RU28396U1 - Устройство для звуколюминесцентного контроля примесей в проточной воде (варианты) - Google Patents

Description

Устройство для звуколюминесцентного контроля примесей в проточной водс/ &ар /а.Н 7Ь)

Полезная модель может найти применение для контроля чистоты питьевой и технической воды.

Известно устройство-аналог, содержащее последовательно соединенные генератор и излучатель акустических волн с плоской анерт рой диаметром 70мм, также содержащее кювету с водой и фотоумножитель для наблюдения за звуколюминесценцией (сонолюминесценцией) при акустической кавитации в жидкости (B.C. Тесленко, Г.Н. Санкин, А.П. Дрожжин. Свечение в воде и глицерине в поле плоских ударно-акустических волн. - Новосибирск: Труды института гидродинамики им. М.Л. Лаврентьева СО РАН, 1996).

Недостатком устройства-аналога является необходимость создания коротких ударно-акустических волн через значительные промежутки времени, что не позволяет обеспечить непрерывные наблюдения звуколюминесценции в проточной жидкости.

Известно устройство-аналог, содержащее последовательно соединенные генератор и излучатель акустических волн с излучающей поверхностью в форме сегмента сферы с апертурой диаметром 70мм, также содержащее кювету с водой и фотоумножитель для наблюдения за люминесценцией при акустической кавитации в жидкости.

В этом устройстве-аналоге используются ударные акустические волны с биполярным профилем в виде волны сжатия с длительностью 2 мкс при акустическом давлении Р.2 - 40 МПа (B.C. Тесленко, Ю.Э. Данилов, В.П. Сафонов. Кинетика сонолюминесценции и образование коллоидных частиц при фокусировке ударных волн в жидкости. - Новосибирск: Акустика неоднородных сред, выпуск 112, 1997 - с. 235241).

Это устройство-аналог также не позволяет обеспечить непрерывное наблюдение звуколюминесценции в проточной жидкости.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип полезной модели, является аппаратура для люминесценции содержащая последовательно соединенные генератор и цилиндрический излучатель, заполненный испытываемой жидкостью, также содержит кювету с излучателем, также содержит фотоумножитель для

G 01 N 29/02

наблюдения за люминесценцией в кювете (Р. Jarman. Measurements of Sonoluminescence from Pure Liquids and Some Aqueous Solutions - Proc. Phys. See. (London), vol.73. №472 -p. 631).

Недостатками устройства-прототипа являются., во-первых, необходимость подачи мощных акустических волн, приводящих к разогреву излучателя и необходимости его охлаждения водой, во-вторых, невозможность с его помощью наблюдать за примесями в проточной жидкости, в-третьих, возможность попадания брызг жидкости на кварцевое окно фотоумножителя, что приведет к погрешностям измерения.

Задачей полезной модели является контроль за концентрацией примесей в проточной воде.

Технический результат достигается за счет того, что звуколюминесценция возникает при развитии кавитации в жидкости, в основном, из-за термического нагрева в схлопывающихся пузырьках, достигающего 10 К. При этом кавитация оказывает разрущающее действие на возбудители кавитации из-за кавитационной эрозии (Ультразвук. Маленькая энциклопедия, под ред. И.П. Галяминой - М.: Сов. Энциклопедия, 1979). Поэтому целесообразно использовать фокусирование ультразвука с помощью тех или иных концентраторов, являющихся устройствами для увеличения интенсивности ультразвука в некоторой части пространства по сравнению с интенсивностью у поверхности ультразвукового излучателя. Уровень звуколюминесценции зависит от концентрации примесей. Ниже рассматриваются варианты цостроения устройств для звуколюминесцентного контроля с рефлекторами, т.е. акустическими устройствами, состоящими из акустических зеркал, обеспечивающих практически полное отражение падающих на них упругих ультразвуковых волн.

Первый вариант полезной модели также как и устройство-прототип содержит кювету, возбудитель ультразвука, оптически связанные кварцевое стекло и фотоумножитель.

Новым в первом варианте устройства является то, что возбудитель выполнен в виде параболического концентратора звука. Рабочая частота / выбрана такой, что раскрыв параболического зеркала R составлял бы не менее пяти длин волн, т.е.

где с - скорость звука в воде (смотрите, например, Л.В. Орлов, А.А. Шатров. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций - М.: Пищевая промышленность, 1974 - с. 39). Возбудитель ультразвука содержит излучатель ультразвука с плоской излучающей поверхностью, перпендикулярной оси противоположной стенки кюветы, выполненной в виде параболоида вращения по уравнению:

при фокусно.м расстоянии а , располагаемом на оси наблюдения звуколюминесценции с помощью фотоумножителя. Усиление акустического давления в фокусе (Л.Я. Гутщ. К теории параболического концентратора звука. Избранные труды - Л.: Судостроение, . 17):

i

: Р

Для кавитации необходимо обеспечить интенсивность не менее 0,3 Вт/см . Поэтому излучатель должен создавать интенсивность J,, не менее

J Р„.

.., 0,3. Поверхность рефлектора должна быть

(Ультразвук. Маленькая энциклопедия, под ред. И.П. Галяминой - М.: Сов. Энциклопедия, 1979-с. 142).

Второй вариант устройства также содержит кювету с водой, оптически связанные кварцевое стекло и фотоумножитель, также содержит возбудитель кавитации. Возбудитель кавитации по второму варианту способа выполнен в виде электрически соединенных генератора и плоского излучателя ультразвука, представляющего собой дно кюветы, а стенки кюветы выполнены конической формы с углом при верщине 90°

и точностью выполнения %о - , где с - скорость звука в жидкости, fp - рабочая частота плоского излучателя, выбираемая из

у- 4ах ,

R

. /- 1

4;г-/„1п 4а0,3

и « г , h R

4;r-/ ln 1 + ---, с 1

20./; выполнена с точностью условия / , где 2R - диаметр

определяется отношением площадей активной части раскрыва и боковой поверхности излучателя, т.е.

где / - длина боковой стороны конического рефлектора. ,311 - радиус поверхности излз ателя, г - радиус кварцевого стекла. Поэтому для создания интенсивности на оси конического рефлектора 0,3 Вт/см необходимо, чтобы излучатель создавал интенсивность

Фотоумножитель наблюдает за нропессами на оси конического рефлектора.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение первого варианта устройства.

На фиг. 2 приведена схема зеркала рефлектора.

На фиг. 3 приведено схематическое изображение второго варианта устройства.

На фиг. 4 приведено пояснение к определению коэффициента усиления.

Нервый вариант устройства для звуколюминесценции содержит кювету 1 с входным 2 и выходным 3 штуцерами, оптически связанные соединенные кварцевое стекло 4 и фотоумножитель 5. также содержит последовательно электрически соединенные излучатель ультразвука 6 и генератор 7. При этом излучатель ультразвука 6 выполнен с плоской излучаюшей поверхностью в виде одной из стенок кюветы 1. противоположная стенка кюветы выполнена параболического типа с точностью

, г , где с - скорость звука в жидкости.Ур - рабочая частота изл -чателя ультразвука

/ - я

6, выбираемая из условия / , где 2R раскрыв рефлектора, а интенсивность .4,

создаваемая излучателем ультразвука не менее

где а - фокусное расстояние.

Работа первого варианта устройства заключается в следующем. Устройство с помощью штуцера 2 подключается к водотоку. Подают электрическое напряжение с генератора на излучатель. С помощью параболического концентратора создают акустическое поле, достаточное для возникновения люминесценции. С помощью

я /(«.„+-)

J - о 3-

(л„.+-)

. (7 ,, . . R

4.т-/, In 1 +

, т

с 4афотоумножителя 5 наблюдают за звуколюминесценцией проточной воды, интенсивность которой примерно пропорциональна количеству примесей в ней.

Второй вариант устройства отличается от первого конструкцией концентратора.

Второй вариант устройства для звуколюминесцентного контроля примесей в жидкости содержит кювету 1 с входным 2 и выходным 3 штуцерами, оптически связанные кварцевое стекло 4 и фотоумножитель 5, также содержит последовательно электрически соединенные излучатель 6 и генератор 7 и. имеющий плоскую излучающую поверхность радиуса ,. Стенки кюветы 2 выполнены конического типа с углом при вершине 90°. Фотоумножитель ведет наблюдение на оси конуса. Интенсивность излучения выбирается J 0,

Работа второго варианта устройства аналогична работе первого варианта. При этом кавитация образуется на оси конического концентратора.

В первом варианте устройства кавитация образуется в меньшем объёме при меньшей подводимой мощности. Во втором варианте кавитирующий объём больше и его в некоторых случаях удобнее наблюдать.

R

Д..,+)

Claims (2)

1. Устройство для звуколюминесцентного контроля примесей в воде, содержащее кювету, оптически связанные кварцевое стекло и фотоумножитель, также содержащее возбудитель кавитации, отличающееся тем, что возбудитель кавитации выполнен в виде последовательно электрически соединенных генератора и плоского излучателя ультра-звука, представляющего собой одну из стенок кюветы с входным и выходным штуцерами, противоположная стенка кюветы выполнена параболической формы с точностью с/20f_p, где c - скорость звука в воде, f_p – рабочая частота излучателя ультразвука, выбранная из условия

, где 2R - раскрыв рефлектора, а интенсивность J_изл, создаваемая излучателем ультразвука выбрана не менее

где а - фокусное расстояние рефлектора, а фотоумножитель расположен так, что его оптическая ось проходит через фокус рефлектора.

2. Устройство для звуколюминесцентного проточного контроля примесей в жидкости, содержащее кювету, оптически связанные кварцевое стекло и фотоумножитель, также содержащее возбудитель кавитации, отличающееся тем, что возбудитель кавитации выполнен в виде электрически соединенных генератора и плоского излучателя ультразвука радиуса R_изл, представляющего собой дно кюветы, а стенки кюветы с входным и выходным штуцерами выполнены конической формы с углом при вершине 90° и точностью выполнения c/20f_p, где с - скорость звука в воде, f_p - рабочая частота плоского излучателя, выбираемая из условия

,

а интенсивность ультразвука, создаваемого излучателем не менее

а фотоумножитель расположен так, что его оптическая ось совпадает с осью конического рефлектора.