения концентрации газа. Поставленная цель достигается за счет одновременного облучения исследуемой газожидкостной среды, находящейся в общей фокальной области фокусирующих излучателей, сфокусированными волнами с частотами f и f2 частота одной из которых f дискрет но меняется от посылки к посылке в широком диапазоне частот, и регистра ции уровней рассеянных газовыми пузырьками сигналов рзаностных частот (f - f), несущих информацию о кон центрации газовых пузырьков в широк диапазоне их радиусов, резонансных изменяющейся разностной частоте зон дирующих сигналов. На фиг, 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства на фиг, 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства. Устройство для определения парам ров газожидкостных сред содержит ге нератор 1 видеоимпульсов, выход которого соединен с входом схемы 2 задержки, выход ее соединен с входо формирователя 3 прямоугольных импульсов „ Выход генератора 4 соедине с первым (сигнальным) входом модулятора 5j второй (управляемый) вход которого соединен с выходом формиро вателя 3 прямоугольных импульсов. Вход усилителя 6 мощности соединен выходом модулятора 5,s а выход его соединен с входом акустического излучателя 7о Выход генератора 8 соед нен с первым (сигнальным) входом мо 7 дулятора 9, второй (управляемый) вход которого соединен с выходом формирователя 3 прямоугольнь1х импульсов. Вход усилителя 10 мощности соединен с выходом модулятора 9, а выход его соединен с входом акустического излучателя 11, Выход генератора 12 соединен с первь1м (сигнальным) входом модулятора 13, выход КОТОРОГО соединен с входом усилителя 1 мощности. Выход усилителя 1A мощности соединен с входом фокусирующего акустического излучателя 15. Акустические излучатели 7 и 11 выполнены фокусирующими и сфокусированым в общем фокусе с фокусом излучателя 15. Вход схемы 1б задержки соединен с выходом генератора 1 видеоимпульсов, а выход ее соединен с входом формирователи 17 прямоугольных импульсов, выход которого соединен с первым (управляемым) входом модулятора 18. Вход формирователя 19 прямоугольных импульсов Соединен с выходом генератора 1 видеоимпульсов, а выход его соединен с BTopbiM (управляемым) входом модулятора 13. Выход широкополосного акустического приемника 20 соединен с сигнальным входом перестраиваемого селективного усилителя 21, выход которого соединен с вторым (сигнальным) входом модулятора 18. Вход детектора 22 соединен с выходом модулятора 18, а выход его соединен с первым (сигнальным) входом блока 23 .выборки-хранения. Первый вход компаратора 24 соединен с выходом блока 23 выборкихранения, а его выход соединен с первым (сигнальным) входом коммутатора 25s выход которого соединен с первым (cигнaльf ым) входом модулятора 2б, Вход формирователя 27 прямоугольных импульсов соединен с выходом генератора 1 видеоимпульсов, а его выход соединен с входом формирователя 28 пилообразных импульсов и с третьим (управляемым) входом коммутатора 25. Первый вход компаратора 29 соединен с выходом формирователя 28 пилообразных импульсов, а его выход соединен с вторым (сигнолычым) входом коммутатора 25. Вход формирователя 30 прямоугольных импульсов соединен с.выходом формирователя 27 прямоугольных импульсов, а его соединен с входом формирователи jl пилообразных импульсов и упрзвлйемыми входами блока 23 выборки-хранения и коммутатора 25. Второй вход компаратора 2k соединен с выходом формирователя 31 пилообразных импульсов. Вход формирователя 32 ступенчатого напряжения соединен с выходом генератора 1 видеоимпульсов, а его выход соединен с управляемыми входами генератора 8 и перестраиваемого селективного усилителя 21, а также с вторым входом компаратора 29. Выход генератора 33 колебаний соединен с вторым (управляемым) входом модулятора 26, выход которого соединен с входом регистратора 3.

Устройство работает следующим образом.

Работу устройства синхронизируют синхроимпульсы И 1, формируемые на выходе генератора 1 видеоимпульсов, задними фронтами которых запускается схема 2 задержки, на выходе которой формируются видеоимпульсы И 2 с необходимой длительностью t дд и скважностью, задними фронтами которы запускается формирователь 3 прямоугольных импульсов, на выходе которого формируются видеоимпульсы И 3 длительностью сц, которь/е формируют излчаемые зондирующие радиоимпульсы накачки. Задними фронтами синхроимпульсов И 1 запускаются также формирователь 19 прямоугольных импульсов, на выходе которого формируются видеоимпульсы И длительностью D,j , которые формируют излучаемые дегазирующие жидкость с растворенным в ней газом радиоимпульсы, и схема 16 задержки, lyta выходе которой формируются видеоимпульсы И 5 длительностью заД.сгр задними фронтами которых запускается формирователь 17 прямоугольных импульсов, на выходе которого формируются видеоимпульсы И 6 длительностью tij-T-p , которые селектируют во времени рассеянные газовыми пузырьками эхо-сигналы. Непрерывные гармонические колебания с постоянной частотой f с выхода генератора и с изменяющейся частотой f с выхода управляемого генератора 8, частота генерируемых колебаний И 7 на выходе которого изменяется от посылки к посылке под воздействием ступенчатого напряжения И 8 на его управляемом входе, поступают на сигнальные входы модуляторов 5 и 9, на выходах которых формируются радиоимпульсы И 9 и И 10, которые усиливаются усилителями 6 и 10 мощности и лучаются в исследуемую газожидкостную средУ фокусирующими излучателями 7 и 11. Вначале измерений под воздействием видеоимпульсов И t, формируемых на выходе формирователя 19 прямоQ угольных импульсов, из непрерывных гармонических колебаний с частотой f, образующихся на вь1ходе генератора 12, на выходе модулятора 13 формируются радиоимпульсы И 11, которые усиливаются усилителем 1 мощности и излучаются в среду фокусирующим акустиче ским излучателем 15, сфокусированным в общем фокусе фокусирующих излучателей 7 и 11. Под воздействием акустических колебаний с частотой f ,в общей фокальной области фокусирующих излучателей выделяется растворенный в исследуемой жидкости газ, В следующий момент времени выделив5шиеся при дегазации газовые пузырьки одновременно облучаются сфокусированными волнами с частотами f и f, излучаемыми фокусирующими излуч;ате лями 7 и 11, При воздействии на газо0

вые акустическим давлением частот f и f fo из-за их нелинейности формируется излучение на разностной частоте (f - f), амплитуда которого определяется близостью разностной частоты к резонансной частоте газовых пузырьков f, которая однозначно связана с их радиусами. При f - f. 0 уровень рассеянного газовыми пузырьками излу0чения максимален и зависит от их концентрации. Уровни рассеянных пузырьками акустических сигналов разностных частот Cf - f/) , изменяющихся от посылки к посьшке, ре5гистрируются с помощью широкополосного акустического приемника 20, установленного вне зоны воздействия акустических колебаний с часто тами f, f15 f, перестраиваемого

0 селективного усилителя 21 с частотой селекции (f - f2) изменяющейся от посылки к посылке. Для уменьшения уровня шумов принимаемые сигналы стробируются во времени с помощью модулятора .18, на выходе ко торого выделяются эхо-сигналы И 12,, уровни которых несут информацию о концентрации газа в жидкости, котоpbie выпрямляются с помощью детектора 22 и в виде видеоимпульсов И 13 поступают на сигнальный вход блока 23 выборки-хранения, в котором запоминаются для .дальнейшей обработки и документальной регистрации„ Задними фронтами синхроимпульсов И 1 запускаются также формирователь 32 ступенчатого напряхчения, на выходе которого формируется ступенчатое напряжение И 8. постоянное в пределах временного интервала между двумя зондирующими импульсами, которое дискретно управляет частотой f колебаний И 7 генерируемых управляемым генератором 8, и частотой селекции перестраиваемого селективного усилителя 21, и формирователь 27 прлмоуголь тых импульсов, формирующий на своем выходе видеоимпульсы И .1 длительностью .; , задними фронтами которых запускается формирователь 30 прямоугольных импульсов, на выхо да которого формируются видеоимпульсы И 15 .алительностью } Длительность видеоимпульсов И Ht и И 15 участвующих в делении информационного поля регистратора на две части, определяется из конкретных требований к масштабу отображаемой информации о размерах газовых пузырьков, резонансных разностной частоте сигналов их облучающих, о концентрации газовых пузырьков данного размера в облучаемом объеме исследуемой газожидкостной среды. Этими же видеоимпульсами И 1 и И 15 поочередно открываются ключи коммутатора 25, пропускающего на вход регистратора соответствующую информацию. Информация о размерах газовых пузырьков (их радиусах), резонансных разностной частоте сигналов их облучающих, регистрируется следующим образом. Ступенчатое напряжение И 8 с уровнем пропорциональным частоте генерируемы управляемым генератором 8 гармонических колебаний, подается на один вход компаратора 29., на другой вход которого поступает пилообразное напряжение И 16, образующееся на выходе ч ормирователя 28 пилообразных импульсов из прямоугольного видеоимпульса И Н. При этом амплитуда и длительность пилообразного импульса И 1б соответствует максимально возможной разностной частоте зондирующих сигналов, , минимально возможному радиусу пузырька,резонансНого этой частоте. При равенстве уровней сравниваемых сигналов на выходе компаратора 29 образуются видеоимпульсы И Г/, которые для дальнейшей регистрации подаются на второй (сигнальный) вход коммутатора /.5j открывающегося на время, равное С,, видеоимпульсами И 14, поступающими на его первый (управляемый) вхогь При этом временной интервал или расстояние -от начала соответствующей данному виду информации иасти информационного поля регистратора до регистрируемой отметки на этой час-и поля пропорциональны уровню постоянного напряжения И 8, несущему информацию о разностной частоте сигналов, зондирующих исследуемый объем газожидкостной среды, радиусах пузырьков. Информа1 ия о концентрации газовых пузырьков,резонанснь1Х разностной частоте зондирующих сигналов, регистрируется следующим образом. Видеосигналы И 13, уровни которых несут информацию о концентрации raaoBbfx пузырьков, резонансмых разностной частоте зондирующих сигналов, запоминаются в блоке 23 зыборки-хранения на один цикл между двумя зондирующими импульсами, которые сбрасываются задними фронтами видеоимпульсов И 15 и fa виде сигнала И 18 подаются на один вход компаратора 2, на другой вход которого по ступает пилообразное напряжение И 19 образующееся на выходе формирователя 31 пилообразных импульсов из прямоугольного импульса И 15. Амплитуда и длительность пилообразного импульса И 19 соответствуют максимально возможной концентрации пузырьков а жидкости данного размера. При равенстве уровней сравниваемых сигнало на выходе компаратора 2k образуются видеоимпульсы И 20s которые для дальнейшей регистрации подаются на первый (сигнальный) вход коммутатора 25s открывающегося на время, равное €2) .видеоимпульсами И 15, поступающими на его четвертый (управляемый) вход о. При 3To,vi Епеменной интервал ил расстояние от начала соответствующей данному виду информации части информационного поля Сигистратора до регистрируемой отметки ;чз этой части ПОЛЯ, пропорциональны уровню видеосигнала И 18, недущему информацию о концентрации газовых пузырьков,резонансных разностной частоте зондирующих сигналов г Таким образом, на вход модулятора 26 через коммутато 25. поочередно открываемый управляю щими импульсами И и И 15, поступает информация в виде сигнала И 21 который для нормальной работы регис ратора 3 Модулируется в нем колеба ниями частоты регистрирующего прибо ра с выхода генератора 33 колебаний и в виде радиоимпульсов И 22 поступает на вход регистратора 3 где на одном информационном поле регистра тора регистрируется информация в виде графиков, располагаемых один под друTHMjO размерах пузырьков {их радиусах резонансных разностной чёстоте зондирующих сигналов, о концентрации газовых пузырьков данного размера в озвучиваемом объеме исследуемой газожидкостнои среды. Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом обеспечивает преимущества, заключающиеся в увеличении разрешающей способности измерений, в появля1ищейся возможности определения распределения газовых пузырьков по размерам, что позволит, например, уточнить методики определения кавитационных качеств гидромашин. Формула изобретения Устройство для определения парамет ров газожидкостных сред, содержащее последовательно соединенные генератор видеоимпульсов, первую схему задержки и первый формирователь пря моугольных импульсов, последователь но соединенные первый генератор, мо лятор, усилитель мощности и акустический излучатель, последовательно соединенные вторые генератор, модулятор, усилитель мощности и излучатель, последовательно соединенные третьи генератор., модулятор, усилитель мощности и акустический излучатель, последовательно соединенные вторую схему задержки, вход которой связан с выходом генератора видеоимпульсов, второй формирователь прямоугольных импульсов и четвертый модулятор, третий формирователь прямоугольных импульсов, включенный между выходом генератора видеоимпульсов и вторым входом третьего модулятора, регистратор и последовательно соединенные акустический приемник и селективный усилитель, выход которого подключен к второму входу четвертого модулятора, выход первого формирователя прямоугольных импульсов подключен к вторым входам первого и второго модуляторов, а третий акустический излучатель выполнен фонусирующим, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения не только концентрации газа, но и распределения газовых пузырьков по размерам и повышения разрешающей способности измерения концентрации газа, оно снабжено последовательно соединенными детектором, вход которого связан с выходом четвертого модулятора, блоком выборки-хранения, первым компаратором, коммутатором и пятым модулятором, выход.которого подключен к регистратору, последовательно соединенными четвертым формирователем прямоугольных импульсов, вход которого подключен к выходу генератора . видеоимпульсов, первым формирователем пилообразных импульсов и вторым компаратором, выход которого подключен к второму входу коммутатора, последовательно соединенными пятым формирователем прямоугольных импульсов и вторым формирователем пилообразных импульсов, выход которого связан с вторым входом компаратора, формирователем ступенчатого напряжения, вход которого подключен к выходу генератора видеоимпульсов, а выход - к входу второго генератора, управляющему входу селективного усиителя и к второму входу второго компаратора, и генератором колебаний, подключенным к второму входу пятого одулятора, выход четвертого формирователя прямоугольных импульсов соеинен с входом пятого формирователя рямоугольных импульсов и третьим входом коммутатора, выход пятого форирователя прямоугольных импульсов вязан С четвертым входом коммутатоа и управляющ.им входом блока выЬорки-хранения, а первый и второй акустические излучатели сфокусированы в

фокусе третьего акустииеского излучателя .

Изобретение предназначено для определения содержания газа в жидкости и распределения по размерам пузырьков газа. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения не только2концентрации газа, но и распределения пузырьков газа по размерам и повышение разрешающей способности измерения концентрации газа. Зондирование среды .производят фокусирующими излучателями с фокусом в одной точке. Информация о концентрации газовых пузырьков, резонансных разностной частоте зондирующих сигналов, регистрируется регистратором, где. на одном информационном поле его расположены графики (один под другим) о размерах пузырьков (радиусах), резонансных разностной частоте зондирующих сигналов, о концентрации газа данного размера в озвучиваемом объеме среды. 2 ил.с Ш