Способ диагностики технологических процессов в суперкавитационных аппаратах

(5)5 6 01 М 29/02 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Институт технической теплофизики АНУССР(54) СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СУПЕРКАВИТАЦИОННЫХ АППАРАТАХ Изобретение относится к ивмерительной технике и может быть использовано для пуско-наладочных работ систем автоматического регулирования и при гидродинамических исследованиях параметров СК-аппаратов (суперкавитационных аппаратов),Целью изобретения является повышение информативности диагностирования технологических процессов за счет определения режима работы СК-аппаратов.На фиг.1 приведена кавитационная характеристика СК-аппарата; на фиг.2 - графики зависимости вероятностного распределения амплитуд принятого сигнала для разных режимов; на фиг.2- блок-схема устройства, реализующего способ диагностирования СК-аппарата,Устройство содержит последовательно соединенные виброакустический преобразователь 1. усилитель 2, фильтр 3, квадраторЫ 1826056 А 1(57) Изобретение относится к измерительной технике и.может быть использовано при гидродинамических исследованиях параметров суперкавитационных (СК) аппаратов, Целью изобретения является повышение информативности диагностирования за счет определения наряду с наличием кавитации режима работы СК-аппарата. В способе диагностирования наличие кавитации определяют по интегральной интенсивности принятых колебаний, а режим работы - по зависимости вероятностного распределения амплитуд принятых колебаний. В качестве информативного параметра этой зависимости используют соотношение моль/Мо и сред йей амплитуды О. 3 ил.:4, интегратор 5 и компаратор 6, многока. нальный амплитудный анализатор из Гч пороговых амплитудных селекторов 7, 8, 9, подключенных к ним счетчиков 10, 11, 12, соединенных с выходами счетчиков сумма- о тора 13 и вычислительного блока 14, допол- Э нительным входом соединенного с выходом Ое сумматора 13, последовательно соединен- С) ные коммутатор 15 и функциональный пре- (Л образователь 16, выходы которого являются выходом устройства, а входы коммутатора 1 о соединены с выходами комоаратора 6 и вычислительного блока 14.Способ диагностики технологических процессов в СК-аппаратах осуществляют следующим образом.В СК-аппарате при возникновении кавитации на конце каверны образуется область кавитационных пУзырьков, которые схлопываются. При этом, в: микрообъемахвыделяются большие энергии, Возникающие при этом импульсы звукового давления имеют частотный спектр от единицы герц до величин порядка одного МГц. Звуковые колебания, излучаемые хвостовой кавитационной областью каверны, передаются по жидкости в трубе, как по волноводу, а также воспринимаются стенкой корпуса СК-аппа. рата и вызывают ее колебания. Таким образом, устанавливая пьезоэлектрический (акустический) датчик в поток жидкости или же на стенку рабочего участка СК-аппарата, можно регистрировать параметры области схлопывания кавитационных пузырьков, Следовательно, регистрируя акустические или вибрационные колебания технологической среды или конструкции СК-аппарата . можно судить о наличии или отсутствии каверны в рабочем участке СК-аппарата.В начале осуществляется выбор кавитационной области (глубо) по пороговому уровню интегральной интенсивности звуковых колебаний генерируемых каверной. Кавитационная характеристика СК-аппарата приведена на фиг.1. Эта зависимость интегральной интенсивности звуковых колебаний от давления в аппарате при скорости потока 6; м/с, При давлениях; близких к атмосферному (участок ВС), имеют место турбулентные потоки, которые генерируют незначительный уровень звуковых колебаний. На участке АВ имеет место кавитация. В окрестностях точки В интегральная интенсивность кавитационных колебаний скачком возрастает (более чем в 5 - 7 раз). И далее, по мере снижения давления в рабочем участке СК-аппарата, интегральная интенсивность нарастает по закону;1" 1 при РР и 1= В(Р-Р)" при РР,где В и и - определяемые экспериментально коэффициенты.Область И (фиг,1) является кавитационной характеристикой СК-аппарата,Таким образом, на первом этапе диагностирования определяется, соответствует ли режим СК-аппарата области П или нет. Для этого измеряется интегральная интенсивность и, если она превышает пороговый уровень 1 о, то режим СК-аппарата соответствует области П.На втором этапе диагностирования осуществляется точный выбор оптимального режима СК-аппарата. Это осуществляется квантованием энергетических уровней виброакустических колебаний путем двухпороговой амплитудной селекции по "Й" уровням и измерением числа импульсов по каждому энергетическому уровню, Затем. сигналы по всем уровням суммируются ивычисляется вероятностное распределение амплитуд виброакустических колебаний путем определения числа импульсов 1-го уров ня к суммарному числу импульсов.Определяют режим СК-аппарата по возможно большей интегральной интенсивности кавитационных колебаний при условии, что центр группирования (мода) в вероятност ном распределении занимает определенную область, определяемую требуемым (заданным) технологическим эффектомПервый этап - определение наличия(возникновение) кавитации, осуществляет ся следующими операциями:1, Прием и преобразованиемзвуковыхколебаний, генерируемых каверной. В СК- аппаратах при возникновении кавитации на выходе каверны образуется облако кавита ционных пузырьков, которые схлопываются, Частота схлопывания пузырьков может быть от единиц герц до нескольких мегагерц. Энергия схлопывания в реальных установках может достигать величин порядка 25 400 МПа. При этом возникают звуковые колебания, параметры которых пропорциональны выделенной энергии. Для выполнения данной операции в качестве первичного преобразователя 1 может применяться про точный акустический пьезоэлектрическийдатчик или вибрационный пьезоэлектрический датчик. Акустический датчик для реализации способа был сконструирован в виде обтекаемого тела, которое устанавливалось 35 в конце рабочего участка СК-аппарата. Егочувствительным элементом был пьезоэлектрический диск (марка керамики - ЦТС 1 И Я 14 к мм, толщиной 0,1 мм и частотой свободных колебаний 100 кГц. Схема датчика 40 дифференциальная, т.е, применялось двачувствительных элемента, один из которых воспринимал только вибрацию корпуса СК- аппарата, а второй сумму сигналов - звуковых колебаний и вибрации корпуса. При 45 скоростях потока в рабочем участке СК-аппарата порядка 4-7 м/с и коническом кавитаторе с загромождением 0,9 на выходе датчика формировалось переменное напряжение с амплитудой (О - 300) мВ и широким 50 частотным диапазоном.Вместо акустического датчика для реализации способа можно использовать пьезоэлектрические вибродатчики, Датчик такого типа устанавливается в том же месте 55 (в конце рабочего участка СК-аппарата)только на наружной стороне. По сравнению с акустическим вибродатчик более прост в применении, не требует демонтажа части СК-аппарата. В качестве вибродатчика в одном варианте применялся серийный датчикД 13, а в другом - Д 23. Датчик Д 13 имеетнормированную частотную область 10 кГц,не может регистрировать сигналы до 20 -30 кГц 2. Коэффициент преобразования 25мВ с /м. Для Д 23 нормированная частотная область до 50 кГц, но регистрирует болееширокую частотную область, Коэффициентпреобразования 0,1 мВ с /м. Датчик Д 13при скоростях потока 4-7 м/с в рабочемунастке генерирует переменное напряжение с амплитудой (0-100) мВ,2. Усиление электрического сигнала икорректировка его частотной характеристики, Эта операция реализуется с помощьюширокополосного усилителя 2, выполненного на операционных усилителях КР 14 С 2 Д 8.Сопротивление его входа не менее 10 МОм,Коэффициент усиления Кн = 1003. Преобразование электрического сигнала фильтром 3 высокой частоты (ФВЧ), 20который отсекает (не пропускает) начальную область электрического сигнала. Этаобласть определяется не только кавитационным процессом, но и резонансом конструкции СК-аппарата, работой насоса и 25другими факторами. Причем неинформативный сигнал в этой части спектра обычноимеет тот же порядок, что и измерительныйили превышает его, Частота среза ФВЧ дляразличных конструкций СК-аппараторв под- ЗОбирается экспериментально, Она можетбыть от 0,5 до 3 КГц. В более высокочастотной области спектра влияние данных неинформативных параметров на порядокменьше или отсутствует вообще. 354, Преобразование электрического сигнала по функциональной зависимости у = ах,2т.е, его квадратирование квадрэтором 4,Звуковые колебания способны совер шать определенную работу, так как обладают энергией, При распространении .звуковой волны в трубопроводе, давление Р и колеба.- тельная скорость ч связаны зависимостью Р -Уч, гдето=. рС-удельное акустическое 45 сопротивление, р - плотность среды, С - скорость распространения. Энергетической характеристикой звуковой волны является интенсивность, определяемая количеством энергии, переносимой звуково 2 й волной за 1 50 с через площадь сечения 1 см; Таким образом, мощность излучения через площадку равнав А Р 2 В ч 2грсгде А и В - постоянные величины для каждойконкретной величины. 5, Усреднение (интегрирование) интегратором 5 квадратичного электрического сигнала.Звуковая волна, генерируемая на выходе каверны, является случайным процессом с нормальным законом распределения. Поэтому мощность звуковых колебаний, возникающих в процессе кэвитации. определяется какЛ-2 В 2 рР 2(ф)сч 2(С) То Т 0 где Т - время интегрирования.Таким образом, на выходе интегратора 5 формируется сигнал ср, пропорциональный мощности звуковых колебаний, генерируемых каверной,В экспериментальном образце, реализующем предлагаемый способ, схема квадрата и интегратора выполнена следующим образом. Она содержит последовательно соединенные первый масштабный преобразователь (Ко = б), пиковый детектор с закрытым входом (постоянная времени т= 10 с), второй масштабный преобразователь (Ко = = 20), повторитель, термопреобразователь, дифференциальный усилитель, Фактически электрический сигнал квэдрэтируется и интегрируется с помощью термопреобрэзователя ТВБ-З, остальные элементы схемы сервисные и согласующие. Точность. такой схемы определяется в основном метрологическими характеристиками ТВБ-З, Масштабные преобра ователи, повторитель, дифференциальный усилитель выполнены нэ микросхемах КР 140 УД 8. Выходной сигнал схемы (нэпряжение постоянного тока) составляет (О - 2) В при выходном сигнале датчика (О - 100) В,б; Определение наличия кавитации в рабочем участке, Эта операция реализуется с помощью компаратора б, для реализации можно использовать микросхемы К 554 САЗ (на вход которого поступает напряжение постоянного тока с выхода интегратора. Компаратор формирует сигнал на выходе в том случае, если выходной сигнал интегратора превышает некоторый пороговый уровень 4 (фиг;1),Вывод: При выполнении первого этапа можно определить наличие или отсутствие кавитации в СК-аппарате и варьируя параметрами СК-аппарата определить всю область И. Компаратор б на выходе срабатывает только при условии, чтоср10. Сигнал на выходе компаратора означает, что в рабочем участке СК-аппарата имеет место кавитационный процесс, отсутствие сигнала - каверны нет.Уровень 1 о для СК-аппаратов определяется экспериментально. Кроме того, приблизительноо можно оце нить степень развития кавитационного процесса, т;е. проанализировать неравенство 1 осрщах.Второй этап - определение оптимального режима кэвитационного процесса в зависимости от требуемого технологического эффекта, Это осуществляется следующими операциями:1, Квантованием амплитуд звуковых колебаний, генерируемых каверной, с помощью амплитудной селекции. Звуковые колебания, преобразованные преобразователем 1 в электрические, после усиления и преобразования фильтром высокой частоты поступают на вход схемы двухпороговой амплитудной селекции, Она выполнена из й параллельных каналов, Каждый из них пропускает импульсы только определенной амплитуды. Окно каждого канала ограничено сверху и снизу. Число пороговых уровней берется,как правило, в пределах й = 7 - 20 и определяется крутизной кавитационной характеристики (фиг,1), Например, в схеме,реализующей способ пороговые уровни устанавливаются (в одном режиме) через 0,5 В, а в другом через 1 В. При диапазоне входного сигнала 0 - 10 В,Как показали исследования, например, для процесса дробления твердых частиц в суспензии (зола, песок, цемент) необходимо добиться такого режима СК-аппарата, чтобы каверна генерировала звуковые колебания с максимально большой амплитудой, хотя число таких импульсов в реальных СК-аппаратах небольшое - 10 - 40% от общего числа. Для процесса аэрации необходимо брать такой режим СК-аппарата, который обеспечит получение большого количества импульсов, но с небольшой амплитудой, С учетом этих требований определяется ширина входного окна селектора по напряжению,2. Осуществляется подсчет электрических импульсов по каждому пороговому уровню, т.е, имеется Й счетчиков по числу каналов (уровней).3. Осуществляется суммирование чисЛа зарегистрированных импульсов по й каналам, Может использоваться любая известная схема сумматора числа импульсов. 4, Вычисляется вероятностное распределение амплитуд электрических импульсов, пропорциональных аналогичным амплитудам звуковых колебаний; генерируемых каверной. Это осуществляется путем последовательного деления выходного сигнала каждого К счетчика на сумму числа импульсов по всем й каналам, Исследования показали, что при соответственно выбранном режиме СК-аппарата можно получить вероятностное распределение амплитуд импульсов звуковых колебаний, показанное на фиг.2 а. Это распределение характеризуется большим количеством импульсов, но сравнительно небольшой амплитудой, Из этого распределения следует неравенство МоЬ, где Мо - мода распределения, Оп - средняя амплитуда импульсов спектра колебаний. Этот режим характерен, например, для процесса аэрации, На фиг,2 б показано другое распределение, Онохарактеоизуется зависимостью Мо " 1.35 0 аПри таком режиме СК-аппарата можно получить технологический эффект типа дробление твердых частиц, асептирование биологических объектов, Характер распре 20 деления. амплитуд импульсов зависит не только от давления и скорости потока, но и конструкции кавитатора, Например, более эффективный режим можно получить применяя вращающуюся турбинку в качестве кавитатора. Так на фиг.2 в показано распределение, характеризующее режим аэрации, а на фиг.2 г - процесс дробления или обеззараживания, Вероятностное распределение(фиг,2 г) показывает, что СК-аппарат работает в оптимальном режиме, здесь Мо0 и составляет Мо -1,62 Оп, Этот режим явля 30 ется более "жестким", чем в случае, указанном на фиг,2 б. Из анализа таких распределений, полученных при исследовании проточных СК 35 аппаратов, можно сделать вывод, что для получения необходимого технологическогоэффекта необходимо условие: 40 Исследуя зависимость вероятностного распределения амплитуд звуковых колебаний, можно утверждать, что максимальную интегральную интенсивность можно получить: при большом количестве импульсов с малой амплитудой или при малом количестве импульсов, но с большой амплитудой5. Определение оптимального режима СК-аппарата.Оптимальный режим СК-аппарата определяется двумя факторами: что существует кавитация, т,е, СК-аппарат работает в области И (фиг,1), и что центр группирования амплитуд в полученном распределении соответствует заданному, который определяется видом требуемого технологического эффекта. Эта операция реализуется таким образом, С выхода вычислительного блока 14, выполняющего построение распределения, сигналы поступают нэ коммутатор, уп 45 50 55 51015 1,25 0 пМо1,95 Оо.1826056 Реда кт Корректор С.Шекмар улак иэводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 каз 2318 ВНИИП Составитель Ю.Ьарабаехред М.Моргентал Тираж Подписноеосудэрственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва,Ж, Раушская наб., 4/б