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. Для увеличения точности и повышения помехозащищенности измерений в устройство, содержащее генератор высокой частоты, последовательно соединенные усилитель мощности и излучатель, последовательно соединенные приемник, первый селективный усилитель и фазометр, соединенный с приемником второй селективный усилитель и фильтр нижних частот, введены последовательно соединенные генератор низкой частоты, амплитудный модулятор и сумматор, нагруженный на вход усилителя мощности, линейный амплитудный детектор, подключенный к выходу второго селективного усилителя и нагруженный через фильтр нижних частот на второй вход модулятора, соединенного с генератором высокой частоты. 2 ил.

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

Известно устройство для определения концентрации свободного газа в жидкости, содержащее генератор синхроимпульсов, соединенный с синхронизирующим входом измерения временных интервалов с генератором низкочастотных радиоимпульсов, нагруженным на низкочастотный излучатель, с последовательно соединенными первым счетчиком импульсов, генератором высокочастотных радиоимпульсов и высокочастотным излучателем, генератор прямоугольных импульсов, включенный между низкочастотным генератором и первым счетчиком, два селективных усилителя, входы которых соединены с гидрофоном, выход высокочастотного селективного усилителя соединен с первым входом измерителя временных интервалов, выход низкочастотного селективного усилителя через второй счетчик соединен с вторым входом измерителя временных интервалов, установочный вход второго счетчика соединен с генератором синхроимпульсов. Работа устройства основана на озвучивании жидкости низкочастотным и высокочастотным импульсами, сдвинутыми друг относительно друга на фиксированный промежуток времени и измерении времени запаздывания низкочастотного сигнала относительно высокочастотного, которое определяется концентрацией свободного газа [1].

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для определения концентрации свободного газа в 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 соединены с первым входом измерителя разности фаз (фазометр), а выход второго селективного усилителя через последовательно соединенные третий усилитель-ограничитель и второй делитель частоты соединен с вторым входом измерителя разности фаз. Работа устройства основана на сравнении фазовых скоростей распространения двух акустических волн, частота одной из этих волн выше, а другой - ниже резонансной частоты пузырьков газа. Из-за различия фазовых скоростей низкочастотной и высокочастотной волн в жидкости с пузырьками газа эти волны приходят на приемник с задержкой, которая измеряется фазометрической схемой [2].

Недостатком прототипа является низкая точность измерения задержки низкочастотного сигнала относительно высокочастотного, обусловленная отсутствием взаимной увязки работы делителей частоты в излучающем и приемном трактах. В результате из-за переходного процесса, возникающего при включении питания устройства, отсчет импульсов первым и вторым делителями частоты начинается от различных импульсов (периодов), что определяется индивидуальными значениями пороговых напряжений делителей частоты, влиянием на процесс нарастания амплитуды сигналов добротности селективных усилителей, приемного и излучающего преобразователей удлиняющих переходный процесс, режима запуска автогенератора, коэффициента усиления усилителей-ограничителей. Вторым недостатком прототипа является низкая помехозащищенность измерений, что обусловлено изменениями протяженности одной или обоих измерительных баз (расстояние между излучателем и приемником) под воздействием вибраций, механического воздействия потока жидкости на преобразователи и их крепление, неоднородностями акустических характеристик среды.

Техническим результатом изобретения является увеличение точности и повышение помехозащитности измерений.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее генератор высокой частоты, усилитель мощности, соединенный с излучателем, последовательно соединенные приемник, первый селективный усилитель и фазометр, соединенный с приемником второй селективный усилитель, введены последовательно соединенные генератор низкой частоты, амплитудный модулятор и сумматор, нагруженный на вход усилителя мощности, линейный амплитудный детектор, подключенный к выходу второго селективного усилителя и нагруженный через фильтр нижних частот на второй вход фазометра, при этом второй вход сумматора соединен с генератором низкой частоты, второй вход модулятора - с генератором высокой частоты.

Известно, что фазовая скорость распространения звукового сигнала в жидкости, содержащей свободный газ, зависит от частоты сигнала и концентрации газа. Если частота звукового сигнала существенно ниже резонансной частоты f_o газовых пузырьков, то фазовая скорость акустических волн равна C_ф= , где С_о - скорость звука в жидкости без пузырьков; И - объемная концентрация свободного газа в жидкости.

Видно, что при f ≪ f_o фазовая скорость меньше С_о и определяется концентрацией свободного газа. Фазовая скорость акустической волны, частота которой выше резонансной частоты газовых пузырьков, превышает С_ои при f ≫ f_o асимптотически приближается к С_о. Принцип действия устройства основан на сравнении фазовых скоростей двух акустических волн, одна из которых называется низкочастотной (НЧ), поскольку имеет частоту F, которая значительно меньше резонансной частоты f_oпузырьков, а другая называется высокочастотной (ВЧ), так как имеет частоту f, которая существенно выше f_o.

В силу различия скорости НЧ и ВЧ волн в жидкости с пузырьками газа эти волны пройдут расстояние между излучателем и приемником x=L с задержкой во времени.

Величина этой задержки, как правило, весьма мала по абсолютной величине. Для обеспечения высокой точности измерения времени запаздывания одного сигнала по отношению к другому, а также для исключения влияния любых переходных процессов, во-первых, осуществляется непрерывное излучение и прием НЧ и ВЧ-волн и, во-вторых, используется фазовый метод измерения времени запаздывания, т.е. измеряется изменение разности фаз между принятыми НЧ и ВЧ волнами по отношению к излученным волнам.

Однозначно измерять разность фаз между двумя сигналами можно только в случае, если они имеют равные частоты.

Для выполнения последнего условия ВЧ-волна подвергается амплитудной модуляции (АМ) по гармоничному закону с частотой F. В результате, в среду излучаются одновременно НЧ и АМ ВЧ сигналы: P_F(t,X=0)=P_Fmcos 2π Ft; (1) P_f(t,X=0)=P_fm(1+mcos 2π Ft)˙cos2π ft (2), которые, пройдя измерительную базу (т.е. расстояние между излучателем и приемником X=L), примут вид: P(t,L) = Pcos2ΠFt - = Pcos2ΠFt - - ; (3) P(t, L) = P1+mcos2ΠFL - cos2Πft - , (4), где m - коэффициент модуляции; Δϕ=2π FL(C_o-C_ф)/С_фС_о - разность фаз, обусловленная запаздыванием НЧ-волны в жидкости со свободным газом относительно НЧ-волны в жидкости без газа.

Если принятый АМ ВЧ сигнал (4) продетектировать линейным амплитудным детектором, то на его выходе образуется низкочастотный сигнал P(t,L) = Pcos2ΠFt - . (5) Разность фаз между принятым НЧ-сигналом (3) и низкочастотным сигналом (5), полученным в результате детектирования принятого АМ ВЧ сигнала, Ψ = Δϕ = 2πFL(C_o-C_ф)/C_ф-C_o= 2πFΔt (6) определяется временем запаздывания Δt НЧ-сигнала относительно ВЧ-сигнала. Отсутствие операции деления частоты и использование фазового метода измерения исключают случайную погрешность в измерении времени запаздывания и влияние на нее переходных процессов любого происхождения. Использование одной измерительной базы, т. е. одной пазы излучатель-приемник, позволяет исключить влияние механических воздействий и неоднородной среды на результаты измерений, поскольку любое изменение измерительной базы под действием вибраций и неоднородностей среды равноценны для НЧ-сигнала (3) и огибающей АМ ВЧ-сигнала (4). Они вычитаются при измерении фаз (6) и отсутствуют в результате измерений времени задержки.

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 подключен генератор 3 высокой частоты, сумматора 4, второй вход которого соединен с генератором низкой частоты, усилителя мощности 5 и излучателя 6, последовательно соединенных приемника 7, первого селективного усилителя 8 и фазометра 9, второй вход которого соединен с приемником 7 через последовательно соединенные второй селективный усилитель 10, линейный амплитудный детектор 11 и фильтр 12 нижних частот.

Схема работает следующим образом. Непрерывные низкочастотные колебания U₁, например, с частотой F=10 кГц с выхода генератора 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 c выхода модулятора 3 и низкочастотные колебания U₁ с генератора 1 суммируются в сумматоре 4, усиливаются усилителем мощности 5 и одновременно излучаются в жидкость излучателем 6. Пройдя измерительную базу протяженностью L низкочастотные и модулированные высокочастотные колебания принимаются приемником 7 и подаются на выход селективного усилителя 8, настроенного на пропускание сигнала низкой часто- ты F, и вход селективного усилителя 10, настроенного на пропускание сигнала высокой частоты f.

Из-за различных скоростей распространения акустических волн с частотами 10 кГц и 1 МГц в исследуемой жидкости, содержащей газовые пузырьки, низкочастотная волна приходит на приемник с задержкой Δt=L˙(C_o-C_ф)/С_оС_ф относительно высокочастотной волны. Величина задержки определяется концентрацией свободного газа.

Низкочастотный сигнал U₄ с выхода селективного усилителя 8 поступает на фазометр 9. Высокочастотный модулированный по амплитуде сигнал U₅ с выхода селективного усилителя 10 детектируется линейным амплитудным детектором 11, после чего из него фильтром 12 нижних частот выделяется низкочастотный сигнал U₆ с частотой огибающей. С выхода фильтра 12 низкочастотный сигнал U₆ подается на второй вход фазометра 9, который измеряет разность фаз Δϕ между низкочастотными сигналами U₄ и U₆. Концентрация свободного газа находится с помощью тарировочной кривой Δϕ = F(U) по измеренной разности фаз Δϕ.

Использование амплитудно-модулированной высокочастотной волны позволяет непрерывно измерять величину задержки низкочастотного сигнала, используя для этого измерения разности фаз между огибающей высокочастотной волны и низкочастотной волной. Этим устраняется влияние переходных процессов на точность измерения задержки низкочастотного сигнала.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНОГО ГАЗА В ЖИДКОСТИ, содержащее генератор высокой частоты, последовательно соединенные усилитель мощности и акустический излучатель, последовательно соединенные приемник, первый селективный усилитель и фазометр и соединенный с приемником второй селективный усилитель, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно соединенными генератором низкой частоты, амплитудным модулятором и сумматором, второй вход которого связан с выходом генератора низкой частоты, а выход - с усилителем мощности, последовательно соединенными линейным амплитудным детектором, подключенным к выходу второго селективного усилителя, и фильтром нижних частот, выход которого подключен к второму входу фазометра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2