(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНОГО ГАЗА В ЖИДКОСТИ Изобретение относится к ультразвуковой контрольно-измерительной техники и может быть использовано для контроля малых концентраций свободного газа, преимущественно в открытых водоемах. Известны акустические способы измерения концентрации свободного газа в жидкости, основанные на использовании зависимости скорости звука .от концентрации свободного газа Ги . По этим способам по времени пробега звуковыми колебаниями измерите ной базы последовательно измеряется скорость звука Сн в исследуемой жидкости и скорость звука С в специально приготавливаемой пробе жидкости, например, путем обезгаживани не содержгицей пузырьков газа. Концентрация свободного газа находится по тарировочной кривой, построенной с использованием известных аналитических соотношений. Недостатками этих способов явля ются большая трудоемкость процесса измерения из-за обезгаживания жидкости, большие погрешности при изм рении в средах с быстроменяющимися параметрами (температурой, д,влени
и-
ВПТ5
ем, соленостью) , которые снижают также ичувствительность метода. Ближайшим к изобретению по сущности технического решения является способ определения концентрации свободного прозвучивания исследуемой среды на двух частотах, выбранных ниже и выше резонансных частот пузырьков свободного газа в жидкости, и регистрации времени пробега измерительной базы акустическими колебаниями ВЫСОКОЙ частоты L2 . Однако и этот способ измерения облетает недостаточной чувствительностью и точностью измерения (особенно При измерении малых концентраций) , обусловленными нижеследующими обстоятельствами. Согласно зависимости, положенной в основу способа, уменьшение концентрации свободного газа приводит к соответствующему уменьшению времени запаздывания Д1 низкочастотного сигнала относительно высокочастотного. Приочень малых концентрациях 7 10 , которые характерны для естественных водоемов морей, рек, и т.д.), время запаздывания At становится настолько малым, что его измерение ограничивается разрешающей способнсютью (чувствительностью) c -iiiccTByiowux измерителей временных нтсрвалов, а тгакже уровнем различ иых помех, которые создают большие относительные флуктуации At, снижая тем самым точность измерения. Целью изобретения является повыш ние чувствительности и точности измерения. Это достигается тем, что по пред лагаемому способу в исследуемую сре ду низкочастотные гармонические колебания излучают в непрерывном режи ме, изменяют их длину волны до вели чины, при которой измерительной баз соответствует целое число волн этих колебаний, а высокочастотный импуль излучают синхронно с соответствующе фазой низкочастотных колебаний, в момент приема высокочастотного импу са каждый раз проиаводят его переиз чение, измеряют временной сдвиг меж принятым п-ы.м высокочастотным импул CON: и выбранной фазой принятых высокочастотных колебаний, а концентр цию if/ свободного газа в жидкости о ределяют по формуле 7 - ( utf, /п. A.d2 где п - число излученных высокочастотных импульсов; д t - временной сдвиг между приня тым п-ым высокочастотным импульсом и выбранной фазой принятых низкочастотных колебаний; d - длина измерительной базы; t - время пробега измерительной базы акустическими колебаниями высо кой частоты (высокочастотным импул сом) ; А - константа , зависящая от рода жидкости. На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - эпюры сигналов . В исследуемую среду излучаются непрерывные низкочастотные гармонические колебания (эпюра а). Частоту этих колебаний подбирают таким обра зом, чтобы на длине измерительной базы (расстояние между излучающим и приемныг.1 преобразователем) укладыва лось целое число К длин волн низкочастотных колебаний (эпюра в). В этом случае время пробега t// низкочастотными колебаниями измерительной базы будет равно tH К-Тм, где К 1; Тм - период Н1г кочастотных колебаний. Далее синхронно с нулевой фазой (в дальнеиг:;ем изложении под нулевой фазой понимается фаза кратная 2:: низкочастотных колебаьГий излучают высокочастотный импульс (эпюра б). Время пробега высокочастотным импул сом измерительной Оозы будет меньше времени t на величину й1 , определяемой концентрацией свободного газа в жидкости (эпюра г ) В момент приема высокочастотного импульса производят его переизлучение (импульс I I на эпюре б), Переизлучение высокочастотного ультразвукового импульса производится уже не одновременно (синхронно с нулевой фазой низкочастотных колебаний, а со сдвигом на лty (фиг.2). На приемный гидрофон переизлученный импульс приходит уже со сдвигом не /ity , а (импульс I I на эпюре г) . Принятый импульс II вновь переизлучается и т.д. После излучений высокочастотного импульса временной сдвиг между принятым высокочастотным импульсом и нулевой фазой принятых низкочастотных колебаний будет составлять д й1 . Таким образом, излучение в исследуемую жидкостъ непрерывных гармонических низкочастотных колебаний, час тота которых подбирается из вышеуказанных условий, и Многократные пере излучения высокочастотного импульса синхронно с определенной фазой низкочастотных колебаний и с моментом появления приемных импульсов позволяют увеличить истинное время запаздывания низкочастотного сигнгла относительно высокочастотного в п раз, что равносильно увеличению чувствительности или длины измерительной базы в п раз. После п излучений высокочастотных импульсов измеряют временной сдвиг л t/; между принятым п-ым высокочастотным импульсом и нулевой фазой принятых низкочастотных колебаний и по формуле определяют концентрацию свободного газа в жидкости. Для вычислений можно воспользоваться формулой из flj , позволяющей по результатам замера скоростей звука в дегазированной Сд и-исследуемой CH жидкостях определить концентрацию свободного газа -(1) При выборе высокой частоты f f любого пузырька (fe - резонансная частота пузырька) скорость звука на высокой частоте Cg - С , что позволяет в формуле (1) вместо Ср подставить измеренное значение С| f2Ji. С учетом этого, а также для удобства практической реализации и вычислений преобразуем формулу (1) к виду Т /- d/te-d/t, г г w - V А c/c d /tjc/ /t , (tH-tg){t tg} (Ztg ut) ( {n A.Ti &. - n A-,
- длина измерительной базы; - время пробега звуковой волной низкой частоты измерительной базы;
- время пробега звуковой волной высокой частоты измири.тельной базы;
g время запаздывания низкочастотного сигнала относительно высокочастотного;
At;
А константа, зависящая от рода жидкости;
число излученных ультразвуковых высокочастотных импульсов ;
измеренное по способу время
t. запаздывания низкочастотного сигнала относительно высокочастотного.
Кроме увеличения чувствительности данный способ измерения позволяет существенно повысить и точность измерения за.счет .снижения флуктуации Д1 обусловленных влиянием различных помех на прием низкочастотного сигнала Во-первых, использование непрерывного сигнала позволяет повысить отношение сигнал/шум, по сравнению с импульсным методом измерения, так как в последнем случае получению большой амплитуды первого периода акустических колебаний, по которому определяется время ut, препятствует инерционность ультразвуковых преобразователей. Во-вторых, даже при одинаковых абсолютных значениях флуктуации приемного сигнала ошибка при определении времени At данным способом оказывается в п раз меньше, чем при импульсном однократном измерении.
Устройство содержит погруженные в исследуемую жидкость 1 излучатели 2 И 3, гидрофоны 4 и 5, генераторы низкочастотных 6 и высокочастотных 7 колебаний, счетчик 8, пусковую кнопку 9, триггер 10, селективные усилители-формирователи 11 и 12, переключ тель 13, схему 14 блокировки, осциллограф 15 и измеритель 16 временных интервалов. Гидрофоны установлены на одинаковом расстоянии от излучателей Устройство работает следующим образом.
Генератор 6 с перестраиваемой частотой вырабатывает непрерывные гармо йческие электрические колебания низкой частоты, которые подводятся к излучателю 2. Путем регулировки частоты добиваются, чтобы на длине измерительной базы уложилось целое число длин волн низкочастотных колебаний. Правильность установки частоты контролируется по экрану двухлучевого осциллографа 15 по совпадению фаз излучаемых и принимаемых колебаний. Синхронно с началом каждого положительного полупериода колебаний генератор б вырабатывает также импульсы, которые поступают на один из входов триггера 10, удерживая его в одном устойчивом .состоянии . При нажатии пусковой кнопки 9 триггер 10 перебрасы вается в другое устойчивое состояние, однако первым же импульсом от генератора 6 он возвращается в исходное состояние. Образующийся при этом перепад напряжения запускает генератор 7 высокочастотных колебаний,
0 вырабатывающий одиночный радиоимпульс, который подводится к излучателю 3. Кроме того, генератор 7 высокочастотных колебаний вырабатывает также и видеоимпульс,который подво5дится к измерителю 16 временных тервалов (для сброса показаний от предыдущих измерений) и счетчику 8 (для подсчета числа излучаемых импульсов) . После усиления, селекции И формирования селективным усилите0лем-формирователем 11 принятый высокочастотный импульс непосредственно подается на измеритель 16 временных Интервалов.
Принятые низкочастотные колебания
5 усилителем-формирователем 12 преобразуются в короткие импульсы синхронизированные с началом каждого положительного полупериода низкочастотных колебаний. Эти импульсы подаются
0 на второй вход измерителя 16 временных интервалов через схему 14 блоKHpOBicjf, которая открывается принятым высокочастотным импульсом и закрывается принятыми низкочастотны5ми импульсами.
Принятый высокочастотный импульс через переключатель 13 подается на вход генератора 7 высокочастотных колебаний, обеспечивая его повторный запуск, но уже со сдвигом во
0 времени на ut относительно нулевой фазы низкочастотных колебаний. На гидрофон 5 переизлученный высокочастотный импульс приходит уже со сдвигом 2 it/ относительно нулевой фазы
5 низкочастотных колебаний. Принятым переизлученным высокочастотным импульсом вновь производится повторный запуск генератора 7 высокочастотных колебаний и т.д.
0
Измеритель 16 временных интервапов пос ледовательно измеряет временные сдвиги u.t между принятыми переизлученными высокочастотными импуль5сами и нулевой фазой принятых низкочастотных колебаний, однако результаты измерений не сохраняются, а каждый раз сбрасываются очередным переизлучаемым импульсом от тенера0гора 7.
Переизлучение высокочастотных ультразвуковых импульсов продолжается до тех пор, пока контакты переключателя 13 находятся в яа..кнутом
5 состоянии. Для прекращения повторных запусков генератора 7 контакты переключателя 13 ра-лмыкают. При этом измеритель временных интервалов измеряет суммарный временной сдвиг t между принятым п-ым высокочастотным импуль сом и нулевой фазой низкочастотных колебаний за число излучений п, которое подсчитал счетчик 8. Показания измерителя временных интервалов сохраняются до следующего принудительного запуска генератора 7 высокочастотных колебаний при помощи пус ковой кнопки 9. По измеренным значениям л t и t определяют концентрацию г свободн го газа в жидкости Формула изобретения Способ определения концентрации бодного газа в жидкости путем одновременного прозвучивания исследуемо среды акустическими колебаниями на двух частотах, выбранных ниже и выш резонансных частот пузырьков свобод ного газа в жидкости, и регистрации времени пробега измерительной базы акустическими колебаниями высокой частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения чувстви тельности и точности измерения, в исследуемую среду низкочастотные га монические колебания излучают в неп рерывном режиме, изменяют их длину волны до величины, при которой изме рительной базе соответствует число олк этих колебаний, а высокочастотый импульс излучают синхронно с сответствующей фазой низкочастотных олебаний, в момент приема высокочасотного импульса каждый раз произвоят его переизлучение, и.змеряют вреенной сдвиг между принятым п-ым ысокочастотным импульсом и выбранной азой принятых низкочастотных колебаий, а концентрацию свободного гаа в жидкости .определяют по формуле rf trf ,2 tgjt- л n A-d де n - число излученных высокочастотных импульсов; временной сдвиг между принятым п-ым высокочастотным импульсом и выбранной фазой принятых низкочастотных колебаний ; d - длина измерительной базы; t - время пробега измерительной базы акустическими колебаниями высокой частоты (высокочастотным импульсом); А - константу, зависящая от рода жидкости. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Гаврилов Л,Р. Ультразвуковой метод экспресс-анализа концентрации свободного газа в жидкостях, доклад на VI Всесоюзной акустической конференции, М. , 1968. 2,Авторское свидетельство СССР № 584421, кл. G 01 N 29/00, 1977.
/ / /
V /Л7
/ .
/ /
ozr «ua.Z
