SU1765765A1 - Устройство дл определени распределени газовых пузырьков по размерам - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике, предназначено дл  ни определени  распределени  газовых пузырьков по размерам и может быть использовано в технике кавитационных качеств гидромашин, в океанологических исследовани х и других задачах прикладной гидродинамики . Целью изобретени   вл етс  повышение точности определени  газосодержани  в требуемом диапазоне размеров пузырьков за счет излучени  в исследуемую жидкость с газовыми пузырьками широкополосного шумового сигнала, формируемого с помощью вновь введенных генератора белого шума и полосового фильтра, и одновременного определени  распределени  газовых пузырьков по размерам, вычисл емого с помощью вновь введенных многоканального вычитающего блока и двух многоканальных усилителей по величинам затухани  спектральных составл ющих излучаемого шумового сигнала, обусловленного рассе нием на резонансных этим спектральным составл ющим газовых пузырька/ . 2 ил. СО

Description

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике, предназначено дл  определени  в реальном масштабе времени распределени  газовых пузырьков по размерам и может быть использовано в технике кавитационных качеств гидромашин, в океанологических исследовани х и других задачах прикладной гидродинамики.

Известно устройство дл  определени  концентрации свободного газа в жидкости, содержащее кварцевый генератор гармонических колебаний, три усилител -ограничител , два делител  частоты, умножитель частоты , фильтр низких частот, два усилител  мощности, три акустических преобразовател , два селективных усилител , измеритель разности фаз, регистрирующий прибор, в котором по фазовому сдвигу, обусловленному различной скоростью распрост- ранени  акустических сигналов с различными частотами в жидкости с пузырьками газа, определ етс  содержание свободного газа в жидкости.

VJ о

СП 4 О СЛ

Недостатком аналога  вл етс  то, что с его помощью возможно определение только общего газосодержани  в газожидкостной среде и не возможно определение распределени  газовых пузырьков по размерам , которое необходимо знать в р де случаев, например, дл  оптимизации кави- тационных качеств гидромашин или энергетической эффективности параметрических излучателей звука.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к за вл емому  вл етс  устройство дл  определени  параметров газожидкостных сред, содержащее генератор видеоимпульсов, формирователь ступенчатого напр жени , п ть формирователей пр моугольных импульсов , два формировател  пилообразных импульсов , два компаратора, регистратор, два кварцевых генератора, две схемы задержки , управл емый генератор гармонических колебаний, коммутатор, амплитудный модул тор , четыре импульсных модул тора, генератор колебаний, три усилител  мощности, блок выборки-хранени , три фокусирующих излучател , перестраиваемый селективный усилитель, амплитудный детектор , приемный преобразователь. С помощьюпрототипавозможно последовательное в течение нескольких посылок определение распределени  газовых пузырьков по размерам за счет одновременного облучени  исследуемой газожидкостной среды, наход щейс  в общей фокальной области фокусирующих излучателей , сфокусированными волнами с частотами fi и f2, частота одной из которых дискретно измен етс  от посылки к посылке в широком диапазоне частот, и регистрации уровней рассе нных газовыми пузырьками сигналов разностных 4acTOT(fi-f2), несущих информацию о концентрации газовых пузырьков в широком диапазоне из радиусов, резонансных измен ющейс  разностной частоте зондирующих сигналов.

Недостатком прототипа  вл етс  то, что с его помощью в данный момент времени возможно определение концентрации газовых пузырьков лишь одного размера (радиуса ), резонансного разностной частоте зондирующих сигналов. С помощью прототипа , как и аналога, в одно и то же врем  невозможно определение концентрации газовых пузырьков различных размеров (радиусов ), т.е. невозможно определение распределени  газовых пузырьков по размерам в один и тот же момент времени, и, следовательно, невозможно одновременное точное определение общего газосодер- жани  в жидкости, вычисл емого

суммированием концентраций газовых пузырьков различных размеров, поскольку известно, что распределение газовых пузырьков по размерам в результате их коагул ции непрерывно измен етс  во времени. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  газосодержани .

Это достигаетс  за счет одновременного определени  распределени  газовых пу0 зырьков по размерам, что достигаетс  тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные генератор, модул тор, усилитель мощности и акустический излучатель , последовательно соединенные синх5 ронизатор, схему задержки и первый формирователь пр моугольных импульсов, акустический приемник, блок выборки-хранени , второй модул тор, второй формирователь пр моугольных импульсов,

0 подключенный входом к выходу синхронизатора , и регистратор, введены полосовой фильтр, включенный между выходом генератора и первым входом первого модул тора , первый многоканальный усилитель,

5 включенный между выходом первого модул тора и информационным входом блока выборки-хранени , последовательно соединенные второй многоканальный усилитель, выход которого св зан с выходом второго

0 модул тора, и многоканальный вычитающий блок, второй вход которого подключен к выходу блока выборки-хранени , а выход - к регистратору, выход первого формировател  пр моугольных импульсов соединен с

5 управл ющим входом блока выборки-хранени  и со вторым входом второго модул тора , вход которого подключен к выходу акустического приемника, выход второго формировател  пр моугольных импульсов

0 св зан со вторым входом первого модул тора , а генератор выполнен в виде генератора белого шума.

Возможность достижени  цели изобретени  обусловлена следующими теоретиче5 скими выводами. Как отмечалось, знание распределени  газовых пузырьков по их размерам необходимо в р де случаев. Так, например, по концентрации и распределению газовых пузырьков в кильватерных

0 стру х судов возможно определение типа судна, его скорости хода, возраста следа, т.е. времени, прошедшего с момента прохождени  судна в исследуемой точке акватории до момента обнаружени 

5 кильватерного следа и т. п. Особенно важна така  информаци  дл  объектов, наход щихс  в подводном состо нии Например, резонансные размеры (радиусы) пузырьков, наход щихс  в кильватерной струе (следе) судна наход тс  в интервале 0,0008-0,107

см, что соответствует резонансным частотам зондирующих сигналов от 40 до 3 кГц.

Дл  определени  распределени  газовых пузырьков по их радиусам в таком широком интервале размеров пузырьков необходимо использовать широкополосный зондирующий сигнал.

В за вл емом устройстве в качестве такого широкополосного зондирующего акустического излучени  используетс  шумовое излучение, при этом ширина полосы излучаемых шумовых сигналов выбираетс  из конкретных требований к необходимой полосе исследуемых резонансных частот пузырьков и задаетс  с помощью введенного полосового фильтра, или, что одно и то же, из конкретных требований к исследуемому интервалу размеров (резонансных зондирующим частотам радиусов ) газовых пузырьков. Так в выше приведенном примере достаточно излучить так называемый белый шум с частотным спектром в диапазоне от 3 до 40 кГц, чтобы по величине затухани  спектральных составл ющих из этого частотного диапазона, обус- ловленного распространением их в газожидкостной среде, можно было судить о концентрации газовых пузырьков, резонансных этим спектральным составл ющим , т.е. о распределении газовых пузырьков по размерам, и, следовательно, об общем газосодержании в исследуемом диапазоне размеров пузырьков, вычисл емом суммированием концентраций газовых пузырьков всех размеров, вход щих в этот диапазон, в данный момент времени. При этом точность определени  общего газосодержани  в трубуемом диапазоне размеров пузырьков повышаетс  за счет одновременного определени  распределени  газовых пузырьков по размерам, поскольку известно, что распределение газовых пузырьков по размерам в результате коагул ции непрерывно измен етс  во времени.

Дл  достижени  поставленной цели в за вл емое устройство введены генератор белого шума, спектр которого имеет характер сплошного, непрерывного и безграничного по частоте, полосовой фильтр, ограничивающий частотный спектр белого шума исход  из конкретных требований к необходимой полосе частот исследуемого диапазона резонанрных частот (размеров) газовых пузырьков. Первый импульсный модул тор формирует радиоимпульсы с шумовым заполнением с требуемой полосой частот с необходимой длительностью и скважностью, задаваемой синхроимпульсами , формируемыми на выходе синхронизатора . Импульсный режим работы устройства с большой скважностью зондирующих сигналов выбираетс  с целью обеспечени  минимального воздействи  зондирующего

акустического пол  на структуру исследуемой газожидкостной среды, поскольку при этом уменьшаютс  процессы самовоздействи  акустических сигналов в жидкости с пу- зырьками газа, коагул ции пузырьков,

0 самопросветлени  газожидкостной среды под воздействием распростран ющихс  в ней акустических сигналов, что также повышает точность определени  газосодержани  в исследуемой среде. При

5 распространении в среде с газовыми пузырьками излучаемого акустического шумового сигнала, состо щего, например, из п частотных компонент, в результате рассе ни  на газовых пузырьках происходит их

0 затухание на резонансных этим п частотным компонентам пузырьках.

По величине затухани  на каждой из п частотных компонент Кп, регистрируемого многоканальным регистратором, с по5 мощью, например, тарировочной кривой (u(Rn)) вычисл ютс  концентрации пузырьков u(Rn) с радиусами Rn, резонансными этим п частотным компонентам, т.е. определ етс  распределение газовых пу0 зырьков по размерам в исследуемой газожидкостной среде.

Затухание звуковых колебаний на каждой из частотных компонент шумового сигнала в за вл емом устройстве

5 определ етс  как разность, вычисл ема  с помощью введенного многоканального вычитающего блока, уровней сигналов, прошедших одно и то же рассто ние между акустическими излучателем и приемником,

0 в обезгаженной жидкости и в жидкости с исследуемыми газовыми пузырьками. При этом уровни вычитаемых сигналов, состо щих из п частотных компонент, прошедших через жидкость с исследуемыми газовыми

5 пузырьками, формируютс  непосредственно на выходах введенного второго многоканального селективного усилител .

Уровни сигналов, из которых происходит вычитание, состо щие из п частотных

0 компонент, прошедших через обезгажен- ную жидкость, формируютс  в результате предварительной калибровки устройства в обезгаженной жидкости на выходах введенного первого многоканального селективно5 го усилител . Предварительна  калибровка коэффициентов передачи (коэффициентов усилени ) первого многоканального усилител  заключаетс  в следующем. Перед измерением распределени  газовых пузырьков по размерам излучающий и приемный преобразователи устройства помещаютс  в обезгаженную жидкость, при этом измер ютс  и регистрируютс  уровни сигналов на выходах многоканального усилите- л . Затем, подбира  коэффициенты передачи каждого из селективных усилителей в первом многоканальном усилителе (аналогичном второму), добиваютс  равенства уровней сигналов на выходах соответствующих усилителей, о чем свидетельствуют нулевые уровни на выходах многоканального вычитающего блока.

После калибровки устройство позвол ет определ ть распределение газовых пузырьков по размерам в исследуемой газожидкостной среде, при этом на выходах многоканального вычитающего блока формируютс  сигналы с уровн ми пропорциональными коэффициентам затухани  каждой из п частотных компонент шумового сигнала, т.е. сигналы, уровни которых несут информацию о концентрации газовых пузырьков , резонансных каждой из п частотных компонент излучаемого шумового сигнала. Поскольку излучаемый и принимаемый сигналы разнесены друг от друга во времени, то дл  осуществлени  операции вычитани  уровни сигналов, снимаемые с выходов первого многоканального усилител , запоминаютс  в многоканальном блоке выборки-хранени . Дл  устранени  различного рода акустических помех, электрических наводок и т.п., т.е. дл  повышени  точности измерений принимаемые сигналы стробируютс  во времени с помощью второго импульсного модул тора, первого формировател  пр моугольных импульсов и схемы задержки.

На фиг.1 приведена структурна  схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы , по сн ющие его работу.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 белого шума, полосовой фильтр 2, модул тор 3, усилитель 4 мощности, и акустический излучатель 5, последовательно соединенные синхронизатор 6, схему 7 задержки и формирователь 8 пр моугольных импульсов, акустический приемник 9, блок 10 выборки-хранени , модул тор 11, первый вход которого соединен с выходом акустического приемник 9, а второй вход - с выходом формировател  8 пр моугольных импульсов и входом блока 10 выборки-хранени , формирователь 12 пр моугольных импульсов, вход которого соединен с выходом синхронизатора 6, а выход - с вторым входом модул тора 3, регистратор 13, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора 6, многоканальный усилитель 14, вход которого

соединен с выходом модул тора 3, а выход - с информационным входом блока 10 выборки-хранени , многоканальный усилитель 15, вход которого соединен с выходом

модул тора 11, а выход - с первым входом многоканального вычитающего блока 16, второй вход которого соединен с выходом блока 10 выборки-хранени , выход блока 16 соединен с входом регистратора 13.

Устройство работает следующим образом . Непрерывный шумовой сигнал с выхода генератора 1 белого шума, спектр которого имеет характер сплошного, непрерывного и безграничного по частоте, поступает на вход полосового фильтра 2, на выходе которого. формируетс  шумовой сигнал с требуемой шириной спектра, который поступает на сигнальный вход модул тора 3, на выходе которого формируютс 

радиоимпульсы с требуемой длительностью и скважностью, которые усиливаютс  усилителем 4 мощности и излучаютс  в исследуемую среду акустическим излучателем 5. Синхронизируют работу всего устройства

синхроимпульсы И1, формируемые на выходе синхронизатора 6, задними фронтами которых запускаетс  схема 7 задержки, на выходе которой формируютс  видеоимпульсы длительностью Т30бстр И2, задними

фронтами которых запускаетс  формирователь 8 пр моугольных импульсов, на выходе формируютс  видеоимпульсы ИЗ длительностью тстр, участвующие в временной селекции принимаемых сигналов с

целью повышени  точности измерений за счет устранени  различного рода акустических помех и электрических наводок.

Задними фронтами синхроимпульсов И1 запускаетс  также формирователь 12

пр моугольных импульсов, на выходе которого формируютс  видеоимпульсы И4 с необходимой длительностью rrt и скважностью, под воздествием которых на выходе модул тора 3 формируютс  радиоимпульсы И5 с шумовым заполнением. При распространении в исследуемой среде с газовыми пузырьками излучаемого акустического шумового сигнала, состо щего из п частотных компонент в результате рассе ни  на газовых пузырьках происходит их затухание главным образом на резонансных этим п частотным компонентам пузырьках . Ослабленный газовыми пузырьками шумовой сигнал принимаетс  широкополосным приемным преобразователем 9, стробируетс  во времени модул тором 11, с выхода которого в виде сигнала И6 поступает на сигнальный вход многоканального усилител  15.

Отселектированные по частоте, например , в п третьоктавных частотных полосах, выпр мленные и осредненные в пределах длительности зондирующего импульса сигналы I/I7 V (на временных диаграммах изображен один из п сигналов, образующихс  на выходах многоканального усилител  15, на что указывает индекс п в верхней части символа) поступают дл  вычитани  на первые входы многоканального вычитающего блока 16(, на вторых входах которого уже присутствуют сигнал И8П, уровни которых соответствуют уровн м сигналов, образующихс  при прохождении исходного зондирующего шумового сигнала через обезгаженную жидкость в результате предварительно произведенной калибровки коэффициентов передачи многоканального усилител  14.

Дл  осуществлени  операции вычитани  двух сигналов, разнесенных во времени , Отселектированные в п третьоктавных частотных полосах с помощью многоканального усилител  14, выпр мленные и осредненные в пределах длительности зондирующего импульса тп сигналы запоминаютс  в многоканальном блоке 10 выборки-хранени , с выходов которого в виде сигналов И8 поступают на соответствующие вторые входы многоканального вычитающего блока 16. На выходах блока 16 формируютс  сигналы с уровн ми пропорциональными коэффициентам затухани  звуковых колебаний на каждой из п частотных компонент шумового сигнала, т.е. сигналы уровни которых несут информацию о концентрации газовых пузырьков , резонансных каждой их п частотных компонент излучаемого шумового сигнала, которые регистрируютс  многоканальным регистратором 13, синхронизируемым синхроимпульсами И1,

Перед излучением очередного зондирующего сигнала задними фронтами видеоим- пульсов ИЗ запоминаема  блоком 10 выборки-хранени  информации сбрасываетс  в результате чего блок 10 подготавливаетс  к очередному циклу своей работы. По величине затухани  на каждой из п частотных компонент, регистрируемого регистратором 13, с помощью тарировоч- ной кривой вычисл етс  концентраци  газовых пузырьков с радиусами резонансными этим частотным компонентам, т.е. определ етс  в один и тот же момент времени распределение газовых пузырьков по размерам в исследуемой газожидкостной среде , что повышает точность определени 

общего газосодержани  в требуемом диапазоне размеров пузырьков.

Использование новых элементов: полосового фильтра, двух многоканальных усилителей , многоканального вычитающего блока, выгодно отличает предлагаемое устройство от прототипа, поскольку по вл етс  возможность повышени  точности определени  общего газосодержани  в тре0 буемом диапазоне размеров газовых пузырьков за счет одновременного определени  распределени  газовых пузырьков по размерам. Знание общего газосодержани  в исследуемом диапазоне

5 размеров пузырьков, а также распределени  пузырьков по их размерам позвол ет судить, например, о типе судна, его скорости , времени, прошедшем с момента прохождени  судна в исследуемой точке

0 акватории до момента обнаружени  его кильватерного слева и т п Народнохоз йственное значение от использовани  за вл емого устройства не ограничиваетс  только возросшими возможност ми классифика5 ции того или иного объекта по его кильватерному или гидродинамическому следу, а также контролем за исправностью газопроводов , проложенных по морскому дну, поскольку определение распределени 

0 газовых пузырьков по размерам только в области исследовани  кавитационных качеств гидромашин позволило бы уточнить методики определени  кавитационных качеств гидромашин (гидротурбин, гребных

5 винтов, насосов и т.п.), что позволило бы увеличить эффективность их работы, позволило бы предсказать кавитационные качества рабочих жидкостей, а значит, и вли ть на характер и интенсивность различных техно0 логических процессов, что ведет к сокращению длительности технологических процессов и увеличению выпуска продукции .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   5

   Устройство дл  определени  распределени  газовых пузырьков по размерам, содержащее последовательно соединенные генератор, модул тор, усилитель мощности

   0 и акустический излучатель, последовательно соединенные синхронизатор схему задержки и первый формирователь пр моугольных импульсов, акустический приемник, блок выборки-хранени , второй

   5 модул тор, второй формирователь пр моугольных импульсов, подключенный входом к выходу синхронизатора, и регистратор, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности, оно снабжено полосовым фильтром, включенным между выходом

   генератора и первым входом первого модул тора , первым многоканальным усилителем , включенным между выходом первого модул тора и информационным входом блока выборки-хранени , и последовательно соединенными вторым многоканальным усилителем,вход которого св зан с выходом второго модул тора, и многоканальным вычитающим блоком, второй вход которого подключен к выходу блока выборки-хранени , а выход - к регистратору, выход первого формировател  пр моугольных импульсов соединен с управл ющим входом блока выборки-хранени  и с вторым входом второго модул тора, вход которого подключен к выходу акустического приемника, выход второго формировател  пр моугольных импульсов св зан с вторым входом первого модул тора, а генератор выполнен в виде

   генератора белого шума.

   IJ A/

   ш

   .JL

   ЪЛ

   1.

   I - . ига

   щ

   I Г - -Ј,