Способ измерения концентрации нерастворенного газа в жидкости

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ НЕРАСТВОРЕИНОГО ГАЗА В ЖИДКОСТИ, закпючакжчийся в том, что исследуемзпо жидкость облучают акустическими колебаниями на двух частотах, превьппающих резонансную частоту наименьших по размеру пузьфьков газа, отличающийся тем, целью повышения точности измерений , первую частоту i, акустических колебаний выбирают в 1,1-1,5 раза большей резонансной частоты указанных пузьгрьков газа в жидкости, а вторую частоту ij акустических колебаний - большей первой частоты ff не менее, чем в 1,7 раза, для каждой частоты , и g определяют затухание колебаний и отношение К этих затуханий, а по тарировочному графику М- (:) определяют значение поправочного коэффициента М , с уче (Л том которого определяют концентрацию нерастворенногогаза в жидкости по затуханию колебаний на второй частоте in ,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ.

РЕСПУБЛИК

4(51) С 01 N 29/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н ето скому свидетюьстем

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3473528/25-28 (22) 22.07.82 (46) 15.03.85. Бюл. Р 10 (72) Е.С. Чистяков и А.Н. Бутенко (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им.Н.Е.Жуковского (53) 534.8.081(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 618674, кл. С Of N 29/02, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР

М 725014, кл. С 01 И 29/02, 1978.

3. Акустический институт. Физика и техника мощного ультразвука. ФиI зические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д.Розенберга.

И., "Наука", 1970, с.398 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ НЕРАСТВОРЕННОГО ГАЗА В МПЩКОСТИ, заключающийся в том, что исследуемую жидкость облучают акустически„„SU„„1145282 ми колебаниями на двух частотах, превышающих резонансную частоту наименьших по размеру пузырьков .газа, отличающийся тем, что с целью повышения точности из7 мерений, первую частоту 1, акустических колебаний выбирают в 1,1-1,5 раза большей резонансной частоты ука занных пузырьков газа в жидкости. а вторую частоту 1 акустических колебаний — большей первой частоты не менее, чем в 1,7 раза, для каждой частоты 1 и 1 определяют затухание колебаний и отношение K этих затуханий, а по тарировочному граФику М=1(1 определяют значение поправочного коэффициента М, с учетом которого определяют концентрацию нерастворенного газа в жидкости по затуханию колебаний на второй частоте 1, 1145282

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь эовано для измерения количества неВ растворенного газа в жидкости при эксплуатации различных систем — гид- $ равлических, топливных, охлажде-! ния и других .

Известен .способ измерения концентрации нерастворенного газа в жидкости, заключающийся в генерировании акустической волны на частоте, превышающей резонансную частоту самых мелких пузырьков, прозвучивании исследуемой среды, регистрации волны, прошедшей через нее, и пос- 1$ ледующем сравнении величин сигналов, прошедших различное расстояние в, жидкости, и определении концентрации.нерастворенного газа в жидкости по изменению коэффициента затуха- 20 ния $1) .

Недостатком известного способа является зависимость результатов измерения от размеров пузырьков (при одной и той же их концентра- 2$ ции), что приводит к большой погрешности определения объемной концентрации нерастворенного газа.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения концен- За трации нерастворенного газа в жид» кости, заключающийся в том, что исследуемую жидкость облучавт акустическими колебаниями на двух частотах, превышающих резонансную час-. . тоту наииеиьаих по размеру пузырьков rasa. Î наличии газа в жидкости судят по уровню рассеянного жидкостью сигнала, измеренного на разностной частоте этих колебаний 121. ®> с—

Однако этот способ дает большую погрешность измерения при определении концентрации газа в жидкости пр1 одновременном наличии в ней пузырьков газа различных размеров.

Цель изобретения - повипение точности измерений концентрации нерастворенного газа в жидкости с пузырькаии различных размеров.

Поставленная цель достигается $0 тем, что согласно способу измерения концентрации нераствореиного rasa в жидкости, заключающемуся в тои, что исследуемую жидкость облучают акустическими колебаниями на двух $$ частотах, превышающих резонансную частоту наименьших по размеру пузырьков газа, первую частоту f, акустйческих колебаний выбирают в 1, 1-1,5 раза большей резонансной частоты укаэанных пузырьков гаэа в жидкости, а вторую частоту 1 акустических колебаний — большей первой частоты4, не менее, чем в 1,7 раза, для каждой частоты 41 и f определяют затухание колебаний и отношение K этих затуханий, а.по тарировочному графику М и1() определяют значение поправочного коэффициента М, с учетом значения которого определяют кон, центрацию нерастворенного газа в жидкости по затуханию колебаний на второй частоте

Сущность способа заключается в следующем.

Известно, что эатухание звука, вносимое пеленой пузырьков одного размера и выраженное в децибелах, определяется выражением

209 < =20 О 434 и в " ) (1

Ро

1 где Pe — амплитуда звуковых колебаний, прошедших исследуемую среду без пузырьков, — амплитуда звуковых колебаний, прошедших расстояние по области, содержащей пузырьки со средней плотностью распределениями в единице объема;

e — поперечное сечение затухания энергии пузырьком ГЗ) .

Из выражения (1) видно, что затухание звука пропорционально количеству пузырьков И = n- г и поперечному сечению затухания бе, которое определяется следующим выражением: где R - радиус пузырьков; — резонансная частота пу зырька; — частота акустических колебаний, — постоянная затухания, — воиновой коэффициент;

% — длина волны акустических колебаний.

Иэ выражения (2) следует, что при фиксированной частотеf » fo поперечное сечение затухания 6< из

3 11 меняется пропорционально изменению радиуса пузырька R, в то время как количество пузырьков Н при постоянной их объемной концентрации о пропорционально 1/R . А это э означает, что при одинаковой концентрации пузырьков, но отличающихся друг от друга размерами R,,saтухание звука в среде будет различныи. Так, например, при изменении радиуса пузырьков в 10 раз затухание звука изменяется на 100 дБ, вследствие чего появляется большая ошибка измерения. Иэ вырашения (2) следует такше, что при неизиенном радиусе пузырька 8 зависимость 6е от частоты акустических колебаний . носит нелинейный характер, что и полошено в основу описанного мето" да измерения, при которои один и тот ае объем хидкости прозвучивают на двух разных частотах. При этом . одну частоту акустических колебаний f1 выбирают близкой к максимальной резонансной частоте пузырьков, а другую k2 — значительно выше.

Прозвучивание одного и того ше объема шидкости позволяет считать расстояние и количество пузырьков М для кашдой частоты одинаковыми»

В этом случае изменение амплитуды звуковых колебаний для каждой час тоти и отношение К затуханий колебаний мошно записать в виде а

20gf — =20 0»4И ° и Д.

20®g — -20 0,4И И 6

>ег г бе, кв ей

Значение K при изменении радиуса пузырьков R (при фиксированнъм частотах 1, и 1 ) не остается постоянныи, а меняется определенным об)>аэои - с уменьшением радиуса пузырька отношение увеличивается. При этом калщоиу размеру пузырьков соответствует вполне конкретное значение отношения К, Следовательно, изменяя затухание звука для кащ11ой частоты акустических колебаний и определяя отношение g затуханий, с поиощью зависимости < = г(R) макно определить

45282

25 размер пузырьков, присутствующих в жидкости»

Для корректировки измеренного затухания звука на частоте Л2 в

5 соответствии с размерами пузырьков R вводят поправочный коэффициент который находят по тарировочноиу графику М =f(k) и измеренному значению отношения L . Иэиеренное эату10 хание звука на частоте f<, по которому определяют концентрацию нерастворенного rasa в шидкости, умношают на найденный коэффициент В °

Практически поправочный козффи»

15 циент 9 определяют из условия, чтобы затухание звука для любого размера пузырьков при Кв соя Дбыло одинаковым. Этому условию удовлетворяет соотношение где d — поперечное сечение зату. хания,.соответствующее произвольно выбранному радиусу пузырька 9о внутри диапазона размеров пузырьков, присутствующих в жидкости бз„ вЂ” поперечное сечение зату30 хания пузырька с радиусом

Таким образом, проэвучивание одного и того хе объема исследуемой среды на двух разных частотах позволяет определять размер пузырьков в исследуемой среде, а следовательно, и соответствующий им поправочный козф. фнциент и теи сазааи значительно снизить погрешность измерения, обус40 ловленную зависимостью затухания звука от размеров пузырьков. При измерении концентрации нерастворенного газа в,жидкости, содерхащей пузырьки различных размеров, общее зату45 хание звука равно сумме затуханий, вносимых калдым пузырьком в отдельности. При этом результирующая кривая затухания получается эквивалентной какому-то одному размеру пузырь50 ков, для которого и определяют поправочный коэффициент ф по фориуле (3).

Точность измерений данным слособои зависит от соотношения частот акустических колебаний и резонансных частот пузырьков. Установлено, что максимальная точность измерения обеспечивается в случае, если дополнительное прозвучивание хидкости

1145282

В производят на частоте, превыпающей

3 резонансную частоту наименьших йо размеру пузырьков газа в 1, 1-1,5 pasa> а отношение частот прозвучи- вающих акустических колебаний выби- 5 рают не менее 1,7 (f

На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения.

Устройство состоит из погружен- 10 ных в исследуемую жидкость 1 и установленных на фиксированном расстоянии излучателей 2 и 3 и гидро4юнов 4 и 5. Излучатели подключены к генераторам 6 и 7 высокочас- 1З тотных радиоимпульсов, работа которых синхронизируется синхронизатором 8. Выход гидрофона 4 через последовательно соединенные усилитель 9 высокой частоты, детектор 10 20 и согласующее устройство 11 соединен с первым входом двухканального регистратора 12. Выход гидродюна 5 через последовательно соединенные усилитель 13 высокой частоты, детектор 14 и согласующее устройство 15 соединен с вторым входом регистратора 12.

Реализация способа с помощью этого устройства осуществляется следую- 30 щим образом.

Излучатели 2 и 3 возбуждаются соот- ветственно генераторами 6 и 7 высокочастотных радиоимпульсов, частота заполнения которых вьнпе резонансной чжтоты наименьших по размеру пузырьков в жидкости, причем частота заполнения радионмпульсов одного иэ генераторов превыпает последнюю в 1, 1-1,5 раза, а отношение частот 4р заполнения радиоимнульсов этих генераторов составляет не менее 1,7. Одновременность прозвучивания одного и того же исследуемого участка среды на двух, частотах обеспечивается син- 3 хронизатором 8. Прошедшие среду акустические импульсы принимают и преобразуют гидрофонами 4 и 5 в электрические сигналы, которые через усилители 9 и 13 высокой частоты, де- у>текторы 10 и 14 и согласующие устройства 11 и 15 подают на двухканальный регистратор 12.

По записанным регистратором ампли= тудам электрических сигналов, соответствующих прохождению акустических колебаний через жидкость без пузырьков и с пузырьками на каждой из двух частот, находят вызываемые пузырьками затухания колебаний на этих частотах и отношение K величин затуханий в интересующий момент времени. С помощью найденного значения К и зависимости М = f(K) (тарировочной кривой) находят величину поправочного коэдхЪициента М, на который затем умножают значение измеренного на основной частоте

1затухания колебаний.

Предлагаемый способ позволяет существенно повысить точность измерений. Это обусловлено тем, что затухание колебаний в жидкости, вносимое пузырьками, в большой степени зависит от их размеров (при одной и той же концентрации).

Способ измерений, использующий црозвучивание исследуемой среды на двух опрепеленным образом выбранных частотах, позволяет определить размер пузырьков (при наличии в жидкости скопления пузырьков, близких по размеру) или эквивалентный размер пузырьков (при наличии в жидкости пузырьков разного размера), что дает возможность путем введения поправочного коэффициента скорректировать результаты измерений и тем самым значительно повысить точность измерения.

При наличии в жидкости скопления пузырьков, близких по размеру, описанный способ позволяет практически полностью исключить погрешность измерения, обусловленную зависимостью затухания колебаний от размеров пузырьков. При измерении концентрации нерастворенного газа в жидкостях, содержащих пузырьки различных размеров, погрешность измерения не превьппает 15-707 в зависимости от вида кривой распределения пузырьков по размерам.

ЗИИИПИ Заказ 1164/33 Тираа 897 . Подписное

Фядшаи ШШ "Патеат", г.Ужгород, ул.Проектшая, 4