Устройство для определения содержания свободного газа в жидкости Советский патент 1992 года по МПК G01N29/02 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для определения концентрации свободного газа в жидкости в технике кави- тационных качеств гидромашин, в океанографических исследованиях и других задачах гидродинамики.

Известно устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости, содержащее генератор видеоимпульсов, две схемы задержки, три кварцевых генератора, четыре модулятора, три кварцевых генератора, четыре модулятора, три усилителя мощности, два излучателя, фокусирующий преобразователь, приемный преобразователь, селективный усилитель, три формирователя прямоугольных импульсов и регистратор, которое позволяеттакже-опре- делять полное газосодержание в жидкости за счет предварительного выделения растворенного газа в свободное состояние.

Недостатком данного устройства является то, что интенсивный дегазирующий сигнал озвучивает достаточно большой обьем газожидкостной среды помимо исследуемого и в ряде случаев существенно влияет на процессы, происходящие в газожидкостных средах практически во всем озвучиваемом объеме. При этом изменяются скорость протекания химических реакций, тепловой режим среды, скорость распространения звука в ней и т.п. Это, в свою очередь, зывается на газосодержании в среде и, следовательно, на точности его определения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее генератор видеоимпульсов, схему задержки, два кварцевых генератора, три модулятора, два усилителя мощности, два излучателя, приемный преобразователь, селективный усилитель и регистратор, в котором при облучении исследуемой жидкости с газовыми пузырьками акустическими сигналами двух различных частот по уровню рассеянного сигнала разностной частоты обнаруживают пузырьки газа фиксированного размера.

00

о

00

Недостатком известного устройства является то, что интенсивные облучающие сигналы озвучивают достаточно большой объем исследуемой газожидкостной среды, в то время как используемый непосредственно для измерения объем, образующийся в области пересечения зондирующих акустических пучков, составляет лишь малую часть от всего озвучиваемого. Свойства же всего озвучиваемого достаточно интенсивными акустическими сигналами объема меняются (в результате коагуляции пузырьков в интенсивном звуковом поле их концентрация и функция распределения по размерам изменяются), что ухудшает точность и достоверность последующих результатов измерений, особенно в тех случаях, когда исследуемые области были уже озвучены в результате предыдущих измерений, поскольку находились в непосредственной близости от исследуемого объема газожидкостной среды.

Цель изобретения - повышение точности определения концентрации свободно - го газа в жидкости за счет устранения влияния интенсивных облучающих сигналов на исследуемые процессы в газожидкостной среде.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения содержания свободного газа в жидкости, содержащее последовательно соединенные первые кварцевый генератор, модулятор, усилитель мощности и акустический излучатель, последовательно соединенные вторые кварцевый генератор, модулятор, усилитель мощности и акустический излучатель, последовательно соединенные акустический приемник, селективный усилитель и третий модулятор, последовательно соединенные генератор видеоимпульсов и первый формирователь прямоугольных импульсов, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго модуляторов, последовательно соединенные схему задержки, вход которой соединен с выходом генератора видеоимпульсов, и второй формирователь прямоугольных импульсов, выход которого соединен с управляющим входом третьего модулятора, и регистратор, введены измеритель коэффициента модуляции, включенный между выходом третьего модулятора и входом регистратора, второй акустический излучатель выполнен в виде пьезоэлектрического цилиндра, а акустические оси первого акустического излучателя, акустического приемника и пьезоэлектрического цилиндра совмещены.

Известно, что если на зондирующую высокочастотную акустическую волну малой

амплитуды, распространяющуюся в жидкости с пузырьками газа, воздействовать в поперечном направлении мощной низкочастотной акустической волной, то появляется амплитудная

модуляция высокочастотной волны, которая связана с изменением размеров пузырьков и смещением кривой коэффициента поглощения относительно неизменной частоты зондирующей волны. В среде без пузырьков

0 этот эффект не наблюдается. Глубина модуляции (коэффициент модуляции) зависит от концентрации свободного газа в жидкости, с ростом концентрации свободного газа в жидкости растет коэффициент модуляции.

5 Это позволяет определять концентрацию свободного газа в жидкости простым измерением коэффициента модуляции зондирующей высокочастотной (ВЧ) волны, При этом ВЧ зондирующая акустическая волна

0 создается с помощью первого кварцевого генератора, первого модулятора, первого усилителя мощности и акустического преобразователя. Мощная низкочастотная (НЧ) волна, модулирующая по амплитуде зонди5 рующую ВЧ-волну малой амплитуды, излучаемая перпендикулярно (в поперечном направлении) направлению распространения зондирующей ВЧ-волны, формируется с помощью второго кварцевого генератора,

0 второго модулятора, второго усилителя мощности и введенного цилиндрического преобразователя, в центре которого на его акустической оси даже при незначительной акустической мощности, излучаемой преоб5 разователем, за счет фокусирования акустических сигналов формируется мощное НЧ модулирующее акустическое поле, воздействующее в поперечном направлении на ВЧ-волну малой амплитуды (акустические

0 оси цилиндрического фокусирующего преобразователя и первого акустического излучателя совмещены, в результате чего акустические волны, формируемые преобразователями, распространяются перпен5 дикулярно одна другой.

С помощью приемного преобразователя, селективного усилителя, третьего модулятора модулированные ВЧ-сигналы принимаются, усиливаются, стробируются

0 во времени с целью снижения уровня шума, а затем с помощью введенного измерителя коэффициента модуляции определяется коэффициент модуляции ВЧ-волны, величина которого пропорциональна концентрации

5 свободного газа в жидкости. Сигналы с выхода измерителя коэффициента модуляции, уровни которых несут информацию о концентрации свободного газа в жидкости, регистрируются регистратором (например, самописцем уровня). Генератор видеоимпульсов, схема задержки и два формирователя прямоугольных импульсов участвуют в синхронизации работы всего устройства, в одновременном формировании зондирующих и модулирующих сигналов, а также во временной селекции (стробировании) модулированного ВЧ-сигнала, величина коэффициента модуляции которого несет информацию о концентрации свободного газа в жидкости, с целью снижения уровня шума, а следовательно, повышения точности измерений.

Точность определения концентрации свободного газа в жидкости возрастает за счет того, что мощный модулирующий НЧ- сигнал формируется и полностью заключен в пределах внутреннего объема цилиндрического фокусирующего излучателя и, следовательно, он практически не оказывает существенного влияния на близлежащие области, а уровень зондирующего сигнала мал и определяется величиной, необходимой для уверенной регистрации модулированного сигнала (с учетом его затухания на слое пузырьков, заключенных внутри цилиндра), что не позволяет оказывать ему существенное влияние на происходящие в исследуемой среде процессы по сравнению с известным устройством, например, в том случае, когда, исследуя неоднородность распределения газосодержания, рабочая озвучиваемая область, образованная пересечением двух пучков, попадает в те места, в которых ранее под воздействием достаточно интенсивных зондирующих сигналов за счет коагуляции газовых пузырьков существенно изменялось газосодержание в жидкости.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит последовательно соединенные кварцевый генератор 1, модулятор 2, усилитель 3 мощности, акустический излучатель 4, последовательно соединенные кварцевый генератор 5, модулятор 6, усилитель 7 мощности, цилиндриче- ский излучатель 8, аку.стическая ось которого совмещена с акустической осью акустического излучателя 4, последовательно соединенные приемный преобразователь 9, селективный усилитель 10с частотой селекции, равной частоте ВЧ зондирующего сигнала, модулятор 11, измеритель 12 коэффициента модуляции, регистратор 13, последовательно соединенные генератор 14 видеоимпульсов, формирователь 15 прямоугольных импульсов, выход которого соединен с управляющими входами модуляторов 2 и б, последовательно соединенные схему

16 задержки, вход которой соединен с выходом генератора 14 видеоимпульсов, формирователь 17 прямоугольных импульсов, выход которого соединен с управляющим

входом модулятора 11.

Устройство работает следующим образом.

Непрерывные гармонические высокочастотные колебания с частотой f с выхода

кварцевого генератора 1 поступают на сигнальный вход первого модулятора 2, на выходе которого образуются радиоимпульсы с гармоническим ВЧ заполнением, которые усиливаются усилителем 3 мощности и излучаются в водную среду акустическим излучателем 4. В это же время непрерывные гармонические колебания с низкой частотой F с выхода кварцевого генератора 5 поступают на сигнальный вход модулятора 6, на

выходе которого образуются радиоимпульсы с гармоническим НЧ-заполнением, которые усиливаются усилителем 7 мощности и излучаются в водную среду цилиндрическим излучателем 8, в центре которого на

его акустической оси даже при незначительно излучаемой мощности за счет фокусирования акустических сигналов формируется мощное НЧ-модулирующее акустическое поле, воздействующее в поперечном направлении на одновременно излучаемую акустическим излучателем 4 зондирующую ВЧ-волну малой амплитуды .частоты f. Синхронизируют работу всего устройства синхроимпульсы U1, формируемые генератором

14 видеоимпульсов, задними фронтами которых запускается формирователь 15 прямоугольных импульсов, на выходе которого формируются видеоимпульсы длительностью TU U2, под воздействием которых на

выходах модуляторов 2 и 6 образуются соответственно зондирующие с высокочастотным U3 и модулирующие с низкочастотным U4 заполнением радиоимпульсы длительностью ти. В результате воздействия модулирующей волны с частотой F на зондирующую волну с частотой f, распространяющуюся в среде с газовыми пузырьками, появляется амплитудная модуляция ВЧ-волны, которая связана с изменением

радиусов пузырьков и смещением кривой коэффициента поглощения относительно неизменной частоты зондирующей ВЧ-волны f.

Промодулированные по амплитуде ВЧсигналы принимаются приемным преобразователем 9, селектируются по частоте и усиливаются селективным усилителем 10, стробируются во времени с целью снижения уровня шума модулятором 11. Стробирование осуществляется следующим образом. Задними фронтами синхроимпульсов U1 запускается схема 16 задержки (ждущий мультивибратор), на выходе которой формируются видеоимпульсы U5 длитель- ностью Тзад стр, задними фронтами которых запускается формирователь 17 прямоугольных импульсов, на выходе которого формируются видеоимпульсы U6 длительностью 7Стр, которые поступают на управляющий вход модулятора 11 и под воздействием которых из всего принимаемого ВЧ-сигнала выделяется временной промежуток длительностью т стр с сигналом U7, который поступает на вход измерителя 12 коэффици- ента модуляции, на выходе которого форми- руются сигналы, уровни которых несут информацию о концентрации свободного газа в жидкости и которые регистрируются регистратором 13. С помощью тарировоч- ной кривой по регистрируемым уровням определяют концентрацию свободного газа в жидкости.

При использовании новых элементов: цилиндрического излучателя и измерителя коэффициента модуляции, повышается точность определения концентрации свободного газа в жидкости за счет устранения влияния интенсивных волн накачки на газосодержание в жидкости, Определение кон- центрации свободного газа в жидкости с высокой точностью позволяет уточнить методику определения кавитационных качеств гидромашин (гидротурбин, гребных винтов, насосов и т.п.), что увеличивает эффектив- ность их работы, позволяет предсказать ка- витационные качества рабочих жидкостей,

а значит, и влиять на характер и интенсивность различных технологических процессов, что ведет к сокращению времени технологических процессов и увеличению выпуска продукции.

Формула изобретения Устройство для определения содержания свободного газа в жидкости, содержащее последовательно соединенные первые кварцевый генератор, модулятор, усилитель мощности и акустический излучатель, последовательно соединенные вторые кварцевый генератор, модулятор, усилитель мощности и акустический излучатель, последовательно соединенные акустический приемник, селективный усилитель и третий модулятор, последовательно соединенные генератор видеоимпульсов и первый формирователь прямоугольных импульсов, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго модуляторов, последовательно соединенные схему задержки, вход которой соединен с выходом генератора видеоимпульсов и второй формирователь прямоугольных импульсов, выход которого соединен с управляющим входом третьего модулятора, и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено измерителем коэффициента модуляции, включенным между выходом третьего модулятора и входом регистратора, второй акустический излучатель выполнен в виде пьезоэлектрического цилиндра, а акустические оси первого акустического излучателя, акустического приемника и пьезоэлектрического цилиндра совмещены.

л

„ ти

л

/

Тзод.с/пр

да/./

Изобретение предназначено для определения концентрации свободного газа в жидкости с помощью ультразвука. Цель изобретения - повышение точности за счет устранения влияния облучающих сигналов на жидкость. По-иному выполненный низкочастотный излучатель (в виде цилиндра) наряду с высокочастотным излучателем создают в локальной области среды амплитудно-мо- дулированные колебания. По коэффициенту модуляции судят о концентрации. 2 ил.