CC BY
47
УДК 534.413 Н.П. Воробьев, О.К. Никольский
АППАРАТУРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АКУСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ГАЗОВ ПО КРУТИЗНЕ ФРОНТА УДАРНОЙ ВОЛНЫ В ТЕХНОЛОГИЯХ АПК
Исследованы способ и устройство, основанные на возбуждении в среде ультразвуковых колебаний конечной амплитуды, по дисперсии скорости которых судят о составе среды. В результате на три порядка повышается точность измерений и появляется возможность при любых соотношениях между молекулярными массами исходных компонентов выявлять изменения скорости ультразвука в анализируемой смеси, т.е. расширить число компонентов анализируемой смеси на область контроля технологических параметров АПК.
1. Оценка механической прочности пьзопреобразователей в условиях формирования волн конечной амплитуды
При контроле газов в технологических процессах АПК (хлора, метана, СО2) в воздухе с помощью ударных волн в настоящее время используются в основном две формы записи условий возникновения конечных разрывов во фронте ударной волны малой интенсивности [1]. Согласно первой форме [2], используется понятие критического перепада давления Рк, по достижении которого в среде с заданными значениями: р - плотности газа, у - отношения теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при
постоянном объеме, С» - скорости звука при высокой частоте, Со - скорости звука при низкой частоте коле-
баний, возникает конечный разрыв, а именно
р<=р—,(;1-сС о.!)
7 + 1
Согласно второй форме записи, утверждается [3], что в недиссипативной среде любое сколь угодно малое (но конечное) возмущение должно привести к образованию разрыва, если только выполняется равенство
<т = £Мг = 1, (1.2)
где с - безразмерное число; е = - коэффициент;
сох „
г =------произведение угловой частоты на координату х, поделенное на скорость звука Со в
О)
среде.
Оценим условия выполнения образования конечных разрывов по формулам (1.1) и (1.2) на применяемых в практике ультразвуковых измерений преобразователях. Формула (1.1) приводится к удобному для практических расчетов виду
С2
х= _ V , (1.3)
где f - частота ультразвуковых колебаний;
Уо - скорость распространения частиц в среде.
Следовательно, выполнение условия (1.2) сводится к подстановке максимально возможного значения Уо и максимального значения \ для датчиков ультразвуковых импульсных приборов. С этой целью можно воспользоваться методикой расчета Уо для пьезоэлемента из керамики титаната бария согласно [4]
АЕ
Ж-
где Га - удельное акустическое сопротивление излучения; г - удельное внутреннее механическое сопротивление; Е - возбуждающее электрическое напряжение;
А - фактор силы.
Положим для определенности, что
А=515 н, Е=1000 В, S=38,5 см2, г=1,9*104 г/см2*с, Га=15*104 г/см2*с.
Подстановка указанных значений в формулу (1.4) дает: \/о=8 м/с. Для формулы (1.3) положим: у=1,407, Со=334 м/с, !=2 мГц, соответственно для х будем иметь значение х=9,2 см, что вполне соответствует возможности реально существующих ультразвуковых приборов газового анализа.
При указанных параметрах выходная акустическая мощность составит по [4] следующую величину:
у2г
]¥ = -2-^ = 9,5 вт/см2. (1.5)
107
Максимальное механическое напряжение тт равно
Тт =32,8л/ж-100 кгс/см2. (1.6)
Механическая прочность керамики титаната бария приближенно равна 2000 кгс/см2 при сжатии и 200 кгс/см2 при растяжении. Таким образом, датчик импульсного ультразвукового газоанализатора будет вполне работоспособен.
Условие возникновения конечных разрывов по формуле (1.1), на примере углекислого газа, выполняется при подстановке в известную формулу [5] для давления
Р = ^2арС, [н/м2] (1.7)
величина рС=0,577 г/см4- с, тогда имеем: Р=3,808-104 н/м2, что вполне соответствует минимальному значению Р=0,1 н/м2, приведенному в [2] для углекислого газа.
2. Разработка и исследование ультразвукового газоанализатора, работающего в режиме ударных волн малой амплитуды
Способы и средства измерения состава газов по дисперсии скорости ультразвука по сравнению с импульсными, частотно-импульсными и импульсно-фазовыми способами и средствами ультразвуковых измерений в газах выгодно отличают простота реализации и возможность контроля смесей с равными молекулярными массами исходных компонентов [6]. Однако спектр анализируемых газов для упомянутых методов и средств ограничен из-за необходимости выполнения условия равенства молекулярных масс исходных компонентов.
Целью настоящего исследования является устранение перечисленных выше недостатков дисперсионных акустических методов и средств контроля газовых сред с целью их универсализации и придания им конкурентоспособности по сравнению с традиционными акустическими методами и средствами газового анализа, используемыми при контроле параметров технологических процессов в АПК.
Задача исследований состоит в разработке способа ультразвукового анализа состава газов и устройства для его осуществления, удовлетворяющих поставленной цели.
2.1. Сравнительный анализ некоторых способов и устройств ультразвукового контроля состава газов
Известен способ акустического анализа состава газов, основанный на многопараметрическом методе, и устройство для его реализации [7]. Недостаток известных технических решений в низкой (практически нулевой) точности измерений в случае равенства молекулярных масс исходных компонентов. Известен способ ультразвукового анализа состава газообразных сред [8]. Применение упомянутого способа затруднено его невысокой точностью, так как измеряют время прохождения ударным фронтом фиксированного расстояния, а информацию о дисперсии скорости ультразвука несет на себе лишь время прохождения фронтом волны плоскости приемного преобразователя, составляющее при указанном способе лишь часть измеряемого времени. Кроме того, область применения указанного способа ограничена исключительно случаем равенства молекулярных масс исходных компонентов. Известно также устройство [9]. Недостатки этого устройства аналогичны недостаткам способа и усугубляются применением аналого-цифрового преобразователя, ограничивающего предельно достижимую точность измерения времени прохождения переднего фронта сигнала расстояния между излучателем и приемником ультразвука.
2.2. Описание способа и устройства ультразвукового анализа состава газов
Увеличение точности изменений и расширение спектра анализируемых газов в разработанном нами способе достигается тем, что после выполнения упомянутых операции по способу [8] измеряют время прохождения ударным фронтом фиксированного расстояния по моменту возбуждения в среде ультразвуковых колебании и по моменту достижения передним фронтом принятых колебании нижнего порогового уровня. Устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов с периодом, равным времени прохождения фиксированного расстояния. Формируют контрольный интервал по моментам достижения передним фронтом принятых колебаний соответственно нижнего и верхнего порогового уровня. Заполняют контрольный интервал высокочастотными импульсами калиброванной длительности. Подсчитывают число высокочастотных импульсов в контрольном интервале реверсивным счетчиком. Формируют измерительный интервал, направляя низкочастотные импульсы калиброванной длительности на вычитающий вход реверсивного счетчика до момента его обнуления. Подсчитывают число импульсов автоциркуляции за измерительный интервал и по измененной величине определяют дисперсию скорости колебаний для исследуемой среды.
2.3. Описание работы ультразвукового анализатора состава газов
На рисунке 1 приведена структурная схема устройства, реализующего разработанный способ. Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, генератор 2 зондирующих импульсов, излучающий преобразователь 3, контролируемую среду 4, приемный преобразователь 5 и усилитель 6, а также первый пороговый каскад 7 и второй пороговый каскад 8, входы которых соединены между собой, и первый каскад 9 "И". Устройство содержит также амплитудный детектор 10, последовательно соединенные формирователь 11 одиночного импульса, реверсивный счетчик 12, первый каскад 13 "ИЛИ", второй каскад 14 "ИЛИ", первый измеритель 15 временных интервалов, второй каскад 16 "И", второй измеритель 17 временных интервалов, третий каскад 18 "ИЛИ" и запоминающий счетчик 19. Устройство содержит также последовательно соединенные низкочастотный генератор 20 импульсов калиброванной длительности и третий каскад 21 "И", содержит высокочастотный генератор 22 импульсов калиброванной длительности и четвертый каскад 23 "И".
При включении устройства формирователь 11 вырабатывает кратковременный одиночный импульс, поступающий через каскад 18 "ИЛИ" на обнуляющий вход счетчика 19, декады которого сбрасываются на нуль. Импульс поступает также на обнуляющий вход счетчика 12. При этом, если счетчик 12 уже был обнулен до поступления импульса, то на его выходе не появляется никакого сигнала и импульс с выхода формирователя 11 через каскад 13 поступает на второй вход измерителя 17, на первом входе которого появляется потенциал, разрешающий прохождение сигналов через блок 9 "И" и приводящий к отключению памяти счетчика 19, на индикаторах которого высвечиваются нули (так как импульс на вход памяти в первом цикле работы устройства проходит блоки 13 и 17 и приходит позже импульса на обнуляющий вход, проходящего только блок 18). В тот же момент времени потенциал со второго выхода измерителя 17 запрещает прохождение сигналов через каскады 21 и 23 "И". Одновременно с выхода каскада 13 "ИЛИ" импульс поступает через каскад 14 "ИЛИ» на первый вход измерителя 15, на выходе которого появляется потенциал, запрещающий прохождение сигналов через каскады 9 и 16 "И". Если же счетчик 12 не был обнулен, то при поступлении на его обнуляющий вход импульса с выхода формирователя 11 произойдет обнуление счетчика 12 и импульс с его выхода, поступая на первый вход каскада 13 "ИЛИ", не изменит состояния устройства.
Одновременно с включением устройства начинают работать генераторы 20 и 22, а также синхронизатор 1, который вырабатывает электрический импульс. Этот импульс усиливается генератором 2, поступает на преобразователь 3, преобразуется в акустический импульс, который распространяется в контролируемой среде 4, передний фронт его искажается (становится круче благодаря дисперсионным свойствам среды). Пройдя среду 4, импульс поступает на преобразователь 5, преобразуется в нем в электрический сигнал, который усиливается в усилителе 6, детектируется в детекторе 10 с целью выделения только переднего фронта принятых колебаний (то есть сглаживания повторных осцилляций сигнала) и поступает на входы пороговых каскадов 7 и 8. Уровень срабатывания каскада 8 превышает уровень срабатывания каскада 7, что приводит к задержке времени появления импульса на выходе блока 8 относительно импульса на выходе блока
7 на время Т, пропорциональное ширине фронта волны конечной амплитуды. Импульс с выхода блока 7 поступает на вход синхронизатора 1, вызывая повторный цикл автоциркуляции электроакустических импульсов по блокам 1-6,10 и 7, а также на второй вход измерителя 15 (начинается формирование контрольного интервала Т), на выходе которого появляется потенциал, разрешающий прохождение сигналов через каска-
ды 9 и 16 "И". Импульсы с выхода генератора 22 с периодом Тв начинают поступать через каскад 9 "И" на суммирующий вход счетчика 12. Через время Т появляется импульс на выходе блока 8 и через каскад 14 "ИЛИ" возвращает измеритель 15 в исходное состояние, то есть потенциал с выхода блока 15 запрещает прохождение импульсов через каскады 9 и 16 "И". Однако импульс с выхода блока 8 успевает пройти через каскад 16, так как запрещающий потенциал на первый вход блока 16 приходит с задержкой (проходя блоки 14 и 15), потому с выхода блока 16 на первый вход измерителя 17 поступает импульс. Одновременно заканчивается формирование контрольного интервала, и в счетчике 12 записывается число 1\1, равное
Ы = у. (2.1)
1 в
Импульс, поступивший на первый вход измерителя 17, вызывает срабатывание последнего и появление на его первом выходе потенциала, запрещающего прохождение сигналов через блок 9 "И" и включающего память счетчика 19 раньше его обнуления (благодаря задержке сигнала в блоке 18 - справедливо для всех циклов работы устройства, кроме первого цикла). При этом следует учитывать, что управление памятью счетчика 19 потенциальное, а управление обнулением этого счетчика - импульсное, то есть от переднего фронта запрещающего потенциала. В то же время на втором входе измерителя 17 появляется потенциал, разрешающий прохождение сигналов через блоки 21 и 23 "И". В результате импульсы с выхода генератора 20 с периодом Тн поступают через блок 21 "И" на вычитающий вход счетчика 12 (начинается формирование измерительного интервала Ти), а импульсы автоциркуляции с периодом Та поступают с выхода блока 7 через блок 23 "И" на суммирующий вход счетчика 19. Поскольку в счетчике 19 включена память, на его индикаторах высвечиваются нули, а его декады продолжают счет поступавших синхроимпульсов.
Рис.1. Структурная схема ультразвукового анализатора состава газов
При обнулении счетчика 12 на его выходе появляется импульс, который через блок 13 "ИЛИ" поступает на второй вход измерителя 17, на первом выходе которого появляется потенциал, разрешающий прохождение сигналов через блок 9 "И" и отключающий память счетчика 19, декады которого сбрасываются на нуль (так как на вход обнуления поступил импульс от разрешающего потенциала). При этом с выхода блока 13 импульс проходит через блок 14 "ИЛИ» на первый вход измерителя 15, на выходе которого появляется потенциал, запрещающий прохождение импульсов через блоки 9 и 16 "И". Одновременно на втором выходе измерителя 17 появляется потенциал, запрещающий прохождение импульсов через блоки 21 и 23 "И". Таким образом, время считывания числа N в счетчике 12 (измерительный интервал) и время поступления синхроимпульсов в счетчик 19 равно
(2.2)
1 в
Число \ синхроимпульсов, прошедших за время Ти на вход счетчика 19 и высвечиваемое на его индикаторах (результат измерений), равно
Т тт
Ыи=^ =----------н~. (2.3)
И ГГ7 ГГ7 ГГ7 ' '
Та ТаТ в
Поскольку ширина 8 фронта ударной волны и скорость С распространения скачка массовых скоростей определяют величину Т, то
о
Т = ~, (2.4)
С
а при фиксированном расстоянии С между излучателем и приемником ультразвука для Та имеет место соотношение
т‘"'с {гъ)
Подстановка соотношений (2.4) и (2.5) в формулу (2.3) дает
8ГТ Т
Ыи=^-^ = ^8. (2.6)
С1Тв 1Тв
Следовательно, результат измерений по разработанному способу и устройству зависит практически только от ширины фронта ударной волны, то есть от дисперсионных свойств среды, поскольку ширина 8 для
конечных одиночных возмущений в релаксирующих и диспергирующих средах (какими и являются газовые
среды) по работе [2] определяется в виде
8 = Сгк, (2.7)
где т - характерное время релаксации;
k - безразмерный коэффициент, характеризующий относительную роль дисперсии іті по сравнению с ролью нелинейности £ ;
С - скорость ультразвука в среде.
Выражение (2.7) характерно для зоны распространения волны от излучающего до приемного преобразователя. Результат же измерений по предложенному способу и устройству от величины С не зависит и может быть представлен в виде 8', равного
8' -тк (2.8)
и имеющего размерность времени (как произведение характерного времени релаксации на коэффициент, характеризующий относительную роль дисперсии по сравнению с ролью нелинейности). Правая часть соотношения (2.8) характеризует дисперсионные свойства контролируемой среды в условиях изменяющейся скорости ультразвука. Следовательно, результат измерений по предложенному способу и устройству - формула (2.6) - однозначно определяет состав бинарных и псевдобинарных газовых смесей в условиях изменяющейся скорости ультразвука, что позволяет увеличить точность измерений и расширить спектр анализируемых газов.
При этом результат измерений не зависит от скорости ультразвука, зависящей от температуры, концентрации, давления и других параметров среды. Условие равенства молекулярных масс исходных компонентов при этом снимается, поскольку любые изменения скорости ультразвука, вызванные неравенством молекулярных масс исходных компонентов, на результат измерений не влияют.
Индикация результата измерений при отключенной памяти счетчика 19 продолжается либо до момен-
та появления импульса на выходе блока 7 (по времени не более Та), либо до момента появления импульса на выходе блока 8 (по времени не более Т).
В первом случае импульс с выхода блока 7 поступает на второй вход измерителя 15, в результате чего вновь начинается формирование контрольного интервала в описанной выше последовательности.
Во втором случае импульс с выхода блока 8, поступая через блок 14 "ИЛИ" на первый вход измерителя 15, не меняет его состояния. На первый вход измерителя 17 импульс с выхода блока 8 в этом случае пройти не может, так как блок 15 "И" заперт по первому входу с выхода измерителя 15.
Следовательно, после окончания измерительного интервала формирование контрольного интервала в данном устройстве начинается только в момент появления импульсов на выходе блока 7, что обеспечивает устойчивую работу устройства в автоматическом режиме при отсутствии мерцания цифровых индикаторов счетчика 19.
В качестве измерителей 15 и 17 могут быть использованы триггеры с раздельным запуском. В качестве счетчика 19 - счетчики, между декадами и дешифраторами которых включены элементы промежуточной памяти (статические триггеры, имеющие информационный и тактовые входы и прямой или инверсный выход).
Повышение точности измерений по разработанному способу и устройству определяется из следующего. Согласно [7], погрешность измерений от температуры достигает 8% при изменении температуры на 50оС. Погрешность же измерения времени распространения ультразвуковой волны для подобного рода методов и устройств (импульсных или автоциркуляционных) достигает 0,01% и менее. Следовательно, даже при учете только температурной погрешности (а концентрационная погрешность в данном случае проявляет себя еще более существенно) повышение точности измерений по разработанному способу и устройству за счет исключения всех видов скоростной погрешности достигает трех порядков, дополнительное повышение точности достигается тем, что измеряется не время прохождения ударным фронтом фиксированного расстояния, а лишь время прохождения фронтом плоскости приемного преобразователя. Тем самым на порядок и более (исходя из соотношения максимальной длины фронта ультразвуковой волны - около 1 см - и размеров акустической базы ультразвуковых измерителей скорости распространения фронта волны - около 10 см) дополнительно повышается точность измерений по разработанному способу и устройству. Исключение концентрационной погрешности позволяет анализировать практически все газы и газообразные вещества, а не только те, что имеют равные молекулярные массы исходных компонентов.
Разработанные технические решения по сравнению с известными [10] или [11] позволяют на три порядка повысить точность измерений и расширить число компонентов анализируемых смесей.
Выводы
1. Осуществимость работы импульсных ультразвуковых приборов газового контроля технологических параметров в АПК в режиме ударных волн малой амплитуды подтверждается на конкретных числовых примерах, взятых из практики создания и эксплуатации ультразвуковых газоанализаторов.
2. Исследованы способ и устройство, основанные на возбуждении в среде ультразвуковых колебаний конечной амплитуды, по дисперсии скорости которых судят о составе среды. В результате на три порядка повышается точность измерений и появляется возможность при любых соотношениях между молекулярными массами исходных компонентов выявлять изменения скорости ультразвука в анализируемой смеси, т.е. расширить число компонентов анализируемой смеси на область контроля технологических параметров АПК.
Литература
1. Об осуществимости работы импульсных ультразвуковых приборов газового контроля в режиме ударных волн малой амплитуды / Н.П. Воробьев [и др.] // Интенсификация работы водопроводных сооружений и автоматизация технологических процессов: тез. докл. науч.-практ. конф. - Барнаул, 1976. - С. 63-66.
2. Остроумов, Г.А Основы нелинейной акустики / Г.А. Остроумов. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1967. - 132 с.
3. Зарембо, Л.К. Введение в нелинейную акустику / Л.К. Зарембо, ВА Красильников. - М.: Наука, 1966. - 520 с.
4. Кикучи, Е. Ультразвуковые преобразователи / Е. Кикучи. - М.: Мир, 1972. - 424 с.
5. Гершгал, Д.А. Ультразвуковая технологическая аппаратура. - Изд. 3-е, перераб. и доп. / Д.А. Гершгал, В.М. Фридман. - М.: Энергия, 1976. - 320 с.
6. Разработка и исследование акустических методов анализа газообразных сред: отчет о НИР (промеж.) / АлтГТУ; Рук. Воробьев Н.П. № ГР 78074866. Шифр Г-186-78.; Инв. № 0382.3005816. - Барнаул, 1978.
7. Электрические изменения неэлектрических величин / А.М. Туричин [и др.]; под ред. П.В. Новицкого. -Изд. 5-е. - Л.: Энергия, 1975. - С. 556-557.
8. А.с. 580499 СССР, МКИ в 01 N 29/00. Способ ультразвукового анализа состава газообразных сред / Н.П. Воробьев, В.М. Морозов, В.И. Янковский. - № 2382934/10. Заявл. 12.07.76. Опубл. в БИ. 1977. № 42.
9. А.с. СССР № 579577, МКИ G 01 N 29/04.Ультразвуковое импульсное устройство для контроля качества материалов / С.И. Ногин, П.С. Витюк, В.А. Токарев. - № 2380215/25-28; Заявл. 01.07.76; Опубл. в БИ. 1977. № 41.
10. Щербань, А.Н. Автоматизированные системы контроля загрязненности воздуха / А.Н. Щербань, А.В. Примак, В.И. Копейкин. - Киев: Техника, 1978. - С. 30.
11. Автоматическое регулирование и контрольно-измерительные приборы в промышленности основной химии / [под ред. В.С. Шермана]. - Л.: Химия, 1975. - С. 136-140.
УДК 636.932.3.083.39:636.4 П.П. Долгих, Н.В. Кулаков
ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМБИНИРОВАННОГО ОБЛУЧАТЕЛЯ ДЛЯ ЖИВОТНЫХ
Дан анализ факторам, влияющим на потери энергии в облучательных установках для животных. Приведены основные требования, предъявляемые к комбинированным облучателям, методика, оборудование для снятия их характеристик, а также характеристики, позволяющие производить расчет облучательных установок. Рассмотрены мероприятия, позволяющие снизить расход электроэнергии, не нарушая технологию выращивания животных.
Технология содержания сельскохозяйственных животных [1,2] требует использования комбинированного инфракрасного и ультрафиолетового излучения, для чего требуется разработка облучателей, соответствующих определенным требованиям [3,4].
Приведенные в [5] данные свидетельствуют о значительных потерях электроэнергии при облучении животных с применением комбинированных облучателей. Поэтому перед разработчиками стоит задача спроектировать принципиально новые конструкции облучательных установок и дать рекомендации по их использованию.
Согласно методам расчета показателей использования электроэнергии при комбинированном облучении, изложенным в [6], с точки зрения полезности использования электроэнергии лучше, когда менее компактным оказывается поток меньшего по мощности источника, чем наоборот. При этом конструктивно комбинированные облучатели могут выполняться с общей осью симметрии обоих круглосимметричных составляющих потоков, с общей плоскостью симметрии составляющих потоков линейных источников.
Представленная на рисунке 1 конструкция комбинированного облучателя [7] содержит светотехническую арматуру, установленные в ней источник инфракрасного излучения (ИК) и ультрафиолетовую лампу (УФ), при этом источник ультрафиолетового излучения выполнен в виде кольца, во внутреннюю полость которого установлен круглосимметричный источник инфракрасного излучения, который снабжен подвижным колпаком с каналами для регулирования теплового режима облучателя.
Основной проблемой при разработке данного облучателя является отсутствие в производстве кольцевых источников эритемного излучения. Поэтому при снятии характеристик облучателя была использована кольцевая лампа L22W/25C диаметром 216 мм с электронным балластом. Характеристики облучателя снимались по методикам, изложенным в [8, 9].
При этом основная задача - получить экспериментальные кривые пространственного распределения ИК- и УФ-потоков излучения облучателя, установить границы площади с допустимой равномерностью облучения, размеры которой зависят от высоты подвеса облучателя и напряжения на лампах.
Стенд для снятия характеристик состоит из щита управления (рис. 2), на передней панели которого расположены автоматический выключатель, лабораторный автотрансформатор, устройство защитного отключения, сигнальная лампа. Измерительный блок включает в себя прибор К-505, люксметр Ю-116, прибор СЕ1\ТЕР-310 для измерения температуры.
