Устройство для определения распределения газовых пузырьков по размерам Советский патент 1992 года по МПК G01N29/02 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, предназначено для определения в реальном масштабе времени распределения газовых пузырьков по размерам и может быть использовано в технике кавитационных качеств гидромашин, в океанологических исследованиях и других задачах прикладной гидродинамики.

Известно устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости, содержащее кварцевый генератор гармонических колебаний, три усилителя-ограничителя, два делителя частоты, умножитель частоты, фильтр низких частот, два усилителя мощности, три акустических преобразователя, два селективных усилителя, измеритель разности фаз, регистрирующий прибор, в котором по фазовому сдвигу, обусловленному различной скоростью распрост- ранения акустических сигналов с различными частотами в жидкости с пузырьками газа, определяется содержание свободного газа в жидкости.

VJ о

СП 4 О СЛ

Недостатком аналога является то, что с его помощью возможно определение только общего газосодержания в газожидкостной среде и не возможно определение распределения газовых пузырьков по размерам, которое необходимо знать в ряде случаев, например, для оптимизации кави- тационных качеств гидромашин или энергетической эффективности параметрических излучателей звука.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для определения параметров газожидкостных сред, содержащее генератор видеоимпульсов, формирователь ступенчатого напряжения, пять формирователей прямоугольных импульсов, два формирователя пилообразных импульсов, два компаратора, регистратор, два кварцевых генератора, две схемы задержки, управляемый генератор гармонических колебаний, коммутатор, амплитудный модулятор, четыре импульсных модулятора, генератор колебаний, три усилителя мощности, блок выборки-хранения, три фокусирующих излучателя, перестраиваемый селективный усилитель, амплитудный детектор, приемный преобразователь. С помощьюпрототипавозможнопоследовательное в течение нескольких посылок определение распределения газовых пузырьков по размерам за счет одновременного облучения исследуемой газожидкостной среды, находящейся в общей фокальной области фокусирующих излучателей, сфокусированными волнами с частотами fi и f2, частота одной из которых дискретно изменяется от посылки к посылке в широком диапазоне частот, и регистрации уровней рассеянных газовыми пузырьками сигналов разностных 4acTOT(fi-f2), несущих информацию о концентрации газовых пузырьков в широком диапазоне из радиусов, резонансных изменяющейся разностной частоте зондирующих сигналов.

Недостатком прототипа является то, что с его помощью в данный момент времени возможно определение концентрации газовых пузырьков лишь одного размера (радиуса), резонансного разностной частоте зондирующих сигналов. С помощью прототипа, как и аналога, в одно и то же время невозможно определение концентрации газовых пузырьков различных размеров (радиусов), т.е. невозможно определение распределения газовых пузырьков по размерам в один и тот же момент времени, и, следовательно, невозможно одновременное точное определение общего газосодер- жания в жидкости, вычисляемого

суммированием концентраций газовых пузырьков различных размеров, поскольку известно, что распределение газовых пузырьков по размерам в результате их коагуляции непрерывно изменяется во времени. Целью изобретения является повышение точности измерения газосодержания.

Это достигается за счет одновременного определения распределения газовых пу0 зырьков по размерам, что достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные генератор, модулятор, усилитель мощности и акустический излучатель, последовательно соединенные синх5 ронизатор, схему задержки и первый формирователь прямоугольных импульсов, акустический приемник, блок выборки-хранения, второй модулятор, второй формирователь прямоугольных импульсов,

0 подключенный входом к выходу синхронизатора, и регистратор, введены полосовой фильтр, включенный между выходом генератора и первым входом первого модулятора, первый многоканальный усилитель,

5 включенный между выходом первого модулятора и информационным входом блока выборки-хранения, последовательно соединенные второй многоканальный усилитель, выход которого связан с выходом второго

0 модулятора, и многоканальный вычитающий блок, второй вход которого подключен к выходу блока выборки-хранения, а выход - к регистратору, выход первого формирователя прямоугольных импульсов соединен с

5 управляющим входом блока выборки-хранения и со вторым входом второго модулятора, вход которого подключен к выходу акустического приемника, выход второго формирователя прямоугольных импульсов

0 связан со вторым входом первого модулятора, а генератор выполнен в виде генератора белого шума.

Возможность достижения цели изобретения обусловлена следующими теоретиче5 скими выводами. Как отмечалось, знание распределения газовых пузырьков по их размерам необходимо в ряде случаев. Так, например, по концентрации и распределению газовых пузырьков в кильватерных

0 струях судов возможно определение типа судна, его скорости хода, возраста следа, т.е. времени, прошедшего с момента прохождения судна в исследуемой точке акватории до момента обнаружения

5 кильватерного следа и т. п. Особенно важна такая информация для объектов, находящихся в подводном состоянии Например, резонансные размеры (радиусы) пузырьков, находящихся в кильватерной струе (следе) судна находятся в интервале 0,0008-0,107

см, что соответствует резонансным частотам зондирующих сигналов от 40 до 3 кГц.

Для определения распределения газовых пузырьков по их радиусам в таком широком интервале размеров пузырьков необходимо использовать широкополосный зондирующий сигнал.

В заявляемом устройстве в качестве такого широкополосного зондирующего акустического излучения используется шумовое излучение, при этом ширина полосы излучаемых шумовых сигналов выбирается из конкретных требований к необходимой полосе исследуемых резонансных частот пузырьков и задается с помощью введенного полосового фильтра, или, что одно и то же, из конкретных требований к исследуемому интервалу размеров (резонансных зондирующим частотам радиусов) газовых пузырьков. Так в выше приведенном примере достаточно излучить так называемый белый шум с частотным спектром в диапазоне от 3 до 40 кГц, чтобы по величине затухания спектральных составляющих из этого частотного диапазона, обус- ловленного распространением их в газожидкостной среде, можно было судить о концентрации газовых пузырьков, резонансных этим спектральным составляющим, т.е. о распределении газовых пузырьков по размерам, и, следовательно, об общем газосодержании в исследуемом диапазоне размеров пузырьков, вычисляемом суммированием концентраций газовых пузырьков всех размеров, входящих в этот диапазон, в данный момент времени. При этом точность определения общего газосодержания в трубуемом диапазоне размеров пузырьков повышается за счет одновременного определения распределения газовых пузырьков по размерам, поскольку известно, что распределение газовых пузырьков по размерам в результате коагуляции непрерывно изменяется во времени.

Для достижения поставленной цели в заявляемое устройство введены генератор белого шума, спектр которого имеет характер сплошного, непрерывного и безграничного по частоте, полосовой фильтр, ограничивающий частотный спектр белого шума исходя из конкретных требований к необходимой полосе частот исследуемого диапазона резонанрных частот (размеров) газовых пузырьков. Первый импульсный модулятор формирует радиоимпульсы с шумовым заполнением с требуемой полосой частот с необходимой длительностью и скважностью, задаваемой синхроимпульсами, формируемыми на выходе синхронизатора. Импульсный режим работы устройства с большой скважностью зондирующих сигналов выбирается с целью обеспечения минимального воздействия зондирующего

акустического поля на структуру исследуемой газожидкостной среды, поскольку при этом уменьшаются процессы самовоздействия акустических сигналов в жидкости с пу- зырьками газа, коагуляции пузырьков,

0 самопросветления газожидкостной среды под воздействием распространяющихся в ней акустических сигналов, что также повышает точность определения газосодержания в исследуемой среде. При

5 распространении в среде с газовыми пузырьками излучаемого акустического шумового сигнала, состоящего, например, из п частотных компонент, в результате рассеяния на газовых пузырьках происходит их

0 затухание на резонансных этим п частотным компонентам пузырьках.

По величине затухания на каждой из п частотных компонент Кп, регистрируемого многоканальным регистратором, с по5 мощью, например, тарировочной кривой (u(Rn)) вычисляются концентрации пузырьков u(Rn) с радиусами Rn, резонансными этим п частотным компонентам, т.е. определяется распределение газовых пу0 зырьков по размерам в исследуемой газожидкостной среде.

Затухание звуковых колебаний на каждой из частотных компонент шумового сигнала в заявляемом устройстве

5 определяется как разность, вычисляемая с помощью введенного многоканального вычитающего блока, уровней сигналов, прошедших одно и то же расстояние между акустическими излучателем и приемником,

0 в обезгаженной жидкости и в жидкости с исследуемыми газовыми пузырьками. При этом уровни вычитаемых сигналов, состоящих из п частотных компонент, прошедших через жидкость с исследуемыми газовыми

5 пузырьками, формируются непосредственно на выходах введенного второго многоканального селективного усилителя.

Уровни сигналов, из которых происходит вычитание, состоящие из п частотных

0 компонент, прошедших через обезгажен- ную жидкость, формируются в результате предварительной калибровки устройства в обезгаженной жидкости на выходах введенного первого многоканального селективно5 го усилителя. Предварительная калибровка коэффициентов передачи (коэффициентов усиления) первого многоканального усилителя заключается в следующем. Перед измерением распределения газовых пузырьков по размерам излучающий и приемный преобразователи устройства помещаются в обезгаженную жидкость, при этом измеряются и регистрируются уровни сигналов на выходах многоканального усилите- ля. Затем, подбирая коэффициенты передачи каждого из селективных усилителей в первом многоканальном усилителе (аналогичном второму), добиваются равенства уровней сигналов на выходах соответствующих усилителей, о чем свидетельствуют нулевые уровни на выходах многоканального вычитающего блока.

После калибровки устройство позволяет определять распределение газовых пузырьков по размерам в исследуемой газожидкостной среде, при этом на выходах многоканального вычитающего блока формируются сигналы с уровнями пропорциональными коэффициентам затухания каждой из п частотных компонент шумового сигнала, т.е. сигналы, уровни которых несут информацию о концентрации газовых пузырьков, резонансных каждой из п частотных компонент излучаемого шумового сигнала. Поскольку излучаемый и принимаемый сигналы разнесены друг от друга во времени, то для осуществления операции вычитания уровни сигналов, снимаемые с выходов первого многоканального усилителя, запоминаются в многоканальном блоке выборки-хранения. Для устранения различного рода акустических помех, электрических наводок и т.п., т.е. для повышения точности измерений принимаемые сигналы стробируются во времени с помощью второго импульсного модулятора, первого формирователя прямоугольных импульсов и схемы задержки.

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

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 белого шума, полосовой фильтр 2, модулятор 3, усилитель 4 мощности, и акустический излучатель 5, последовательно соединенные синхронизатор 6, схему 7 задержки и формирователь 8 прямоугольных импульсов, акустический приемник 9, блок 10 выборки-хранения, модулятор 11, первый вход которого соединен с выходом акустического приемник 9, а второй вход - с выходом формирователя 8 прямоугольных импульсов и входом блока 10 выборки-хранения, формирователь 12 прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом синхронизатора 6, а выход - с вторым входом модулятора 3, регистратор 13, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора 6, многоканальный усилитель 14, вход которого

соединен с выходом модулятора 3, а выход - с информационным входом блока 10 выборки-хранения, многоканальный усилитель 15, вход которого соединен с выходом

модулятора 11, а выход - с первым входом многоканального вычитающего блока 16, второй вход которого соединен с выходом блока 10 выборки-хранения, выход блока 16 соединен с входом регистратора 13.

Устройство работает следующим образом. Непрерывный шумовой сигнал с выхода генератора 1 белого шума, спектр которого имеет характер сплошного, непрерывного и безграничного по частоте, поступает на вход полосового фильтра 2, на выходе которого. формируется шумовой сигнал с требуемой шириной спектра, который поступает на сигнальный вход модулятора 3, на выходе которого формируются

радиоимпульсы с требуемой длительностью и скважностью, которые усиливаются усилителем 4 мощности и излучаются в исследуемую среду акустическим излучателем 5. Синхронизируют работу всего устройства

синхроимпульсы И1, формируемые на выходе синхронизатора 6, задними фронтами которых запускается схема 7 задержки, на выходе которой формируются видеоимпульсы длительностью Т30бстр И2, задними

фронтами которых запускается формирователь 8 прямоугольных импульсов, на выходе формируются видеоимпульсы ИЗ длительностью тстр, участвующие в временной селекции принимаемых сигналов с

целью повышения точности измерений за счет устранения различного рода акустических помех и электрических наводок.

Задними фронтами синхроимпульсов И1 запускается также формирователь 12

прямоугольных импульсов, на выходе которого формируются видеоимпульсы И4 с необходимой длительностью rrt и скважностью, под воздествием которых на выходе модулятора 3 формируются радиоимпульсы И5 с шумовым заполнением. При распространении в исследуемой среде с газовыми пузырьками излучаемого акустического шумового сигнала, состоящего из п частотных компонент в результате рассеяния на газовых пузырьках происходит их затухание главным образом на резонансных этим п частотным компонентам пузырьках. Ослабленный газовыми пузырьками шумовой сигнал принимается широкополосным приемным преобразователем 9, стробируется во времени модулятором 11, с выхода которого в виде сигнала И6 поступает на сигнальный вход многоканального усилителя 15.

Отселектированные по частоте, например, в п третьоктавных частотных полосах, выпрямленные и осредненные в пределах длительности зондирующего импульса сигналы I/I7 V (на временных диаграммах изображен один из п сигналов, образующихся на выходах многоканального усилителя 15, на что указывает индекс п в верхней части символа) поступают для вычитания на первые входы многоканального вычитающего блока 16(, на вторых входах которого уже присутствуют сигнал И8П, уровни которых соответствуют уровням сигналов, образующихся при прохождении исходного зондирующего шумового сигнала через обезгаженную жидкость в результате предварительно произведенной калибровки коэффициентов передачи многоканального усилителя 14.

Для осуществления операции вычитания двух сигналов, разнесенных во времени, Отселектированные в п третьоктавных частотных полосах с помощью многоканального усилителя 14, выпрямленные и осредненные в пределах длительности зондирующего импульса тп сигналы запоминаются в многоканальном блоке 10 выборки-хранения, с выходов которого в виде сигналов И8 поступают на соответствующие вторые входы многоканального вычитающего блока 16. На выходах блока 16 формируются сигналы с уровнями пропорциональными коэффициентам затухания звуковых колебаний на каждой из п частотных компонент шумового сигнала, т.е. сигналы уровни которых несут информацию о концентрации газовых пузырьков, резонансных каждой их п частотных компонент излучаемого шумового сигнала, которые регистрируются многоканальным регистратором 13, синхронизируемым синхроимпульсами И1,

Перед излучением очередного зондирующего сигнала задними фронтами видеоим- пульсов ИЗ запоминаемая блоком 10 выборки-хранения информации сбрасывается в результате чего блок 10 подготавливается к очередному циклу своей работы. По величине затухания на каждой из п частотных компонент, регистрируемого регистратором 13, с помощью тарировоч- ной кривой вычисляется концентрация газовых пузырьков с радиусами резонансными этим частотным компонентам, т.е. определяется в один и тот же момент времени распределение газовых пузырьков по размерам в исследуемой газожидкостной среде, что повышает точность определения

общего газосодержания в требуемом диапазоне размеров пузырьков.

Использование новых элементов: полосового фильтра, двух многоканальных усилителей, многоканального вычитающего блока, выгодно отличает предлагаемое устройство от прототипа, поскольку появляется возможность повышения точности определения общего газосодержания в тре0 буемом диапазоне размеров газовых пузырьков за счет одновременного определения распределения газовых пузырьков по размерам. Знание общего газосодержания в исследуемом диапазоне

5 размеров пузырьков, а также распределения пузырьков по их размерам позволяет судить, например, о типе судна, его скорости, времени, прошедшем с момента прохождения судна в исследуемой точке

0 акватории до момента обнаружения его кильватерного слева и т п Народнохозяйственное значение от использования заявляемого устройства не ограничивается только возросшими возможностями классифика5 ции того или иного объекта по его кильватерному или гидродинамическому следу, а также контролем за исправностью газопроводов, проложенных по морскому дну, поскольку определение распределения

0 газовых пузырьков по размерам только в области исследования кавитационных качеств гидромашин позволило бы уточнить методики определения кавитационных качеств гидромашин (гидротурбин, гребных

5 винтов, насосов и т.п.), что позволило бы увеличить эффективность их работы, позволило бы предсказать кавитационные качества рабочих жидкостей, а значит, и влиять на характер и интенсивность различных техно0 логических процессов, что ведет к сокращению длительности технологических процессов и увеличению выпуска продукции.

Формула изобретения

5

Устройство для определения распределения газовых пузырьков по размерам, содержащее последовательно соединенные генератор, модулятор, усилитель мощности

0 и акустический излучатель, последовательно соединенные синхронизатор схему задержки и первый формирователь прямоугольных импульсов, акустический приемник, блок выборки-хранения, второй

5 модулятор, второй формирователь прямоугольных импульсов, подключенный входом к выходу синхронизатора, и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено полосовым фильтром, включенным между выходом

генератора и первым входом первого модулятора, первым многоканальным усилителем, включенным между выходом первого модулятора и информационным входом блока выборки-хранения, и последовательно соединенными вторым многоканальным усилителем,вход которого связан с выходом второго модулятора, и многоканальным вычитающим блоком, второй вход которого подключен к выходу блока выборки-хранения, а выход - к регистратору, выход первого формирователя прямоугольных импульсов соединен с управляющим входом блока выборки-хранения и с вторым входом второго модулятора, вход которого подключен к выходу акустического приемника, выход второго формирователя прямоугольных импульсов связан с вторым входом первого модулятора, а генератор выполнен в виде

генератора белого шума.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, предназначено для ни определения распределения газовых пузырьков по размерам и может быть использовано в технике кавитационных качеств гидромашин, в океанологических исследованиях и других задачах прикладной гидродинамики. Целью изобретения является повышение точности определения газосодержания в требуемом диапазоне размеров пузырьков за счет излучения в исследуемую жидкость с газовыми пузырьками широкополосного шумового сигнала, формируемого с помощью вновь введенных генератора белого шума и полосового фильтра, и одновременного определения распределения газовых пузырьков по размерам, вычисляемого с помощью вновь введенных многоканального вычитающего блока и двух многоканальных усилителей по величинам затухания спектральных составляющих излучаемого шумового сигнала, обусловленного рассеянием на резонансных этим спектральным составляющим газовых пузырька/. 2 ил. СО

IJ A/

ш

.JL

ЪЛ

I - . ига

щ

I Г - -Ј,