УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ПУЗЫРЬКОВ ГАЗА В ЖИДКОСТИ
DEVICE TO MEASURE VOLUME CONCENTRATION OF GAS BUBBLES IN LIQUID

Устройство предназначено для определения концентрации свободного (т.е. нерастворенного газа) в жидкости, т.е. доли объема жидкости, вытесняемой пузырьками газа. Его можно использовать, в частности, для определения характеристик барботажных приборов и установок при производстве кислородных коктейлей, аэрировании аквариумов и др.
Известен ряд аналогичных устройств для измерения концентрации газа в жидкости. Например, в аналоге [1] - «Система и способ оценки и калибрации детектора пузырьков» (US Pat №7013703), наличие пузырьков регистрируется с помощью системы ультразвуковой локации. При повышении газосодержания жидкости рассеивание зондирующего сигнала сказывается известным образом на формировании выходного сигнала датчика. Недостаток данного аналога состоит в ограничении точности аналога. Также известен аналог [2] - «Устройство, реализующее способ обнаружения пузырьков в жидкости» (US Pat №7084646), в котором измеряют электрическую проводимость газосодержащей жидкости при различных давлениях выделенного замкнутого объема жидкости. Сопоставлением электрических сопротивлений получают информацию о газосодержании жидкости. Недостаток данного аналога состоит в ограничении быстродействия (из-за необходимости герметичного обособления выделенного объема) и невозможности проведения непрерывного мониторинга процесса.
Также известен аналог [3] - устройство, реализующее «Система для автоматического измерения объемного газосодержания и истинной плотности бурового раствора» (RU №2310069), которое содержит датчики давления, температуры и гамма-плотномер. На основе показаний датчиков по разнице расхода и содержания воды определяют газосодержание. Недостаток данного аналога также состоит в ограничении быстродействия, поскольку результат - величину газосодержания - получают предварительным определением промежуточных данных, на основе которых рассчитывается искомая величина.
Наиболее близким к заявляемому является принятое в качестве прототипа устройство [4], - «Гемодинамический монитор для обнаружения пузырьков» (US Pat №5631552). Прибор содержит высокочастотный генератор, возбуждающий ток вдоль проводящего канала с измеряемой жидкостью. Величина тока связана с количеством воздушных пузырьков в канале. Съем сигнала производится дифференциальной индуктивной схемой - выходная обмотка устройства суммирует информационный сигнал с опорным, формируемым контрольным каналом без пузырьков и подаваемым на выходную обмотку в противофазе.
Недостаток известного устройства состоит в консервативности метода, исключающей возможность измерения газонасыщения открытого объема водной среды в реальном масштабе времени. Кроме того, чувствительность, линейность и помехоустойчивость известного устройства также снижены вследствие использования индуктивного метода съема сигналов и неустранимых при этом потерь рассеяния энергии. Кроме того, техническая реализация устройства сложна, что снижает его надежность и повышает стоимость. Итак, недостаток известных устройств состоит в следующем:
- невозможность измерения газонасыщения открытого объема водной среды в реальном масштабе времени;
- снижение чувствительности, линейности и разрешающей способности;
- повышение стоимости реализации и снижение надежности.
Список чертежей
Фиг.1. Блок-схема предлагаемого устройства.
Фиг.2. Принципиальная схема предлагаемого устройства.
Фиг.3. Градуировочный график предлагаемого устройства.
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, пояснение которой приведено далее при описании состава предлагаемого устройства.
На фиг.2 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства, принцип функционировании которой приведен в разделе текста, посвященному описанию работы предлагаемого устройства.
На фиг.3 представлен градуировочный график предлагаемого устройства - экспериментальная зависимость измеряемого напряжения на выходе устройства от относительной объемной концентрации пузырьков газа в жидкости, снятая при испытании реализованного образца предлагаемого устройства.
Указанные выше недостатки аналогов и прототипа преодолеваются в предлагаемом устройстве, схема которого приведена на фиг.1. Оно содержит генератор в.ч. сигнала 1, двухполюсник 2, емкостной датчик наличия пузырьков газа в жидкости 3, содержащий, по крайней мере, одну пару электродов - первый 4 и второй 5, из проводящего материала, установленные на заданном расстоянии d друг от друга в держателе 6 из диэлектрического материала, полупроводниковый диод 7, фильтр нижних частот (ФНЧ) 8, блок смещения потенциала 9 и блок формирования выходного сигнала 10, причем генератор в.ч. сигнала 1 соединен с последовательно включенными двухполюсником 2, полупроводниковым диодом 7, ФНЧ 8, блоком смещения потенциала 9 и блоком формирования выходного сигнала 10, а вывод от первого электрода подключен к общему выводу двухполюсника 2 и полупроводникового диода 7, а вывод от второго электрода - к земляной шине 11.
Кроме того, электроды 4 и 5 расположены вертикально и погружены в жидкость, концентрация пузырьков газа которой измеряется, причем верхний конец, по крайней мере, одного электрода погружен ниже уровня водной поверхности, причем, по крайней мере, один из электродов покрыт герметичным слоем электрической изоляции.
Кроме того, поверхность электродов 4 и 5 выполнена гидрофильной.
Кроме того, нижние кромки электродов 4 и 5 выполнены с отгибом навстречу друг другу.
Кроме того, двухполюсник 2 выполнен в виде емкости.
Кроме того, двухполюсник 2 выполнен в виде резистора.
Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды выполнены в виде параллельных пластин и установлены в держателе 6 из диэлектрического материала с возможностью изменения расстояния d между ними.
Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды выполнены в виде соответственно полого цилиндра и центрального коаксиального стержня.
Кроме того, вторая пара электродов выполнена идентично первой, причем межэлектродное пространство второй пары электродов защищено от попадания в него пузырей газа.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
1
0
г
Генератор 1 формирует высокочастотное напряжение (порядка 100 кГц), приложенное к цепочке последовательно соединенных нагрузок (импедансов) - двухполюсника 2 (импеданс Z) и датчика 3 (импеданс Z+z(t)), включенной между выходом двухполюсника 2 и заземленной шиной 11, образующей делитель сигнала генератора U.
Датчик 3, выполненный, например, в виде плоскопараллельных пластин площадью S и расстоянием d между ними, имеет емкость
0
-12
где ε=8.85·10 Ф/м - электрическая постоянная,
ε - относительная диэлектрическая проницаемость водной среды (ε=81).
эф
При наличии пузырьков газа емкость С зависит от газосодержания ψ жидкости (0<ψ<1), которым определяется эффективное значение ε, заменяющее значение ε в формуле (1) и имеющее следующий вид:
эф
ε=ε-(ε-1)ψ
Указанный датчик 3 обладает импедансом
3
эф
-1
Z=1/ωС=k(ε),
где k - постоянный коэффициент.
Амплитуда выходного сигнала этого делителя определяется выражением
вых
Сигнал с выхода этого делителя поступает на последовательно соединенные диод 7 и фильтр низких частот (ФНЧ) 8, на выходе которого выделяется огибающая сигнала U.
3
0
0
Сопротивление Z=Z+z(t), где Z - сопротивление датчика 3 в отсутствие сигнала: z(t)=0. Проведенный анализ характеристик устройства показал, что его чувствительность максимальна при условии
с учетом которого выражение (1) приводится к виду
0
На выходе диода 7 формируется огибающая сигнала, произведенного датчиком 3. Информационная компонента этого сигнала является, по существу, модулирующей функцией постоянного потенциала, определяемого собственным сопротивлением Z датчика 3.
0
9вых
9вх
9вых
9вх
Поэтому при выделении и цифровой обработке информационного сигнала z(t) на фоне постоянной составляющей Z неизбежны потери динамического диапазона, ухудшение разрешающей способности и снижение точности измерений. Понятно, что более эффективна цифровая обработка сигнала с нулевой постоянной составляющей. С целью устранения вышеуказанного недостатка блок смещения потенциала 9 вводит добавку потенциала - смещает значение потенциала на его выходе U относительно входного U на величину ΔU=U-U, которую выбирают следующим образом:
Последнее равенство с учетом (3) приводится к виду
Вычисляя разность выражений (4) и (5), получим вид сигнала на выходе устройства
1
Таким образом, выходной сигнал устройства имеет вид, пропорциональный (при условии z(t)<<Z) форме измеряемого колебания. Это обеспечивает оптимальные условия для его обработки (преимущественно цифровой) в блоке 10 формирования выходного сигнала. При этом недостатки прототипа преодолеваются - в предлагаемом устройстве обеспечивается повышенная разрешающая способность по времени, частоте и амплитуде измеряемых физических величин, повышается функциональная гибкость. Кроме того, простота реализации обеспечивает повышенную надежность и экономическую эффективность устройства.
Далее покажем, что существенные признаки предлагаемого устройства действительно обеспечивают требуемый технический результат.
То, что устройство для измерения объемной концентрации пузырьков газа в жидкости содержит генератор высокочастотного сигнала 1, двухполюсник 2, емкостной датчик 3 наличия пузырьков газа в жидкости, содержащий, по крайней мере, одну пару - первый 4 и второй 5 электроды из проводящего материала, установленные на заданном расстоянии d друг от друга в держателе 6 из диэлектрического материала, полупроводниковый диод 7, фильтр 8 нижних частот (ФНЧ), блок 9 смещения потенциала и блок 10 формирования выходного сигнала, причем генератор 1 высокочастотного сигнала соединен с последовательно включенными двухполюсником 2, полупроводниковым диодом 7, ФНЧ 8, блоком смещения потенциала 9 и блоком 10 формирования выходного сигнала, а вывод от первого электрода 4 подключен к общему выводу двухполюсника 2 и полупроводникового диода 7, вывод от второго электрода 5 - к земляной шине 11, действительно обеспечивает:
- возможность измерения газонасыщения открытого объема водной среды в реальном масштабе времени, поскольку принцип его работы основан на изменении мгновенного значения импеданса (емкостного сопротивления датчика) при изменении относительного объема пузырьков газа;
- повышение чувствительности, линейности и разрешающей способности, поскольку передача сигналов осуществляется по проводам, избегая потерь рассеяния энергии, характерных для индуктивной связи в прототипе. Причем импеданс датчика линейно связан с относительным изменением концентрации (относительного объемного содержания) пузырьков газа с учетом аддитивности вклада всех элементарных объемов диэлектрика (воды). Устранение индуктивных связей снижает и уровень влияния индуктивных наводок, которые в прототипе повышают шумовой фон и снижают разрешающую способность;
- снижение стоимости реализации и повышение надежности, которое очевидно из простоты электрической схемы устройства (фиг.2);
- простоту реализации устройства, как видно из принципиальной схемы предлагаемого устройства (фиг.2);
- отсутствие повышенных требований к средствам обработки выходного сигнала датчика 3, поскольку чувствительность датчика 3 в составе устройства достаточно высока (5 мВ/%), как видно из тарировочного графика фиг.3. Этим определяется и высокая помехоустойчивость устройства.
Следует отметить, что измерения могут проводиться с жидкостью, находящейся (протекающей) как в изолированном от внешней среды отдельном канале, так и занимающей часть водного объема внешней среды. Это обеспечивает функциональную гибкость устройства, делает удобным его использование в различных условиях эксперимента.
То, что электроды 4 и 5 расположены вертикально и погружены в жидкость, концентрация газа которой измеряется, причем верхний конец, по крайней мере, одного электрода погружен ниже уровня водной поверхности, уменьшает разброс выходных сигналов, связанный с непостоянством площади пластин и соответствующим отклонением значения емкости С от номинала. При этом упрощается настройка устройства, обеспечивается возможность использования градуировочных кривых. В результате облегчается контроль и повышается надежность регистрируемых данных.
То, что электроды 4 и 5 погружены в жидкость, концентрация газа в которой измеряется, причем, по крайней мере, один из электродов покрыт герметичным слоем электрической изоляции, обеспечивает независимость получаемого сигнала от резистивной компоненты при погруженном режиме работы, повышает точность и разрешающую способность устройства, снимает зависимость от проводимости измеряемой жидкости.
То, что электроды 4 и 5 погружены в жидкость, концентрация пузырьков газа в которой измеряется, причем поверхность электродов 4 и 5 выполнена гидрофильной, уменьшает осаждение пузырьков на электродах 4 и 5 и устраняет постоянную погрешность измерений.
То, что электроды 4 и 5 погружены в жидкость, концентрация пузырьков газа в которой измеряется, причем нижние кромки электродов 4 и 5 выполнены с отгибом навстречу друг другу, также предохраняет электроды от налипания на них пузырей.
То, что двухполюсник 2 выполнен в виде емкости, обеспечивает постоянство коэффициента передачи сигнала делителем Z2-Z3 при изменении частоты генератора 1.
То, что двухполюсник 2 выполнен в виде резистора, упрощает настройку схемы при фиксированной частоте генератора 1.
То, что первый 4 и второй 5 электроды выполнены в виде параллельных пластин и установлены в держателе из диэлектрического материала с возможностью изменения расстояния d между ними, обеспечивает возможность изменения емкости С датчика 3.
То, что первый 4 и второй 5 электроды выполнены в виде соответственно полого цилиндра и центрального коаксиального стержня, позволяет сделать поток всплывающих пузырьков более равномерным, исключив краевые эффекты на периферии пластинчатых электродов.
То, что вторая пара электродов выполнена идентично первой с возможностью их взаимной коммутации, причем межэлектродное пространство второй пары электродов защищено от попадания в него пузырей газа, позволяет сформировать контрольную ячейку для измерения ее параметров в небарботируемой среде, т.е. сравнить параметры сигнала при наличии и отсутствии пузырей.
Как следует из вышеприведенного анализа, требуемый технический результат (повышенная разрешающая способность по времени, частоте и амплитуде измеряемых физических величин, повышенная функциональная гибкость, простота реализации, повышенная надежность и экономическая эффективность устройства) достигается за счет существенных отличий предлагаемого.
Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого объекта изобретения. Принципиальная схема реализованного предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где
1
1
0
2
1
1
Г - генератор 1; Z - импеданс двухполюсника 2; Z+z(t) - импеданс датчика 3; R-C - ФНЧ 8; E1 - источник ЭДС 9; O - цифровой осциллограф-регистратор 10,
а его градуировочный график - на фиг.3. Как следует из приведенных экспериментальных данных, порог чувствительности предлагаемого устройства лежит в диапазоне 7 мВ/%.