RU2008664C1 - Device for detecting free gas concentration in fluid - Google Patents

Device for detecting free gas concentration in fluid Download PDF

Info

Publication number
RU2008664C1
RU2008664C1 SU4945168A RU2008664C1 RU 2008664 C1 RU2008664 C1 RU 2008664C1 SU 4945168 A SU4945168 A SU 4945168A RU 2008664 C1 RU2008664 C1 RU 2008664C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
amplifier
low
input
output
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
А.М. Гаврилов
О.А. Савицкий
Original Assignee
Таганрогский Радиотехнический Институт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Таганрогский Радиотехнический Институт filed Critical Таганрогский Радиотехнический Институт
Priority to SU4945168 priority Critical patent/RU2008664C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2008664C1 publication Critical patent/RU2008664C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: instrumentation. SUBSTANCE: high-frequency phase-manipulated signal and a low-frequency signal are radiated into tested medium. Gas-steam content is determined from the lag of one signal relative to the other. The measurement is performed continuously. EFFECT: improved accuracy. 1 dwg

Description

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

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. A device for determining the concentration of free gas in a liquid, containing a clock generator connected to low-frequency and high-frequency radio pulse generators loaded through the switches on the first and second converters [1]. Each converter through its switch is connected to the input of one of the two selective amplifiers, the outputs of the selective amplifiers are loaded on the inputs of the time interval meter, which is connected to the clock generator by a synchronizing input. The operation of the device is based on the simultaneous sounding of the liquid by acoustic radio pulses of low and high frequencies and measuring the delay time of the low-frequency signal of the relative high signal.

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. The closest in technical essence to the proposed is a device for determining the concentration of free gas and liquid-phase media, containing a crystal oscillator connected through a first power amplifier with a high-frequency emitter, connected in series between the output of the crystal oscillator and a low-frequency radiator, the first limiting amplifier, the first frequency divider, filter low frequencies and a second power amplifier, an acoustic signal receiver, loaded on the inputs of two selective amplifiers, in move the first selective amplifier via a second limiting amplifier connected to the first input of the phase difference meter, and the output of the second selective amplifier using serially connected third limiting amplifier and a second frequency divider coupled to the second input of the phase difference meter [2]. The device is based on a comparison of the phase velocities of the propagation of two acoustic waves, the frequency of one wave is higher and the other below the resonant frequency of gas bubbles in the liquid. Due to the difference in the phase velocities of the propagation of low-frequency and high-frequency waves, these waves arrive at the receiver with a delay, which is measured by a phaseometric circuit.

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. The disadvantage of the prototype is the low accuracy of measuring the delay of the low-frequency signal relative to the high-frequency, due to the lack of synchronization in the work of two frequency dividers relative to the same period of the high-frequency signal. This leads to the fact that in the emitting and receiving paths of the described device, the frequency dividers produce low-frequency signals, in which the transitions through zero are phased with zero transitions of different periods of the high-frequency signal. This happens due to the different nature of the increase in the amplitude of the high-frequency signal at the input of the first and second dividers during the transition process that begins at the moment the device is turned on. The difference in the nature of the increase in the signal amplitude at the inputs of the dividers in the initial period of operation of the device is due to the influence of limiting amplifiers, which reduce the duration of the transient process and the influence of narrow-band emitters and selective amplifiers, which “extend” this transient due to their high Q factor. As a result, between the signals supplied to the phase difference meter, there is always a random phase difference, which introduces an error as a result of the measurements.

Целью изобретения является повышение точности измерений. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurements.

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. This goal is achieved in that in a device containing a high-frequency generator, a first power amplifier and a high-frequency radiator connected in series, a second power amplifier and a low-frequency radiator connected in series, a receiving converter in series, a first limiting amplifier and a phase difference meter connected in series to the receiving transducer, a second selective amplifier and a second limiting amplifier are connected in series a low-frequency generator and a balanced modulator connected to the high-frequency generator by the second input, loaded onto the first power amplifier, a phase detector connected between the second selective amplifier and the second limiting amplifier, connected to the second input to the high-frequency generator, the second limiting amplifier is connected to the second the input of the phase difference meter, and the output of the low-frequency generator is connected to the input of the second power amplifier.

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 fo газовых пузырьков, то фазовая скорость акустической волны равна
Cф=

Figure 00000001
, , где Со - скорость звука в жидкости без пузырьков; U - объемная концентрация свободного газа в жидкости. Видно, что при f << fo фазовая скорость меньше Со и определяется концентраций свободного газа. Фазовая скорость акустической волны, частота которой выше резонансной частоты газовых пузырьков, больше Со и при f >> fo асимптотически приближается к Со. Принцип действия устpойства основан на сравнении фазовых скоростей распространения двух акустических волн, одна из которых имеет частоту F ниже резонансной частоты fo пузырьков, а другая имеет частоту f выше fo. Если излучаемая в жидкость высокочастотная волна подвергнута балансной модуляции низкочастотным сигналом с частотой низкочастотной волны Pf(t, x= 0)= P
Figure 00000002
cos(2ΠFt)cos(2Πft) (1)
и излучается одновременно с низкочастотной волной PF(t, x= 0)= P
Figure 00000003
cos(2ΠFt), , (2)
то, пройдя одинаковое расстояние x = L между излучателем и приемником, эти волны имеют вид
P
Figure 00000004
(t, x= L)= P
Figure 00000005
cos(2ΠFt-
Figure 00000006
)cos(2Πft-
Figure 00000007
), , (3)
P
Figure 00000008
(t, x= L)= P
Figure 00000009
cos(2ΠFt-
Figure 00000010
)= P
Figure 00000011
cos[(2ΠFt-
Figure 00000012
- Δφ] , (4) где Δφ= 2π FL(Co - Cф)/CoCф - разность фаз, обусловленная запаздыванием низкочастотной волны в жидкости с пузырьком газа относительно низкочастотной волны в жидкости без газа.It is known that the phase velocity of propagation of an audio signal in a liquid containing free gas depends on the frequency of the signal and the concentration of free gas. If the frequency of the sound signal is significantly lower than the resonant frequency f o of gas bubbles, then the phase velocity of the acoustic wave is
C f =
Figure 00000001
,, where С о is the speed of sound in a liquid without bubbles; U is the volume concentration of free gas in the liquid. It is seen that at f << f o the phase velocity is less than C o and the concentration of free gas is determined. The phase velocity of an acoustic wave, whose frequency is higher than the resonant frequency of gas bubbles, is greater than C o and, for f >> f o, asymptotically approaches C o . The principle of operation of the device is based on a comparison of the phase velocities of the propagation of two acoustic waves, one of which has a frequency F below the resonant frequency f o of the bubbles, and the other has a frequency f above f o . If a high-frequency wave radiated into a liquid is subjected to balanced modulation by a low-frequency signal with a low-frequency wave frequency P f (t, x = 0) = P
Figure 00000002
cos (2Πft) cos (2Πft) (1)
and is emitted simultaneously with the low-frequency wave P F (t, x = 0) = P
Figure 00000003
cos (2ΠFt),, (2)
then, having passed the same distance x = L between the emitter and the receiver, these waves have the form
P
Figure 00000004
(t, x = L) = P
Figure 00000005
cos (2ΠFt-
Figure 00000006
) cos (2Πft-
Figure 00000007
),, (3)
P
Figure 00000008
(t, x = L) = P
Figure 00000009
cos (2ΠFt-
Figure 00000010
) = P
Figure 00000011
cos [(2ΠFt-
Figure 00000012
- Δφ], (4) where Δφ = 2π FL (C o - C f ) / C o C f is the phase difference due to the delay of the low-frequency wave in a liquid with a gas bubble relative to a low-frequency wave in a liquid without gas.

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

Figure 00000013
(t, x= L)= P
Figure 00000014
cos(2ΠFt-
Figure 00000015
) . (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
Figure 00000016
/C0C
Figure 00000017
2ΠF·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.If the received high-frequency signal (3) is subjected to phase detection, then, given the presence in the balanced-modulated signal of the inversion of the high-frequency filling phase at zero points of the envelope, a rectangular signal with a frequency F is formed at the output of the phase detector, the main harmonic of which has the form
P
Figure 00000013
(t, x = L) = P
Figure 00000014
cos (2ΠFt-
Figure 00000015
) (5)
It can be seen that the phase difference between the received low-frequency signal (4) and the first harmonic of the modulating function of the received high-frequency signal (5) is determined
ΔΨ = Δφ = 2ΠFL (C 0 -C
Figure 00000016
/ C 0 C
Figure 00000017
2ΠF · Δt
the delay time Δ t of the low-frequency signal is relatively high-frequency, and the absence of the frequency division operation in the emitting and receiving paths completely eliminates the random error in estimating the delay time.

На чертеже дана структурная схема предлагаемого устройства. The drawing shows a structural diagram of the proposed device.

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. A device for determining the concentration of free gas in a liquid consists of a low-frequency generator 1, a second power amplifier 2 and a low-frequency emitter 3 connected in series, a high-frequency generator 4, a balanced modulator 5 connected by a second input to the generator 1, a first power amplifier 6 and a high-frequency emitter 7, serially connected receiving transducer 8, first selective amplifier 9, first limiting amplifier 10 and phase difference meter 11, properly connected between the receiving transducer 8 and the second input of the meter 11 of the second selective amplifier 12, a phase detector 13 connected by the second input to the generator 4, and the second amplifier-limiter 14.

Работает схема следующим образом. The scheme works as follows.

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.Continuous low-frequency oscillations U 1 , for example, with a frequency of 10 kHz from the output of the low-frequency generator 1, are amplified by a power amplifier 2 and radiated into the test liquid containing free gas by a low-frequency radiator 3. High-frequency oscillations, for example, with a frequency of 1 MHz from the output of a high-frequency generator 4 the frequencies are fed to the balanced modulator 5, where they are balanced modulated by a low-frequency signal from the output of the generator 1, fed to the second input of the modulator 5, amplified by a power amplifier 6 and emitted into the liquid by a near-frequency emitter 7. Low-frequency and high-frequency acoustic waves travel equal distances L between the emitters 3y and 7 and the receiving transducer 8. Due to the different propagation velocity of acoustic waves with frequencies of 10 kHz and 1 MHz in the test liquid containing gas bubbles, to the receiving transducer 8 they pass with a delay Δt, the value of which is determined by the concentration of free gas. From the output of the receiving Converter 8, the signals are fed to selective amplifiers 9 and 12 with tuning frequencies of 10 kHz and 1 MHz, respectively. The signal from the output of the amplifier 9 is limited in amplitude by the limiting amplifier 10 and is fed to the first input of the phase difference meter 11. The signal from the output of amplifier 12 (phase-shifted) is subjected to phase demodulation in a phase detector 13, to the second input of which a reference signal is supplied from the output of generator 4. At the output of the phase detector 13, a square-wave square wave signal with a frequency of 10 kHz is formed, the average level of which depends on phase difference between the reference signal and the harmonic filling and can vary depending on the speed of sound in the investigated fluid and other reasons. The amplitude of the rectangular signal is then normalized by the amplifier-limiter 14, after which the signal is fed to the second input of the meter 11 of the phase difference. The free gas concentration is found using the calibration curve for the measured phase difference.

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. Using a high-frequency balanced-modulated wave allows you to continuously measure the delay value of the low-frequency signal relative to the modulating function of the high-frequency signal without the use of frequency dividers, which eliminates the occurrence of random errors and improves the accuracy of measurements. (56) 1. USSR author's certificate N 530243, cl. G 01 N 29/00, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР N 1603288, кл. G 01 N 29/02, 1989.  2. Copyright certificate of the USSR N 1603288, cl. G 01 N 29/02, 1989.

Claims (1)

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.  A device for determining the concentration of free gas in a liquid, comprising a high frequency generator, a first power amplifier and a high frequency radiator connected in series, a second power amplifier and a low frequency radiator connected in series, a receiving converter, a first selective amplifier, a first limiting amplifier and a phase difference meter, connected to the receiving transducer, a second selective amplifier and a second limiting amplifier, characterized by In order to improve accuracy, it is equipped with a series-connected low-frequency generator and a balanced modulator connected to the second input with the output of the high-frequency generator, and the output with the input of the first power amplifier, and a phase detector connected between the output of the second selective amplifier and the input the second amplifier-limiter connected by the output to the second input of the phase difference meter, the output of the low-frequency generator is connected to the input of the second power amplifier, and the output of the high-frequency generator It is connected to the reference input of the phase detector.
SU4945168 1993-06-13 1993-06-13 Device for detecting free gas concentration in fluid RU2008664C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4945168 RU2008664C1 (en) 1993-06-13 1993-06-13 Device for detecting free gas concentration in fluid

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4945168 RU2008664C1 (en) 1993-06-13 1993-06-13 Device for detecting free gas concentration in fluid

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2008664C1 true RU2008664C1 (en) 1994-02-28

Family

ID=21579118

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4945168 RU2008664C1 (en) 1993-06-13 1993-06-13 Device for detecting free gas concentration in fluid

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2008664C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Franklin et al. A pulsed ultrasonic flowmeter
RU2186399C2 (en) Ultrasonic device measuring flow velocity
JPH0812092B2 (en) Doppler measuring device
RU2008664C1 (en) Device for detecting free gas concentration in fluid
JPH0569192B2 (en)
RU2020474C1 (en) Device for determining concentration of free gas in liquid
SU838552A1 (en) Device for measuring undissolved gas concentration in liquid
JPH0452586A (en) Distance measuring apparatus
RU2020472C1 (en) Device for determining concentration of free gas in liquid
RU2020477C1 (en) Method of measurement of acoustic signal reflection factor
JPH0131977Y2 (en)
RU2052769C1 (en) Ultrasonic method of measuring thickness of articles with large attenuation of ultrasound and apparatus for performing the method
RU2020475C1 (en) Device for determining concentration of free gas in liquid
SU862062A1 (en) Device for determination of free gas concentration in liquid
SU811079A1 (en) Method and apparatus for determining ultrasound propagation speed
Rogez et al. Ultrasonic velocity dispersion in liquids between 3.3 and 330 MHz using a high resolution phase measurement technique
SU1183886A1 (en) Apparatus for measuring concentration of undissolved gas in liquid
RU2047097C1 (en) Method and device for measuring flow rate of liquid or gas
SU1205007A1 (en) Apparatus for measuring propagation rate and absorption ratio of ultrasound
JP2760079B2 (en) Ultrasonic sensor
SU494692A1 (en) Method for measuring fluid velocity
RU2020473C1 (en) Device for measurement of acoustic signal reflection factor
SU1599659A1 (en) Ultrasonic flowmeter
SU493725A1 (en) Device for measuring the absorption coefficient of ultrasound
SU792132A1 (en) Method of determination of free gas concentration in liquid