Способ диагностики технологических процессов в суперкавитационных аппаратах Советский патент 1993 года по МПК G01N29/02 

СО

С

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при гидродинамических исследованиях параметров суперкавитационных (СК) аппаратов. Целью изобретения является повышение информативности диагностирования зэ счет определения наряду с наличием кавитации режима работы СК-аппарата. В способе диагностирования наличие кавитации опреде- ляют по интегральной интенсивности принятых колебаний, а режим работы - по зависимости вероятностного распределения амплитуд принятых колебаний. В качестве информативного параметра этой зависимости используют соотношение моль/М0 и средней амплитуды Um. 3 ил.

Изобретение относится к мвмеритель- ной технике и может быть использовано для пуско-наладочных работ систем автоматического регулирования и при гидродинамических исследованиях параметров СК-аппаратов (суперкавитационных аппаратов).

Целью изобретения является повышение информативности диагностирования технологических процессов за счет определения режима работы СК-аппаратов.

На фиг.1 приведена кавитационная характеристика СК-аппэрата; на фиг.2 - графики зависимости вероятностного распределения амплитуд принятого сигнала для разных режимов; на фиг.2 - блок-схема устройства, реализующего способ диагностирования СК-аппарата.

Устройство содержит последовательно соединенные виброакустический преобразователь 1. усилитель 2. фильтр 3, квадратор

4, интегратор 5 и компаратор 6, многоканальный амплитудный анализатор из N пороговых амплитудных селекторов 7, 8, 9, подключенных к ним счетчиков 10, 11, 12, соединенных с выходами счетчиков сумматора 13 и вычислительного блока 14, дополнительным входом соединенного с выходом сумматора 13, последовательно соединенные коммутатор 15 и функциональный преобразователь 16, выходы которого являются выходом устройства, а входы коммутатора 15 соединены с выходами компаратора 6 и вычислительного бмока 14.

Способ диагностики технологических процессов в СК-аппаратах осуществляют следующим образом.

В СК-аппарате при возникновении кавитации на конце каверны образуется область кавитационных пузырьчов, которые схлопывзются. При этом, в микрообъемах

00

ю о о ел о

выделяются большие энергии. Возникающие при этом импульсы звукового давления имеют частотный спектр от единицы герц до величин порядка одного МГц. Звуковые колебания, излучаемые хвостовой кавитаци- онной областью каверны, передаются по жидкости в трубе, как по волноводу, а также воспринимаются стенкой корпуса СК-аппа- рата и вызывают ее колебания. Таким образом, устанавливая пьезоэлектрический (акустический) датчик в поток жидкости или же на стенку рабочего участка СК-аппарата, можно регистрировать параметры области схлопывания кавитационных пузырьков. Следовательно, регистрируя акустические или вибрационные колебания технологической среды или конструкции СК-аппарата можно судить о наличии или отсутствии каверны в рабочем участке СК-аппарата.

В начале осуществляется выбор кавита- ционной области (глубо) по пороговому уровню интегральной интенсивности звуковых колебаний генерируемых каверной. Ка- витационная характеристика СК-аппарата приведена на фиг.1. Эта зависимость интег- ральной интенсивности звуковых колебаний от давления в аппарате при скорости потока 6„ м/с. При давлениях, близких к атмосферному (участок В С), имеют место турбулентные потоки, которые генерируют незначительный уровень звуковых колебаний. На участке АВ имеет место кавитация. В окрестностях точки В интегральная интенсивность кавитационных колебаний скачком возрастает (более чем в 5-7 раз). И далее, по мере снижения давления в рабочем участке СК-аппарата, интегральная интенсивность нарастает по закону:

I - 10 при Р Ро и I В(Ро-Р) при Р Ро ,

где В и п - определяемые экспериментально коэффициенты.

Область II (фиг.1) является кавитацион- ной характеристикой СК-аппарата.

Таким образом, на первом этапе диагностирования определяется, соответствует ли режим СК-аппарата области II или нет. Для этого измеряется интегральная интенсивность и, если она превышает пороговый уровень 1о, то режим СК-аппарата соответствует области II.

На втором этапе диагностирования осуществляется точный выбор оптимального режима СК-аппарата. Это осуществляется квантованием энергетических уровней виброакустических колебаний путем двухпоро- говой амплитудной селекции по N уровням и измерением числа импульсов по каждому энергетическому уровню. Затем

сигналы по всем уровням суммируются и вычисляется вероятностное распределение амплитуд виброакустических колебаний путем определения числа импульсов 1-го уровня к суммарному числу импульсов. Определяют режим СК-аппарата по возможно большей интегральной интенсивности кавитационных колебаний при условии, что центр группирования (мода) в вероятностном распределении занимает определенную область, определяемую требуемым (заданным) технологическим эффектом.

Первый этап - определение наличия (возникновение) кавитации, осуществляется следующими операциями:

Вместо акустического датчика для реализации способа можно использовать пьезоэлектрические вибродатчики. Датчик такого типа устанавливается в том же месте (в конце рабочего участка СК-аппарата) только на наружной стороне. По сравнению с акустическим вибродатчик более прост в применении, не требует демонтажа части СК-аппарата. В качестве вибродатчика в одном варианте применялся серийный датчик

Д 13, а в другом - Д 23. Датчик Д 13 имеет нормированную частотную область 10 кГц, не может регистрировать сигналы до 20- 30 кГц. Коэффициент преобразования 25 мВ с /м. Для Д 23 нормированная частот- ная область до 50 кГц, но регистрирует более широкую частотную область, Коэффициент преобразования 0,1 мВ с2/м. Датчик Д 13 при скоростях потока 4-7 м/с в рабочем участка генерирует переменное напряже- ние с амплитудой (0-100) мВ.

Звуковые колебания способны совер- шать определенную работу, так как обладают энергией. При распространении звуковой волны в трубопроводе, давление Р и колебаг тельная скорость v связаны зависимостью Р - Zv, где Z р С - удельное акустическое сопротивление, р- плотность среды, С - скорость распространения. Энергетической характеристикой звуковой волны является интенсивность, определяемая количеством энергии, переносимой звуковой волной за 1 с через площадь сечения 1 см . Таким образом, мощность излучения через площадку равна

1 -27Гс- Ар2 В 2где А и В - постоянные величины для каждой конкретной величины.

Звуковая волна, генерируемая на выходе каверны, является случайным процессом с нормальным законом распределения. Поэтому мощность звуковых колебаний, возникающих в процессе кавитации, определяется как

В

(t) / v2

1 о о

(t)dt

15

20 25 30 35

40 45 0

5

где Т - время интегрирования.

Таким образом, на выходе интегратора 5 формируется сигнал Ср, пропорциональный мощности звуковых колебаний, генерируемых каверной.

В экспериментальном образце, реализующем предлагаемый способ, схема квадрата и интегратора выполнена следующим образом. Она содержит последовательно соединенные первый масштабный преобразователь (Ки 6), пиковый детектор с закрытым входом (постоянная времени г- 10с), второй масштабный преобразователь (Ки 20), повторитель, термопреобразователь, дифференциальный усилитель. Фактически электрический сигнал квадратируется и интегрируется с помощью термопреобразователя ТВБ-3, остальные элементы схемы сервисные и согласующие. Точноесьвтакой схемы определяется в основном метрологическими характеристиками ТВБ-3. Масштабные преобразователи, повторитель, дифференциальный усилитель выполнены на микросхемах КР 140 УД 8. Выходной сигнал схемы (напряжение постоянного тока) составляет (0-2) В при выходном сигнале датчика (0-100) В.

Вывод: При выполнении первого этапа можно определить наличие или отсутствие кавитации в СК-аппарате и варьируя параметрами СК-аппарата определить всюобласть II. Компаратор 6 на выходе срабатывает только при условии, что Icp lo. Сигнал на выходе компаратора означает, что в рабочем участке СК-аппарата имеет место кавитационный процесс, отсутствие сигнала - каверны нет.

Уровень 10 для СК-аппаратов определяется экспериментально. Кроме того, приблизительно можно оценить степень развития кави- тационного процесса, т.е. проанализировать неравенство 0 1ср Imax.

Второй этап - определение оптимального режима кавитационного процесса в зависимости от требуемого технологического эффекта. Это осуществляется следующими операциями:

Как показали исследования, например, для процесса дробления твердых частиц в суспензии (зола, песок, цемент) необходимо добиться такого режима СК-аппарата, чтобы каверна генерировала звуковые колебания с максимально большой амплитудой, хотя число таких импульсов в реальных СК-аппа- ратах небольшое- 10-40% от общего числа. Для процесса аэрации необходимо брать такой режим СК-аппарата, который обеспечит получение большого количества импульсов, но с небольшой амплитудой. С учетом этих требований определяется ширина входного окна селектора по напряжению.

Исследования показали, что при соответственно выбранном режиме СК-аппарата можно получить вероятностное распределение амплитуд импульсов звуковых колебаний.

показанное на фиг.2а. Это распределение характеризуется большим количеством импульсов, но сравнительно небольшой амплитудой, Из этого распределения следует неравенство М0 От, где М0 - мода

распределения, Um-средняя амплитуда импульсов спектра колебаний. Этот режим характерен, например, для процесса аэрации. На фиг.2б показано другое распределение. Оно,,хаоактеоизуется зависимостью

.35Um;

При таком режиме СК-аппарата можно получить технологический эффект типа дробление твердых частиц, асептирование биологических объектов. Характер распределения амплитуд импульсов зависит не только от давления и скорости потока, но и конструкции кавитатора. Например, более эффективный режим можно получить применяя вращающуюся турбинку в качестве

кавитатора. Так на фиг.2в показано распределение, характеризующее режим аэрации, а на фиг.2г - процесс дробления или обеззараживания. Вероятностное распределение (фиг.2г) показывает, что СК-аппарат рабртает в оптимальном режиме, здесь М0 Um и составляет М0 1,62 Um. Этот режим является более жестким, чем в случае, указанном на фиг.2б. Из анализа таких распределений, полученных при исследовании проточных СКаппаратов, можно сделать вывод, что для получения необходимого технологического эффекта необходимо условие:

40

1, 1,95Um.

Исследуя зависимость вероятностного распределения амплитуд звуковых колебаний, можно утверждать, что максимальную интегральную интенсивность можно пол5 учить: при большом количестве импульсов с малой амплитудой или при малом количестве импульсов, но с большой амплитудой.

0 Оптимальный режим СК-аппарата определяется двумя факторами: что существует кавитация, т.е. СК-аппарат работает в области II (фиг.1), и что центр группирования амплитуд в полученном распределении со5 ответствует заданному, который определяется видом требуемого технологического эффекта. Эта операция реализуется таким образом. С выхода вычислительного блока 14, выполняющего построение распределения, сигналы поступают на коммутатор, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора канала интенсиметра. Если СК-аппарат работает в области (1-й (фиг.1), то на выходе компаратора есть сигнал, который открывает коммутатор. Тогда сигналы через коммутатор 15 поступают на вход функционального преобразователя 16, который определяет моду М0 и реализует один из выше указанных алгоритмов: М0 Um или 1,25 От Мо 1,95 Um. Сигнал на выходе устройства показывает, что СК:ап- парат работает в оптимальном режиме.

Формула изобретения Способ диагностики технологических процессов в суперкавитационных аппаратах, заключающийся в том, что принимают

G/77H.

единицы

0,2 0,4 0t6 ff,8 Pfrfr/CM) Давление Spfffovett Фиг./

0

виброакустические колебания, генерируемые каверной, измеряют интегральную интенсивность принятых колебаний, по которой судят о наличии кавитации, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности за счет определения режима работы суперкавитационных аппаратов, измеряют амплитуду принятых колебаний, регистрируют зависимость вероятностного распределения амплитуд принятого сигнала, определяют моду М0 распределения амплитуд колебаний и среднюю амплитуду Um колебаний и по соотношению М0 Um определяют режим, соответствующий режиму аэрации, а по соотношению 1,25Um М0

1,95 Um процессу дробления твердых .

2 4 U У IM

i He

Фиг. 2

15

вы.

«мк-х-зза is {//A

-TЈr

фиг.З