Устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости

(9 5 601 Й 29/ ОБРЕТЕН О ЛЬСТВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ С(56) Авторское свидетельство СССРМ 725014, кл. 6 01 й 29/02, 1978.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯКОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНОГО ГАЗА ВЖИДКОСТИ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано дляопределения концентрации пристеночныхпузырьков газа в жидкости. Цель изобретения - повышение точности измерения засчет устранения влияния отраженного отграницы 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.вым входом измерителя 16 расстояния 1, 50второй вход которого соединен с выходом генератора 9 видеоимпульсов. Выход измерителя 16 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. 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 первыйключ 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 второйключ 6 соединен с входом второго усилителя 7 мощности, Первый и второй входы акустического матричного решеточного пьеэопреобразователя 8 соединены соответственно с первым выходом коммутатора4 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, управляющийвход которого соединен с выходом элемента 10 задержки. Сигнальный вход регистрирующего прибора 14 (например, любого осциллографа) соединен с выходом третьего ключа 13, а синхронизирующий вход егосоединен с выходом генератора 9 видеоимпульсов, Входусилителя-формирователя 15 соединен с вторым выходом коммутатора 4 приема-передачи, а выход соединен с пер 5 10 15 2025303540 Пузырек газа в жидкости является нелинейным рассеивателем и резонансная частота 1 о пузырька однозначно связана с его радиусом. При облучении пузырька акустическими сигналами с частотами 1 и 12, 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 (т 1-12), амплитуда которого определяется близостью разностной частоты к о и однозначно связана с радиусом пузырька, При (11-12) = 1 о 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 10, 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 гидро- машин, 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, = (Л 1/2)1 ф п, эави 16635295 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сящими от глубины места или расстояния до поверхности раздела двух сред 1, длины Л 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 г 1. Если радиус озвученного на поверхности границы раздела двух сред диска равен г 2, 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 1 до лоцируемой границы раздела двух сред определяется расстояние до лоцируемой границы раздела двух сред, При этом на выходе измерителя 16 обаразуется сигнал с уровнем, прямо пропорциональным расстоянию 1, 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 г 1 и кольца с радиусами г 1 и сг 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 1 до границы раздела = гг /Л- приги = 2, так как Л = С/Г-, получаем закон для изменения частоты Е = С 1/гг от расстоянияг1, и следовательно, для изменения наготы одного из генераторов 12 = 11-С 1/гР, по которому следует изменять частоту управляемого напряжением генератора гармонических колебаний 12 при изменении расстояния 1, Для повышения точности определения расстояния до лоцируемой поверхности раздела двух сред 1 лоцирование производится на волнах излучения, Высококачественные волны отражаются от кромки границы раэдела. С повышением точности определения расстояния 1 с большей эффективностью будет 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 г 1 и кольца с радиусом г и г 2, следовательно, тем точнее по уровню рассеянного приграничными пузырьками сигнала возможно определение их кон центрации.Устройство работает следующим образом.Непрерывные гармонические колебания с частотами 11 и 12 с выходов генераторов 1 и 6 гармонических колебаний поступают на сигнальные входы первого 2 и второго 6 ключей, на управляющие входы которых поступают видеоимпульсы И 1 с выхода генератора 9 видеоимпульсов. На выходах ключей 2 и 6 формируются радиоимпульсы И 2,ИЗ. которые усиливаются усилителями 3 и 7 мощности и излучаются (радиоимпульс И 2 подается на первый вход акустического пьезопреобрэзователя 8 через коммутатор 4 приема-передачи) в исследуемую жидкость акустическим пьезопреобразователем 8. В результате нелинейного взаимодействия волн накачки в среде образуются волны с частотой Г =1-12. Отразившись от границы раздела двух сред, эхо-сигнэлы разностной частоты принимаются широкополосным приемным пьезопреобразовэтелем 11. усиливаются и селектируются в пересраиваемом селективном усилителе 12 и в виде сигнала И 4 поступают на вход третьего ключа 13, управляемого задержанным на время тд сигналом И 5 с выхода элемента 10 задержки. С помощью третьего ключа 13 из всего эхосигнала И 4 выделяется временной интервал с эхо-сигналом И 6 от границы раздела двух сред находящимися около нее пристеночными пузырьками, который регистрируется. Эхо-сигналы от границы раздела двух средс одной из частот 11 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 1,на второй вход которого подается видеосигнал с выхода генератора 9 видеоимпульсов И 1, На выходе измерителя 16 формируется постоянное напряжение, пропорциональное измеряемому расстоянию, которое после усиления поступает нэ управляющие входы управляемого напряжением генера 1663529тора 5 гармонических колебаний и перестраиваемого напряжения селективного усилителя 12, В результате чего частота генерируемых колебаний управляемым генератором 5 гармонических колебанийизменяется в соответствии с законом 12 = 11 С 1/г 2 гаким образом, что несмотря на изменение расстояния до лоцируемой границы раздела двух сред озвученный дискна 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 г 1 и кольца с радиусом г 1 "; г 2 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 расстояниемзондирующего сигнала на приграничных пузырьках газа, Таким образом, по уровню регистрируемых сигналов возможно определение концентрации пристеночных пузырьков газа в жидкости. На фиг, 4приведены спектральные диаграммы, поясняющие работу формирователя сигналов накачки устройства, Пусть, например, волны разностной частоты с частотой Г на расстоянии от границы раздела двух сред 11 20 образуют на плоскости этой границы дискФренеля с радиусом г 2. С ростом расстояния Ь 1 в соответствии с законом РС 1/г растет частота Р, а так как Г = 1 Й 1,где 1 = сопэт, то 1 2 должна увеличиваться 35и, наоборот, с уменьшением расстояния 1211 частота колебаний управляемого напряжением. генератора 5 гармонических колебаний 12 должна уменьшаться,Для примера приведем оценки излучаемых частот и расстояний до границы раздела сред, на примере лоцирования.газовыхпузырьков, например, в кильватерной струенаводного транспортного средства, резонансные частоты и размеры которых (радиусы) 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 50вода/воздух,На частоте 20 кГц средняя частота диапазона) длина волны разностной частоты вводе составляет Х= С/ Й= 1500/20 10 =з0,075 м, радиус второй зоны Френеля на 55этой частоте составляет с=:Ы 2) п =0,075 Ш/2 ч 2 =1,86 м,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 пуз ы рько в.Формула изобретения Устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости, содержащее 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.1663529Составитель Л. Кондрыкинскаядэктор О. Спесивых Техред М.Моргентал Корректор Э. Лончаков Заказ 2262 Тираж 392 Подписное 8 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1