SU1415170A2 - Device for determining concentration of free gas in liquid - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Целью изобретени   вл етс  повышение достоверности и расширение функциональных воз.можностей за счет определени  также и размеров пузырей газа в жидкости. В исследуемую среду излучают низкочастотный радиоимпульс и два высокочастотных радиоимпульса в начале переходного процесса и в установившемс  режиме низкочастотных колебаний. Гидрофоном 2 прини.мают акустические сигналы и селектируют их по частоте усилител ми 11 и 12. На счетчик 15 поступают два высокочастотных радиоимпульса, второй из которых проходит на измеритель 14 временных интервалов . Первый импульс проходит на измеритель 13 временных интервалов. По показани м измерител  13 временных интервалов суд т о концентрации газа в жидкости. По показани м измерител  14 временных интервалов суд т о размере пузырьков газа в жидкости. По соотношению показаний этих измерителей принимают заключение об изменении частот излучаемых ультразвуковых колебаний. 3 ил. (ЛThis invention relates to a measurement technique. The aim of the invention is to increase the reliability and expansion of functional capabilities by also determining the size of gas bubbles in a liquid. A low-frequency radio pulse and two high-frequency radio pulses are emitted into the test medium at the beginning of the transition process and in the established low-frequency mode. The hydrophone 2 receives acoustic signals and selects them in frequency by amplifiers 11 and 12. Two high-frequency radio pulses arrive at counter 15, the second of which travels to the meter 14 timeslots. The first pulse passes to the meter 13 time intervals. According to the indications of the meter 13 time intervals judge the concentration of gas in the liquid. According to the indications of the meter 14 time intervals judge the size of gas bubbles in the liquid. The ratio of the readings of these meters take the conclusion of the change in frequency of the emitted ultrasonic vibrations. 3 il. (L

Description

елate

гоgo

иг.1ig.1

Изобретение относитс  к устройствам дл  определени  концентрации свободного газа в жидкост х акустическим методом и  вл етс  усовершенствованием устройства по авт. св. № 896544.The invention relates to devices for determining the concentration of free gas in liquids by an acoustic method and is an improvement of the device according to the authors. St. No. 896544.

Целью изобретени   вл етс  повышение достоверности и расширение функциональных возможностей за счет измерени  также и размеров пузырей газа в жидкости.The aim of the invention is to increase the reliability and expansion of functionality by measuring also the size of gas bubbles in a liquid.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - осциллограммы напр жений; на фиг. 3 - зависимости, по сн ющие суть изобретени  с физической точки зрени .FIG. 1 is a block diagram of the device; in fig. 2 - voltage waveforms; in fig. 3 shows dependencies explaining the essence of the invention from a physical point of view.

Устройство состоит из погруженных в жидкость 1 гидрофона 2, двух излучателей 3 и 4 и дополнительного гидрофона 5. Излучатель 3 соединен с генератором 6 высокочастотных колебаний, а излучатель 4 - с генератором 7 низкочастотных колебаний. Дополнительный гидрофон 5 через формирователь 8 пр моугольных импульсов, счетчик 9, схему ИЛИ 10 подключен к генератору 6 высокочастотных колебанИ й. Гидрофон 2 подключен к селективным усилител м И и 12. Первые входы измерител  13 временных интервалов через счетчик 15 подключены к выходу селективного усилител  11. Вторые входы измерителей 13 и 14 временных интервалов через счетчик 16 соединены с выходом селективного усилител  12. Генератор 17 синхроимпульсов соединен с генератором 7 низкочастотных колебаний, измерители 13 и 14 временных интервалов, счетчиками 9, 15 и 16 и предназначен дл  синхронизации их работы во времени.The device consists of hydrophones 2 immersed in liquid 1, two emitters 3 and 4, and an additional hydrophone 5. Emitter 3 is connected to the generator 6 of high-frequency oscillations, and the radiator 4 is connected to the generator 7 of low-frequency oscillations. An additional hydrophone 5 is connected via a shaper of 8 rectangular pulses, a counter 9, an OR 10 circuit is connected to a generator 6 of high-frequency oscillations. The hydrophone 2 is connected to the selective amplifiers And and 12. The first inputs of the meter 13 time intervals through the counter 15 are connected to the output of the selective amplifier 11. The second inputs of the meters 13 and 14 time intervals through the counter 16 are connected to the output of the selective amplifier 12. The generator 17 sync pulses connected to generator 7 low-frequency oscillations, meters 13 and 14 time intervals, counters 9, 15 and 16 and is designed to synchronize their work in time.

Устройство работает следуюш,им образом .The device works in the following way.

Генератор 17 синхроимпульсов вырабатывает последовательность видеоимпульсов , частота посылок которых определ етс  требуемой дискретностью отсчета (фиг. 2а). Под воздействием этих импульсов счетчики 9, 15 и 16 и измерители 13 и 14 временных интервалов привод тс  в исходное состо ние, а генератор 7 низкочастотных колебаний вырабатывает радиоимпульс (фиг. 26), подводимый к излучателю 4. Излученные акустические колебани  принимаютс  гидрофоном 2 и дополнительным гидрофоном 5, имеющим непосредственный акустический контакт с излучателем 4. Дополнительный гидрофон моделирует работу основного гидрофона 2, обеспечива  одинаковые с ним фазовые сдвиги Дф при изменении температуры среды (фиг. 2в). Дл  устранени  погрешности измерени , образующейс  за счет этих сдвигов , генератор высокочастотных колебаний в устройстве запускаетс  электрическими колебани ми от дополнительного гидрофона 5. Низкочастотные колебани  с гидрофона 5 формирователем 8 пр моугольных импульсов преобразуютс  в пр моугольные (фиг. 2, эпюра 4) и подаютс  на счетчик 9, которыйThe clock generator 17 generates a sequence of video pulses, the frequency of which is determined by the required sampling rate (Fig. 2a). Under the influence of these pulses, the counters 9, 15 and 16 and the time meters 13 and 14 are reset, and the low-frequency oscillator 7 generates a radio pulse (Fig. 26) supplied to the radiator 4. The emitted acoustic oscillations are received by the hydrophone 2 and additional hydrophone 5, having direct acoustic contact with the emitter 4. An additional hydrophone simulates the operation of the main hydrophone 2, providing the phase shifts Df with it when the temperature of the medium changes (Fig. 2c). To eliminate the measurement error due to these shifts, the high-frequency oscillator in the device is triggered by electrical oscillations from the additional hydrophone 5. The low-frequency oscillations from the hydrophone 5 are converted into rectangular pulses 8 into rectangular pulses (Fig. 2, plot 4). counter 9, which

00

5five

00

5five

00

5five

00

5five

подсчитывает число периодов низкочастотных колебаний и выполн ет роль задержки генерировани  высокочастотных радиоимпульсов (фиг. 2ж) относительно начала низкочастотных колебаний (фиг. 2в). Счетчик 9 в данном устройстве подключен двум  своими выводами через схему ИЛИ 10 к генератору 6 высокочастотных колебаний и запускает последний импульсами (фиг. 2д, е). Если импульс е, как и в известном устройстве , соответствует старшему периоду колебаний г, то импульс д формируетс  счетчиком 9 в начале колебаний в (в данном случае он соответствует второму периоду колебаний). Таким образом, в пределах одной посылки низкочастотных колебаний излучаетс  два высокочастотных импульса, причем один из них синхронизирован, с низкочастотным радиоимпульсом в самом начале его, а второй- в стационарной части (пор дка 5-10 периодов от начала низкочастотного импульса). Это сделано дл  того, чтобы произвести измерение разности времен пробега д t, и низкочастотного и высокочастотного ультразвуковых сигналов дл  разной степени возбуждени  пузырей газа в исследуемой жидкости под действием низкочастотного ультразвукового пол . Переходной процесс установлени  вынужденных колебаний пузырей резонансных и околорезонансных размеров длитс  з начительное врем  и занимает 5-10 периодов низкочастотного сигнала (это зависит от добротности пузырей). В пределах переходного процесса установлени  колебаний пузыр  фазовые соотношени  его колебаний и ультразвуковой волны претерпевают значительные изменени , что обусловливает переменное (возрастающее) воздействие пузырей на скорость распространени  низкочастотного сигнала. Пузыри, слабо возмущенные ультразвуковой волной (в начале переходного процесса), обеспечивают малое значение разности Л ti, пузыри, колеблющиес  в установившемс  режиме (по крайней мере сильно возмущенные ультразвуковой волной), обеспечивают большие значени  разности .i (фиг. 2 п, р).counts the number of periods of low-frequency oscillations and performs the role of a delay in the generation of high-frequency radio pulses (Fig. 2g) relative to the onset of low-frequency oscillations (Fig. 2c). The counter 9 in this device is connected by two of its conclusions through the scheme OR 10 to the generator 6 high-frequency oscillations and starts the last pulses (Fig. 2e, e). If the pulse e, as in the known device, corresponds to the highest period of oscillation g, then the pulse g is formed by the counter 9 at the beginning of the oscillation in (in this case it corresponds to the second oscillation period). Thus, two high-frequency pulses are emitted within one low-frequency oscillation, one of which is synchronized with the low-frequency radio pulse at the very beginning and the second in the stationary part (about 5-10 periods from the beginning of the low-frequency pulse). This is done in order to measure the difference between the travel times d t and the low-frequency and high-frequency ultrasonic signals for different degrees of excitation of gas bubbles in the test liquid under the action of the low-frequency ultrasonic field. The transient process of establishing forced oscillations of bubbles of resonant and near-resonant sizes lasts a considerable time and takes 5-10 periods of a low-frequency signal (this depends on the quality of the bubbles). Within the limits of the transient process of establishing oscillations of a bubble, the phase relations of its oscillations and the ultrasonic wave undergo significant changes, which causes a variable (increasing) effect of the bubbles on the speed of propagation of the low-frequency signal. Bubbles, weakly disturbed by the ultrasonic wave (at the beginning of the transition process), provide a small value of the difference L ti, bubbles that oscillate in the steady state (at least strongly disturbed by the ultrasonic wave), provide large values of the difference .i (Fig. 2, p) .

Что касаетс  нерезонансных пузырей, то их переходной процесс длитс  мало, они практически сразу возмущаютс  ультразвуковой волной до своих установившихс  значений амплитуды и фазы. Это определ ет одинаковость показаний интервалов времени как в начале ультразвукового низкочастотного импульса, так и в его стационарной части (Д t., Мг).As for nonresonant bubbles, their transient process lasts a little, they are almost immediately disturbed by the ultrasonic wave to their established amplitude and phase values. This determines that the indications of time intervals are the same, both at the beginning of the ultrasonic low-frequency pulse and in its stationary part (D t., Mg).

Зависимости ДС (), Ь.С() скорости распространени  периодического ультразвукового возмущени  частотой f дл  первого периода этого возмущени , а также дл  стационарного режима в жидкости с пузыр ми радиуса г приведены на фиг. 3. На рисунках заштрихованы участки кривых дл  околорезонансных частот сигнала. Видно, что на этих участках отклонени  л С, и д Сг( сильно отличаютс  друг от друга на разных кривых (например, в точке 2). На незаштрихо- .ванных участках вдали от резонансной частоты fo пузырей (например, в точке 1) отклонени  Д Q и Л GI. скорости распространени  сигнала одинаковы как дл  первого периода сигнала, так и дл  стационарного режима .The dependences of DS (), b.c () of the propagation velocity of a periodic ultrasonic perturbation with frequency f for the first period of this perturbation, as well as for the stationary mode in a liquid with bubbles of radius r are shown in fig. 3. The figures shaded parts of the curves for near-resonant frequencies of the signal. It can be seen that in these areas the deviations l C, and d Cr (differ greatly from each other on different curves (for example, at point 2). On not-shaded areas far from the resonant frequency fo of bubbles (for example, at point 1) D Q and L GI., The signal propagation rates are the same for both the first signal period and the steady state.

Сравнива  величины показаний Д t ил1 двух измерителей 13 и 14 временных интервалов , можно судить удовлетвор ет ли частота низкочастотного сигнала условию правильного выбора ее (в этом случае показа- ни д и . одинаковы) или пузыри выросли настолько, что условие выбора нарушилось ( Д t., « Ata). В последнем случае следует либо прин ть решение о понижении частоты измерительного сигнала дл  производства точных измерений, либо констатировать факты достижени  пузыр ми определенного размера в процессе их роста и считать дальнейшие измерени  концентрации неточными.By comparing the readings D t or 1 of two meters 13 and 14 time intervals, it is possible to judge whether the frequency of the low-frequency signal satisfies the condition of its correct choice (in this case, the values of d are the same) or the bubbles have grown so much that the selection condition is violated (D t ., "Ata). In the latter case, you should either decide to lower the frequency of the measuring signal to make accurate measurements, or state the facts of reaching bubbles of a certain size during their growth and consider further measurements of the concentration to be inaccurate.

В дальнейшем работа устройства осуше- ствл етс  следующим образо м. Селективные усилители 11 и 12 обеспечивают необходимое усиление, селекцию и формирование прин тых низкочастотных (фиг. 2з) и высокочастотных колебаний (фиг. 2и). Из низкочастотного колебани  формируетс  меандр (фиг. 2о), из высокочастотных - импульсы (фиг. 2к). Последние поступают на первый вход измерител  13 временных интервалов и вход счетчика 15. Первый из импульсовSubsequently, the operation of the device is dried in the following ways. Selective amplifiers 11 and 12 provide the necessary amplification, selection and formation of received low-frequency (Fig. 2h) and high-frequency oscillations (Fig. 2i). A square wave is formed from the low-frequency oscillations (Fig. 2o), and pulses from the high-frequency oscillations (Fig. 2k). The latter arrive at the first input of the meter 13 time intervals and the input of the counter 15. The first of the pulses

00

5five

(фиг. 2к) запускает измеритель 13, после чего вход последнего блокируетс . Второй из импульсов (фиг. 2к) обеспечивает срабатывание счетчика 15 (фиг. 2л), в результате чего обеспечиваетс  запуск по первому входу измерител  14 вре.менных интервалов. Остановка счета измерителей 13 и 14 производитс  по вторым входам с помощью импульсов (фиг. 2п, р), вырабатываемых счетчиком 16. Функци  последнего заключаетс  в выделении из меандра (фиг. 2о) тех периодов , которые использовались дл  запуска высокочастотного генератора.(Fig. 2k) starts the meter 13, after which the input of the latter is blocked. The second of the pulses (Fig. 2k) provides the triggering of the counter 15 (Fig. 2n), as a result of which a trigger on the first input of the time meter 14 is provided. The counting of the meters 13 and 14 is stopped by the second inputs using pulses (Fig. 2p, p) produced by the counter 16. The function of the latter is to extract from the square wave (Fig. 2o) those periods that were used to start the high-frequency generator.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Устройство дл  определени  концентрации свободного газа в жидкости по авт. св. № 896544, отличающеес  тем, что, с целью повышени  достоверности и расщирени A device for determining the concentration of free gas in a liquid by ed. St. No. 896544, characterized in that, in order to increase reliability and enhancement 0 функциональных возможностей за счет измерени  также и размеров пузырей газа в жидкости, оно снабжено схемой ИЛИ, два входа которой подключены к выходам разных разр дов первого счетчика, а выход -- к входу генератора высокочастотных колебаний , и последовательно соединенными третьим счетчиком и вторым измерителем временных интервалов, второй вход которого подключен к второму выходу второго счетчика , выход усилител  высокочастотного0 functionality by measuring the size of gas bubbles in a liquid as well, it is equipped with an OR circuit, two inputs of which are connected to the outputs of different bits of the first counter, and the output to the input of the high-frequency oscillator, and connected in series by the third counter and the second time meter intervals, the second input of which is connected to the second output of the second counter, the output of the high-frequency amplifier 0 сигнала соединен с входом третьего счетчика , а выход генератора синхроимпульсов св зан с входами сброса второго измерител  временных интервалов и третьего счетчика .The 0 signal is connected to the input of the third counter, and the output of the sync pulse generator is connected to the reset inputs of the second time interval meter and the third counter. 5five SS WVWV JOJO-q rLTLnrbJOJO-q rLTLnrb АСAu (tjl(tjl 1-ый, период периода- ческозо дльтраздуко - дого Возмущени 1st, period of periodical cescosis ff Стацаотрный режим периодического ультразбукобоёо дозпуш,ена Statsaotrnogo mode periodic ultrasubboobooy dozpush, ene аг. 3ag 3