Приложение D (справочное). Среда распространения и дегазация

Приложение D
(справочное)

Среда распространения и дегазация

D.1 Установлено достоверно, что на результаты измерения мощности ультразвука на частотах 1 МГц и ниже может оказывать сильное влияние акустическая кавитация. Кавитация - это рост, осцилляции и схлопывание ранее существовавших микропузырьков, наполненных паром или газом, в среде. В процессе измерения мощности ультразвука пузырьки рассеивают ультразвуковой пучок, излучаемый испытуемым преобразователем, приводя к нестабильности и занижению его действительной мощности. В этой связи необходимо знать, когда появляется кавитация, и выбирать подходящую среду, в которой кавитация затруднена. Метод определения начала кавитации описан в [26]. В частности, начало инерциальной кавитации часто характеризуется наличием субгармоник основной рабочей частоты. Пример акустического спектра, полученного с помощью зондового гидрофона, приведен в [26].

Возможные методы дегазации воды приведены в таблице D.1. В эту таблицу сведены методы, опубликованные во многих документах, для того чтобы показать многообразие возможностей получения дегазированной воды. Для более подробного описания процедур подготовки воды даны ссылки на соответствующие источники. Если применение дегазированной воды обязательно, то рекомендуется измерять концентрацию растворенного в воде кислорода, что даст полезную и необходимую информацию о количестве растворенного в воде газа.

Существуют и другие методы или добавки для уменьшения содержания газа в воде.

Электрохимический процесс выделения кислорода из воды. Этот метод, как и электролитический, не так просто выполнить.

Добавление в воду гидрида цинка. Проблема в том, что он очень токсичен и через некоторое время разлагается в газ.

Использование микрофильтра. Это дорогой способ, пригодный для маленького количества воды. Может использоваться для проточной воды.

Хорошо известны методы дегазации при пониженном давлении (например, 12 часов при 2,5 кПа) и нагревании (15 мин при температуре 100 °С). С их помощью получают хорошо дегазированную воду (концентрация O₂ < 4 мг/л), но только на несколько часов, см. рисунок D.1. Во всех установках для уменьшения времени дегазации важно отношение площади поверхности воды к ее объему. Скорость насыщения воды газом, т.е. восстановления исходных значений газосодержания, зависит от размеров бака с водой и от состояния поверхности воды (спокойное или нет). Методы дегазации вакуумированием или кипячением, приведенные в таблице D.1, дадут сходные результаты.

Менее известен способ добавления сульфита натрия или этандиола в воду для сдерживания начала кавитации. И в этих случаях скорость последующего насыщения воды газом зависит от размеров бака и от состояния поверхности воды.

D.2 Дегазация вакуумированием

Воду можно дегазировать, выдерживая ее под давлением от 2 до 2,5 кПа. После 24 часов откачки концентрация растворенного O₂ может составить менее 1 мг/л. Концентрация O₂ в воде сохраняется на уровне ниже 4 мг/л в течение нескольких часов.

Рисунок D.1 - Изменение во времени концентрации кислорода, растворенного в 200 мл дегазированной методом вакуумирования воды с площадью поверхности 34 см²

Таблица D.1 - Методы дегазации воды

Документ	Метод	Начальное качество воды	Процедуры дегазации	Требования к качеству после дегазации
МЭК 61846	Кипячение	Дистиллированная и фильтрованная	Кипячение в течение 15 мин Охлаждение до 54 °С Заполнение через шланг и закупоривание Охлаждение и хранение	Измерение концентрации O2 не требуется
	Кипячение при пониженном давлении	Дистиллированная и фильтрованная	Кипячение при давлении < 104 Па (20 л) Охлаждение до 39 °С в течение ночи Хранение при 39 °С и давлении < 104 Па в течение 1-7 суток
	Распыление при пониженном давлении	Дистиллированная и фильтрованная	Распыление при давлении < 104 Па
МЭК 60854	Кипячение	Дистиллированная	Нагревание до 80 °С в течение 1 ч
МЭК 61102	Пониженное давление	Дистиллированная	При давлении 2500 Па в течение 1 ч
Настоящий стандарт	Пониженное давление	Деионизированная	При давлении 2500 Па не менее 24 ч до концентрации O2 < 1 мг/л	Концентрация O2 < 4 мг/л
	Кипячение	Деионизированная	Кипячение в течение 5 мин Охлаждение без перемешивания до 23 °С Концентрация O2 должна быть < 2 мг/л
	Добавление Na2SO3	Деионизированная	Добавление 4 г/л Na2SO3 приведет к концентрации O2 0,1 мг/л
	Различные процедуры	Деионизированная	По выбору
МЭК 60866	Кипячение	Дистиллированная	Нагревание до 80 °С в течение 1 ч, сохранность 48 ч при 105 Па	Измерение концентрации O2 не требуется
	Пониженное давление	Дистиллированная	Вакуумирование при 2000 Па или менее, сохранность 48 ч при 105 Па
[49]		Дистиллированная	Откачка центробежным насосом при очень низком давлении и нагревании с непосредственным заполнением бака. Для длительного хранения сосуд герметизировать	Для измерений с гидрофоном: концентрация O2 < (5 - 8) мг/л. Для измерений мощности: концентрация O2 < 4 мг/л
[50]	10 различных методов	Различная	Различные процедуры	Измерение концентрации O2 не требуется

D.3 Дегазация методом кипячения

Еще один приемлемый для дегазации метод - это кипячение воды в течение определенного периода времени. В таблице D.2 приведены результаты, которые можно получить, используя три различные процедуры.

Концентрация кислорода дана после кипячения и охлаждения в резервуаре до температуры ниже 23 °С. Время охлаждения зависит от внешних условий и скорости перемешивания воды в резервуаре.

Таблица D.2 - Условия дегазации воды кипячением

Время кипячения, ч	Начальная концентрация O2 , мг/л (до кипячения)	Конечная концентрация O2, мг/л, при 23 °С	Время охлаждения от 100 °С до 23 °С, мин
5а	7,2а	1,7а	24а
10а	7,8а	2,0а	35а
20b	8,0b	3,1b	28b
а Без перемешивания; b Очень слабое перемешивание.

Из таблицы D.2 можно сделать следующие выводы:

кипячение на протяжении 5 минут достаточно дегазирует воду;

перемешивание (даже очень слабое) в период охлаждения сильно повышает содержание кислорода в воде;

время охлаждения несущественно влияет на содержание кислорода до тех пор, пока оно короче 35 минут.

D.4 Дегазация добавлением Na₂SO₃

Другим методом дегазации, обеспечивающим получение очень хороших результатов, является добавление сульфита натрия (Na₂SO₃). Вода, насыщенная кислородом при 20 °С, будет содержать около 9 мг/л кислорода. Для связывания этого кислорода необходимо около 0,5 г/л сульфита натрия. При этом он превращается в сульфат натрия (Na₂SO₄).

Для примера была взята вода, в которую был добавлен Na₂SO₃ для получения 4 %-ного (по весу) раствора. Содержание O₂ в такой воде остается < 4 мг/л на протяжении длительного времени (см. рисунок D.2). Скорость насыщения такого раствора воздухом существенно зависит от размеров бака с водой. В емкостях с большими размерами время насыщения дегазированной воды кислородом превышает 150 ч.

Скорость звука в воде после добавления Na₂SO₃ практически не изменилась. Изменение плотности менее 1 %. Электрическая удельная проводимость раствора 4 г/л Na₂SO₃ составляет 5,1 мС/см.

Рисунок D.2 - Зависимость от времени концентрации растворенного кислорода при содержании сульфита натрия 2,4 и 6 г/л в деминерализованной воде для емкостей различного объема и площади поверхности воды. Измерения начинались непосредственно после заполнения емкости при температуре воды (22  1) °С

Подобно щелочному раствору раствор Na₂SO₃ в воде будет воздействовать на некоторые металлы, такие, например, как алюминий и никель. После 2 часов нахождения в растворе алюминиевый корпус преобразователя будет отчасти корродирован. Именно поэтому такие преобразователи рекомендуется погружать в раствор на возможно более короткий период времени.

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что раствор Na₂SO₃ хорошо подходит для использования как альтернативная среда.

Примечание - Этим способом удаляется только растворенный в воде кислород. Однако было показано, что для предотвращения кавитации и нужно удалять кислород [27].

D.5 Среда распространения, отличная от воды

Этандиол (этиленгликоль)

Водный раствор этандиола, например в соотношении 2:1, в качестве среды, препятствующей кавитации, использовать не рекомендуется, хотя и можно предположить, что благодаря высокой вязкости смеси появление кавитации было бы менее вероятным.

Проведенные измерения с использованием раствора этандиола показали, что появление субгармоник в спектре сигнала как предвестников кавитации наблюдалось только при наивысших уровнях мощности и что такая среда менее подвержена кавитации, чем вода. Однако измерение акустических свойств раствора показало, что скорость распространения звука в нем при 19,5 °С была равна 1720 м/с, что на 16 % выше, чем в воде. К тому же удельный акустический импеданс раствора этандиола отличался от воды на 20 %, что далеко не идеально.

Физиологический раствор

Были предположения использовать в системах уравновешивания радиационной силы в качестве дегазированной жидкости физиологический раствор, применяемый в лечебных учреждениях. Однако испытания, проведенные с использованием такой жидкости, подтвердили, что кавитация в ней возникает при более низких уровнях мощности (5 Вт), чем в воде (15 Вт). Поэтому эта среда не рассматривается как альтернативная для использования при измерениях мощности [27].

Примечание - Стандартный физиологический раствор - это стерилизованная вода, содержащая 0,9 % хлорида натрия (9 г/л).