Устройство для звуколюминесцентного контроля примесей в проточной воде

Устройство для звуколюминесцентного контроля примесей в проточной воде
Полезная модель может найти применение для контроля чистоты питьевой и технической воды.
Известно устройство-аналог, содержащее последовательно соединенные генератор и излу-чатель акустических волн с плоской апертурой 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.А. 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  - 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, яв.пяется аппаратура для люминесценции содержащая последовательно соединенные генератор и цилиндрический излучатель, заполненный испьггываемой жидкостью, также содержит кювету с излучателем, также содержит фотоумножитель для
наблюдения за люминесценцией в кювете (Р. Jarman. Measurements of Sonoluminescence from Pure Liquids and Some Aqueous Solutions - Proc. Phys. Soc. (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, 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 обеспечение контроля за наличием органических и других примесей в проточной воде.
Предлагаемая полезная модель - устройство для звуколюминесцентпого проточного контроля примесей в жидкости содержит последовательно соединенные генератор и излучатель акустических волн, кювету с проточной водой, кварцевое стекло и фотоумножитель, оптически соединенные. Излучатель выполнен в виде ультразвукового концентратора экспоненциального одно- или двухкаскадного типа, таким, чтобы излучающий тракт (генератор и излучатель) создавали на выходном конце концентратора удельную акустическую мощность W  0,5 Вт/см. Резонансная длина экспоненциального концентратора выполнена исходя из соотнощения:
гдеV - скорость звука в материале концентратора,
/- рабочая частота,
/7 - 1, 2, 3 ... - число полуволн в концентраторе, di, «f-диаметры входного и выходного концов концентратора соответственно.
Показатель экспоненты «Ь выполнен исходя из соотношения b   .
Размеры кюветы, имеющей вводной и выводной штуцеры, выбраны таки.м образом, чтобы скорость протекания воды V в районе излучающего конца не превышала
V  /. . где d - диаметр излучающего (выходного) конца ультразвукового концентратора.
/    п
I  -. «- + - --(In-) 2/ V я- d
Техническим результатом от использования полезной модели являются: обеспечение контроля за примесями при создании протока воды, упрощение конструкции возбудителя ультразвука и создание кавитации в проточной воде.
Этог технический результат достигается путем особого выполнения узлов полезно модели; в частности, концентратора ультразвука, а также за счет выбора парш етров его составных частей, выбора скорости протекания жидкости, соотношения жду входным и выходным сечениями штуцеров.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, на которой схематически представлено предлагаемое устройство.
Устройство для звуколюминесцентного проточного контроля примесей в жидкости содержит кювету 1, имеющую входной штуцер 2 и выходной штуцер 3, устройство также содержит последовательно соединенные генератор 4 и излучатель 5. Излучатель 5 выполнен в виде механически соединенных электроакустического преобразователя 6, ультразвукового концентратора 7 и защитного корпуса преобразователя 8, устройство также содержит кварцевое стекло 9 и последовательно соединенные фотоумножитель 10 и регистратор звуколюминесценции 11.
Объем кюветы 1 выбирается следующим образом. Для возникновения кавитации в проточной воде при Wy(,0,3 Вт/см необходима реализация порога при времени облучения не менее 1,2 с. При времени облучения 0,5 с порог кавитации составляет ,5 Вт/см. Поэтому 11еобходимо обеспечить, чтобы скорость потока не
превышала V  / , где of-диаметр излучающего (выходного) конца ультразвукового
концентратора.
На выходном конце ультразвукового концентратора целесообразно обеспечить повышенную удельную акустическую мощность W  0,5 Вт/см. Как известно, отстаивание свежей водопроводной воды в течении 60 часов приводит к тому, что прочность этой воды монотонно возрастает с 0,5 Вт/см до 1,5 Вт/см (смотри, например, И.И. Гуленко и др. Некоторые вопросы методики измерений кавитационных порогов - Сухуми, Тезисы докладов симпозиума по физике акусто-гидродинамических явлений, 1975).
Порог кавитации зависит не только от удельной мощности излучения, но и от времени воздействия. Так например, при времени воздействия ,2 с удельная мощность возникновения кавитации составляет примерно WaK.vd-,3 Вт/см . При t  0,5 с необходимая удельная мощность излучения для возникновения кавитации составляет
примерно .yo.  3- Вт/см. Для того, чтобы обеспечивалось время воздействия на одну и ту же жидкость с WaK,,5 Вт/см необходима скорость передвижения
жидкости не более „  //  у;-, , м/с, где J- диаметр возбудителя, т.е. излучающего
/1 / 1,/
конца ультразвукового концентратора.
Как известно (смотрите, например, Р. Кэнт, Дж. Дейли, Р. Хэммит. Кавитация. М.: Мир. 1974 - с. 180), органические нримеси усиливают звуколюминесценцию. В тоже время наличие примесей этилового эфира и бензола приводят к исчезновению звуколюминесценции в воде (Р. Jarman. Measurements of Sonoluminescence from Pure Liquids and Some Aqueous Solutions - Proc. Phys. Soc. (London), vol.73, №472, 1959 p.628). Чем больше органических примесей в воде, тем больше люминесценция. При
С/ отношении теплоемкостеи /  V примерно равном единице нельзя ожидать
большого увеличения температуры в захлопывающейся нолости и появление люминесценции маловероятно. Поэтому примеси этилового эфира с ,08 и бензола с , 7 приводят к исчезновению звуколюминесценции (Г. Флин. Физика акустической кавитации в жидкостях. В кн. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Том 1. часть Б. М.: Мир, 1967 - с. 99).
Действительно, максимальное давление в пузырьке описывается формулой;
гдеР Ро Ра - сумма статического и акустического давления,
О - давление газов в жидкости.
Видно, что чем меньше /, тем меньше Лиох и при схлопывании пузырька будут создаваться малые температуры, являющиеся основной причиной люминесценции. Примеси аммиака, имеющего ,38 . или окиси углерода, имеющего ,4 , будут повышать люминесценцию воды, имеющую для паров .3. На развитие кавитации будут влиять также «зародыши из твердых частиц в воде.
Для обеспечения заданного перетекания жидкости Г„ необходимо, чтобы при выполнении кюветы 1 с сечением  и входного штуцера 2 с сечением 5 следова.гш уравнению:
Р
.ах - Q
гдеFgj - скорость входного потока,
8кюв - площадь сечения кюветы перпендикулярно потоку,
Slum - площадь входного щтуцера. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определять загрязнение
проточной BO/jfbl.
Работа устройства реализуется следующим образом. От основного водовода осуществляется отвод через входной щтуцер 2 кюветы 1. Вода протекает через кювету 1 и вытекает через щтуцер 3. Генератор 4 создает возбуждение электроакустического преобразователя 6. возбуждающего ультразвуковой концентратор 7. Защитный корпус преобразователя 8 защищает от поражения оператора током. В кювете возникает кавитадая. при которой наблюдается свечение, интенсивность которого зависит от наличия примесей.
Стержневой концентратор 7 обеспечивает увеличение амплитуды колебаний в
низкочастотном диапазоне частот ультразвука. Он представляет собой твердый
стержень из стали или титана переменного сечения, присоединенный механически к
стст кневому электроакустическому преобразователю 6 более щироким концом.
Ут:еличение амплитуды колебательного смещения частиц стержня происходит
р-следствие уменьщения его поперечного сечения. При этом увеличение амплитуды
.колебательного смещения частиц стержня будет тем больще, чем больще различие
диаметров противоположных концов стержня. Стержневой концентратор можно
рассматривать как акустический волновод, в котором распространяется одна нулевая
мода колебаний, характеризуемая постоянной амплитудой по сечению. Максимальный
линейный щирокого конца концентратора D размер должен быть меньще Л, где л длина волны в материале концентратора. Длина волны концентратора выбирается равной целому числу полуволн, т.е.
/  ПА/ и 1 2 3
I -/о  ...
Форма поперечного сечения выбирается обычно круглой. Коэффициент усиления
гдеVg - колебательная скорость щирокого конца,
к-Ч-
Нами выбрано экспоненциальное сечение концентратора, при котором
коэффициент усиления равен  где
где Rex и Ro - радиусы широкого (входного) и узкого (выходного) торцов соответственно.
Концентратор 7 выполнен из металла, имеющего большую -механическую прочность, низкое волновое сопротивление и малый коэффициент поглощения звука (модуль Юнга титана /,7( дин/см модуль сдвига , дин/см, плотность ,42 г/см , скорость продольных волн ,9IO см/с, разрущающее напряжение ,210 дин/см }.
Теория ультразвуковых концентраторов приведена, например, в статье Л.Г. Меркулов, А.В. Харитонов Акустический журнал, т.5, №2, 1959 - с. 183-190.
V - /
/R,