Устройство для определения состава газов и жидкостей
DEVICE FOR DETERMINING COMPOSITION OF GASES AND LIQUIDS

Изобретение относится к устройствам исследований и анализа жидкостей с помощью звуковых и ультразвуковых колебаний и может быть использовано для анализа физических свойств жидкостей, определения состава жидких смесей. Области использования: газовая, химическая, нефтеперерабатывающая, пищевая отрасли промышленности, системы защиты человека, экология.
Известны устройства для определения состава газов или жидкостей акустическими методами, содержащие звукопровод, входной и выходной преобразователи ПАВ, пленку селективного сорбента и решетку из отражающих ПАВ элементов (Патент РФ №1629840; WO 2007/142685 A3). Входной преобразователь возбуждает в звукопроводе акустическую волну, которая принимается выходным преобразователем. На определенной частоте отражающая решетка не пропускает акустическую волну. Частота режекции связана со скоростью распространения волны. Измеряя изменение частоты режекции можно судить о присутствии в среде контролируемого вещества и его концентрации.
Известно устройство по способу определения октанового числа автомобильных бензинов (Патент РФ 2189039), в котором в качестве информационного параметра используют значение скоростей распространения ультразвуковой волны в бензинах при двух различных фиксированных температурах. Устройство содержит источник ультразвуковых колебаний, измерительную цилиндрическую камеру, приемник ультразвуковых колебаний и регистрирующее устройство.
Известно устройство для определения фазового состава скважинной жидкости (Евразийский патент 024819 В1), включающее отрезок трубы с присоединительными фланцами, внутри которого установлены датчики температуры и давления, а также система измерения электрофизических характеристик скважинной жидкости, при этом выходы обоих датчиков и системы измерения электрофизических характеристик подключены к вычислительному устройству. Новым является то, что система измерения электрофизических характеристик оборудована блоками измерения диэлектрической проницаемости и/или электропроводности, а в устройство дополнительно введены один или несколько ультразвуковых измерителей, выходы которых подключены к вычислительному устройству, при этом каждый из указанных ультразвуковых измерителей предназначен для регистрации скорости распространения и амплитуды сигнала на фиксированной частоте акустических колебаний.
Известен акустический датчик (патент РФ 175684), содержащий источник акустического излучения, звукопроводящую частицу, формирующую область повышенного давления со сверхдифракционным разрешением - акустического аналога «фотонной струи» и ультразвуковой преобразователь (приемник). При этом акустический аналог «фотонной струи» формируется при условии, что заполняемое вещество оболочки звукопроводящей частицы имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83 и с характерным размером не менее половины длины волны используемого излучения.
Недостатком устройства является то, что оно не предназначено для определения состава газа или жидкости.
Общим для всех устройств определения состава газов и жидкости является определение скорости звука в исследуемом образце в зависимости от состава исследуемого вещества и содержащие источник и приемник акустического излучения, измерительную камеру с исследуемым веществом и расположенную между источником и приемником акустического излучения.
Недостатком известных устройств является их относительная сложность.
Известено устройство по способу определения состава жидких трехкомпонентных систем (Патент РФ 366875), принятое за прототип, содержащее источник и приемник акустического излучения, измерительную камеру с исследуемым веществом и расположенную между источником и приемником акустического излучения.
Недостатком устройства является то, что оно имеет большие габариты.
Задачей изобретения является устранение указанного недостатка и расширение номенклатуры устройств, для определения состава газов или жидкости и его упрощение.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для определения состава газов и жидкостей, содержащем источник и приемник акустического излучения, измерительную камеру с исследуемым веществом и расположенную между источником и приемником акустического излучения, новым является то, что приемник акустического излучения имеет возможность осевого и продольного перемещения, а измерительная камера выполнена в виде звукопроводящей оболочки, заполненной исследуемым веществом и формирующей акустический аналог «фотонной струи». При этом поверхность звукопроводящей оболочки выполнена сферической формы. При этом поверхность звукопроводящей оболочки выполнена цилиндрической формы. При этом поверхность звукопроводящей оболочки выполнена кубической формы.
Измерительная камера, выполненная в виде звукопроводящей оболочки, с характерным размером не менее λ/2, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83 (Патент РФ 170911). При этих условиях может формироваться акустический аналог «фотонной струи» (Патент РФ 170911).
На Фиг. 1-3 приведены структурные схемы устройства для определения состава газов и жидкостей с измерительной камерой, выполненной в форме звукопроводящей оболочки в виде сферы (фиг. 1), в виде цилиндра (фиг. 2) и в виде кубоида (фиг. 3) и заполненные исследуемым веществом.
На Фиг. 4 приведены результаты численного моделирования сферической измерительной камерой (линзой) с различными наполнителями: гексан (а), этанол (б), метанол (в).
На Фиг. 5 приведены параметры акустической струи как в зависимости от объемной доли смеси жидкостей ϕ.
На Фиг. 6 приведены экспериментальные результаты измеренной интенсивности акустического поля для трех различных значений объемной доли смеси жидкостей. Рис. 6(a) соответствует чистому этанолу (ϕ=0,00%), рис. 6(б) и 6(в) для значений ϕ=6,30% и ϕ=9,09% соответственно.
Устройство для определения состава газов и жидкостей содержит источник акустического излучения 1, измерительную камеру, выполненную из звукопроводящей оболочки с поверхностью сферической формы 2, с поверхностью цилиндрической формы 6, с поверхностью кубической формы 7, исследуемое вещество 3, формируемый акустический аналог «фотонной струи» 4 и приемник акустического излучения с возможность осевого и продольного перемещения 5.
Устройство для определения состава газов и жидкостей работает следующим образом.
Звукопроводящая оболочка 2, 6, 7, заполненная исследуемым веществом 3, помещается в среду, в которой производится измерение состава газа или жидкости. При включении источника акустического излучения 1 и облучения звукопроводящей оболочки на ее теневой стороне формируется акустический аналог «фотонной струи», параметры которой регистрируются приемником акустического излучения 5. Было установлено, что информационными параметрами являются: фокусное расстояние, поперечная и продольная ширина «фотонной струи» и максимальная интенсивность акустического поля в области фокусировки. Все эти параметры зависят от относительной скорости звука в материале вещества, находящегося в звукопроводящей оболочки и окружающей среде.
В качестве примера рассмотрим звукопроводящую оболочку со сферической формой поверхности, предназначенную для работы в жидкой среде. Звукопроводящая оболочка состоит из полого сферического контейнера 2, который может заполняться различными жидкостями с необходимой скоростью звука. На теневой стороне звукопроводящей оболочки формируется динамически акустическая струя 4.
В качестве материала сферической оболочки был выбран термопластичный полимер (АБС), толщина стенок контейнера равнялась 0,25 мм, внешний диаметр звукопроводящей частицы 40 мм. Измерения проводились на частоте 250 кГц, в воде при температуре 20 градусов. Акустические характеристики материалов приведены в таблице 1.
На Фиг. 4 приведены результаты численного моделирования сферической линзы с различными наполнителями: гексан (а), этанол (б), метанол (в). Как следует из результатов, приведенных на этом рисунке, фокусирующие свойства сферической частицы зависят от параметров среды заполняющей сферическую оболочку. С увеличением контраста относительного показателя преломления увеличивается интенсивность акустического поля в области фокуса и увеличивается разрешающая способность звукопроводящей оболочки. Кроме того, с увеличением оптического контраста область фокусировки приближается к теневой стороне звукопроводящей оболочки.
0
m
0
m
Фокусное расстояние звукопроводящей оболочки зависит от акустических свойств жидкости, заполняющей оболочку. При заполнении оболочки двумя смешиваемыми жидкостями с различными скоростями звука, в зависимости от различных соотношений смеси каждой жидкости, можно регулировать скорость звука в жидкости к любому желаемому значению внутри непрерывного диапазона. При таком подходе становится возможным осуществить непрерывное изменение фокусного расстояния и параметров формируемого акустического аналога «фотонной струи» (размерами в продольном (FLHM) и поперечном (FWHM) направлениях, формой акустоструи). Эти параметры зависят от величины контраста показателя преломления внутренней жидкости n=С/С, где С скорость звука в окружающем пространстве и С скорость звука в жидкости заполняющей контейнер.
м
м
На Фиг. 5 приведены параметры акустического аналога «фотонной струи» в зависимости от объемной доли смеси жидкостей ϕ. Величина объемной доли ϕ изменяется в диапазоне от 0%, что соответствует чистому этанолу с показателем преломления n=1,269, до 20% (n=1,1). Фокусное расстояние изменяется примерно от 35 мм до 70 мм при изменении объемной доли смеси жидкостей от 0 до 20%. Полная длина области фокусировки изменяется 20 до 90 мм, а полная поперечная ширина области фокусировки примерно от 5 до 9,5 мм.
На Фиг. 6 показаны экспериментальные результаты измеренной интенсивности акустического поля для трех различных значений объемной доли смеси жидкостей. Фиг. 6(a) соответствует чистому этанолу (ϕ=0,00%), рис. 6(б) и 6(в) для значений ϕ=6,30% и ϕ=9,09% соответственно. Из представленных результатов следует, что фокусное расстояние в сферической линзе увеличивается с увеличением параметра ϕ. Кроме того, происходит увеличение размеров области фокусировки в продольном и поперечном направлениях.
В таблице 2 приведены экспериментальные и теоретические параметры акустической струи, для трех объемных долей смеси жидкости. Как следует из результатов, приведенных в таблице 2, экспериментальные данные и теоретические результаты находятся в хорошем согласии. Наименьшее фокусное расстояние достигнуто, когда сферическая звукопроводящая частица заполнена чистым этанолом (ϕ=0%), и соответствует измеренному значению F=35,25 мм или F=5,91λ. Фокусное расстояние изменяется до 40,25 и 44,25 мм, когда объемная доля изменяется до ϕ=6,30% и ϕ=9,09% соответственно. Поперечное и продольное разрешения также демонстрируют аналогичные тенденции с изменением ϕ, увеличивая их величины по мере увеличения доли ϕ.
В качестве материала оболочки звукопроводящей частицы может использоваться, например, латексная резина.
Для звукопроводящей частицы предназначенной для работы в жидкости, например, в воде при 25°С (скорость звука 1490 м/с), в качестве материала звукопроводящей частицы может использоваться, например, рексолит (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0,645 и т.д.