устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНОГО ГАЗА В ЖИДКОСТИ, содержащее генератор высокой частоты, генератор низкой частоты, два селективных усилителя и акустические приемник и излучатель, отличающееся тем, что оно снабжено амплитудным модулятором, соединенным своими входами с генераторами низкой и высокой частот, а выходом - с акустическим излучателем, последовательно соединенными линейным амплитудным детектором, подключенным входом к выходу первого селективного усилителя, фильтром нижних частот и фазометром, второй вход которого соединен с выходом второго селективного усилителя, а акустический приемник выполнен ненаправленным и подключен к входам селективных усилителей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительным приборам и может быть использовано для контроля малых концентраций свободного газа в жидкости.

Известно устройство для измерения концентрации нерастворенного газа в жидкости, содержащее генератор высокой частоты, измерительную камеру, смонтированные в ней излучающий и приемный электроакустические преобразователи, усилитель, к входу которого подключен приемный преобразователь, и последовательно соединенные амплитудные детектор и регистратор, подключенные к выходу генератора, выход которого соединен с вторым входом модулятора, выход которого подключен к излучающему преобразователю, аналоговый делитель напряжения, выход которого соединен с вторым входом регистратора, подключенные к выходу усилителя фильтр верхних частот, выход которого соединен с входом первого амплитудного детектора, и фильтр нижних частот и подключенные к выходу последнего последовательно соединенные второй детектор и индикатор, причем выходы детекторов подключены к соответствующим входам делителя напряжения [1].

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости, состоящее из генератора синхроимпульсов, нагруженного на генератор низкой частоты, генератор высокой частоты, измеритель временных интервалов и два коммутатора, причем первый коммутатор соединен своими двумя входами с выходом генератора низкой частоты и первым обратным преобразователем и нагружен через первый селективный усилитель на первый сигнальный вход измерителя временных интервалов, второй коммутатор соединен двумя своими входами с вторым обратимым преобразователем и генератором высокой частоты и загружен через второй селективный усилитель с вторым сигнальным входом измерителя временных интервалов [2].

Недостатком прототипа является низкая точность измерения, обусловленная, во-первых, нестабильностью характеристик каналов возбуждения и частот высокочастотных и низкочастотных колебаний, вызванных нестабильностью питания, непостоянством температуры окружающей среды, старением элементов и т. п. , приводящих к случайным сдвигам во времени излучаемых низкочастотной и высокочастотной волн, напрямую искажающих результаты измерений; во-вторых, существенным различием озвучиваемых низкочастотных и высокочастотных волнами объемов исследуемой жидкости, вызванной различием характеристик направленности первого и второго преобразователей в режиме излучения и приема, приводящей к тому, что при неравномерном распределении пузырьков по объему средняя концентрация газа в объемах жидкости озвучиваемых низкочастотными и высокочастотными волнами будет различна. Поэтому сравнение фазовых скоростей НЧ и ВЧ-волн некорректно, поскольку НЧ и ВЧ-волны распространяются фактически в средах с различными объемными концентрациями газа.

Техническим результатом изобретения является увеличение точности измерений.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее генератор высокой частоты, генератор низкой частоты, два селективных усилителя, приемник и излучатель, введены амплитудный модулятор, соединенный своими двумя входами с генераторами низкой и высокой частоты, нагруженный на излучатель, последовательно соединенные линейный амплитудный детектор, подключенный к выходу первого селективного усилителя, фильтр нижних частот и фазометр, второй вход которого соединен с выходом второго селективного усилителя, приемный преобразователь выполнен ненаправленным и подключен к входам селективных усилителей.

Предложенное устройство реализует способ измерения концентрации свободного газа в жидкости, основанный на измерении времени запаздывания низкочастотной (НЧ) волны, частота F которой существенно ниже резонансной частоты газовых пузырей, относительно высокочастотной (ВЧ) волны, частота f которой существенно выше резонансной частоты f_o газовых пузырей. Известно, что фазовая скорость НЧ волны, частота которой F f_o, C_ф= C_o/, где С_о - скорость звука в жидкости без пузырьков;

U - объемная концентрация свободного газа в жидкости, определяется концентраций газа и меньше С_о. При этом фазовая скорость ВЧ волны, частота которой превышает С_о и при f f_o приближается к С_оасимптотически. Принцип действия устройства основан на сравнении фазовых скоростей ВЧ и НЧ волн.

В силу различия фазовых скоростей этих волн в жидкости с пузырьками газа НЧ волна пройдет расстояние L между излучателем и приемником с задержкой во времени. Величина этой задержки мала по абсолютной величине, поэтому для ее измерения используется фазовый метод измерения времени запаздывания.

Для реализации фазового метода измерения задержки в жидкость с газовыми пузырьками, обладающую акустической нелинейностью, излучается непрерывный амплитудно-модулированный (АМ) сигнал

P_f(t,x) = P1+mcos2Ft - cos2ft - (1), который в процессе распространения в нелинейной среде детектируется и генерирует волну разностной частоты (ВРЧ) с частотой огибающей:

P_F= P_mFcos2Ft - (2).

Пройдя расстояние измерительной базы между излучателем и приемником Х= L, волны примут вид

P(t,L) = P1+mcos2Ft - cos(2Ft - ; (3)

P(t, L) = Pcos2Ft - = Pcos2Ft - - , (4) где m - коэффициент модуляции; =2FL(C_o-C_ф)/C_фС_о - разность фаз, обусловленная запаздыванием НЧ-волны в жидкости без газа.

После линейного детектирования АМ-волны (3) образуется низкочастотная волна

Pcos(t,L) = Pcos2Ft - , (5)

Разность фаз между нею и НЧ-волной (4) ==2FL(C_o-C_ф)/C_фC_o=2Ft определяется временем запаздывания t НЧ-сигнала относительно ВЧ АМ-сигнала. Очевидно, что отсутствие НЧ-сигнала в электронном тракте канала возбуждения исключают влияние нестабильности характеристик излучающего канала предполагаемого устройства на фазовые соотношения между НЧ- и ВЧ-волнами.

Нелинейная генерация НЧ-волны осуществляется в жидкости, обеспечивая жесткую связь НЧ-волны с огибающей АМ-волны. С другой стороны, идентичность ширины характеристик направленности ВРЧ и генерирующей ее АМ-волны обеспечивают равенство объемов исследуемой жидкости, озвучиваемой НЧ- и ВЧ-волнами, что является важным условием при сравнении фазовых скоростей двух волн. Использование ненаправленного приемного преобразователя исключает влияние его направленности на результаты измерений за счет дополнительной пространственной избирательности по углу на высокой частоте.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу устройства.

Устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости состоит из последовательно соединенных генератора 1 низкой частоты, амплитудного модулятора 2, к второму входу которого включен генератор 3 высокой частоты, излучателя 4, последовательно соединенных ненаправленного приемника 5, первого селективного усилителя 6, линейного амплитудного детектора 7, фильтра 8 нижних частот и фазометра 9, второй вход которого соединен с приемником 5 через второй селективный усилитель 10.

Схема работает следующим образом. Непрерывные низкочастотные колебания U₁, например, с частотой F=10 кГц, с выхода генератора 1 низкой частоты одновременно с непрерывными высокочастотными колебаниями U₂, например, с частотой f=1 МГц, с выхода генератора 3 высокой частоты поступают на отдельные входы амплитудного модулятора 2.

Промодулированные высокочастотные колебания U₃ с выхода модулятора 3 излучаются в исследуемую жидкость излучателем 4. Распространяясь в нелинейной среде, амплитудно-модулированная волна детектируется, генерируя низкочастотную волну с частотной огибающей F=10 кГц, которая распространяется коллинеарно с первичной амплитудно-модулированной волной в направление ненаправленного приемника 5.

Пройдя измерительную базу протяженностью L, низкочастотная и высокочастотная волны принимаются приемником 5 и поступают в виде электрических сигналов на вход селективного усилителя 10, настроенного на пропускание сигнала низкой частоты F, и на вход селективного усилителя 6, настроенного на пропускание сигнала высокой частоты f, полоса пропускания которого достаточна для пропускания амплитудно-модулированных колебаний.

Из-за различных скоростей распространения акустических волн с частотами 10 кГц и 1МГц в жидкости, содержащей газовые пузырьки, низкочастотная волна приходит на приемник с задержкой t=L(C_o-C_ф)/C_фС_оотносительно высокочастотной волны, величина которой определяется концентрацией свободного газа. Низкочастотный сигнал U₄ с выхода селективного усилителя 10 поступает на фазометр 9. Высокочастотный амплитудно-модулированный сигнал U₅ с выхода селективного усилителя 6 детектируется линейным амплитудным детектором 7, после чего из него фильтром 8 нижних частот выделяется низкочастотный сигнал U₆ с частотой огибающей. С выхода фильтра 8 низкочастотный сигнал U₆ подается на второй вход фазометра 9, который измеряет разность фаз между низкочастотными сигналами U₄ и U₆. Концентрация свободного газа находится с помощью тарировочной кривой = F(U) по измеренной разности фаз .

Использование параметрического способа генерации низкочастотной волны позволяет выровнять объемы исследуемой среды, озвучиваемые волнами высокой и низкой частот исключить систематическую погрешность при сравнении фазовых скоростей двух волн. Использование ненаправленного приемного преобразователя исключает влияние его направленности на результаты измерений за счет дополнительной пространственной избирательности по углу на высоких частотах. Отсутствие низкочастотного сигнала в электронном тракте канала возбуждения исключает влияние нестабильности характеристик излучающего канала предлагаемого устройства на фазовые соотношения между низкочастотной и высокочастотной волнами. Это позволяет повысить точность измерения концентрации свободного газа в жидкости.