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 излучатель акустических волн с плоской апертурой диаметром 70мм, также содержащее кювету с водой и фотоумножитель для наблюдения за звуколюминесценцией (сонолюминесценпией) 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 использ ются 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, является аппаратура для люминесценции содержащая последовательно соединенные генератор и цилиндрический излучатель, заполненный испытываемой жидкостью, также содержит охлаждаемую кювету с излучателем, также содержит фотоумножитель
GOl N29/02
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 проточной жидкостью, в-третьих, возможность попадания брызг жидкости на кварцевое окно фотоумножителя, что приведет к погрещностям измерения.
Задачей полезной модели является люминесцентный контроль чистоты протекающей воды.
Предлагаемая полезная модель - устройство для звуколюминесцентного контроля примесей в жидкости - также как и устройство-прототип имеет кювету, кварцевое стекло и фотоумножитель, оптически связанные: имеется также последовательно соединенные генератор и излучатель, который выполнен с плоским диаметром, равным диаметру кюветы.
Кювета выполнена в виде отрезка трубы с металлическими стенками с диметром меньщим //2, Я - длина звуковой волны в воде. Длина кюветы выбирается в несколько длин волн. Труба закрыта жесткой крыщкой.
Кварцевое стекло и фотоумножитель располагаются на расстоянии / в пучности стоячей звуковой волны, имеющей вид
И, следовательно,
/  п- ,,2.3... ,
так как на длине трубы укладывается полное число полуволн.
Для создания кавитации при нормальном статическом давлении в проточной жидкости при непрерывном излучении интенсивность акустического излучения должна быть не менее 0,3 Вт/см. Поэтому, достаточно иметь интенсивность 0,25 Вт/см, что обеспечит отсутствие эрозии на излучателе и кавитацию в пучности акустического давления в стоячей волне.
/-.hAcos. 4
предлагаемое устройство для звуколюминесцентного проточного контроля примесей в проточной воде, содержит кювету 1 с диаметром меньшим Д/2, где л - длина звуковой волны в жидкости, с металлическими стенками толщиной не менее Х.„/10, где Ям - длина звуковой волны в материале стенок трубы (под трубой будем понимать волновод с круглым или прямоугольным сечением). В кювете имеется входной штупер 2 и выходной штуцер 3. К кювете через кварцевое стекло 4 присоединен фотоумножитель 5. Возбуждение акустических колебаний осушествляется последовательно соединенными генератором 6 и излучателем 7.
Принцип действия устройства основан на том, что добавлении примесей в воду органического происхождения или твердых минеральных частиц увеличивает уровень люминесценции, которая обусловлена, в основном, повышением температуры в парогазовых кавитационных пузырьках до Ю  К. Для этого требуется, чтобы максимальное давление  в захлопывающемся пузырьке было, по возможности, большим. Как известно (Ультразвук. Маленькая энциклопедия, под ред. И.О. Галяминой - М.: Сов. Энциклопедия, 1979) :
где Р Ро+Ра - сумма статического и избыточного акустического давления, Q  давление газов в жидкости,
7  /у - отношение теплоемкостей при постоянном давлении и объеме
соответственно.
Чем больше у, тем больше Ртах и, следовательно, тем больше звуколюминесценция, обусловленная тем, что при адиабатическом сжатии газа и пара (который при больших скоростях изменения объема пузырька ведет себя как газ) происходит нагревание внутри схлопывающегося пузырька до температур порядка Ю  К. Если Ср воздуха порядка 0,237, то, например, сероводород имеет ,245 , аммиак (пары) имеет ,536. Добавление органических примесей увеличивает отношение у смесей и приводит к усилению люминесценции. К этому же приводит и увеличение числа «зародышей кавитации на единицу объема жидкости. В качестве этих «зародышей могут выступать твердые частицы в жидкости.
Р 0
max X--S
поперечными размерами также меньшими У2 , где Я - длина звуковой волны в воде). Волновод закрыт жесткой в акустическом плане крышкой. Для данного устройства нет необходимости в очень жестких стенках и крышке кюветы. Поэтому, достаточно, чтобы стенки кюветы были толшиной не менее л„/50 . Например, в воде на частоте 10 кГц длина волны в воде  см , а длина волны в стали  см . Влияние упругости этих стенок будет сказываться несущественно для образования кавитации в пучностях акустического давления.
В такой кювете 1 - волноводе - одномерную стоячую волну можно представить в виде суперпозиции двух волн бегуших навстречу друг другу и переходящих одна в другую после отражения на концах
п   А  | -KiX-ikx-iip
22
Для «жесткой крышки колебательная скорость  при  и при . . кроме того  и k n7r/L , где п  1, 2, 3... Поэтому,
Р. Лсо5р
Собственные частоты полого волновода находятся в отношениях 1 : 2 : 3... , т.е. образуют полный гармонический ряд, а на длине волновода укладывается целое число полуволн. При этом пучности давления будут при
Акустическая кавитация, возникающая при прохождении звуковой волны большой интенсивности, образуется из-за разрывов сплошности на зародышах кавитации - микроскопических газовых пузырьков, твердых частиц с трещинами, заполненными газом и т.д. В кювете наблюдается неоднородное звуковое поле. Это приводит к тому, что наряду с пульсациями, пузырьки двигаются поступательно. В стоячей звуковой волне направление движения пузьфька зависит от соотношения между его радиусом R и радиусом Rpey - резонансным радиусом пузырька. При размере пузырька меньше резонансного,  , пузырьки пульсируют в фазе с колебаниями акустического давления и мигрируют к пучности давления, а при  пузьфьки перемещаются к узлам давления. Например, при частоте f-10 кГц следует ожидать движения пузырьков к пучностям давления. Например, для пузьфьков с  см в поле стоячей волны, длина которой  см , амплитуда акустического давления .4
V - )
/  I  п- .
атм и коэффициент вязкости жидкости  пуаз . скорость перемещения пузырьков  см/с при ,0 атм.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Через входной 2 и выходной 3 штуцеры кювета связана с водоводом, через неё подается проточная вода. Генератор 6 и излз атель 7 создают в кювете стоячую звуковую волну. В пучности давления кавитации максимальна и звуколюминесценция наблюдается через кварцевое стекло 4 с помощью фотоумножителя 5. Наличие органических и твердых примесей в воде приводит к усилению звуколюминесценции. которая и свидетельствует о степени загрязнения проточной воды. В пучности акустическое давление удваивается и интенсивность составит 0,35 Вт/см. На участке
т.е. на участке М, на котором интенсивность будет не менее 0,3 Вт/см вода должна находится не менее 1,2 с. Иначе порог кавитации будет выше и интенсивность 0,3 Вт/см будет недостаточна. Поэтому выбирают отношение сечения сечение входного штуцера Ssx к сечению кюветы  из соотношения
гдеVg - скорость входного потока.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение стоящей задачи.
2плМ arccosO.86
-
5 1 7
кюк Устройство