Электричество вместо звука

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Они разрушают гребные винты судов, турбины ГЭС, бетонные стены водосбросов и даже бытовые системы отопления и водоснабжения. Контролировать этот процесс долгое время было сложно и дорого: акустические методы, такие как гидрофоны, требуют сложной фильтрации шумов от работающих агрегатов и дорогостоящей обработки сигналов.

Ученые Пензенского государственного университета (ПГУ) предложили принципиально иной подход. Вместо звука они измеряют электричество. Заведующий лабораторией критических технологий НИИ фундаментальных и прикладных исследований ПГУ, кандидат технических наук Сергей Кочкин разработал и запатентовал способ оценки активности кавитации с помощью гальванической пары — простого датчика из двух металлов с разной химической активностью, например меди и цинка. При погружении в воду такая пара генерирует электрический ток, а при появлении кавитации его параметры меняются. Макетный образец уже создан и испытан.

Разработка может найти применение на гидроэлектростанциях, в судостроении, на промышленных насосных станциях и даже в жилищно-коммунальном хозяйстве. Первое в мире электрическое измерение кавитации обещает сделать контроль точным, оперативным и доступным: цена датчика составит всего несколько тысяч рублей. Проект запатентован.

Как гальваническая пара «слышит» кавитацию, почему вода сама становится электролитом и можно ли защитить датчик от разрушения, в интервью «Ъ-Науки» с Сергеем Кочкиным.

— Почему для оценки кавитации решили использовать электрические параметры, а не традиционные акустические методы, такие как гидрофон?

— Дело все в том, что гидрофоны измеряют уровень акустического шума, в частности который возникает из-за того, что «схлопываются» кавитационные пузырьки, но кроме этого шума во всех технических системах присутствует много другого шума. Например, у насоса шумят лопасти, винты сами по себе воспроизводят шум из-за вращения. Соответственно, техническая задача, которая появляется в случае гидрофона,— нужно отсеять все эти шумы. А это достаточно сложная задача, поэтому прибор сложный и дорогой.

— В чем заключается физический принцип работы датчика? Как гальваническая пара из меди и цинка реагирует на появление кавитационных пузырьков?

— Гальваническая пара реагирует следующим образом. Рассмотрим на примере меди и цинка. Цинк, находясь в воде, покрывается слоем окисла, если говорить о водных дисперсных системах. Поэтому при появлении кавитации кавитационные пузырьки очищают поверхность цинка от покрытия окисла, из-за этого увеличивается его химическая активность. Это одна сторона вопроса. Другая сторона вопроса, если использовать те электроды, которые в принципе не будут так окисляться. Доказано, что на активность кавитации в водяных системах влияет именно сама вода, а не то что в ней растворено. При возникновении кавитации (высокая температура, высокое давление и высокая скорость) вода сама начинает распадаться на радикалы. Радикалы — ОН и отдельный молекулярный кислород, который потом трансформируется в озон, который тоже химически активный. Вода становится более электропроводной в этом случае, соответственно, увеличиваются показатели гальванической пары: генерируемые ЭДС (электродвижущая сила) и все из этого вытекающее.

— Почему в качестве чувствительного элемента выбрана именно гальваническая пара, а не, например, измерение сопротивления или емкости воды?

— Сопротивление воды, как указано в известных источниках, на постоянном токе возрастает, то есть кавитация не влияет положительно, а влияет отрицательно на сопротивление воды. Емкость воды тоже меняется из-за наличия смеси жидкости и пузырьков. Вероятнее всего, значение емкости будет расти. Но стоит отметить, что все события, которые происходят, именно электрически пассивные, они все делаются с внешним влиянием. Подключается источник питания, который будет измерять емкость, подключается источник питания, который будет измерять сопротивление. А измерение гальванической пары происходит без внешнего источника питания. Она сама является источником питания себя. Еще раз хочу сказать, что в современной технике отсутствуют доказанные зависимости влияния изменения сопротивления или емкости воды из-за кавитации.

— Как именно меняются электрические параметры (ток, напряжение) при возникновении кавитации и с чем связано это изменение?

— При возникновении кавитации изменяется ЭДС, которую генерирует гальваническая пара, а все остальное, что мы дальше с этой ЭДС сделаем — будем измерять падение напряжения, ток короткого замыкания и так далее,— это уже следующий этап измерения, то есть измеряется ЭДС, которую генерирует сама гальваническая пара.

— Почему для электродов выбрали медь и цинк? Что определяет выбор металлов и можно ли использовать другие пары?

— Есть электродный потенциал материалов, который измеряется относительно потенциала водорода, именно в этой среде. Мы говорим про водную среду. Электродный потенциал у этих материалов должен быть разный, разность электродного потенциала служит причиной возникновения ЭДС в гальванической паре. Если мы возьмем два цинковых электрода и положим в электролит, то ничего не произойдет. А вот если взять с электродным потенциалом, сдвинутым в минус,— это цинк, а также металл с электродным потенциалом, сдвинутым в плюс,— это медь, то между ними возникает при погружении в электролит электрический ток.

Поэтому можно использовать и другие пары. Важно, чтобы у них был разный электродный потенциал. Вместо меди электродом в таком гальваническом элементе может выступить и графит.

— Как вода выполняет роль электролита и влияет ли ее химический состав (соленость, примеси) на точность измерений?

— Химический состав воды не влияет на точность. Изменения при кавитации происходят из-за того, что происходит распад именно молекул воды, как упоминалось выше, а не растворенных в них элементов. На ресурс нашего датчика химический состав будет влиять. Например, цинк при нахождении в водной среде будет растворяться. Мы уже работаем над этим вопросом. И в следующем патенте нам удастся устранить эту проблему.

— Насколько чувствителен датчик: способен ли он улавливать самые ранние стадии кавитации до появления эрозионных повреждений?

— Кавитация в современной науке — малоизученное явление. Она не имеет единой единицы измерения. Наш датчик показывает наличие кавитации достаточно точно, но указать степень ее активности в единых единицах пока невозможно.

Наш метод точный, он принципиально лучше, чем у существующих акустических кавитометров, но сравнивать их между собой сложно, потому что измерение идет в разных единицах.

— Почему существующие методы контроля кавитации (гидрофоны, вибродиагностика) считаются недостаточно точными и дорогостоящими?

— Гидрофоны состоят из множества дорогостоящих компонентов. Сигналы, поступающие с аппарата, необходимо обработать. Для этого тоже требуется специальная техника. Такая же ситуация и с виброметрами: к ним как минимум нужен компьютер.

Кроме того, из-за сложной математической обработки возникают погрешности в измерениях. Из общего сигнала нужно выделить полезный, его доля там невелика. Из-за внешних шумов, например, работа огромных винтов. Уровень возникающей при этом кавитации составляет доли процента от уровня шума. Чтобы «услышать» кавитацию, требуется очень сложная математическая обработка. В нашем предложении этого не требуется, не нужна сложная электроника, измерения можно делать даже с помощью осциллографа или мультиметра.

— Как новый электрический метод преодолевает проблему фонового шума, которая мешает акустическим измерениям вблизи работающих турбин и насосов?

— Фоновый шум не влияет на измерения нашим датчиком, потому что мы измеряем электрическим способом.

— Где именно датчик можно установить — прямо на корпусе насоса, в потоке воды или в зоне предполагаемой кавитации — и не разрушается ли он сам от кавитационного воздействия?

— Устанавливать можно в зоне кавитации. Датчик разрушается. Мы работаем в этом направлении, мы уже нашли решение по защите применяемых электродов.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки