2. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ
2.1. Устройства однопузырьковой люминисценции
ЭУ, предназначенная для исследования ОПСЛ, располагается на металлической раме, обеспечивающей возможность перемещения вдоль оси ультразвуковых генераторов. Такая конструкция обусловлена необходимостью проведения химических опытов с использованием специальной посуды различного D. Сосуд (колба) зажимается 2-мя закреплёнными на станине при помощи болтов магнитострикторами. В конструкции предусмотрена охлаждающая система. В колбе в ходе осуществления опытов, направленных на получение однопузырьковой сонолюминесценции, удалось достичь формирования стоячих волн; кроме того, было зарегистрировано возникновение одиночного пузырька, испускающего свечение. На вышеописанной ЭУ не осуществлялись количественные измерения.
Рисунок 2.1 Экспериментальная установка для изучения однопузырьковой сонолюминесценции. Режим образования стоячих звуковых волн с интенсивными кавитирующими (но не испускающими свет) областями.
2.2. Устройства многопузырьковой люминисценции
На приведённом ниже рисунке представлено схематичное изображение ЭУ, предназначенной для исследования эффекта многопузырьковой сонолюминесценции, конструкция которой включает в себя УЗ-генератор ИЛ 10-2.0 (5) и УЗ-магнитострикционный трансформатор (1), охлаждающийся посредством использования замкнутого охлаждающего контура. Посредством насоса (8) осуществляется поступление в контур охлаждающего агента, после чего он минует (10) и сливается в резервуар (7). Волновой трансформатор (1) крепится к штативу, обеспечивающему регулирование глубины погружения в ёмкость (3) волновода. Для эксперимента применялся жидкий глицерин (в качестве жидкой среды); такой выбор объясняется интенсивным вспениванием масла И-40 при подключении волновода,что препятствует регистрации анализируемого эффекта.
Фиксирование исследуемых в ходе эксперимента явлений осуществляется посредством использования камеры АОУЕКТ АО-9З46У высокой степени чувствительности; зафиксированные камерой данные затем передаются на персональный компьютер для последующей обработки. Для регистрации значений t в области действия волновода используются термометры АКТАКОМ АТЕ-9380; для регистрации значений напряжения между волноводом (1) и электродом (2) используется универсальный вольтметр В7-78/1 (4); применяемые приборы обладают следующими характеристиками:
1) вольтметр универсального применения В 7-78/1; диапазон измерений для постоянного напряжения составляет 100 мВ / 1 / 10 / 100 / 1000В; погрешность (в соответствии с предельными измеряемыми значениями – .0,008%;
2) термометр АТЕ-9380, оснащённый термопарой К-типа; точность измерения – до 0,1 оС; диапазон измерений составляет от 100 до 1300 оС; погрешность составляет + 0,5 оС при диапазоне 50-1300 о С и 1оС при диапазоне от -100 до 50,1 о С;
3) цифровой мультиметр, оснащённый функцией измерения температуры Пике 17В; измерительный диапазон для значений t составляет – 55 – + 400 о С; погрешность – от 2 до + 1 о С; на постоянном напряжении основная погрешность составляет 0,5%.
Рисунок 2.2 — Установка для исследования многопузырьковой сонолюминесценции: 1 — УЗ волновод, 2 электрод, З -емкость с жидкостью, 4 — универсальный вольтметр Ю-78/1, 5 — УЗ генератор ИЛ102.0, 6 — измеритель-регистратор температуры АТЕ-9380, 7 — резервуар с охлаждающей жидкость (с водой), 8 — водяной насос, 9 — вентилятор, 10 — радиатор
2.3. Гидродинамические устройства
На следующем рисунке представлена схема устройства ЭУ, предназначенной для исследования ГЛ.
Рисунок 2.3 Экспериментальная установка 1 для изучения гидролюминесценции.
Основой конструкции ЭУ является рама прямоугольной формы, составляющие которой наглядно представлены на рисунке ниже: 1 – рабочий участок; 2 – заливная горловина резервуара с жидкостью, используемой в ходе опыта; 3 – 3-фазный асинхронный мотор; 4 – шестеренный насос; 5 – выходной шланг с высоким давлением; 6 – привод к насосу; 7 – низкогабаритный векторный транформатор частоты (марки E2-8300); 8 – резервуар для хранения жидкости, подлежащей исследованию; 9 – фильтр для масла; 10 – входной шланг под низким давлением. Функционирование ЭУ основывается на следующем принципе: анализируемая жидкость для очищения посторонних включений пропускается сквозь масляный фильтр (9), после чего по шлангу (10) подаётся в насос (4), включаемый через ременную передачу 3-фазным асинхронным двигателем.
С целью регулирования частоты вращения двигателя (и, следовательно, также и частоты шестеренного насоса) применялся векторный преобразователь частоты E2-8300, благодаря чему в пределах рабочей зоны в анализируемой жидкости можно было создавать различные значения давления. Указанная жидкость на выходе из шестеренного насоса по шлангу (5) попадает в зону рабочего участка (1), после чего возвращается в резервуар (8).
Рабочая зона может быть условно разделена на следующие части: гидравлический конфузор, т.е. область высокого давления; область сужения канала; гидравлический диффузор, т.е. область близкого к естественному (атмосферному) давления. В ходе опыта анализируемая жидкость люминесцировала в области сужения канала. Для изготовления вышеописанного рабочего участка использовался токарный станок, причём в качестве инструмента для выборки внутренних каналов, в соответствии с требуемой формой областей высокого и нормального давления, применялась либо фреза, либо заточенное под нужный угол конфузора сверло. Самая стабильная люминесценция, что удалось установить посредством визуального наблюдения, имеет место на том рабочем участке, где область высокого давления изготовлена с углом 90о, что объясняется таким образом: интенсивность и устойчивость люинесценции прямо пропорциональны остроте кромки входного отверстия в область узкого сечения. [46] Для изготовления узкого канала применялись различные свёрла, D которых составлял 0,5-2 миллиметра. Данные, полученные в результате проведённого испытания, соответствовали тем, которые ранее удалось получить исследователям. [46] В соответствии с толщиной канала, граница образования эффекта люминесценции определяется скоростью потока.
2.4. Ультразвуковые устройства
Связанные с определением природы сонолюминесценции теории могут быть разделены на две основные категории – «термические» и «электрические»; при попытках установить причину возникновения исследуемого эффекта затруднения у исследователей бывают вызваны, прежде всего, непосредственной взаимосвязанностью термических явлений с электрическими, поскольку ионизация среды бывает обусловлена повышением температуры, а последнее, в свою очередь, вызывается электрическим пробоем. Тогда как решающим фактором при возникновении гидролюминесценции (сходной с СЛ) служит формирование сильных электрополей, то в случае с СЛ не представляется возможным однозначно установить, что именно играет роль такого фактора. Френкель в одной из своих работ выдвигает предположение о ДЭС на УЗ-волноводе как причине возникновения люминесценции, обусловленное тем, что вследствие колебаний зарядов в «газовой линзе» образуются поля в 10 В/см, что, в свою очередь (если толщина газового слоя выше, чем длина свободного пробега электрона), приводит к образованию микроскопических электрозарядов. В том случае, если на погружённых в жидкую среду электродах вследствие СЛ в самом деле образуется двойной электрический слой, то следует считать неизбежным возникновение напряжения между двумя электродами различной природы.
Объектом исследования в ходе эксперимента служило возникающее в жидкой среде (глицерине) явление МПСЛ. Чистота анализируемой жидкости в начале эксперимента составляла более 99%, однако впоследствии, после продолжительной работы, данная жидкость впитала из окружающей атмосферы большое количество влаги. Как источник УЗ-волн был применён генератор ИЛ 10-2.0 мощностью 2 кВ; когда прибор функционировал в штатном режиме, на УЗ-волноводе наблюдалась достаточно интенсивная люминесценция, в жидкой среде – менее интенсивное. На приведённом ниже рисунке представлен кадр из снятого высокочувствительной камерой видеоролика.
Рисунок 2.4 — Сонолюминесценция: 1- ультразвуковой волновод, 2свечение в объеме жидкости.
В действительности люминесценция, образующаяся на ультразвуковом волноводе, образована отдельными световыми вспышками, что становится очевидно либо при более яркой освещённости, либо при некотором несовпадении между резонансной частотой и частотой генератора. В ходе проведения испытаний экспериментов посредством описанного выше вольтметра измерялось напряжение между титановым волноводом и медным проводом, погруженным в анализируемую жидкость; кроме того, проводились замеры температуры, причём термопара соответствующего прибора была расположена ниже волновода на расстоянии пяти миллиметров. На следующем рисунке представлен график обусловленности временным фактором значений показателей температуры и напряжения:
Рисунок 2.4 — Зависимость напряжения (кривая» и температуры (кривая 2) от времени. А и В — моменты включения и выключения УЗгенератора соответственно.
Ультразвуковое воздействие, что вытекает из всего вышеизложенного, сопровождается как возникновением сонолюминесценции, так и созданием в рамках рабочего участка внешнего напряжения, никак не связанного с напряжением, которое индуцируется на УЗВ в процессе функционирования стриктора генератора и которое не превышает 0,01 В при измерении относительно уровня земли; в сравнении с тем напряжением, которое было зафиксировано при явлении СЛ, значение данного напряжения значительно ниже. Вероятно, причиной возникновения напряжения на рабочем участке в самом деле служит формирование на электродах, погружённых в гидросреду ДЭС или двойного электрического слоя.
В динамике графиков температуры и напряжения, как можно видеть, достаточно много сходства, из чего, на первый взгляд, вытекает заключение о том, что ЭДС, возникающая в сосуде, обусловлена повышением проводимости жидкой среды при её нагревании. Это, однако, не соответствует истине – на рабочем участке не возникло внешнего напряжения даже при применении электронагревателя для повышения температуры анализируемой жидкости, из чего следует, что причиной возникновения напряжения являются протекающие в поле ультразвуковых колебаний процессы.
После функционирования генератора в ход релаксации напряжения могут быть внесены значительные изменения; для этого следует всего лишь вынуть и очистить волновод, после чего вновь поместить его в глицерин. По завершении данной операции резко меняется зависимость напряжения от временного фактора, т.е. наблюдается значительно более крутой спад.
Одна из вероятных причин возникновения сонолюминесценции при УЗ-воздействии на жидкую среду связана с электризацией такой среды. Чтобы наглядно наблюдать данное явление, необходимо, чтобы значение напряженности электрического поля достигало около 600 В/см. Этот показатель, что очевидно, определяется механизмами электризации гидросреды; например, согласно приведённым в одной из работ оценкам [48], напряжённость может достигать значения в 10 В/см. Данные оценки вызвали много критических отзывов, поскольку получение таких высоких значений казалось сомнительным, что говорило не в пользу «электрической» теории. Между тем, у данной теории по-прежнему достаточно много сторонников.
2.5. Выбор и обоснование выбранного способа
Для проведения анализа качества очистки воды принимаем ультразвуковой метод возбуждения сонолюминесценции. Данный метод обладает несомненным
достоинством, так как прост в применении, не требует больших материальных затрат на реализацию и позволяет производить измерения с высокой точностью.