Устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения концентрации пристеночных пузырьков газа в жидкости. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет устранения влияния отраженного от границы раздела сред сигнала. Акустическим матричным решеточным пьезопреобразователем 8 излучают разностную частоту, определяемую двумя генераторами 1 и 5 гармонических колебаний. Отраженный сигнал на частоте одного из генераторов несет информацию о расстоянии до границы раздела сред. Измеренное расстояние управляет частотой генератора 5 гармонических колебаний так, чтобы при данной разностной частоте и расстоянии на границе раздела сред укладывались две зоны в виде колец Френеля, противоположные по фазе. Эхо-сигнал при этом минимален и поэтому сигнал с пьезоприемника 12 несет информацию о концентрации газа в жидкости без погрешности отражения. 4 ил.

1663529 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 и 29/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4706014/28 (22) 05.05.89 (46) 15,07.91. Бюл. hh 26 (75) Ю.И. Кабарухин (53) 620.179.16 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 725014, кл. G 01 N29/02,,1978. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНОГО ГАЗА В

ЖИДКОСТИ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения концентрации пристеночных пузырьков газа в жидкости. Цель изобретения — повышение точности измерения за счет устранения влияния отраженного от границы раздела сред сигнала, Акустическим матричным решеточным пьезопреобразователем 8 излучают разностную частоту, определяемую двумя генераторами 1 и 5 гармонических колебаний. Отраженный сигнал на частоте одного из генераторов несет информацию о расстоянии до границы раздела сред, Измеренное расстояние управляет частотой генератора 5 гармонических колебаний так, чтобы при данной разностной частоте и расстоянии на границе раздела сред укладывались две зоны в виде колец

Френеля, противоположные по фазе. Эхосигнал при этом минимален и поэтому сигнал с пьезоприемника 12 несет информацию о концентрации газа в жидкости без погрешности отражения, 4 ил.

1663529

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в технике кавитационных гидромашин для определения концентрации пристеночных пузырьков газа в жидкости. Цель изобретения — повышение точности измерения за счет устранения влияния отраженного от границы раздела сред сигнала, На фиг.1 показано, каким образом формируется эхо-сигнал от поверхности раздела двух сред, если на озвученном диске укладываются две зоны Френеля; на фиг.2 — структурная схема устройства; на фиг,З и

4 — спектральные и временые диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство для определения концентрации пристеночных пузырьков газа в жидкости содержит генератор 1 гармонических колебаний, выход которого через первый ключ 2 соединен с входом первого усилителя 3 мощности, выход которого соединен с входом коммутатора 4 приема-передачи, Выход управляемого напряжения генератора 5 гармонических. колебаний через второй ключ 6 соединен с входом второго усилителя 7 мощности. Первый и второй входы акустического матричного решеточного пьеэопреобразователя 8 соединены соответственно с первым выходом коммутатора

4 приема-передачи и с выходом второго усилителя 7 мощности. Выход генератора 9 видеоимпульсов соединен с управляющими входами первого 2 и второго 6 ключей и с входом элемента 10 задержки. Выход широкополосного приемного пьезопреобразователя 11 соединен с сигнальным входом перестраиваемого селективного усилителя

12, выход которого соединен с сигнальным. входом третьего ключа 13, управляющий вход которого соединен с выходом элемента 10 задержки. Сигнальный вход регистрирующего прибора 14 (например, любого осциллографа) соединен с выходом третьего ключа 13, а синхронизирующий вход его соединен с выходом генератора 9 видеоимпульсов. Входусилителя-формирователя 15 соединен с вторым выходом коммутатора 4 приема-передачи, а выход соединен с пер5

40 вым входом измерителя 16 расстояния 1, 50 второй вход которого соединен с выходом генератора 9 видеоимпульсов. Выход измерителя i6 соединен через усилитель 17 постоянного тока с управляющими входами управляемого генератора 5 гармонических колебаний и перестраиваемого напряжением селективного усилителя 12.

Известно, что по уровню рассеянного газовыми пузырьками сигнала определяют концентрацию свободного газа в жидкости.

Пузырек газа в жидкости является нелинейным рассеивателем и резонансная частота

fo пузырька однозначно связана с его радиусом. При облучении пузырька акустическими сигналами с частотами f> и fg, которые формируются с помощью генератора 1 гармонических колебаний, управляемого генератора 5 гармонических колебаний и двух ключей 2 и 6 в силу его нелинейности формируется излучение на разностной частоте (f<-f ), амплитуда которого определяется близостью разностной частоты к fo и однозначно связана с радиусом пузырька. При (f<-fz) = fo уровень рассеянного пузырьком излучения максимален. Поскольку пузырек газа в жидкости из-за большей сжимаемости обладает большим коэффициентом нелинейности, чем рассеиватели другой природы, то регистрируемый на разностной частоте уровень рассеянного излучения обуславливается только наличием в жидкости пузырьков с резонансной частотой fo, соответствующей некоторому фиксированному радиусу пузырька, т,е. концентрацией газовых пузырьков, резонансных разностной частоте излучаемых акустических сигналов. Так определяется концентрация свободного газа в жидкости в условиях свободного поля, т,е. при отсутствии каких-либо препятствий для распространения зондирующих акустических сигналов в исследуемой жидкости. В целом ряде практически важных случаев, например, для оптимизации кавитационных качеств гидромашин, для определения возраста следов кильватерных струй судов, по которому определяют время, прошедшее с момента прохождения судна в данном месте до момента обнаружения его кильватерного следа и т.д„ необходимо знать концентрацию пристеночных или приграничных пузырьков газа в жидкости (так, в приведенных примерах

"стеной", т,е. границей раздела двух сред являются: вода-металл, вода-воздух). В таких случаях уровни сигналов, отраженных от поверхности границы раздела двух сред как правило превышают уровни сигналов, рассеянных непосредственно пристеночными (приграничными) газовыми пузырьками. Устройство позволяет выделить и зарегистрировать сигналы, рассеянные газовыми пузырьками, которые находятся в приграничной области и уровни которых несут информацию о концентрации свободного газа в приграничной жидкости, Как известно, при падении и отражении сферической волны от поверхности раздела двух сред (например, вода-дно, вода-воздух) имеют место "фазовые зоны" или "зоны Френеля", т.е. зоны в виде колец с радиусами г, = (Л1/2)Р n, эави1663529

10

50

55 сящими от глубины места или расстояния до поверхности раздела двух сред I, длины А волны разностной частоты и номера п коль- . ца и фаза отраженного сигнала, от которых имеет одинаковый знак. Максимальную величину имеет эхо-сигнал от первого диска радиусом r>. Если радиус озвученного на поверхности границы раздела двух сред диска равен г, то вклад в эхо-сигнал дают первая и вторая зоны Френеля, имеющие противоположные фазовые знаки, и эхосигнал уменьшается практически до нуля, поскольку площади образующихся фазовых колец Френеля равны между собой. Далее по мере увеличения радиуса озвученного диска и учета все новых и новых зон следует чередование максимумов и минимумов отраженного сигнала. В устройстве с помощью измерителя 16 расстояния до лоцируемой границы раздела двух сред определяется расстояние до лоцируемой границы раздела двух сред, При этом на выходе измерителя f6 обаразуется сигнал с уровнем, прямо пропорциональным расстоянию

I, который, усиливаясь в усилителе 17, изменяет частоту сигналов генератора 5, чтобы несмотря на изменение расстояния до лоцируемой поверхности раздела двух сред с пристеночными (приграничными) пузырьками газа, образующимися в результате нелинейного взаимодействия излучаемых сигналов, на озвученном волнами разностной частоты, диске всегда укладывались бы первые две зоны Френеля. В этом случае за счет сложения эхо-сигналов с противоположными фазами от диска с радиусом г1 и кольца с радиусами r> и r2 (см.фиг,1) (площади фазовых зон Френеля, в данном случае диска и кольца, равны) получается минимальный уровень эхо-сигнала от границы раздела двух сред. В результате чего практически весь вклад в суммарный эхо-сигнал (от границы раздела и от приграничных пузырьков) будет обусловлен расстоянием зондирующего сигнала на приграничных пузырьках газа. Из приведенной формулы расстояние I до границы раздела I = rz /А- при г

n = 2, так как il. = С/F-, получаем закон для изменения частоты F = CI/rz от расстояния г

I, и следовательно, для изменения. наготы одного из генераторов fz = f1-CI/ãã, по которому следует изменять частоту управляемого напряжением генератора гармонических колебаний fz при изменении расстояния I, Для повышения точности определения расстояния до лоцируемой поверхности раздела двух сред I лоцирование производится на волнах излучения, Высококачественные волны отражаются от кромки границы раэдела. С повышением точности определения расстояния1с большей эффективностью byдет выполняться условие поддержания заданного радиуса диска Френеля нэ озвученной поверхности раздела двух сред, тем полнее будут компенсировать друг друга эхо-сигналы от диска с радиусом ri u кольца с радиусом r> и г2, следовательно, тем точнее по уровню рассеянного приграничными пузырьками сигнала возможно onределение их кон центрации.

Устройство работает следующим образом.

Непрерывные гармонические колебания с частотами fi u fz с выходов генераторов 1 и 6 гармонических колебаний поступают на сигнальные входы первого 2 и второго 6 ключей, на управляющие входы которых поступают видеоимпульсы И1 с выхода генератора 9 видеоимпульсов. На выходах ключей 2 и 6 формируются радиоимпульсы И2,ИЗ. которые усиливаются усилителями 3 и 7 мощности и излучаются (радиоимпульс И2 подается на первый вход акустического пьезопреобразователя 8 через коммутатор 4 приема-передачи) в исследуемую жидкость акустическим пьезопреобразователем 8. В результате нелинейного взаимодействия волн накачки в среде образуются волны с частотой F = fi-fz.

Отразившись от границы раздела двух сред, эхо-сигналы разностной частоты принимаются широкополосным приемным пьезопреобразователем 11. усиливаются и селектируются в перестраиваемом селективном усилителе 12 и в виде сигнала И4 поступают на вход третьего ключа 13, управляемого задержанным на время тэ,д сигналом И5 с выхода элемента 10 задержки. С помощью третьего ключа 13 из всего эхосигнала И4 выделяется временной интервал с эхо-сигналом И6 от границы раздела двух сред находящимися около нее пристеночными пузырьками, который регистрируется.

Эхо-сигналы от границы раздела двух сред с одной из частот f< принимаются акустическим пьезопреобразователем 8, который нэ время между посылками подключается с помощью коммутатора 4 приема-передачи на вход усилителя-формирователя 15. Усиленный и выпрямленный сигнал подается нэ первый вход измерителя 16 расстояния It, на второй вход которого подается видеосигнал с выхода генератора 9 видеоимпульсов

И1. На выходе измерителя 16 формируется постоянное напряжение, пропорциональное измеряемому расстоянию, которое после усиления поступает нэ управляющие входы управляемого напряжением генера1663529 тора 5 гармонических колебаний и перестраиваемого напряжения селективного усилителя 12, В результате чего частота генерируемых колебаний управляемым генератором 5 гармонических колебаний изменяется в соответствии с законом

fz = f «CI lã гаким образом, что несмотря на изменение расстояния до лоцируемой границы раздела двух сред I озвученный диск на поверхности границы раздела двух сред состоял из двух равных по площади зон

Френеля. В этом случае за счет сложения эхо-сигналов с противоположными фазами от диска с радиусом r> и кольца с радиусом

r>:.:; гр эхо-сигнал разностной частоты, обусловленный отражением от лоцируемой границы раздела двух сред, практически отсутствует и весь вклад в суммарный эхосигнал (от границы раздела и от приграничных пузырьков) обусловлен расстоянием зондирующего сигнала на приграничных пузырьках газа. Таким образом, по уровню регистрируемых сигналов возможно определение концентрации пристеночных пузырьков газа в жидкости. На фиг. 4 приведены спектральные диаграммы, поясняющие работу формирователя сигналов накачки устройства. Пусть, например, волны разностной частоты с частотой Р на расстоянии от границы раздела двух сред I<

20 образуют на плоскости этой границы диск

Френеля с радиусом гг. С ростом расстояния Ь > I1 в соответствии с законом Р

CI/ã растет частота F, a так как Г = 1Й1, где ft = coast, то f г должна увеличиваться 35 и, наоборот, с уменьшением расстояния Iz<

I> частота колебаний управляемого напряжением.генератора 5 гармонических колебаний f g должна уменьшаться.

Для примера приведем оценки излучае- 40 мых частот и расстояний до границы раздела сред, на примере лоцирования.газовых пузырьков, например, в кильватерной струе наводного транспортного средства, резонансные частоты и размеры которых (ради- 45 усы) составляют соответственно 3-40 кГц, 0,008-0,107 см. Лоцирование, например, проводится с помощью устройства, находящегося на глубине 50 м; при этом реализуется отражение от границы раздела 50 вода/воздух.

На частоте 20 кГц (средняя частота диапазона) длина волны разностной частоты в воде составляет Х = С/ Й = 1500/20. 10 = з

0,075 м, радиус второй зоны Френеля на 55 этой частоте составляет

rz =- (kh/2) п = 0,075 "О/2 v2 =1.80 и.

Это означает, что на озвученном диске поверхности раздела двух сред радиусом

1,86 м укладываются две зоны Френеля, эхо-сигналы от которых на этой частоте 20 кГц противофазны, в результате чего эхосигнал, обусловленный отражением от озвученного диска на границе вода-воздух, практически отсутствует, и уровень регистрируемого эхо-сигнала практически полностью обусловлен расстоянием сигнала разностной частоты 20 кГц пузырьками резонансными этой частоте, При этом частота излучаемых сигналов может составлять, например, 160 и 180 кГц, Диапазон рабочих разностных частот известного параметрического гидролокатора с такими же частотами сигналов, составляет 1-50 кГц, что полностью перекрывает диапазон резонансных частот пузырьков.

Формула изобретения

Устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости, содержа "цее последовательно соединенные генератор видеоимпульсов, первый ключ, первый усилитель мощности и пьезопреобразователь. первый генератор гармонических колебаний, подключенный к второму входу первого ключа, последовательно соединенные второй генератор гармонических колебаний, второй ключ, второй вход которого связан с выходом генератора видеоимпульсов, и второй усилитель мощности, последовательно соединенные элемент задержки, вход которого связан с выходом генератора видеоимпульсов, третий ключ и регистратор и последовательно соединенные приемный пьезопреобразователь и селективный усилитель, выход которого подключен к второму входу третьего ключа, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено последовательно соединенными коммутатором приема-передачи, включенным между выходом первого усилителя мощности и входом пьезопреобразователя, усилителем-формирователем, измерителем расстояния и усилителем постоянного тока, выход которого подключен к управляющим входам второго генератора гармонических колебаний и селективного усилителя, пьезопреобразователь выполнен матричным решеточным, а выход генератора видеоимпульсов подключен к регистратору.

1663529

1663529

tt4E

Составитель Л. Кондрыкинская

Редактор О. Спесивых Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Э. Лончакова

Заказ 2262 Тираж 392 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101