RU2020472C1 - Device for determining concentration of free gas in liquid - Google Patents

Abstract

FIELD: control and measuring instruments. SUBSTANCE: device comprising HF generator, LF generator, two selective amplifiers, accuracy receiver and radiator has a balance modulator whose inputs are connected to LF and HF generators and which is loaded on radiator, series-connected quadrator, low frequency filter and phase meter cut in between outputs of first and second selective amplifiers. EFFECT: higher accuracy of measurements. 2 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительным приборам и может быть использовано для контроля малых концентраций свободного газа в жидкости. The invention relates to instrumentation and can be used to control small concentrations of free gas in a liquid.

Известно устройство для определения концентрации свободного газа в жидкофазных средах, содержащее два излучателя и приемник, подключенные к последнему два селективных усилителя, подключенные к их выходам первый и второй усилители-ограничители, подключенные к первому усилителю-ограничителю первый делитель частоты, измеритель разности фаз, входы которого соединены с выходом второго усилителя-ограничителя и первого делителя частоты, кварцевый генератор, первый усилитель мощности, включенный между кварцевым генератором и излучателем, последовательно соединенные третий усилитель-ограничитель, второй делитель частоты, фильтр низких частот и второй усилитель мощности, включенные между выходом кварцевого генератора и излучателем [1]. A device for determining the concentration of free gas in liquid-phase media, comprising two emitters and a receiver, two selective amplifiers connected to the latter, first and second limiter amplifiers connected to their outputs, first frequency divider, phase difference meter, inputs connected to the first limiter amplifier which is connected to the output of the second amplifier-limiter and the first frequency divider, a crystal oscillator, a first power amplifier connected between the crystal oscillator and the emitter, p subsequently connected to the third amplifier-limiter, the second frequency divider, a low-pass filter and a second power amplifier connected between the output of the crystal oscillator and the emitter [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 (НЧ), генератор высокой частоты (ВЧ), измеритель временных интервалов и два коммутатора, причем первый коммутатор соединен своими двумя входами с выходом генератора НЧ и первым обратимым преобразователем и нагружен через первый селективный усилитель на первый сигнальный вход измерителя временных интервалов, второй коммутатор соединен двумя своими входами с вторым обратным преобразователем и генератором ВЧ и нагружен через второй селективный усилитель с вторым сигнальным входом измерителя времени интервалов [2]. The closest in technical essence to the invention is a device for determining the concentration of free gas in a liquid, consisting of a clock generator loaded on a low frequency (LF) generator, a high frequency (HF) generator, a time interval meter and two switches, the first switch being connected by its two inputs with the output of the LF generator and the first reversible converter and is loaded through the first selective amplifier to the first signal input of the time interval meter, the second switching op its two inputs connected with the inverter and a second RF generator and loaded via a second selective amplifier to a second signal input of the measuring time intervals [2].

Недостатком прототипа является низкая точность измерения. Обусловлена она недостаточностью характеристик каналов возбуждения и частот ВЧ и НЧ колебаний, вызванных нестабильностью питания, непостоянством температуры окружающей среды, старением элементов и т.п., приводящих к случайным изменениям амплитуд и сдвигам во времени между излучаемыми НЧ и ВЧ-сигналами, напрямую искажающих результаты измерений. The disadvantage of the prototype is the low accuracy of the measurement. It is caused by the insufficient characteristics of the excitation channels and the frequencies of HF and LF oscillations caused by instability of the power supply, instability of the ambient temperature, aging of elements, etc., leading to random changes in amplitudes and time shifts between the emitted LF and HF signals, which directly distort the results measurements.

Техническим результатом изобретения является увеличение точности измерений. The technical result of the invention is to increase the accuracy of measurements.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее генератор высокой частоты, генератор низкой частоты, два селективных усилителя, приемник и излучатель, введены балансный модулятор, соединенный своими входами с генераторами низкой и высокой частот, нагруженный на излучатель, последовательно соединенные квадратор, фильтр нижних частот и фазометр, выключенные между выходами первого и второго селективных усилителей, подключенных к выходу приемника. This is achieved by the fact that in the device containing a high-frequency generator, a low-frequency generator, two selective amplifiers, a receiver and a radiator, a balanced modulator is introduced, connected to its inputs with low-frequency and high-frequency generators, loaded on the radiator, a quadrator connected in series, a low-pass filter and a phase meter turned off between the outputs of the first and second selective amplifiers connected to the output of the receiver.

Возможность достижения цели изобретения подтверждается следующими выводами. Принцип действия устройства основан на измерении времени запаздывания низкочастотной (НЧ) волны, частота которой F существенно ниже резонансной частоты f_o газовых пузырей относительно высокочастотной волны, частота f которой существенно выше резонансной частоты газовых пузырей. Как известно, фазовая скорость НЧ-волны определяется объемной концентрацией свободного газа, в то время как скорость ВЧ-волны практически не зависит от концентрации газа и равна скорости акустической волны в жидкости без пузырьков.The ability to achieve the objectives of the invention is confirmed by the following conclusions. The principle of operation of the device is based on measuring the delay time of a low-frequency (LF) wave whose frequency F is significantly lower than the resonant frequency f _{o of} gas bubbles relative to a high-frequency wave whose frequency f is significantly higher than the resonant frequency of gas bubbles. As is known, the phase velocity of the LF wave is determined by the volume concentration of free gas, while the speed of the HF wave is practically independent of the gas concentration and is equal to the speed of the acoustic wave in a liquid without bubbles.

Измерение времени запаздывания производится фазовым методом, для чего в жидкости с газовыми пузырьками излучается непрерывный балансно-модулированный (БМ) низкой частоты F/2 высокочастотный сигнал с несущей частотой f
P_f= P_mfcos

cos(2πft) (1) который в силу нелинейности среды детектируется, в результате чего в исследуемой жидкости генерируется низкочастотная волна, так называемая волна разностной частоты (ВРЧ) с частотой F
P_F = P_mFcos 2π Ft (2)
Расстояние L между излучателем и приемником БМ ВЧ-волна (1) проходит с фазовой скоростью С_о, равной скорости звука в дегазированной жидкости, в то время как НЧ-волна (2) распространяется со скоростью С_ф < С_о.The delay time is measured by the phase method, for which a continuous balanced-modulated (BM) low frequency F / 2 high-frequency signal with a carrier frequency f is emitted in a liquid with gas bubbles
P _f = P _mf cos

cos (2πft) (1) which, due to the nonlinearity of the medium, is detected, as a result of which a low-frequency wave, the so-called difference-frequency wave (TFC) with a frequency F
P _F = P _mF cos 2π Ft (2)
The distance L between the emitter and the BM receiver the HF wave (1) passes with a phase velocity C _o equal to the speed of sound in a degassed liquid, while the LF wave (2) propagates with a speed C _f <C _o .

В результате на приемник приходят сигналы
P

(t;L) = P

cos

-

· cos

2πft -

(3)
P

(t; L) = P

cos

2πFt -

= P

cos

2πFt -

-

(4) где Δφ= 2π F(C_o-C_ф/С_фС_о - разность фаз, обусловленная запаздыванием НЧ-волны в жидкости с пузырьками газа относительно НЧ-волны в жидкости без пузырьков. Если принятый БМ ВЧ-сигнал (3) подвергнуть квадратичному детектированию, то образовавшийся при этом низкочастотный сигнал
P''_f (t, L) = P'_mf cos (2π Ft - 2π FL/C_o) (5) оказывается сдвинутым по фазе относительно НЧ-сигнал (4) на величину
Ψ= Δφ=2πFL(C_o-C_ф/C_фC_o=2πFΔt, которая определяется временем запаздывания Δt.As a result, signals arrive at the receiver
P

(t; L) = P

cos

-

Cos

2πft -

(3)
P

(t; L) = P

cos

2πFt -

= P

cos

2πFt -

-

(4) where Δφ = 2π F (C _o -C _f / C _f C _o is the phase difference due to the delay of the LF wave in a liquid with gas bubbles relative to the LF wave in a liquid without bubbles. If the received BM RF signal (3 ) subjected to quadratic detection, then the resulting low-frequency signal
P '' _f (t, L) = P ' _mf cos (2π Ft - 2π FL / C _o ) (5) turns out to be phase shifted relative to the LF signal (4) by
Ψ = Δφ = 2πFL (C _o -C _f / C _f C _o = 2πFΔt, which is determined by the delay time Δt.

Нестабильность амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик излучающего тракта, включая нестабильность характеристик излучателя, нестабильность частот генераторов низкой и высокой частот, вызванные различными дестабилизирующими факторами, при этом никак не влияют на процесс генерации ВРЧ и фазовые соотношения между ВРЧ м огибающей БМ ВЧ-волны. Это объясняется, во-первых, отсутствием НЧ-сигнала в излучающем тракте, испытывающем нестабильность своих характеристик, во-вторых жесткой привязкой фаз генерируемой ВРЧ и огибающей БМ ВЧ волнами, что обусловлено физикой процесса нелинейной генерации ВРЧ, и, в-третьих, устойчивостью процесса генерации ВРЧ высокочастотной волны с балансной модуляцией к фазовым и амплитудным искажениям БМ ВЧ-волны. The instability of the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the emitting path, including the instability of the characteristics of the emitter, the instability of the frequencies of the low and high frequency generators caused by various destabilizing factors, do not affect the generation of the RF and the phase relations between the frequency and frequency envelope of the envelope of the BM RF wave. This is due, firstly, to the absence of the LF signal in the radiating path, which is experiencing instability of its characteristics, and secondly, to the rigid coupling of the phases generated by the RF and the envelope of the BM RF waves, which is due to the physics of the process of nonlinear generation of the RF, and, third, the stability of the process generating a high frequency wave of high frequency waves with balanced modulation to phase and amplitude distortions of the high frequency wave of the BM.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие работу устройства. Figure 1 shows the structural diagram of the device; figure 2 - plot voltage, explaining the operation of the device.

Устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости состоит из последовательно соединенных генератора 1 низкой частоты, балансного модулятора 2, к второму входу которого подключен генератор 3 высокой частоты, и излучатель 4, последовательно соединенных приемника 5, первого селективного усилителя 6, квадратора 7, фильтра 8 низких частот и фазометра 9, второй вход которого через второй селективный усилитель 10 соединен с приемником 5. A device for determining the concentration of free gas in a liquid consists of a series-connected low-frequency generator 1, a balanced modulator 2, to the second input of which a high-frequency generator 3 is connected, and an emitter 4, a series-connected receiver 5, a first selective amplifier 6, a square 7, a filter 8 low frequencies and a phase meter 9, the second input of which through the second selective amplifier 10 is connected to the receiver 5.

Работает схема следующим образом. Непрерывные низкочастотные колебания V₁, например, с частотой F/2 = 5 КГц, с выхода генератора 1 низкой частоты одновременно с непрерывными высокочастотными колебаниями V₂, например, с частотой f = 1 МГц, с выхода генератора 3 высокой частоты поступают на отдельные входы балансного модулятора 2.The scheme works as follows. Continuous low-frequency oscillations V ₁ , for example, with a frequency of F / 2 = 5 KHz, from the output of the low-frequency generator 1 simultaneously with continuous high-frequency oscillations V ₂ , for example, with a frequency f = 1 MHz, from the output of the high-frequency generator 3 go to separate inputs balanced modulator 2.

Промодулированные высокочастотные колебания V₃ с выхода модулятора 3 излучаются в исследуемую жидкость излучателем 4. Распространяясь в нелинейной среде, обладающей квадратичной нелинейностью, балансно-модулированная волна детектируется, генерируя низкочастотную волну с частотой F = 10 кГц, которая распространяется коллинеарно с первичной балансно-модулированной волной в направлении приемника 5. Пройдя измерительную базу протяженностью l, низкочастотный и высокочастотный сигналы принимаются приемником 5 и поступают в виде электрических сигналов на вход селективного усилителя 6, настроенного на пропускание высокочастотного балансно-модулированного сигнала, и на вход селективного усилителя 10, настроенного на пропускание сигнала низкой частоты F.Modulated high-frequency oscillations V ₃ from the output of modulator 3 are emitted into the test liquid by the emitter 4. Propagating in a nonlinear medium with quadratic nonlinearity, a balanced-modulated wave is detected, generating a low-frequency wave with a frequency of F = 10 kHz, which propagates collinearly with the primary balanced-modulated wave in the direction of the receiver 5. Having passed a measuring base of length l, the low-frequency and high-frequency signals are received by the receiver 5 and arrive in the form of an electric the input signals x selective amplifier 6 that is configured for transmission of high-balance-modulated signal, and the selective input of the amplifier 10, tuned to the low frequency transmission signal F.

Из-за различных скоростей распространения акустических волн с частотами 10 кГц и 1 МГц в жидкости, содержащей газовые пузырьки, низкочастотная волна проходит на приемник с задержкой Δt = L˙(C_o - С_ф)/С_ф˙ С_о относительно высокочастотной волны. Величина задержки определяется концентрацией свободного газа. Низкочастотный сигнал V₅ с выхода селективного усилителя 10 поступает на фазометр 9. Высокочастотный балансно-модулированный сигнал V₄ с выхода селективного усилителя 6 детектируется квадратичным детектором-квадрататором 7, после чего из него фильтром 8 нижних частот выделяется низкочастотный сигнал V₆ с частотной огибающей.Due to the different propagation velocities of acoustic waves with frequencies of 10 kHz and 1 MHz in a liquid containing gas bubbles, the low-frequency wave passes to the receiver with a delay Δt = L˙ (C _o - С _ф ) / С _ф ˙ С _о with respect to the high-frequency wave. The amount of delay is determined by the concentration of free gas. The low-frequency signal V ₅ from the output of the selective amplifier 10 is fed to the phase meter 9. The high-frequency balanced-modulated signal V ₄ from the output of the selective amplifier 6 is detected by a quadratic detector-squator 7, after which a low-frequency signal V ₆ with a frequency envelope is extracted from it by a low-pass filter 8.

С выхода фильтра 8 низкочастотный сигнал V6 подается на другой вход фазометра 9, который измеряет разности фазΔφ между низкочастотными сигналами V₅ и V₆, концентрация газа находится с помощью тарировочной кривой Δφ= F(U) по измеренной разности фаз Δφ.From the output of filter 8, the low-frequency signal V6 is supplied to another input of the phasemeter 9, which measures the phase difference Δφ between the low-frequency signals V ₅ and V ₆ , the gas concentration is found using the calibration curve Δφ = F (U) from the measured phase difference Δφ.

Использование нелинейного механизма генерации низкочастотной волны и использование высокочастотной волны с балансной модуляцией позволяет исключить прохождение низкочастотного сигнала по подверженному влиянию дестабилизирующих факторов излучающему тракту. Тем самым устраняется влияние нестабильности характеристик излучающего тракта на процесс генерации низкочастотной волны и на фазовые соотношения между низкочастотной волной и огибающей высокочастотной волны с балансной модуляцией, что позволяет повысить точность измерения времени запаздывания, а вместе с тем и точность измерения концентрации свободного газа в жидкости. The use of a nonlinear mechanism for generating a low-frequency wave and the use of a high-frequency wave with balanced modulation makes it possible to exclude the passage of a low-frequency signal along the radiating path exposed to destabilizing factors. This eliminates the influence of the instability of the characteristics of the radiating path on the process of generating a low-frequency wave and on the phase relations between the low-frequency wave and the envelope of a high-frequency wave with balanced modulation, which improves the accuracy of measuring the delay time and, at the same time, the accuracy of measuring the concentration of free gas in a liquid.

Claims (1)

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНОГО ГАЗА В ЖИДКОСТИ, содержащее генератор высокой частоты, генератор низкой частоты, два селективных усилителя, приемник и излучатель, отличающееся тем, что оно снабжено балансным модулятором, соединенным входами с генераторами низкой и высокой частот, а выходом - с излучателем, и последовательно соединенными квадратором, фильтром нижних частот и фазометром, выход приемника подключен к входам селективных усилителей, первый из которых связан выходом с входом квадратора, а второй - с вторым входом фазометра. A DEVICE FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF FREE GAS IN A LIQUID, comprising a high-frequency generator, a low-frequency generator, two selective amplifiers, a receiver and an emitter, characterized in that it is equipped with a balanced modulator connected to the inputs to the low and high-frequency generators, and the output to the emitter, and sequentially connected by a quadrator, a low-pass filter and a phase meter, the output of the receiver is connected to the inputs of selective amplifiers, the first of which is connected by the output to the input of the quadrator, and the second to the second Odom phase meter.

Images