Диагностика всплытия пузырьков газа в жидком металле методом доплеровской анемометрии

Внедрение: 2021  г.

В статье [1] описан комплексный метод ультразвуковой диагностики двухфазных течений в жидкометаллической среде. Он позволяет измерять динамические и структурные характеристики плавающей неоднородности. Авторами разработан и апробирован программно-аппаратный комплекс, реализующий предложенный метод, для ультразвуковой диагностики двухфазных течений в воде и жидкометаллической среде. Данный метод основан на амплитудно-теневом, времяпролетном и доплеровском методах. Схема метода представлена на рисунке 1. 

Рисунок 1. Схема предлагаемого метода ультразвуковой диагностики среды.

Генератор сигналов посылает синусоидальный сигнал с частотой f₁ + ε, где ε – сдвиг опорной частоты, вызванный эффектом Доплера из-за рассеяния на движущихся фазовых неоднородностях. Следует отметить, что на сдвиг частоты влияет только проекция скорости пузырька на направление распространения звуковой волны.

Описанный в статье метод служит для отслеживания динамики всплытия пузырька, выделения стадий его всплытия и, используя принцип амплитудно-теневого метода, оценки размера пузыря и его положения.

Авторами был создан лабораторный образец программно-аппаратного комплекса для реализации описанного метода в данной статье. Схема комплекса представлена на рисунке 2, а на рисунке 3 приведено фото комплекса.

Рисунок 2. Схема реализованного программно-аппаратного комплекса.

Рисунок 3. Фото реализованного программно-аппаратного комплекса.

Можно выделить следующие функциональные элементы комплекса: аппаратные средства, программное обеспечение, пьезоэлектрические преобразователи (источник и приемник). Аппаратная часть комплекса состоит из следующих элементов: генератора сигналов, АЦП, персонального компьютера и соединительных проводов. Использовался генератор марки Rigol DG1062Z. С помощью коаксиального кабеля были соединены пьезоэлемент (источник) и сигнальный выход генератора. Приемный пьезоэлемент был подключен к АЦП E20‑10‑D‑1. Используемая частота дискретизации составляла 1 МГц, а частота сигнала генератора составляла 4,02 МГц.

Доплеровский сдвиг частоты в предлагаемом методе составляет не более 0,01 МГц. Спектр «полезных» частот принимаемого сигнала лежит в диапазоне 4,01‑4,03 МГц, а после оцифровки с учетом эффекта алиасинга – в диапазоне 0,01‑0,03 МГц. Обработка данных, поступающих с АЦП, осуществляется с помощью программы, разработанной в пакете MATLAB. Блок-схема основных элементов программы представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Программная часть комплекса.

Разработанный комплекс был испытан в среде жидкого металла, его работоспособность продемонстрирована. Результаты экспериментальных исследований показывают, что предлагаемый метод и разработанная программно-аппаратная часть комплекса применимы для обнаружения всплывающих пузырьков газа в двухфазной жидкой среде и отслеживания их динамики. Авторы отмечают, что использование подобных средств бесконтактной прецизионной диагностики значительно повышает эффективность и безопасность технологических процессов в энергетике и промышленности.

Источник:
A S Strelnik et al 2021 J. Phys.: Conf. Ser. 2057 012093

Разработчик: Стрельник А.С., Двойнишников С.В., Меледин В.Г., Рахманов В.В., Бакакин Г.В., Кабардин И.К., Кабардин А.К. (ИТ СО РАН, Нск)