УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ДЕГАЗАЦИИ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА

Область техники
Заявляемая полезная модель относится к области биотехнологии, а именно, к оснащению биотехнологических реакторов различными средствами измерения и контроля технологического процесса, обеспечивающими управление качеством получаемых продуктов. В частности, полезная модель может быть использована при осуществлении дегазации газожидкостного потока в процессе реализации цикла культивирования микроорганизмов, в том числе, метилотрофных и метанотрофных бактерий, в петлевых биореакторах.
Уровень техники
Показатели качества и количества жидкой и газообразной составляющей транспортируемого потока среды являются определяющими параметрами, широко применяемыми при контроле, регулировании и управлении технологическими процессами циркуляции такого потока. Из уровня техники известны различные устройства, обеспечивающие сбор данных и измерение параметров транспортируемой среды.
Так, известны следующие источники RU2339915, RU2425332, раскрывающие средства и методы определения расхода двухфазного потока, использующие в качестве измерительного параметра соотношение частот регистрируемых сигналов ультразвуковой волны. Расход жидкой и газообразной фаз определяют по оценке допплеровского смещения частоты (ДСЧ), а также скорости движения пузырьков газа. Измерительный блок содержит электроакустические преобразователи и датчики температуры и давления среды, подключенные к микропроцессору электронного блока через дифференциальные усилители.
Однако использование соотношения частот регистрируемых сигналов в качестве основного определяемого параметра не обеспечивает требуемой точности измерения, что снижает вероятность применения таких устройств в области биотехнологии.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для определения объемной доли газа в смеси газовых пузырьков, имеющих диапазон размеров, и текучей среды в трубе или другой емкости, имеющей стенку с внутренней поверхностью, образующей полость (RU2659584). Устройство содержит широкополосный пьезоэлектрический преобразователь, используемый в качестве передатчика, и два других идентичных пьезоэлектрических преобразователя, используемые в качестве приемников, при этом один из приемников расположен непосредственно напротив передатчика, а другой приемник размещен под углом к передатчику; цифровой двухканальный генератор, который генерирует сигнал с линейной частотной модуляцией в широком диапазоне частот, подключенный к передатчику через усилитель мощности. Выходной сигнал от приемника сначала усиливается, затем направляется на цифровой сигнальный процессор (DSP) перед поступлением в персональный компьютер для дальнейшего анализа. В цифровом сигнальном процессоре осуществляется обработка сигнала с использованием преобразований Фурье, взаимной корреляции, преобразований Гильберта и т.д.  Передачу и прием ультразвуковых сигналов выполняют через текущую многофазную среду в трех диапазонах частот: низких частотах, резонансных частотах газовых пузырьков и высоких частотах, при этом некоторые измерения распространения звука, в том числе, скорости звука, затухания звука и рассеяния звука, выполняют в одной или более отдельных областях частот, из которых извлекают сведения о многофазном составе среды.
Известное решение использует параллельные измерения скорости звука в среде и затухания амплитуды на длинах волн, которые в пять раз больше линейных размеров пузырьков газа, что не позволяет говорить о высокой точности измерения и, соответственно, достоверности получаемых данных.
Краткое раскрытие сущности полезной модели
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого решения, заключается в обеспечении возможности определения относительного объема газовой фазы в потоках жидких сред, содержащих небольшой объем газа (<2%) в виде пузырьков, распределенных по объему среды.
Преимуществом полезной модели является высокая точность измерения, достигаемая за счет использования в конструкции устройства усилителя, выполненного в виде драйвера затвора силового полевого транзистора, обеспечивающего согласование типа нагрузки генератора с излучающим пьезоэлектрическим преобразователем, а также блока детектирования, выполненного с возможностью удвоения амплитуды напряжения сигнала, получаемого с принимающего пьезоэлектрического преобразователя и снижения за счет этого соотношения сигнал/шум, передаваемого для обработки в микроконтроллер
Блок детектирования обеспечивает регистрацию изменений амплитуды ультразвуковой волны, регистрируемой приемником излучения за счет измерения затухания ультразвуковой волны. Длина ультразвуковой волны в используемом устройстве соразмерна диаметру пузырьков газа в газожидкостной среде, а   амплитуда звукового сигнала с принимающего пьезоэлектрического преобразователя учитывает потери при прохождении сигнала через газожидкостную среду и отражает процентное содержание пузырьков газовой фазы в газожидкостной среде. Это позволяет с высокой точностью измерять относительный объем газовой фазы в диапазоне до 3%. Заявляемое устройство расширяет арсенал известных средств для измерения параметров многофазного потока, транспортируемого в трубопроводах различного назначения.
Заявленный технический результат достигается тем, что устройство определения степени дегазации газожидкостной среды включает генератор, соединенный с узлом внутреннего питания, цилиндрический корпус диаметром D, выполненный с возможностью встраивания в трубопровод для газожидкостной среды, на внутренней поверхности которого друг напротив друга с обеспечением контакта с газожидкостной средой закреплены излучающий и принимающий пьезоэлектрические преобразователи, при этом излучающий пьезоэлектрический преобразователь соединен с генератором через усилитель, а принимающий пьезоэлектрический преобразователь подключен к микроконтроллеру через блок детектирования, согласно заявляемому решению, генератор снабжен разъемом для соединения с устройством программирования параметров генератора, усилитель представляет собой драйвер затвора силового полевого транзистора, согласованный с типом нагрузки излучающего пьезоэлектрического преобразователя, а блок детектирования выполнен с возможностью удвоения амплитуды напряжения сигнала, получаемого с принимающего пьезоэлектрического преобразователя.
Программируемый генератор выполнен с возможностью формирования сигнала, характеризующегося прямоугольными излучающими импульсами частотой 1÷10 Гц, импульсами с высокочастотной модуляцией частотой 1,5 МГц, скважностью упомянутых импульсов 2 ÷ 10. Программируемый генератор может быть выполнен на базе микросхемы ATmega8-16PU, драйвер затвора силового полевого транзистора - на базе микросхемы IXDN604SIATR, узел внутреннего питания - на базе микросхемы КР142ЕН5А (фиг.3). Принимающий пьезоэлектрический преобразователь выполнен с возможностью приема и преобразования звукового сигнала в колебания электрического напряжения с амплитудой, соответствующей амплитуде звукового сигнала излучающего пьезоэлектрического преобразователя с учетом потерь при прохождении сигнала через газожидкостную среду. Блок детектирования (фиг.4) выполнен в виде двухполупериодного выпрямителя (на диодных сборках VD1 и VD2), снабженного параллельно соединенными накопительным конденсатором (С6), резистором (R4) и транзисторным ключом (Q1), выполненным с возможностью управления принудительным разрядом конденсатора (С6). Номиналы накопительного конденсатора и резистора выбраны с обеспечением возможности быстрой зарядки конденсатора в начале импульса излучения, и, соответственно, его быстрой разрядки до начала следующего импульса.
Излучающий и принимающий пьезоэлектрические преобразователи размещены в гильзах, при этом корпус снабжен отверстиями для установки гильз с обеспечением герметичного соединения. Поверхности преобразователей, предназначенные для контакта с газожидкостной средой, размещены на расстоянии L друг от друга, равном 0,98D ÷ 1,0D.
Программируемый генератор в одном из вариантов его осуществления снабжен световыми индикаторами его состояния.
Краткое описание чертежей
Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами и схемами, где на фиг.1 схематично представлено изображение измерительного блока 1, включающего излучающий и принимающий пьезоэлектрические преобразователи; на фиг.2 приведен график предварительной калибровки измерительного блока; на фиг.3 показана принципиальная схема примера реализации блоков, включающих программируемый генератор, разъемы для программирования параметров генератора, внешний блок питания, усилитель (драйвер затвора силового полевого транзистора); индикаторы состояния генератора; на фиг.4 показана принципиальная схема примера реализации блока детектирования сигнала с принимающего пьезопреобразователя; на фиг.5 представлена структурная схема связей основных блоков и элементов устройства для определения степени дегазации газожидкостного потока.
Позициями на чертежах обозначены: 1 – измерительный блок, 2 - цилиндрический корпус, 3 – гильза, 4 – излучающий пьезоэлектрический преобразователь (пьезопреобразователь), 5 – принимающий пьезоэлектрический преобразователь (пьезопреобразователь), 6 – программируемый генератор, 7 – разъемы для программирования параметров генератора, 8 – внешний блок питания, 9 – усилитель (драйвер затвора силового полевого транзистора), 10 – индикаторы состояния генератора11 – блок детектирования сигнала с принимающего пьезопреобразователя, 12 – микроконтроллер, 13 – персональный компьютер (ПК).
Осуществление полезной модели
Заявляемая полезная модель представляет собой устройство для определения степени дегазации газожидкостного потока, выполненное с возможностью подключения к внешнему источнику питания (не показан на чертежах). Устройство включает последовательно соединенные программируемый генератор 6, усилитель 9, измерительный блок 1, блок детектирования 11, микроконтроллер 12, который может быть подключен к ПК 13 для обработки измеренных параметров или накопления статистической информации о степени проведенной дегазации газожидкостной смеси, или для контроля за эффективностью дегазации. Измерительный блок 1 может быть установлен в петлевом реакторе, а точнее, в трубопроводе петлевого реактора, например, после устройства дегазации по направлению движения потока. Устройство также включает узел внутреннего питания 8, соединенный с программируемым генератором 6, усилителем 9, излучающим 4 и принимающим 5 пьезоэлектрическими преобразователями, индикаторами состояния генератора 10. В качестве узла внутреннего питания может быть использован, например, программатор или компьютер, выполненные с возможностью сопряжения с генератором. Индикация фазы работы генератора показана посредством индикаторов согласно заданной программе.
Программируемый генератор 6 представляет собой устройство с возможностью настройки параметров излучаемой ультразвуковой волны в зависимости от заранее известных размеров пузырьков газа (излучающие импульсы частотой 1÷10 кГц, импульсы высокочастотной модуляции частотой 1,5 МГц, скважность упомянутых импульсов 2 ÷ 10).
Измерительный блок 1 включает цилиндрический корпус 2, выполненный с возможностью встраивания в трубопровод петлевого реактора, что обеспечивается выбором диаметра корпуса D, равным диаметру корпуса трубопровода. Цилиндрический корпус 2 монтируют в трубопроводе после дегазатора по направлению транспортировки потока на расстоянии не более 10 см от корпуса дегазатора. В боковой поверхности (стенке) корпуса 2 друг напротив друга выполнены два отверстия с размещенными в них гильзами 3, в которых расположены излучающий 4 и принимающий 5 преобразователи.  В качестве таких преобразователей могут быть использованы преобразователи прямого пьезоэффекта (например, https://www.piezoelectric.ru/Products/FlowSensors/ConvertersLiquid.php). Преобразователи установлены таким образом, что их контактные поверхности, обращенные внутрь корпуса, расположены непосредственно вблизи боковой поверхности корпуса 2, то есть максимально близко к ней. При этом расстояние L между контактными поверхностями преобразователей составляет не менее 0,98D, в оптимальном случае равно D (в их диаметральном расположении). Излучающий преобразователь соединен электрическим кабелем через усилитель 9 с программируемым генератором 6 модулированного высокочастотного электрического сигнала. Усилитель 9 представляет собой драйвер затвора силового полевого транзистора. Такое выполнение усилителя обусловлено емкостным характером нагрузки драйвера - излучающего пьезопреобразователя, и позволяет осуществлять простое сопряжение генератора с излучающим пьезопреобразователем. Программируемый генератор 6 создает последовательность импульсов, например, длительностью 0,1 сек., модулированных несущей частотой 1,5 МГц, и скважностью 2.  Генерируемые импульсы имеют прямоугольную форму. Параметры  излучающего ультразвукового импульса задаются программной настройкой генератора 6 посредством использования разъемов 7. Генератор 6 подает сигнал на усилитель 9, который обеспечивает сигнал с выходной амплитудой 12 В и подает его на излучающий пьезопреобразователь 4. Принимающий пьезопреобразователь 5 обеспечивает прием ультразвукового сигнала от излучающего преобразователя и преобразует его в колебания электрического напряжения с амплитудой, соответствующей амплитуде звукового сигнала излучающего пьезоэлектрического преобразователя с учетом потерь при прохождении сигнала через газожидкостную среду.
Принимающий пьезопреобразователь 5 соединен с блоком детектирования 11, который преобразует колебания напряжения с пьезопреобразователя 5 в сигнал постоянного электрического напряжения, равного удвоенной амплитуде принятого пьезопреобразователем 5 сигнала и сохраняет это напряжение до начала следующего импульса излучения. Блок детектирования 11 соединен с микроконтроллером 12, который в свою очередь может быть соединен с персональным компьютером 13 или иным средством обработки данных, позволяющим обрабатывать данные, зарегистрированные измерительным блоком 1. Блок детектирования 11 обеспечивает обработку электрического сигнала с принимающего преобразователя в диапазоне до 30 В.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Корпус 2 измерительного блока 1 устанавливают в трубопровод непосредственно после дегазатора, обеспечивающего дробление пузырьков газо-воздушной смеси до ничтожно малых размеров. С использованием заявляемого устройства может быть определена эффективность работы дегазатора, то есть степень дегазации потока по значению относительного объема газовой фазы в потоке. Двухфазный поток, транспортируемый в петлевом реакторе, содержит пузырьки газа, которые удаляются дегазатором посредством формирования вихревого воздушного шнура, где крупные пузырьки деформируются, укрупняются посредством слияния с другими и выводятся за пределы трубопровода, а оставшиеся, не вошедшие в вихревой шнур пузырьки, дробятся. Таким образом, после дегазатора газожидкостный поток должен содержать не более 2% объема газа в виде мелких пузырьков размером 0,5-2 мм.
Электрический ток от внешнего блока питания 8 подают на генератор 6, который генерирует сигнал с заданной несущей частотой и передает его через усилитель 9 на излучающий пьезопреобразователь (ИП) 4. ИП излучает в газо-воздушную среду ультразвуковые импульсы с характеристиками, соответствующими сгенерированному (генератором 6) сигналу. Ультразвуковая волна проходит через двухфазную среду, многократно отражаясь от поверхности пузырьков, и воздействует на принимающий пьезопреобразователь (ПП) 5. ПП преобразует принятый ультразвуковой сигнал в колебания электрического напряжения. Далее блок детектирования преобразует этот сигнал в постоянное электрическое напряжение, которое поступает на микроконтроллер 12, который преобразует его в формат, необходимый для передачи и обработки в ПК 13. Генератор 6 осуществляет управление индикаторами 10: готовность генератора к работе LED1, режим передачи импульсов LED2.
Принцип действия заявляемого устройства основан на измерении степени затухания амплитуды высокочастотного ультразвука в двухфазном потоке среды. При этом в предпочтительном варианте осуществления полезной модели длина волны высокочастотного ультразвукового излучения меньше характерного размера пузырьков газа, который составляет 0,5 – 2 мм после дробления в дегазаторе. Затухание амплитуды сигнала происходит из-за многократного отражения части звукового импульса от границы фаз (жидкость-газ). Величина затухания зависит от относительного объема газовой фазы. Из этого следует, что по значению электрического напряжения на выходе блока детектирования можно судить о величине относительного объема газовой фазы в двухфазном потоке среды.
I
Перед использованием устройство калибруют. Калибровку производят на замкнутой петлевой системе, где заранее известен объем пузырьков газа (задается при помощи заполнения системы известного внутреннего объема известным объемом жидкости). Такая система может быть реализована, например, на основе ферментера с закрытым выходом газа из дегазатора. Значения амплитуды, принятые с блока детектирования 11, ставятся в соответствие известным параметрам потока среды с пузырьками газа, с учетом предположения, что пузырьки газа распределены равномерно по объему ферментера. Результаты предварительной калибровки (параметры потока: скорость потока 1,2 м/c, объемная доля газовой фазы 0-1 %) приведены на фиг. 2. Как видно из графика, амплитуда регистрируемого звукового сигнала экспоненциально уменьшается по мере увеличения относительного объема газовой фазы. Таким образом, можно сделать вывод о высокой эффективности измерения качества дегазации в петлевых ферментерах с использованием заявляемого устройства. Эффективная суммарная площадь пузырьков, рассеивающих звуковую волну, определяется интегрально по характеристикам звуковой волны, при этом устройство позволяет регистрировать эффект затухания амплитуды даже при малом относительном объеме газа. Интенсивность сигнала , принятого принимающим пьезопреобразователем, определяется приближенной формулой:
(1)
I
l
0
где – интенсивность ультразвукового сигнала на выходе из излучающего пьезопреобразователя, ∈ - доля газовой фазы,  – расстояние между излучающим и принимающим пьезопреобразователями, r - средний размер (диаметр) пузырьков.
Пример конкретного выполнения
Заявляемое устройство было реализовано для целей опытного использования в петлевом реакторе, предназначенном для культивирования метанотрофных бактерий. Устройство включает цилиндрический корпус высотой 300 мм, диаметром 150 мм, в гильзах которого закреплены пьезопреобразователи (ПП-203) (диаметр активной поверхности: 20 мм, резонансная частота 1,5 МГц). При этом излучающий пьезопреобразователь (ИП) соединен с усилителем, обеспечивающим подачу на него сигнала с выходной амплитудой 12 В, а принимающий пьезопреобразователь (ПП) соединен с блоком детектирования и обеспечивает работу в диапазоне амплитуд принимающего сигнала от 0 до 30В. Управляющий генератор был запрограммирован со следующими параметрами выходного сигнала: частота прямоугольных импульсов 1 Гц (для пузырьков газа диаметром 1 мм),  скважность 10, частота высокочастотной модуляци 1,5 МГц. Программируемый генератор выполнен на базе микросхемы ATmega8-16PU, усилитель выполнен на базе микросхемы IXDN604SIATR, узел внутреннего питания - на базе микросхемы КР142ЕН5А. В качестве микроконтроллера 12 был использован программируемый логический контроллер (ПЛК)  Siemens (s7-1500).
Перед началом измерений была проведена калибровка устройства (см. фиг.2). Значение объемной доли газовой фазы определялось с помощью микроконтроллера и выводилось на экран компьютера.
Расчет относительного объема газовой фазы проводился с помощью формулы:  , которая была получена в результате калибровки, где U значение напряжения принимаемого ПЛК. В процессе работы дегазатора в режиме наилучшей дегазации было получено значение напряжения 0,8-1 В, которое соответствовало относительному объему газовой фазы: 0,1-0,3% по потоку.
В петлевом реакторе циркулирует газожидкостный поток, обогащенный бактериями. Объемная доля газовой фазы до входа в дегазатор составляла 10% объема. После прохождения потоком объема дегазатора отдельные пузырьки газа, втянутые в вихревой шнур, укрупняются и выводятся из реактора. Оставшийся поток содержит довольно мелкие пузырьки, размером менее 1 мм. При проведении измерений заявляемым измерительным блоком установлено, что относительный объем газовой фазы в потоке составил 0,1-0,3% (приведенный разброс значений объемной доли газовой фазы после дегазатора объясняется колебаниями давления в системе), что показывает довольно высокую эффективность дегазатора в описанных условиях. Однако по результатам измерений было принято решение увеличить качество дегазации путем увеличения расхода газа с 9 до 10 нм/ч (дегазационный шнур в таком случае становится тоньше). Качество дегазации (в соответствии с данными измерений заявляемым устройством) улучшилось до значений  0,1% объема газовой фазы на выходе. Таким образом, описанное устройство позволяет контролировать степень дегазации на реальном процессе ферментации. Скорость потока газожидкостной смеси в ферментере составляла 1,2 м/c, массовая концентрация бактерий от 1 до 4 г/л. Стабильный этап процесса ферментации (постоянство параметров системы) длился 8 часов. За это время сбоев в работе устройства обнаружено не было.