Устройство для определения кавитационной прочности жидкостей Советский патент 1976 года по МПК G01N29/02 

Изобретение относится iK области гидроакустики и ультразвуковой техники и может быть Применено в системах регулироваяня ВЫХОДНОЙ мощности ультразвуковых генераторов, возбуждающих гидр-оа-кустические излучатели, и в устройствах для исследовалия физических свойств жидкостей.

Известны устройства для определения кавнтационной прочности жидкостей, включающие акустический излучатель, генератор, приемниК, усилитель и индикатор, основаННые на регистрации порогового значения интенсивности кавитационных шумов 1, регистрации норового значения модуляционной составляющей кавитационного сигнала 2, регистрации искажений осциллограммы цри различных акустических даВлениях 3.

Недостатком известных устройств является затруднительность установления единых критериев (Порогов измеряемой величины) для определения кавитационной прочности жидкости в различных условиях.

Наиболее по технической сущности к црбдлагаемому устройству является устройство для определения кавитационной прочности жидкостей, включающее акустический излучатель с возбуждающим зльтразвуковым генератором, приемник акустического даВлеНия, усилители и блок регистрации 1. Устройство определяет порот возникновения кавитации на основе регистрации порогового значения коэффициента нелинейных искажеНий кавитационного сигнала.

Недостатками известного устройства являются малая точность определения .момента возникновения кавитации и невозможность определения типа акустической кавитации.

Это происходит потому, что оценка коэффициента нелинейных искажений является необходимым критерием при определении .момента возникновения кавитации, ио не является достаточно точным, поскольку при возникновении кавитации коэффициент нелинейных искажений может не достигнуть заранее установленного нОрога ПО причине высОКой кавитационной проЧНости жидкости и, в Силу этого,- малого отношения уровней кавитационного сигнала и основного тона, и, наоборот, в отсутствие кавитации коэффициент нелинейных искажений может превысить установленный порог из-за большого воздухосодержания жидкости, когда имеющиеся пузырьки уже при малых уровнях основного тона будут возбуждаться на его гармониках. Ноэтому При

определении кавитационной прочности жидкостей в различных условиях необходимо устЗНавливать различные пороговые значения коэффициента нелинейных искаже-ний.

Целью изобретения является повышение точности определения момента возникновение и типа aKycTi-ijec.KOii кавлтадии за счет установ ления едивого Критерия определения кавита циОНной нроадюсти для различиых условий. Поставлениая цель достигается за счет то го, что устройство снабжено вторым ирисм НИКОМ акустического давления, расположен ным -в ближней зоне излучате.тя на расстоя нии не менее длины волны от первого прием ника, двумя усилителями - фазовращателя ми, подключенными « выходам приемников регулятором фазы, подключенным к выходам приемников, регулятором фазы, подключенным :К выходам усилителей - фазовращателей и :ко входу второго приемника, схемой вычитания, подключенной к выходам усилителей- фазовращателей, нормирующим усилителям разностного сигнала, подключенным « выходу схемы вычитания, и параллельно включенной данью, состоящей из последовательно соединенных блока полосовых фильтров гармоник основного тона с пороговой схемой газовой кавитации и блока режекторных фильтров гармоник основного тона с пороговой схемой паровой «авитации, причем вход этой цепи подключен ;К выходу нормирующего усилителя разностного сигнала, а Выход - ко входам ультразвукового генератора и блока регистрации. На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства. Устройство содержит ультразвуковой генератор 1 с манипулятором, воспринимающим команды регулирования, а кустический излучатель 2, приемники а кустического давления 3 и 4, усилители-фазовращатели 5 и 6, регулятор фазы 7, схему вычитания 8, нормирующий усилитель разностного сигнала 9 с автоматической регулировкой усиления, блок полосовых фильтров гармоник основного тона 10, блок режекторных фильтров гармоник основного тона И, пороговую схему газовой кавитации 12, пороговую схему паровой кавитации 13 и блок регистрации 14 величины порогового давления. Устройство работает следующим образом. Нарастающее во времени по заданному закону синусоидальное напряжение ультразвукового генератора 1 возбуждает акустический излучатель 2, выполненный в виде фокусирующего концентратора звукового давления. Приемники акустического давления 3 и 4 преобразуют акустический сигна л в напряжение; их выходы подключены к усилителям - фазовр ащателям 5 и 6 с блоком фазовой автоподстройки, поддерживающим разность фаз напряжений на -выходах усилителей фазовращателей при ее монотонном (медленном, «е связанном с кавитационными явлениями) изменении равной 180°. Выходы усилителей - фазовращателей 5 и 6 подключены к схеме 8 вычитания, построенной так, что сдвинутые на 180° сигналы вычитаются; в отсутствие кавитации на выходе схемы 8 вычитания будет разностный сигнал, монотонно возрастающий пропорционально величению напряжения ультразвукового генератора 1. В состав разностного сигнала, вследствие некоторого неравенства амплитуд и неточности установки разности фаз, равной 180° на основной частоте, а также нелинейных искажений в сигнале генератора 1, входят удвоенные значения четких гармонических составляющих излучаемого сигнала, а также минимизированные, но не полностью скомпенсированные сигналы основной частоты генератора 1 и ее нечетных гармоник. Монотонно нарастающий разностный сигнал с выхода схемы 8 вычитания поступает на вход нормирующего усилителя 9 с автоматической регулировкой усиления, постоянная времени которого такова, что медленное нарастание разностного сигнала на входе усил.ителя 9 не изменяет величину его выходного сигнала (сглаживается, но не усиливается). Величина разностного сигнала на выходе нор.мирующего усилителя 9 в отсутствие кавитации остается постоянной. С выхода хилителя 9 сглаженный по амплитуде сигнал разности поступает одновременно на блок 10 полосовых фильтров, настроенных на частоты гармонических составляющих излучаемого сигнала с пороговой схемой 12, и блок 11 режекторных фильтров, устраняющих сигналы на основной частоте и ее гармониках, с пороговой схемой 13. Сигнал разности проходит на выходы блоков фильтров 10 и 11, но поскольку его величина в отсутствие кавитации в силу сглаживающего действия усилителя 9 не нревышает уровня срабатывания пороговых схем 12 и 13, то сигнал, снимаемый с приемника 3, не регистрируется блоком регистрации 14. При достижении акустическим давлением критического значения в случайные моменты времени в случайных точках пространства образуются нелинейно пульсирующие полости, преобразующие энергию возбуждающего сигнала на основной частоте, в зависимости от типа кавитации, в энергию гармонических составляющих или в случайные импульсы давления. Характерной чертой начальных стадий как газовой, так и паровой кавитации, является нестационарность процесса во времени и в пространстве. При этом на выходе схемы 8 вычитания вырабатывается нестационарный разностный сигнал, спектр которого зависит от типа и стадии развития кавитации. В момент возникновения газовой кавитации нелинейные искажения сигнала существенно увеличиваются из-за формирования пузырьков с размером, близким к резонансному, по причине коагуляции и их эвакуации из зоны максимального азряжения, и на фоне монотонно увеличивающегося разностного сигнала на выходе схемы вычитания 8 появляются кратковременные более интен1сивные выбросы, которые полостью усиливаются усилителем 9 (но не глаживаются в силу их кратковременности по сравнению с постоянной времени автоматиеской регулировки усиления) и поступают на входы бло-ков 10 и 11. Даиный тип нестационарности :кави1-ационного сигнала лроявляется преимущественно в увеличении составляющих .гармонического ряда, которые выделяются блоком 10 полосовых фильтров гармонИК основной частоты и регистрируются пороговой схемой 12. При этом вырабатывается комаида регистрации порога возйикновения газовой кавитации и приостановки нарастания или выключения (если это .необходимо) напряжения на излучателе 2. При существенном развитии газовой «авитации процесс шумоизлучения ка.витационной областью .становится стационарным и при дальнейшем увеличении иаяряж-ения на излучателс 2 величина монотонно нарастающего разностного сигнала сглаживается нормирующим усилителем 9 до уровня, близкого по значению к уровню в докавитационном режиме. При возникновении паровой кавитации, характеризуемой в «ачалыных стадиях образованием сравнительно редких, случашю возникающих мощных импульсов давления длительностью норядка периода основной частоты в линейный спектр разностного сигнала добавляется сплошная компонента. Нестационарные шумы паровой кавитации выделяются нормирующим усилителем 9 «а фоне стационарных шумов развитой газовой «авитации и поступают на вход блока II фильтров, выделяющих .сплошную компоненту на фоне линейчатого спектра разностного сигнала. При пре.вышении сигналом на выходе блока 11 .поро.говой величины срабатывает пороговая схема 13 и подается команда регистрации порога возникновения паровой кавитации на блок регистрации 14 и на исполнительное устрой.ство генератора 1, с помощью которого либо предотвращается дальнейшее .нарастание напряжения на излучателе 2, либо генератор 1 отключается. Пороговая схема 13 срабатывает и производит регистрацию возникновения .паровой кавитации и в тех случаях, когда газовая кавитация отсутствует, а сразу .возникает .паровая кавитация. В этом случае признаком возникновения .паровой кавитации служит срабатывание пороговой схемы 13, в то вре.мя ка-к при одновременном существовании развитой газовой и паровой кавитации формируются сигналы как после фильтро.в 10, так и после фильтров 11. Формула изобретения Устройство для определения кавитационной прочности жидкостей, включающее акустический излучатель с возбуждающим ультразвуковым генератором, приемник акустического давления, усилители и блок регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения момента возникновения и тина акустической кавитации, оно снабжено вторым приемником акустического давления, расположенным в ближней зоне излучателя на ра.сстоянии не менее длины вол.ны от первого приемника, двумя усилителями-фазовращателями, подключенными к выхода-м приемников, регулятором фазы, подключенным к. выходам усилителей-фазовращателей и ко в.ходу второго ириемника, схемой вычитания, подключенной к выходам усилителей-фазовращателей, нормирующим усилителям разностного сигнала, подключенным к выходу схе.мы вычитания, и параллельно включенной цепью, состоящей из последовательно соединенных блока полосовых фильтров гармоник одиозного тона с пороговой схемой газовой ка витг1ции и блока режекторных фильтров гармоник основного тона с пороговой схемой паровой кавитации, причем вход этой цепи подключен к выходу нормирующего усилителя разностного сигнала, а выход - ко входа.м ультразвукового генератора ц блока регистрации. Источники информации, принятые во вни.мание при экспертизе: 1.Патент США Л 3757288, 340-5, 04.09.73. 2.Труды Акустического института. М., Выпуск Vf, 04.09.73. 3.Акустический л-;урнал, М., том IX. вып. 2, 1963, стр. 158 4.Авт. св. № 186215, В 06В 1/06, 12.09.66.