Способ определения концентрации свободного газа в жидкости

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ (11)792 1 32 а

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву— (22) 3аявлено 26с1278 (21) 2702756/18-10 с присоединением заявки М— (23) Приоритет—

Опубликовано З0.1230.Бюллетень М 48

Дата опубликования описания 30,1230 (51)М. Кл3

G 01 N 29/00

ГосударстаенныА комитет

СССР по делам нзобретеннА и открыти А (53) УДК 534.232 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Е.С. Чистяков и Ю.Г. Потехин (71) За яв и тель

Харьковский авиационный институт (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

СВОБОДНОГО ГАЗА В ЖИДКОСТИ

1О

Изобретение относится к ультразвуковой контрольно-измерительной техники и может быть использовано для контроля малых концентраций свободного газа, преимущественно 5 в открытых водоемах.

Известны акустические способы измерения концентрации свободного газа в жидкости, основанные на использовании зависимости скорости звука от концентрации свободного газа 113 .

По этим способам по времени пробега звуковыми колебаниями измерительной базы последовательно измеряет- 15 ся скорость звука Сн в исследуемой жидкости и скорость звука Со в специально приготавливаемой пробе жидкости, например, путем обезгаживания, не содержащей пузырьков газа. Концентрация свободного газа находится по тарировочной кривой, построенной с использованием известных аналитических соотношений.

Недостатками этих способов явля- 25 ются большая трудоемкость процесса измерения иэ-эа обезгаживания жидкости, большие погрешности при измерении в средах с быстроменяющимися параметрами (температурой, д-.влени,у

РЛ7Б

",1

:1

2 ем, соленостью), которые сн .жают также и чувствительность 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 пу" эырьков свободного газа в жидкости, и регистрации времени пробега измерительной базы акустическими колебаниями высокой частоты C2l .

Однако и этот способ измерения обладает 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 Дс низкочастотного сигнала относительно высокочастотного.

При очень малых концентрациях

7;„ (10, которые характерны для естественных водоемов морей, рек, и т.д.), время запаздывания ьс становится настолько малым, что его измерение ограничивается разрешающей

792132

<-.йособностью (чувствительностью) существующих измерителей временных интервалов, а также уровнем различных помех, которые создают большие относительные флуктуации Ас, снижая тем самым точность измерения.

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерения.

Это достигается тем, что по предлагаемому способу в исследуемую среду низкочастотные гармонические колебания излучают в непрерывном режиме, изменяют их длину волны до величины, при которой измерительной базе соответствует целое число волн этих колебаний, а высокочастотный импульс излучают синхронно с соответствующей фазой низкочастотных колебаний, в момент приема высокочастотного импульса каждый раз производят его переиэлучение, измеряют временной сдвиг между принятым и-ь» высокочастотным импульсом и выбранной фазой принятых высокочастотных колебаний, а концентрацию (-у свободного газа в жидкости определяют по формуле

25 у м,2t + at„/и и А 4 где n — число иэлученных высокочастотных HMIIJJJlbCOB, д с — временной сдвиг между принятым и-ым высокочастотным импульсом и выбранной фазой принятых низкочастотных колебаний;

4 — длина измерительной базы; время пробега измерительной базы акустическими колебаниями высокой частоты (нысокочастотным импульсом); константа, зависящая от рода жидкости.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 — эпюры сиrналов.

B исследуемую среду излучаются непрерывные низкочастотные гармонические колебания (эпюра а). Частоту этих колебаний подбирают таким образом, чтобы на длине измерительной базы (рас.-.-,îÿíèå между излучаю. им и приемным преобразователем) укладывалось целое число К длин волн низкочастотных колебаний (эпюра в).

B этом случае время пробега ty низкочастотными колебаниями измерительной базы будет равно н где К = 1;

Тм — период низкочастотных колебаний.

Далее синхронно с нулевой фазой (в дальней.>ем изложении под нуленой фазой понимается фаза кратная 34 низкочастотных колебаний излучают высокочастотный импульс (эпюра б).

".ремя пробега высокочастотным имгуль40

5О

40 сом измерительной базы будет меньше времени „на величину дс(, определяемой кона: нтрацией свободного газа в жидкости (эпюра г).

В момент приема высокочастотного импульса производят его переизлучение (импульс !! на эпюре б).

Переизлучение высокочастотного ультразвуконого импульса производится уже не одновременно (синхронно! с нулевой фазой низкочастотных колебаний, а со сдвигом на лt (фиг.2).

На приемный гидрофон переиэлученный импульс приходит уже со сдвигом не дС, а gt =2 -лс (импульс !! на эпю1 ре г).

Принятый импульс I вновь переизлучается и т.д. После излучений высокочастотного импульса временной сдвиг между принятым высокочастотным импульсом и нулевой фазой принятых низкочастотных колебаний будет составлять A с„=и ° a!t

Таким образом, излучение в исследуемую жидкость непрерывных гармонических низкочастотных колебаний, час тота которых подбирается из вышеуказанных условий, и многократные переизлучения высокочастотного импульса синхронно с определенной фазой низкочастотных колебаний и с моментом появления приемных импульсов позволяют унеличить истинное время запаздывания низкочастотного сигнала относительно высокочастотного в A раз, что равносильно увеличению чувствительности или длины измерительной базы н п раз.

После п излучений высокочастотных импульсов измеряют временной сдвиг at, между принятым п-ым нысокочастотным импульсом и нулевой фазой принятых низкочастотных колебаний и по формуле определяют концентрацию свободного газа в жидкости. Для вычислений можно воспользоваться формулой из !17, позволяющей по результа- там замера скоростей звука в дегази-рованной С и исследуемой Сн жидкостях определить концентрацию свободного газа (1)

/ 4 7,„.С;

При выборе высокой частоты 1 » Г(> любого пузырька (f(> — резонансная частота пузырька) скорость звука на высокой частоте С - C, что позволяет в формуле (1) вместо С, подставить измеренное значение Cg (23»

С учетом этого, а также для удобства практической реализации и вычислений преобразуем формулу (1) к виду

С/ н" я- > н и --. Ъ - ю d, d/C — — л Ф = („-l >(1„ l<> „(Л z l) л „(21 + а/ / д, Т д ., » и д.,/

792132 где d — длина измерительной базы;

t+ — время пробе га э вуко вой волной низкой частоты измерительной базы; время пробега звуковой волной высокой частоты измери,тельной базы;

Et= t - tg — время запаздывания низкочастотного сигнала относительно высокочастотного;

tH -=t8+ ht

А — константа, зависящая от рода жидкости;

n — число излученных ультразвуковых высокочастотных импульсов; дt< — измеренное по способу время 15 запаздывания низкочастотного сигнала относительно высокочастотного.

Кроме увеличения чувствительности данный способ измерения позволяет . р существенно повысить и точность измерения за.счет .снижения флуктуаций дс, 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 Dt, препятствует инерционность ультразвуковых преобразователей. Во-вторых, даже при одинаковых абсолютных значениях флуктуаций приемного сигнала ошибка при опреде- З5 лении времени bt данным способом оказывается в п раз меньше, чем при импульсном однократном измерении.

Устройство содержит погруженные в исследуемую жидкость 1 излучатели 2 gp 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, переключатель 13, схему 14 блокировки, осциллограф 15 и измеритель 16 временных интервалов. Гидрофоны установлены на одинаковом расстоянии от излучателей..

Устройство работает следующим образом.

Генератор б с перестраиваемой частотой вырабатывает непрерывные гармонические электрические колебания низкой частоты, которые подводятся к излучателю 2. Путем 55 регулировки частоты добиваются, чтобы на длине измерительной базы уложилось целое число длин волн низкочастотных колебаний. Правильность установки частоты контролируется бО по экрану двухлучевого осциллографа 15 по совпадению фаз излучаемых и принимаемых колебаний. Синхронно с началом каждого положительного полупериода колебаний генератор б вы-, Я рабатывает также импульсы, которые поступают на один из входов триггера 10, удерживая его в одном устойчивом .состоянии. При нажатии пусКоВоН 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, вырабатывающий одиночный радиаимпульс, который подводится к излучателю 3. Кроме того, генератор 7 высокочастотных колебаний вырабатывает также и видеоимпульс,который подводится к измерителю 16 временных интервалов (для сброса показаний от предыдущих измерений) и счетчику 8 (для подсчета числа излучаемых импульсов). После усиления, селекции и формирования селективным усилителем-формирователем 11 принятый высокочастотный импульс непосредственно подается на измеритель 16 временных

Чнтервалов.

Принятые низкочастотные колебания усилителем-формирователем 12 преобразуются в короткие импульсы синхронизированные с началом каждого положительного палупериада низкочастотных колебаний. Эти импульсы подаются на второй вход измерителя 16 временных интервалов через схему 14 блокировки, которая открывается принятым высокочастотным импульсом и закрывается принятыми низкочастотными импульсами.

Принятый высокочастотный импульс через переключатель 13 подается на вход генератора 7 высокочастотных колебаний, обеспечивая его повторный запуск, но уже са сдвигом во времени на дс относительно нулевой фазы низкочастотных колебаний. На гидрофон 5 переизлученный высокочастотный импульс приходит уже са сдвигом 2 zt относительно нулевой фазы низкочастотных колебаний. Принятым переизлученным высокочастотным импульсом вновь производится повторный запуск генератора 7 высокочастотных колебаний и т.д.

Измеритель 16 временных интервалов последовательно измеряет временные сдвиги 3,t между принятыми переизлученными высокочастотными импульсами и нулевой фазой принятых низкочастотных колебаний, однако результаты измерений не сохраняются, а каждый раз сбрасываются ачередным переизлучаемым импульсом ат генератора 7.

Нереизлучение высокочастотных ультразвуковых импульсов продолжается до тех пор, пока контакты переключателя 13 находятся в замкнутом состоянии.

792132

Для прекращения повторных запусков генератора 7 контакты переключателя 13 размыкают. При этом измери тель временных интервалов измеряет суммарный временной сдвиг дс между принятым и-ым высокочастотным импульсом и нулевой фазой низкочастотных колебаний за число излучений и, которое подсчитал счетчик d, Показания измерителя временных интервалов сохраняются до следующего принудительного запуска генератора 7 высокочастотных колебаний при помощи пусковой кнопки 9.

По измеренным значениям д t„ è

tg определяют концентрацию 7„, свободного газа в жидкости. 15

Формула изобретения

Способ определения концентрации сво бодного газа в жидкости путем одновременного прозвучивания исследуемой среды акустическими колебаниями на двух частотах, выбранных ниже и выше резонансных частот пузырьков свобод- 25 ного газа в жидкости, и регистрации времени пробега измерительной базы акустическими колебаниями высокой частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения чувстви- ЗО тельности и точности измерения, в исследуемую среду низкочастотные гармонические колебания излучают в непрерывном режиме, изменяют их длину волны до величины, при которой изме- З5 рительной базе соответствует число ( и число излученных высокочастотных импульсов; временной сдвиг между принятым п-ым высокочастотным импульсом и выбранной фазой принятых низкочастотных колебаний; длина измерительной базы; время пробега измерительной базы акустическими колебаниями высокой частоты (высокочастотным импульсом); константа, зависящая от рода жидкости. где и д<п

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Гаврилов Л.Р. Ультразвуковой метод экспресс-анализа концентрации свободного газа в жидкостях. Доклад на Vl Всесоюзной акустической конференции, М., 1968.

2. Авторское свидетельство СССР

9 5 8844442211, кл. G 1 N 29/00, 1977. волн этих колебаний, а высокочастотный импульс излучают синхронно с соответствующей фазой низкочастотных колебаний, в момент приема высокочастотного импульса каждый раэ производят его переизлучение, измеряют временной сдвиг между принятым п-ым высокочастотным импульсом и выбранной фазой принятых низкочастотных колебаний, а концентрацию l свободного газа в жидкости .определяют по формуле

792132 и з.2.

Составитель В. Пирогов

Редактор Т. Горячева Техред C,Ìèãóíîâà Корректор М. Вигула

Заказ 9431/42 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Тираж 1019

ВНИИПИ Грсударственного по делам изобретений

113035, Москва, Ж-35, Раушская

Подписное комитета СССР и открытий наб., д. 4/5