З. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОНОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО АНАЛИЗАТОРА
3.1. Структурная схема
Исследования интенсивности сонолюминесценцентного свечения водных проб в кавитационной зоне проточной ячейки можно проводить посредством анализатора возбуждения сонолюминесценцентного свечения, структурная схема которого представлена на рис.З.1 [54].
Рисунок 3.1. Структурная схема анализатора
сонолюминесцентного свечения для его регистрации в малом (V= 22,710 6
з
м) объеме пробы проточной воды: 1 – источник питания, т.е. ультразвуковой генератор; 2 – резонансный однополуволновый акустический преобразователь (УЗХИ); 3 – концентратор УЗХИ; 4 – кольцевой уплотнитель; 5 – проточная ячейка; 6 – МПК-зона (кавитационная зона); 7 – кварцевое окно; 8 – модуль ФЭУ-85 (спектральные характеристики: область 300-650 пт, длина волны в максимуме 440 пт); 9 – блок питания ФЭУ-85; 10 – регистрирующая система фототока; 11 – расходная емкость; 12 – насос для подачи пробы; 13 – линия подачи; 14 – емкость для приёма; 15 – сливная линия.
Функциональная схема установки с включением контролирующей аппаратуры представлена на рис.З.2-З .4.
Гидроциклон 1 предназначен для очистки промышленных сточных вод от грубо — дисперсных взвесей (рис. 3.2).
Промежуточные емкости (накопители) 2, 6, 11 используются как накопители промышленных сточных вод после соответствующих аппаратов и обеспечивающие работу насосов под постоянным заливом.
Рисунок З .2 — Функциональная схема автоматизированной установки на 1-ой стадии очистки. Направление потоков: 1- промышленные сточные воды из кессона неочищенных промстоков; П — исходный реагент; III — в бункер осадков; IV — вытяжная система; V- на фильтр
Рисунок 3.3 — Функциональная схема автоматизированной установки на 2-ой стадии очистки. Направление потоков: V — из электрохимического реактора — 4 (рис. 3.2); VI — исходный реагент; VII — на фильтр.
Рисунок 3.4 — Функциональная схема автоматизированной установки на 3-ей стадии очистки. Направление потоков: VII — из электрохимического реактора — 8 (рис. 3.3); VIII — выход очищенной воды.
Статические смесители (СС) З и 7 предназначены для смешивания реагентных смесей со сточной водой.
Электрохимические реакторы (ЭХР) 4 и 8 служат для электрохимического метода очистки, основанного на двух процессах электролиза: анодное окисление и катодное восстановление. Режим обработки регулируется изменением напряжения (Ц) входа.
Фильтры 5 и 10 предназначены для отделения всевозможных взвесей и сгустков, образовавшихся в ЭХР — 4 и ЭХР — 8.
Сгустители 9 и 12 осуществляют сгущение загрязнённых сточных вод, поступающих с соответствующих фильтров 5 и 10.
В основе физико-химических процессов электрореагентной обработки водных растворов и взвесей в кислой реакционной смеси РН (4,5-6,5) лежат реакции окисления органических соединений на аноде, восстановление ионов металлов на катоде, анодная генерация ионовокислителей, вступающих во вторичные реакции гидроксилирующего окисления органических соединений, а также реакции комплексообразования, физические процессы образования новых фаз, коагуляции, адсорбции и структурирования взвесей.
Электрореагентная технология очистки питьевых, технических и сточных вод сопряжена с контролем большого количества параметров: рН, температуры, электродного перенапряжения плотности тока, времени обработки, исходного и текущего состава водных растворов и взвесей, расхода реагентов, критической концентрации коагуляции, оптимальной стадии реакции детоксикации, процессов синтеза окислителей и катализаторов, а также дозировки стерилизующей реагентной смеси, титрующих растворов, коагулянтов.
3.2. Расчет параметров электрического генератора
Схемы для построения электрического генератора, оснащённого ротором на постоянных магнитах, могут быть различны; их отличия могут состоять в расположении магнитов и обмоток относительно друг друга. На роторе электрогенератора располагаются магниты в порядке чередующейся полярности; на статоре – обмотки в порядке чередующегося направления. При том, что и ротор и статор являются соосными дисками, данный тип электрогенератора относится к категории дисковых (аксиальных):
Рис. 3.5. Схема (упрощённая) дискового (или аксиального) электрического генератора, оснащённого ротором на постоянных магнитах
В том же случае, если и ротор и статор являются соосными цилиндрами коаксиального типа, данный электрогенератор следует отнести к категории цилиндрических (радиальных); его схема приводится на рисунке ниже. Ротор в таком генераторе по отношению к статору может быть как внешним, так и внутренним.
Рис. 3.6. Схема (упрощённая) цилиндрического (или радиального) электрического генератора, оснащённого ротором на постоянных магнитах
Напряжение на выходе каждой обмотки электрогенератора, согласно закону Фарадея (закону электромагнитной индукции), можно рассчитать по следующей формуле:
Преобразование магнитного потока через обмотку осуществляется в соответствии с гармоническим законом:
где Fo обозначает предельное значение магнитного потока, рассчитать которое можно по следующей формуле:
Для расчёта действующего значения напряжения 1-й обмотки в данном случае выводим следующую формулу:
Для расчёта действующего значение выходного напряжения генератора в режиме «холостого хода», при последовательном соединении п обмоток:
Расчет предельно допустимой плотности тока в обмотках генератора
Далее приводится формула расчёта удельной (на единицу объёма) мощности тока, рассеиваемой в проводе вследствие наличия электросопротивления и преобразующейся в тепло (для электропровода):
От того, какова в обмотке плотность тока, зависит мощность тепловыделения и, следовательно, t обмотки, которая не должна подниматься выше предельно допустимого для данной марки электропровода значения. Значение температуры внутри обмотки и, как следствие, предельной плотности тока в обмотках можно рассчитать при помощи использования метода конечных элементов. В проводках обмоток предельное значение допустимой плотности тока определяется конструкторскими особенностями статора, а также условиями охлаждения, и если принять значение фактора упаковки за 0,6, то для данного конкретного случая предельное значение может достигать 10 А/мм2.
Значение магнитной индукции в зазоре и пронизывающего обмотку магнитного потока можно рассчитать при помощи применения различных методов, в том числе, метода конечных элементов. На приведённом ниже рисунке представлена конструкция части магнитной системы, состоящей из статора с обмотками и ротора, оснащённого постоянными магнитами. Практически идентичное строение имеют магнитные цепи радиального и аксиального электрогенераторов – на статоре, изготовленном из стали, имеются отверстия (прорези), в которые уложены обмотки; на роторе из того же материала закреплены постоянные магниты надлежащего размера. Между ними и сердечниками обмоток расположен межполосной зазор, размер которого, по возможности, должен быть близок к минимальному и определяется условиями изготовления деталей электрогенератора.
Рис. 3.7. Магнитная система электрического генератора на постоянных магнитах
На следующем рисунке демонстрируется распределение магнитного потока в магнитной системе электрического генератора:
Рис. 3.8 Распределение магнитного потока в магнитной системе электрического генератора на постоянных магнитах
Плотность тока в обмотках, при значении фактора упаковки, равном 0,6, составляет 6 А/мм2 , в проводах обмоток – 10 А/мм2; ширина полюса составляет 8 миллиметров, ширина промежутка – 8 миллиметров, глубина прорези под обмотку – 10 миллиметров; размер зазора между ротором и статором – 1 миллиметр
Среднее значение магнитной индукции через сердечник катушки Bs, при применении магнитов, состоящих из неодим-железо-бора с приблизительной остаточной индукцией 1,2 Тл и приблизительной же коэрцитивной силой 900 кА/м, составит около 0,75 Тл при значении плотности тока в обмотках, равном 6 А/мм2 (при значении фактора упаковки 0,6 в проводах обмоток плотность тока составит 10 А/мм2).
Расчет выходного напряжения и выходной мощности электрогенератора
Выходное напряжение генератора EGEN рассчитывается по следующей формуле:
N (4 • 10 • 0.6) / 2 = 12 витков (при значении фактора упаковки 0,6; провод диаметром 1,6 миллиметра и площадью сечения 2 миллиметра квадратных наматывается в окно, площадь которого составляет 10 х 4 миллиметра квадратных)
S = 0.05 • 0.008 = 0.0004 м2 п — (3.14 • 1000) / (8 + 8) 196
= 6.28 рад/сек
Отсюда, значение выходного напряжения генератора EGEN составляет 307 вольт. Допустимая величина тока для провода, изготовленного из меди, диаметром 1,6 миллиметра и приблизительной площадью сечения в 2 миллиметра может составить 20 А; в этом случае выходная мощность электрогенератора (при периоде вращения 1 об/сек) составит приблизительно 6 кВт. При этом частично она будет передаваться в нагрузку и частично рассеиваться на внутреннем сопротивлении обмоток электрогенератора. Для расчёта величины каждой из этих частей следует сперва рассчитать значение сопротивления обмоток.
Расчёт для 1-й обмотки осуществляется по следующей формуле:
В рассматриваемом случае:
rE = 1.67 • 10-8 Ом • м (медный обмоточный провод) d = 1.6 мм
(8+4+50+4) • 1584 мм = 1.584м
Сопротивление 1-й обмотки (R) в этом случае составит 0,0132 Ом, тогда как внутреннее сопротивление электрогенератора при последовательном включении 196-ти обмоток (RGEN) составит 196 • 0.0132 2.6 ОМ
На внутреннем сопротивлении электрогенератора при токе в 20 Ампер будет рассеиваться мощность, равная приблизительно 1 кВт; остальная же мощность, составляющая примерно 5 кВт, будет передаваться в нагрузку. Для электротока в 20 А сопротивление нагрузки должно составить (307 / 20) — 2,6 = 12,75 Ом.
3.3. Ультразвуковой преобразователь колебаний
Конструкция ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя.
Преобразователи анализируемого типа широко используются в различных сферах деятельности, начиная от бытовой (зажигалки) и заканчивая проведением исследований в области медицины. На приведённом ниже рисунке представлена наиболее распространённая конструкция такого преобразователя; как правило, данный тип передатчика используется с целью излучения в жидкую или твёрдую среду УЗ-волн, а также с целью измерения расхода газа. Активный элемент конструкции представляет собой пьезокерамический диск или пьезоэлемент, который, как видно из приведённой на рисунке схемы, расположен между согласующим слоем и демпфером. Находящиеся на верхней и нижней поверхностях диска электроды соединены с генератором сигналов; пьезоэлектрический диск, в соответствии с действием пьезоэлектрического эффекта, будет колебаться при приложении к указанным электродам синусоидального переменного электрического напряжения. Данные колебания определяются величиной диска, а также частотой переменного синусоидального напряжения.
Рис. 3 .9. Конструкция пьезоэлектрического преобразователя
Пьезоэлектрический материал с высокими показателями электромеханической связи, как правило, обладает, в сравнении с водной и воздушной средой, большим значением волнового сопротивления; этим обусловлен тот факт, что полоса пропускания частотной характеристики диска расположена ниже. Преодолеть неподходящее волновое сопротивление можно, как это видно из приведённого выше рисунка, при применении переднего и заднего слоёв, расположенных между жидкой средой и пьезоэлектрическим диском (согласующего слоя и демпфера, соответственно).
Как правило, у заднего слоя высокий показатель затухания, а также значительная плотность материала изготовления, необходимая для обеспечения контроля колебаний трансформатора посредством поглощения излучаемой пьезоэлементом назад энергии.
При совпадении акустического сопротивления задней части с волновым сопротивлением пьезокерамического диска, т.е. активного элемента конструкции, результатом будет образование значительно демпфированного преобразователя; такой трансформатор обладает большой областью разрешения, что обусловлено параметрами обеспечиваемой передатчиком полосы частот, но может при этом демонстрировать меньшую амплитуду сигнала.
При несовпадении комплексного акустического сопротивления задней части и активного элемента больше звуковой энергии будет отражаться вперед, т.е. в анализируемую среду; в результате формируется преобразователь, вследствие большей продолжительности осциллограммы обладающий меньшим разрешением; однако такой преобразователь может обладать более высокими показателями чувствительности и большей амплитудой сигнала.
Главной функцией согласующего слоя является обеспечение защиты активного элемента от анализируемой среды; из этого следует, что данный слой должен обладать высокими показателями прочности и устойчивости к коррозии. Кроме того, в его функции входит обеспечение связи между высоким значением акустического сопротивления пьезокерамики с низким значением данного показателя у жидкости. Толщина данного слоя должна составлять 25% от длины волны, что основывается на идее суперпозиции находящихся в одной фазе волн, благодаря чему амплитуда сигнала повышается вдвое.
Применение анализируемого вида преобразователя возможно в качестве излучателя и/или приемника. Пьезокерамика в режиме передатчика при приложении напряжения генерирует УЗ-волну; в режиме приемника, в свою очередь, активный элемент трансформирует приходящую акустическую волну в электросигнал. Преобразователь в ряде случаев используется в обоих качествах в одно и то же время. В режиме возбуждения пьезокерамического элемента преобразователь способен работать как непрерывной синусоидальной волной, так и в импульсном режиме.
3.4. Сонолюминесцентная камера
Сонолюминесцентную камеру можно изготовить из оргстекла, схема которой представлен на рис. 3.10.
Рисунок 3 .10 — Схема сонолюминесцентной камеры
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. Скорость потока определяет границу образования ГЛ в соответствии с толщиной канала; т.е. для регистрации явления следует обеспечить тем большую скорость потока жидкости, чем больше D канала. При измерении расхода простым арифметическим методом для каналов, D которых составляет 1 и 1,5 миллиметра, может быть определена та скорость, при которой образуется люминесценция. Расход для канала в 1 миллиметр составляет 0,46 л/мин или 0,42 кг/мин, а скорость потока – 10 м/сек при давлении в 22 атмосфер; расход для канала в 1,5 миллиметра составляет 1,5 л/мин или 1,35 кг/мин, скорость же – 15 м/с.
3.5. Фотоприемник
На рис. 3.11 представлен общий вид фотоприемника.
Рисунок 3.11 — Фотоприемник: 1 — нанографитная пленка, состоящая из кристаллитов графита 2, наклоненных к поверхности подложки под углом (Р (угол (Р отсчитывается против часовой стрелки от поверхности подложки); З подложка; 4, 5 положительный и отрицательные электроды соответственно; угол падения луча на поверхность фотоприемника.
Устройство состоит из проводящей плёнки (нанографит) (1), образованной, в свою очередь, кристаллитами графита наноразмеров (2); плёнка нанесена на подложку (3); проводящие параллельные электроды (4 и 5) имеют с ней электрический контакт, что можно видеть на рисунке; электрод (4) при этом соединён с положительным, а электрод (5) – с отрицательным входами измеряющего устройства. Материал, из которого изготовлена подложка (3), в сравнении с вышеописанной плёнкой, обладает значительно меньшей электропроводностью. Материалом для изготовления электродов (4 и 5) может служить любой материал с высокой проводимостью (медь и т.п.). Графитные кристаллиты (2), образующие плёнку, состоят из нескольких атомных слоёв (5-50), параллельных друг другу; их толщина составляет 2-20 нм (в других измерениях – примерно от одного до трёх микрометров). Большей частью атомные слои кристаллитов под определённым углом (от 9 до 90 о) наклонены по отношению к поверхности подложки.
Далее описывается принцип действия фотоприемника: пучок импульсного оптического излучения падает на пленку (1), после чего импульсное оптическое излучение наводит импульсную разность потенциалов между расположенными на плёнке электродами (4 и 5). По отношению к излучению пленка может быть расположена как под углом а, так и в нормальном положении; величина и знак амплитуды снимаемого с электродов сигнала при а, равном нулю, т.е. при нормальном расположении пленки относительно лазерного пучка лазера, определяются значением Р.
Оптоэлектрический сигнал в случае нормального падения луча на поверхность фотоприемника является положительным тогда, когда нанокристаллиты графита ориентированы, главным образом, на положительный электрод (9 < 900); в противоположном же случае, т.е. когда данные кристаллиты главным образом ориентированы к отрицательному (2900), его значение отрицательное. Для плёнок с наклонными кристаллами, согласно результатам проведённых дополнительных исследований, предельная амплитуда оптоэлектрического сигнала достигается при параллельном расположении электродов преобладающему направлению рёбер образованных основными плоскостями кристаллитов и плоскостью подложки углов.
Обеспечение единой направленности кристаллитов даст возможность получить более значительную амплитуду сигнала одной полярности; электроды должны быть расположены параллельно преобладающему направлению рёбер образованных основными плоскостями кристаллитов и плоскостью подложки углов. Фотоприёмник при этом способен функционировать при нормальном падении излучения на пленку, благодаря чему конструкция существенно упрощается.
3.6. Усилитель
На следующем рисунке представлена схема усилителя с коэффициентом усиления Ко. Сигнал с выхода усилителя через цепь обратной связи частично подается на вход с источником входного сигнала, в силу чего справедлива будет формула Ul=E+PU2, которая, вкупе с равенством U2=-koUl, позволяет рассчитать значение показателя усиления в соответствии с напряжением усилителя.
Отрицательная обратная связь именуется также последовательной обратной связью по напряжению. Напряжение обратной связи, передаваемое с выхода усилителя, при данном типе связи должно вычитаться из напряжения источника. Сопротивление на входе при этом возрастает, значение показателя усиления напряжения снижается, показатель же усиления тока остаётся неизменным, при параллельном снижении сопротивления на выходе и расширении полосы пропускания частот.
Рисунок З .12 — Блок-схема усилителя
З. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОНОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО АНАЛИЗАТ