ультразвуковое устройство для комплексного измерения физических параметров жидких сред

Формула изобретения

Ультразвуковое устройство для комплексного измерения физических параметров жидких сред, содержащее генератор высокочастотных колебаний, блок выделения огибающей биений, пьезопреобразователь, поршень-отражатель, измерительный цилиндр с исследуемой жидкостью, соленоид, установленный коаксиально измерительному цилиндру и соединенный с выходом источника тока, и ЭВМ, причем пьезопреобразователь и поршень-отражатель расположены в измерительном цилиндре, вход блока выделения огибающей биений соединен с пьезопреобразователем и генератором высокочастотных колебаний, выход которого соединен с пьезопреобразователем, отличающееся тем, что оно снабжено термочувствительным элементом, установленным внутри измерительного цилиндра, нагрево-охлаждающим цилиндром и термоизоляционным цилиндром, блоком формирования пропорционального температуре жидкости сигнала, аналого-цифровым преобразователем пропорционального температуре жидкости сигнала, блоком сопряжения с ЭВМ, аналого-цифровым преобразователем огибающей биений, цифроаналоговым преобразователем, выход которого соединен с входом источника тока, цифроаналоговым преобразователем команд управления термоэлектрической батареей, блоком управления термоэлектрической батареей, причем термочувствительный элемент соединен с входом блока формирования пропорционального температуре жидкости сигнала, выход которого соединен с первым входом соединенного с общей шиной ЭВМ блока сопряжения с ЭВМ через аналого-цифровой преобразователь пропорционального температуре жидкости сигнала, второй вход блока сопряжения с ЭВМ соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя огибающей биений, вход которого соединен с выходом блока выделения огибающей биений, первый выход блока сопряжения с ЭВМ соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом источника тока, а второй выход соединен со входом цифроаналогового преобразователя команд управления термоэлектрической батареей, выход которого соединен с термоэлектрической батареей, закрепленной на нагрево-охлаждающем цилиндре через блок управления этой батареей, при этом измерительный цилиндр установлен внутри нагрево-охлаждающего цилиндра, который, в свою очередь, размещен в термоизоляционном цилиндре.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для исследования физических и физикохимических свойств жидких сред в научной практике, нефтяной, химической, автотракторной, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности, в медицине для контроля и диагностики жидкостей различного назначения.

Известно ультразвуковое устройство для контроля параметров жидкостей (см. а. с. N 926590, G 01 N 29/02, 1982 г.), содержащее автоклав с пьезопреобразователем и поршнем- отражателем, первый блок согласования, включенный между генератором колебаний и пьезопреобразователем, второй блок согласования, включенный между преобразователем и детектором, последовательно соединенные схему запрета, вход которой соединен с выходом формирователя импульсов, ключ, обмотку управления и геркон, первый контакт которого предназначен для подключения к соленоиду, последовательно соединенные с блоком регулировки стабилизированного напряжения, и измерительный прибор, выход которого подключен к второму контакту геркона, схему установки "0", выход которой соединен с входом ключа, схему запрета индикации, включенную между формирователем импульсов и измерительным прибором и соединенный со схемой установки "0" первый частотомер, вход которого соединен с входом генератора колебаний, и второй частотомер, включенный между формирователем импульсов и генератором колебаний.

Данное устройство обладает следующими недостатками: не позволяет проводить определение плотности вязких жидкостей, т.к. точность измерения плотности зависит от вязкости жидкости и имеет низкую точность измерения вязкости, т. к. измерение частоты следования импульсов, по которым определяется вязкость, осуществляется на протяжении всей последовательности импульсов, включая участки ускоренного и замедленного движения поршня-отражателя.

Известно также ультразвуковое устройство для измерения параметров жидкостей (см. а.с. N 1797038, G 01 N 29/02, 1993 г.), содержащее генератор колебаний, пьезопреобразователь, цилиндр, поршень-отражатель, последовательно соединенные амплитудный детектор, вход которого соединен с пьезопреобразователем и генератором колебаний, второй выход которого соединен с первым частотомером, усилитель низкой частоты, выход которого соединен с входом формирователя прямоугольных импульсов и второго частотомера, а также источник линейно изменяющегося напряжения, пусковой вход которого соединен с выходом одновибратора, а выход через цифровой амперметр с коммутатором секций соленоида, первый вход которого соединен с выходом конца измерений цифрового амперметра, включены пиковый детектор, программный счетчик импульсов, формирователь длинного импульса, формирователь импульсов по фронту и срезу, кольцевой счетчик импульсов и трехканальный усилитель. При этом вход пикового детектора соединен с выходом усилителя низкой частоты, вход сброса счетчика соединен с пусковым входом первого частотомера, выходом одновибратора, входом сброса счетчика импульсов и входом сброса программного счетчика импульсов, вход которого соединен с выходом формирователя прямоугольных импульсов, вторым входом управления коммутатора секций соленоида, три выхода которого соединены с тремя секциями соленоида, вторым пусковым входом источника линейно изменяющегося напряжения и вторым входом кольцевого счетчика импульсов, первый выход которого соединен с пусковым входом цифрового амперметра и первым фиксирующим входом источника линейно изменяющегося напряжения, третий выход соединен со вторым пусковым входом цифрового амперметра и третьим фиксированным входом источника линейно изменяющегося напряжения, четвертый выход соединен с входом остановки счетчика импульсов, а вход соединен с выходом формирователя длинного импульса, вход которого соединен с выходом усилителя низкой частоты, при этом информационные выходы первого и второго частотомеров, пикового детектора, счетчика импульсов и цифрового амперметра, а также выходы конца измерений счетчика импульсов и цифрового амперметра соединены с интерфейсом микропроцессора. Недостатком известного устройства являются:

- невозможность определения термического коэффициента расширения жидкости;

- невозможность определения температурных зависимостей измеряемых параметров жидкости.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения возможности измерения термического коэффициента расширения жидкости, а также определения температурных зависимостей измеряемых параметров.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее генератор высокочастотных колебаний, блок выделения огибающей биений, пьезопреобразователь, поршень-отражатель, измерительный цилиндр с исследуемой жидкостью, соленоид, установленный коаксиально измерительному цилиндру и соединенный с выходом источника тока, и ЭВМ, причем пьезопреобразователь и поршень-отражатель расположены в измерительном цилиндре, вход блока выделения огибающей биений соединен с пьезопреобразователем и генератором высокочастотных колебаний, выход которого соединен с пьезопреобразователем, снабжено термочувствительным элементом, установленным внутри измерительного цилиндра, нагрево-охлаждающим цилиндром и термоизоляционным цилиндром, блоком формирования пропорционального температуре жидкости сигнала, аналого-цифровым преобразователем пропорционального температуре жидкости сигнала, блоком сопряжения с ЭВМ, аналого-цифровым преобразователем огибающей биений, цифроаналоговым преобразователем, выход которого соединен с входом источника тока, цифроаналоговым преобразователем команд управления термоэлектрической батареей, блоком управления термоэлектрической батареей, причем термочувствительный элемент соединен с входом блока формирования пропорционального температуре жидкости сигнала, выход которого соединен с первым входом соединенного с общей шиной ЭВМ блока сопряжения с ЭВМ через аналого-цифровой преобразователь пропорционального температуре жидкости сигнала, второй вход блока сопряжения с ЭВМ соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя огибающей биений, вход которого соединен с выходом блока выделения огибающей биений, первый выход блока сопряжения с ЭВМ соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом источника тока, а второй выход соединен со входом цифроаналогового преобразователя команд управления термоэлектрической батареей, выход которого соединен с термоэлектрической батареей, закрепленной на нагрево-охлаждающем цилиндре через блок управления этой батареей, при этом измерительный цилиндр установлен внутри нагрево-охлаждающего цилиндра, который, в свою очередь, размещен в термоизоляционном цилиндре.

Введение термочувствительного элемента вместе с блоком формирования пропорционального температуре сигнала позволяет оценивать температуру исследуемой жидкости через формирование аналогового сигнала, пропорционального температуре исследуемой жидкости, а аналого-цифровой преобразователь пропорционального температуре жидкости сигнала вырабатывает его цифровой код, который через блок сопряжения с ЭВМ поступает в ЭВМ, где по соответствующей программе производится определение температуры исследуемой жидкости. Если полученное значение температуры не совпадает с заданным значением, то ЭВМ формирует код команды управления, который через блок сопряжения с ЭВМ поступает на вход блока управления термоэлектрической батареей и задает соответствующий режим его работы, заключающийся в том, что блок управления термоэлектрической батареей обеспечивает требуемую величину и направление тока через термоэлектрическую батарею, которая в соответствии с эффектом Пельтье нагревает или охлаждает нагрево-охлаждающий цилиндр, который формирует тепловые потоки в исследуемую жидкость, нагревая или охлаждая ее до требуемой температуры, при этом термоизоляционный цилиндр препятствует формированию тепловых потоков в окружающую среду и обеспечивает наиболее эффективный режим создания требуемой температуры жидкости. Таким образом, в предлагаемом устройстве достигается регулирование температуры исследуемой жидкости. Введение в устройство блока сопряжения с ЭВМ и цифроаналогового преобразователя, соединенного с источником тока, позволяет преобразовывать цифровой код команды включения тока на задаваемое программой ЭВМ напряжение в аналоговый сигнал, которым осуществляется управление работой источника тока. Введение в устройство аналого-цифрового преобразователя огибающей биений обеспечивает оцифровывание аналогового сигнала огибающей биений, который в цифровой форме через блок сопряжения с ЭВМ поступает в ЭВМ, в которой из этого цифрового сигнала определяются физические параметры исследуемой жидкости по формулам:



где c - скорость ультразвука, f - частота высокочастотных колебаний, L - расстояние, проходимое поршнем-отражателем между двумя крайними положениями в измерительном цилиндре, N - число периодов огибающей биений за время движения поршня- отражателя между его двумя крайними положениями;



где - коэффициент поглощения ультразвука, A₁ и A_n - амплитуды 1-го и n-го полупериодов огибающей биений, l- расстояние, проходимое поршнем между координатами, в которых определялись указанные амплитуды;

_ж= _п- (k₁I²₁+ k₂I²₂) (3)

где _ж- плотность исследуемой жидкости, _п- плотность поршня-отражателя, I₁ и I₂ - силы токов в соленоиде, при которых происходит нарушение флотационного равновесия поршня-отражателя в крайнем нижнем и крайнем верхнем положениях в результате действия на него силы со стороны магнитного поля, k₁ и k₂ - коэффициенты пропорциональности, величина которых зависит от формы и размеров соленоида и от положения поршня-отражателя относительно витков соленоида;



где v - скорость движения поршня-отражателя в кольцевом зазоре жидкости, F - доплеровская частота огибающей биений падающей и отраженной волн;



где _s- коэффициент сдвиговой вязкости жидкости, k - коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от соотношения диаметров измерительного цилиндра и поршня-отражателя;



где - кинематическая вязкость жидкости;



где _s - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости;



где _кл - коэффициент стоксовского поглощения ультразвука;



где V - коэффициент объемной вязкости жидкости.

Т. к. определение приведенных параметров осуществляется одинаковым образом при любой температуре, то устанавливая различные значения температуры исследуемой жидкости и рассчитывая по формулам (1) - (9) ее физические параметры, получаем температурные зависимости этих параметров. Из температурной зависимости плотности определяется термический коэффициент расширения исследуемой жидкости по формуле:



где - плотность исследуемой жидкости при начальной температуре, - разница плотности исследуемой жидкости при начальной и последующей температурах, t - разница между начальной и последующей температурами.

В то время как в известном устройстве определение тех же физических параметров жидкости, кроме термического коэффициента расширения, осуществляется только при температуре окружающей среды, т.к. в известном устройстве отсутствуют элементы, позволяющие определять и регулировать температуру исследуемой жидкости, и следовательно, невозможно получать температурные зависимости измеряемых физических параметров жидкостей и определять термический коэффициент расширения жидкости.

Ha чертеже представлена блок-схема устройства для комплексного измерения параметров жидких сред.

Устройство содержит генератор высокочастотных колебаний 1, измерительный цилиндр 2 с пьезопреобразователем 3 и поршнем-отражателем 4, блок 5 выделения огибающей биений падающей и отраженной волн, вход которого соединен с пьезопреобразователем 3 и генератором высокочастотных колебаний 1, аналого-цифровой преобразователь 6 огибающей биений, вход которого соединен с выходом блока выделения огибающей биений падающей и отраженной волн 5, блок 7 сопряжения с ЭВМ, второй вход которого связан с выходом аналого-цифрового преобразователя 6 огибающей биений, а первый выход с входом цифроаналогового преобразователя 8, выход которого соединен с входом источника тока 9, выход которого связан с соленоидом 10, коаксиально расположенным по отношению к измерительному цилиндру 2, в котором расположен термочувствительный элемент 11, соединенный с входом блока 12 формирования пропорционального температуре сигнала, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 13 пропорционального температуре жидкости сигнала, выход которого связан с первым входом блока сопряжения с ЭВМ 7, связанного с общей шиной ЭВМ 14, а второй его выход соединен с входом цифроаналогового преобразователя 15 команд управления термоэлектрической батареей, выход которого соединен с входом блока 16 управления термоэлектрической батареей, выход которого соединен с термоэлектрической батареей 17, которая закреплена на нагрево-охлаждающем цилиндре 18, в котором помещен измерительный цилиндр 2, а на наружной его поверхности размещен термоизоляционный цилиндр 19.

Устройство работает следующим образом. В ЭВМ 14 вводится программа проведения измерений, в которой заложены значения температур, при которых следует проводить определение физических параметров жидкостей. Термочувствительный элемент 11 регистрирует температурное состояние исследуемой жидкости, а блок 12 формирования пропорционального температуре жидкости сигнала со своего выхода выдает соответствующий сигнал на вход аналого-цифрового преобразователя 13 пропорционального температуре жидкости сигнала, который формирует цифровой код измеряемой температуры, который через блок 7 сопряжения с ЭВМ поступает в ЭВМ. Если температура исследуемой жидкости не соответствует температуре, заданной в программе проведения измерений, то ЭВМ 14 формирует цифровой код требуемой температуры, который через блок 7 сопряжения с ЭВМ поступает на вход цифроаналогового преобразователя 15 команд управления термоэлектрической батареей, который преобразует этот код в аналоговый сигнал, запускающий блок 16 управления термоэлектрической батареей, который в свою очередь запускает в работу термоэлектрическую батарею, которая создает тепловой поток, распространяющийся в нагрево-охлаждающем цилиндре 18, из которого через измерительный цилиндр 2 он поступает в исследуемую жидкость. При этом термоизоляционный цилиндр 19 предотвращает выход теплового потока в окружающую среду. Процесс функционирования термоэлектрической батареи 17 продолжается до тех пор, пока температура исследуемой жидкости не достигнет заданного значения, что регистрируется термочувствительным элементом 11.

При этом генератор высокочастотных колебаний 1 вырабатывает непрерывные высокочастотные колебания, поступающие на пьезопреобразователь 3, который преобразует электрические колебания в акустические волны соответствующей частоты в жидкости. Между пьезопреобразователем 3 и торцом поршня-отражателя 4, находящимся в крайнем нижнем положении, устанавливается стоячая волна.

По достижении требуемой температуры исследуемой жидкости код требуемой температуры от ЭВМ 14 перестает поступать через блок 7 сопряжения с ЭВМ на вход цифроаналогового преобразователя 15 команд управления термоэлектрической батареей, поэтому на его входе пропадает аналоговый сигнал, запускающий блок 16 управления термоэлектрической батареей. В результате блок 16 управления термоэлектрической батареей выключает термоэлектрическую батарею 17. Вслед за этим ЭВМ 14 в соответствии с программой формирует коды токов через соленоид 10, которые через блок 7 сопряжения с ЭВМ поступают на вход цифроаналогового преобразователя 8, с выхода которого соответствующий аналоговый сигнал поступает на вход источника тока 9, который задает соответствующий коду ток в соленоиде 10. В соответствии с программой ток в соленоиде 10 нарастает и при некотором его значении поршень-отражатель 4 приходит во флотационное равновесие, начинает двигаться вверх. С началом движения вверх поршня-отражателя 4 отраженная акустическая волна испытывает доплеровское смещение в результате ее сложения с волной падающей возникают биения, огибающая которых имеет доплеровскую частоту. Блок 5 выделения огибающей биений падающей и отраженной волн выделяет огибающую и со своего выхода подает на вход аналого-цифрового преобразователя 6 огибающей биений, с выхода которого оцифрованный сигнал поступает в ЭВМ 14, где и анализируется в соответствии с программой. В момент появления огибающей биений, соответствующего моменту нарушения флотационного равновесия поршня-отражателя 4, в ЭВМ фиксируется код тока соленоида 10, а за время движения поршня-отражателя 4 из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение в ЭВМ 14 подсчитывается число периодов огибающей биений, по которому определяется скорость ультразвука в исследуемой жидкости. При достижении поршнем-отражателем 4 крайнего верхнего положения в измерительном цилиндре 2 огибающая биений прекращается. В ответ на это в соответствии с программой ток в соленоиде 10 начинает убывать и при некотором его значении поршень-отражатель 4 приходит во флотационное равновесие в жидкости и затем начинает двигаться вниз. В результате вновь появляется огибающая биений, которая в цифровой форме в течение всего времени падения поршня-отражателя записывается в ЭВМ 14, в которой в момент ее появления фиксируется код тока в соленоиде 10, соответствующий моменту нарушения флотационного равновесия поршня-отражателя 4. По полученным таким образом двум значениям тока ЭВМ 14 в соответствии с программой выдает код, соответствующий нулевому значению тока в соленоиде 10, который через блок 7 сопряжения с ЭВМ поступает на вход цифроаналогового преобразователя 8, преобразуется им в аналоговый сигнал и подается на вход источника тока 9, который обесточивает соленоид 10. Т.о. поршень-отражатель 4 начинает совершать свободное падение в кольцевом зазоре жидкости, при этом по частоте огибающей биений определяют скорость его падения на участке равномерного движения, по которой и рассчитывает ЭВМ 14 в соответствии с программой коэффициент сдвиговой вязкости исследуемой жидкости. По изменению амплитуды доплеровского сигнала определяют коэффициент поглощения ультразвука в соответствии с программой в ЭВМ 14.

Полученные результаты ЭВМ 14 выдает на свой интерфейс в требуемой форме.