Устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости Советский патент 1981 года по МПК G01N29/02 

(54) УСТРОЙСТЮ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

СВОБОДНОГО ГАЗА В жидкск;ти

. . -. 1 -. . ..

Изобветеиие относится к контрольно-измерительным приборам и мсжет быть использовано для контроля малых концентраций свободного газа в жидкостях, преимущественно в открытых водоемах.

Известно устройство для определения концентрации свободного газд в жидкости, содержащее гидрофон, два излучателя, два генератора, два счетчика, форкмрователь, генератор синхроимпульсов, измеритель времен:ных интервалов и два селективных усилителя i .

.Работа устройства основана На однократном прозвучиванйн жидкости акустическими колебаниями на двух частотах и измерении времени запаздывания HH3KO4acfoTHoro сигнала относительно высокочастотного.

Недостатком известного. уст йства .является низкая точность измерения. . Наиболее близким по технический сущности к описываемому является . устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости, содержащее гидрофон, два излучателя, два генератора, два счетчика, четыре схема совпадения, два мультивибратора, генератор синхроимпульсов, фазовргицатель, два селективных усилителя и измеритель временных интервалов C2j .

Измерение концентрации свободного газа с помощью этого устройства обладает недостаточной точностью и помехозащищённостью, обусловленными тем, что переизлучение и измерение времени запаздывания низкочастотного сигнала относительно высокочастотно10го осуществляется по переднему фронту первого периода акустических коле.баний, аьошитуда которого из-за инерционности преобразователей довольно мала. Малая амплитуда первого периода колебаний не позволяет обеспечить на выходе селективного усилителя большую крутизну низкочастотного сигнала, что .приводит к появлению неучтенной системати 1еской сшибки измере20ния и к снижению помехоза(1и1Щенности. Кроме того, из-за явления послезвучанйя колебательный процесс в преобразователях не прекращается сразу ч после отключения электрического сиг25нала возбуждения. А это приводит к тому, что фаза принятого переизлучеи-. ного низкочастотного сигнала определяется не только фазой электричес кого сигнала возбуждения, но ампли30 .тудой и фазой остаточных механических колебаний s преобразователях, что также создает дополнительные погрешности измерения.

Целью изобретения является повышение точности и помехозащищенности процесса измерения.

Поставленная цель достигаетсятем, что известное устройство, содержащее первый гидрофон, подключенный к входу первого селективного усилителя, один из которых подключен к выходу генератора высокочастотных колебаний, а другой - к первому выходу генератора низкочастотных колебаНИИ, второй селективный усилитель, измеритель временных интервалов, подключенный через первую и третью схемы совпадения к выходам селективных усилителей, вторую схему совпгщения, первый вход которой подключен к выходу первого селективного усилителя, а выход - к входу генератора высокочастотных колебаний и через мультивибратор задержки - к первому входу счетчика, выход которого подключен к вторым входам первых трех схем совпадения, четзертую схему совпадения, фазовращатель и генератор синхроимпульсов, дополнительно снабжено вторым гидрофоном, усилителем-ограиичителей, фазовьол детектором, ограничителем амплитуды, форкшрователем, блоком автоматической перестройки частоты, триггером блокировки и диодом, причем второй гидрофон подключе к входу второго селективного усилителя, его выход через усилительограничитель подключен к первому входу фазового детектора, второй вход которого через ограничитель ёи«плитуд подключен к выходу фазовращателя, а выход через блок автоматической перестройки частоты-к входу генератора иизкочастотных колебаний, второй выход которого подключен к входу фазовращателя, а третий - к входу формирователя, выход формирователя подключен к первому входу четвертой схемы срвпадения, второй вход которой через триггер блокировки подключен к генератору синхроимпульсов, 1ФИ этом выход четвертой cifettti совпадения подключен к второму входу счетчика, к третьему входу измерителя временных интервалов, к второму входу триггера блокировки и через диод-к выходу второй совпадения.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - иапряжений, поясияющие его работу.

Устройство содержит погруженные в жидкость 1 два гидрофона 2 и 3, два излучателя 4 и 5, установленные на одинаковом расстоянии от гидрофонов, генератор высокочастотных колебаний 6, генератор низкочастоттлх колебаний 7, форишрователь 8, четыре схемы совпадения 9, 10, 11 и 12,

триггер блокировки 13, измеритель временных интервалов 14, счетчик 15, мультивибратор задержки 16,фазовращатель 17, ограничитель амплитуды 18,фазвый детектор 19 ,усилитель-ограничитв л 20, блок автоматической перестройки частоты 21, геяератор синхроимпульсов 22, два селективных усилителя 23 и 24.

Устройство работает следующим . образом.

Генератор низкочастотных колебаНИИ 7 вырабатывает непрерывные гармонические колебания, которые подводятся к погруженному в исследуемую жидкость 1 излучателю 4 (фиг. 2, эпюра 1) . Частота этих колебаний подбирается таким образом, чтобы между излучателем 4 и гидрофоном 3. укладывалось целое число К длин волн низкочастотных колебаний. При этом врем пробега 1ц низкочастотными колебаниями из14ерительной базы будет равно н Тц (Тц - период низкочастотных колебаний). Формирователь 8 синхронно с нулевой фазой низкочастотных колебаний формирует остроконечные импульсы (эпюра 2), которые подводятся к схеме совпадения 12, sakрытой в исходном состоянии.

Генератор :инхроимпульсов 22 периодически одиноч1 ые импульсы (эпюра 3), под воздействием которых триггер блокировки 13 перебрасывается в другое устойчивое состояние. Образупцийся при этом перепад напряжения (эпюра 4) открывает схему совпадения 12

Першяй же остроконечный импульс, прошедишй через схему совпадения 12, сбрасывает показания измерителя временных интервалов 14 и счетчика 15, запускает генератор высокочастот шх колебаний 6 (эпюра 6) и вовращает триггер блокировки 13 в исходное состояние, злксхывгт тем самым схему совпадени:я 12.

Через мультивибратор 16 импульс подводятся также к второму входу счетчика 15, который.подсчитывает копичест вр излученных высокочастотШ4Х импульсов. Время задержки t мультивибратора (эпюра 7) выбирается нескол.ько меньшим времени распространения ультразвукоалх сигналов от излучателя: до гидрофона. ЗадержантЛ мультивибратором импульс вызывае на выходе счетчика Д5 перепад напряжения . (эпюра 8), который переводит схемы совпадения 9 и 11 в закрытое состояние а схему совпадения 10 в открытое состояние.

Таким образом, излучение высокочастотного импульса пронэвсдит :я сиихронно с нулевой фазой низкочастотных колебаний. Время пробега высокочастотным импульсом измерительной базы t|) будет меньше времени пробега низкочастотными колебаниями ц на величину t, определяемую концентрацией свободного газа в жидкоети (эпюра 10), Селективные усилители 23 и 24 обеспечивают необходимое усиление, селекцию и формирование принятых гидрофонами 2 и 3 высокочастотных и низкочастотных колебаний Принятые высокочастотные колебани (импульс 1 на эпюре 10) через OTKE тую схему совпадений 10 подаются на вход генератора высокочастотных коле баний 6, обеспечивая его повторный запуск, но уже со сдвигом на t относительно нулевой фазы низкочастотных колебаний. На гидрофон 2 повторно излученный высокочастотный импульс приходит уже со сдвигом на 2At (импульс 2 на эпюрах 6 и 10) относительно нулевой фазы низкочастотных колебаний. Принятым, импульсом 2 вновь производится - переизлучение высокочастотного сигиала и т.д. После п излучений сдвиг между принятым высокочастотным п-импульсом и нулевой фазой низкочастотных колебаний будет составлять At,, n-ut Емкость счетчика 15 выбирается таким образом, чтобы при излучении п-го импульса на выходе счетчика вырабат вался перепад напряжения (эпюра 8), которым схема совпадения. 10 закрывается, а схемы совпадения 9 и 11 открываются. Принятые гидрофонами 2 и 3 и сформированные усилителями 23 и 24 низкочастотные и высокочастотные колебания через открывшиеся cxei«i совпадения 9 и,11 поступают на входы измерителя временных интервалов 14 йзмерякяцего сукв арный временной сдви высокочастотных колебаний относитель но нулевой фазы низкочастотных коЯе баний за п излучений (эпюры 11 и 12) для получения истинного времени запаздывания. Необходимо измеренное вр ся разделить на п. В реальных условиях температура Т i соленость S и давление Р., а следовательно, и скорость звука исследуемой жидкости могут меняться в шн-г роких пределах. Для исключения влияния этих факторов на результаты измерения частота, низкочастотных ультразвуковых колебаний в устройстве в процессаизмерения автоматически перестраивается таким образом, чтобы между излучателем 4 и гидрофоном 3 всегда укладывалось целое число К &пин волн при любых значениях .. Т, S и Р. Перестройку частоты осуществляет 1блок 21 автоматической перестройки частоты, на вход которого подается управляющее напряжение с выхода фазового детектора 19. Величина и - . знак управляющего напряжения пропорциональны величине и знаку фаз.ового сдвига между электрическими сигналами на гидрофоне 3 и излучателе 4. Для преобразования фазового сдвига в управляющее напряжение на один вход фазового детектора с выхода селективного усилителя 24 через усилитель-ограничитель 20 подаются нормализованные по амплитуде колебания, совпадающие по фазе с электрическими колебаниями на гидрофоне 3. На другой вход фазового детектора через фазовращатель 17 и ограничитель амплитуды 18 подаются нормализованные по амплитуде, но сдвинутые по фазе электрические колебания от генератора низкочастотных колебаний 7. . Сдвиг по фазе в фазовращателе 17 устанавливается предварительно и выбирается таким, чтобы при выполнении условия tn К Тц сдвиг фаз между нормализованными сигналами, подаваемыми на входы фазового детектора 19, был равным 90. В этом случае напряжение на выходе детектора будет равно нулю. ПРУ изменении скорости звука в жидкости фазовый сдвиг между нормёшизованными сигналами уже будет отличаться от 90 и на выходе фазового детектора появится управляющее напряжение, величина изнак которого будут определяться величиной и знаком фазового сдвига между нормализованными сигналами. Под воздействием этого напряжения блок 11 автоматической перестройки частоты перестраивает частоту гене-, ратора 7 до тех пор, пока время пробега измерительной базы низкочастотными колебаниями не станет равным К T. При этом управляющее напряжение становится равным нулю и перестройка частоты прекращается. Концентрация свободного газа в жидкости ЧГц определяется по времени эапаздыв.ания t низкочастотного сигнала относительно высокочастотного с помощью Тарировочной кривой f-(At) или непосредственно по формуле.. Таким образом, введение в устройство дополнительных элементов, обеспечивающих работу генератора низко-, частотных колебаний в непрерывном режиме с автоматической перестройкой частота, позволяет повысить амплитуду акуртических колебаний и исключить остаточные механические колебания, KOTOiMie влияют на фазу принятого перёизлученного сигнала при к пульсиом возбуждении преобразователей, а следовательно, существенно помесить тоЧЕйость и помехозащищениость процесса измерения. Формула изобретения Устройство для определения конценрации свободногб газа в жидкости. содержащее первый гидрофон, подключенный к входу первого селективного усилителя, два излучателя, один из которых подключен к выходу тора высокочастотных колебаний, а. другой - к первому выходу генератора низкочастотных колебаний, второй селективный усилитель, измеритель временных интервалов, подключенный чере первую ri третью схемы совпадения к в ходам селективных усилителей, вторую схему совпадения, первый вход которо подключен к выходу первого селективного усилителя, а выход подключен к входу генератора высокочастотных колебаний и через мультивибратор задержки - к первому входу счетчика, выход которого подключен к вторым входам первых трех схем совпадения, четвертую схему совпадения, фазовращатель и генератор синхроимпульсов, о т. я и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и помехозащищенности измерений,оно снабжено вторым гидрофоном, усилителем-ограни чителем, фазовым детектором, ограничителем амплитуды, форьшрователем, блоком автоматической перестройки частоты, триггером блокировки и диодом, причем второй гидрофон подкл чен к входу второго селективного усилителя, его выход через усилительограничитель подключен к первоА4у входу фазового детектора, второй вход которого.через ограничитель амплитуды подключен к выходу фазовращателя, а выход через блок автоматической перестройки частоты - к входу генератора низкочастотных колебаний, второй выход которого подключен к входу фазовращателя, а третий - к входу формирователя, выход формирователя подключен к первому входу четвертой схемы совпадения, второй вход которой через триггер блокировки подключен к генератору синхроимпульсов, при этом выход: четвертой схемд совпадения подключен к второму входу счетчика, к третьему входу измерителя временных интервалов, к второму входу триггера блокировки и через диод - к выходу второй схемы совпадения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 575559, кл. 6 01 N 29/02, 1976. 2.Авторское свидетельство CCiCP 672985, кл. G 01 N 29/02, 1977 (прототип)..