Устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости

 

Изобретение относится к контрольно-измерительным приборам и может быть использовано для контроля малых концентраций свободного газа в жидкостях. Цель изобретения - увеличение точности измерений. В исследуемую среду излучаются высокочастотный фазоманипулированный сигнал. По отставанию одного от другого на приемнике судят о газопаросодержании. Использование манипулированного сигнала позволяет непрерывно производить измерения. 1 ил.

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

Известно устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости, содержащее генератор синхроимпульсов, соединенный с низкочастотным и высокочастотным генераторами радиоимпульсов, нагруженными через коммутаторы на первый и второй преобразователи [1] . Каждый преобразователь через свой коммутатор подключен к входу одного из двух селективных усилителей, выходы селективных усилителей нагружены на входы измерителя временных интервалов, который синхронизирующим входом соединен с генератором синхроимпульсов. Работа устройства основана на одновременном озвучивании жидкости акустическими радиоимпульсами низкой и высокой частот и измерении времени запаздывания низкочастотного сигнала относительного высокого сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения концентрации свободного газа и жидкофазных средах, содержащее кварцевый генератор, соединенный через первый усилитель мощности с высокочастотным излучателем, последовательно соединенные между выходом кварцевого генератора и низкочастотным излучателем первый усилитель-ограничитель, первый делитель частоты, фильтр нижних частот и второй усилитель мощности, приемник акустических сигналов, нагруженный на входы двух селективных усилителей, выход первого селективного усилителя через второй усилитель-ограничитель соединен с первым входом измерителя разности фаз, а выход второго селективного усилителя через последовательно соединенные третий усилитель-ограничитель и второй делитель частоты соединен с вторым входом измерителя разности фаз [2] . Работа устройства основана на сравнении фазовых скоростей распространения двух акустических волн, частота одной волны выше, а другой ниже резонансной частоты пузырьков газа в жидкости. Из-за различия фазовых скоростей распространения низкочастотных и высокочастотных волн эти волны приходят на приемник с задержкой, которая измеряется фазометрической схемой.

Недостатком прототипа является низкая точность измерения задержки низкочастотного сигнала относительно высокочастотного, обусловленная отсутствием синхронизации в работе двух делителей частоты относительно одного и того же периода высокочастотного сигнала. Это приводит к тому, что в излучающем и приемном трактах описанного устройства делители частоты вырабатывают низкочастотные сигналы, у которых переходы через ноль оказываются сфазированными с нулевыми переходами различных периодов высокочастотного сигнала. Происходит это в силу различного характера нарастания амплитуды высокочастотного сигнала на входе первого и второго делителей в течение переходного процесса, начинающегося в момент включения устройства. Различие в характере нарастания амплитуды сигнала на входах делителей в начальный период работы устройства обусловлено влиянием усилителей-ограничителей, сокращающих длительность переходного процесса и влиянием узкополосных излучателей и селективных усилителей, "удлиняющих" в силу своей высокой добротности этот переходной процесс. В результате между сигналами, подаваемыми на измеритель разности фаз, всегда присутствует случайная по величине разность фаз, что вносит ошибку в результате измерений.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор высокой частоты, последовательно соединенные первый усилитель мощности и высокочастотный излучатель, последовательно соединенные второй усилитель мощности и низкочастотный излучатель, последовательно соединенные приемный преобразователь, первый селективный усилитель первый усилитель-ограничитель и измеритель разности фаз, подключенный к приемному преобразователю второй селективный усилитель и второй усилитель-ограничитель, введены последовательно соединенные генератор низкой частоты и балансный модулятор, соединенный вторым входом с генератором высокой частоты, нагруженные на первый усилитель мощности, включенный между вторым селективным усилителем и вторым усилителем-ограничителем фазовый детектор, соединенный вторым входом с генератором высокой частоты, второй усилитель-ограничитель связан с вторым входом измерителя разности фаз, а выход генератора низкой частоты подключен к входу второго усилителя мощности.

Известно, что фазовая скорость распространения звукового сигнала в жидкости, содержащей свободный газ, зависит от частоты сигнала и концентрации свободного газа. Если частоты звукового сигнала существенно ниже резонансной частоты f_o газовых пузырьков, то фазовая скорость акустической волны равна C_ф= , , где С_о - скорость звука в жидкости без пузырьков; U - объемная концентрация свободного газа в жидкости. Видно, что при f << f_o фазовая скорость меньше С_о и определяется концентраций свободного газа. Фазовая скорость акустической волны, частота которой выше резонансной частоты газовых пузырьков, больше С_о и при f >> f_o асимптотически приближается к С_о. Принцип действия устpойства основан на сравнении фазовых скоростей распространения двух акустических волн, одна из которых имеет частоту F ниже резонансной частоты f_o пузырьков, а другая имеет частоту f выше f_o. Если излучаемая в жидкость высокочастотная волна подвергнута балансной модуляции низкочастотным сигналом с частотой низкочастотной волны P_f(t, x= 0)= Pcos(2ΠFt)cos(2Πft) (1) и излучается одновременно с низкочастотной волной P_F(t, x= 0)= Pcos(2ΠFt), , (2) то, пройдя одинаковое расстояние x = L между излучателем и приемником, эти волны имеют вид P(t, x= L)= Pcos(2ΠFt- )cos(2Πft- ), , (3) P(t, x= L)= P cos(2ΠFt- )= Pcos[(2ΠFt- - Δϕ] , (4) где Δϕ= 2π FL(C_o - C_ф)/C_oC_ф - разность фаз, обусловленная запаздыванием низкочастотной волны в жидкости с пузырьком газа относительно низкочастотной волны в жидкости без газа.

Если принятый высокочастотный сигнал (3) подвергнуть фазовому детектированию, то, учитывая наличие в балансном-модулированном сигнале инверсии фазы высокочастотного заполнения в нулевых точках огибающей, на выходе фазового детектора образуется прямоугольный сигнал с частотой F, основная гармоника которого имеет вид P(t, x= L)= Pcos(2ΠFt- ) . (5) Видно, что разность фаз между принятым низкочастотным сигналом (4) и первой гармоникой модулирующей функции принятого высокочастотного сигнала (5) определяется ΔΨ= Δϕ= 2ΠFL(C₀-C/C₀C2ΠF·Δt временем запаздывания Δ t низкочастотного сигнала относительно высокочастотного, а отсутствие операции деления частоты в излучающем и приемном трактах полностью исключает случайную погрешность при оценке времени запаздывания.

На чертеже дана структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости состоит из последовательно соединенных генератора 1 низкой частоты, второго усилителя 2 мощности и низкочастотного излучателя 3, последовательно включенных генератора 4 высокой частоты, балансного модулятора 5, включенного вторым входом к генератору 1, первого усилителя 6 мощности и высокочастотного излучателя 7, последовательно включенных приемного преобразователя 8, первого селективного усилителя 9, первого усилителя-ограничителя 10 и измерителя 11 разности фаз, последовательно включенных между приемным преобразователем 8 и вторым входом измерителя 11 второго селективного усилителя 12, фазового детектора 13, подключенного вторым входом к генератору 4, и второго усилителя-ограничителя 14.

Работает схема следующим образом.

Непрерывные низкочастотные колебания U₁, например, с частотой 10 кГц с выхода генератора 1 низкой частоты усиливаются усилителем 2 мощности и излучаются в исследуемую жидкость, содержащую свободный газ, низкочастотным излучателем 3. Высокочастотные колебания, например, с частотой 1 МГц с выхода генератора 4 высокой частоты поступают на балансный модулятор 5, где подвергаются балансной модуляции сигналом низкой частоты с выхода генератора 1, поступающим на второй вход модулятора 5, усиливаются усилителем 6 мощности и излучаются в жидкость высокочастотным излучателем 7. Низкочастотный и высокочастотный акустические волны проходят равные расстояния L между излучателями 3у и 7 и приемным преобразователем 8. Из-за различной скорости распространения акустических волн с частотами 10 кГц и 1 МГц в исследуемой жидкости, содержащей газовые пузырьки, к приемному преобразователю 8 они проходят с задержкой Δt, величина которой определяется концентрацией свободного газа. С выхода приемного преобразователя 8 сигналы поступают на селективные усилители 9 и 12 с частотами настройки 10 кГц и 1 МГц соответственно. Сигнал с выхода усилителя 9 ограничивается по амплитуде усилителем-ограничителем 10 и поступает на первый вход измерителя 11 разности фаз. Сигнал с выхода усилителя 12 (фазоманипулированный) подвергается фазовой демодуляции в фазовом детекторе 13, на второй вход которого подается опорный сигнал с выхода генератора 4. На выходе фазового детектора 13 формируется прямоугольный сигнал типа "меандр" с частотой 10 кГц, средний уровень которого зависит от разности фаз между опорным сигналом и гармоническим заполнением и может изменяться в зависимости от скорости звука в исследуемой жидкости и других причин. Амплитуда прямоугольного сигнала затем нормируется усилителем-ограничителем 14, после чего сигнал поступает на второй вход измерителя 11 разности фаз. Концентрация свободного газа находится с помощью тарировочной кривой по измеренной разности фаз.

Использование высокочастотной балансно-модулированой волны позволяет непрерывно измерять величину задержки низкочастотного сигнала относительно модулирующей функции высокочастотного сигнала без применения делителей частоты, что исключает появление случайной ошибки и повышает точность измерений. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 530243, кл. G 01 N 29/00, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР N 1603288, кл. G 01 N 29/02, 1989.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНОГО ГАЗА В ЖИДКОСТИ, содержащее генератор высокой частоты, последовательно соединенные первый усилитель мощности и высокочастотный излучатель, последовательно соединенные второй усилитель мощности и низкочастотный излучатель, последовательно соединенные приемный преобразователь, первый селективный усилитель, первый усилитель-ограничитель и измеритель разности фаз, подключенный к приемному преобразователю второй селективный усилитель и второй усилитель-ограничитель, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено последовательно соединенными генератором низкой частоты и балансным модулятором, соединенным вторым входом с выходом генератора высокой частоты, а выходом - с входом первого усилителя мощности, и фазовым детектором, включенным между выходом второго селективного усилителя и входом второго усилителя-ограничителя, соединенного выходом с вторым входом измерителя разности фаз, выход генератора низкой частоты связан с входом второго усилителя мощности, а выход генератора высокой частоты подключен к опорному входу фазового детектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1