Ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей

Авторы патента:


 

Полезная модель относится к приборам для непрерывного автоматического измерения сдвиговой вязкости и плотности технических жидкостей непосредственно в технологическом процессе и может быть использована как для контроля за техническим состоянием машин и механического оборудования в процессе их эксплуатации на основе измерений изменений свойств смазывающих и охлаждающих жидкостей, так и для оценки качества различных технологических процессов. Технической задачей, решаемой полезной моделью, является повышение чувствительности и точности измерения вязкости и плотности жидкостей. Сущность предложения заключается в том, что ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей, содержащий импульсный генератор, усилитель, измеритель амплитуды и времени и акустический блок в виде двух цилиндрических волноводов, концы которых погружены в контролируемую жидкость, с закрепленными на них двумя прямыми пьезоэлектрическими преобразователями, снабжен акустическим блоком, выполненным в виде двух жестко скрепленных между собой и не менее чем на две третьих части длины погружаемых в контролируемую жидкость прямолинейных пластин разной длины, длина каждой из которых много больше ее толщины, с закрепленными на них двумя наклонными пьезоэлектрическими преобразователями, причем пластины скреплены так, что с одной стороны их концы закреплены на одном уровне и с этой же стороны на каждой пластине закреплен свой наклонный пьезоэлектрический преобразователь.

Полезная модель относится к приборам для непрерывного автоматического измерения сдвиговой вязкости и плотности технических жидкостей непосредственно в технологическом процессе и может быть использована как для контроля за техническим состоянием машин и механического оборудования в процессе их эксплуатации на основе измерений изменений свойств смазывающих и охлаждающих жидкостей, так и для оценки качества различных технологических процессов.

Обычные вискозиметры и плотномеры (см., например, http://www.viskozimetr.ru/) позволяют измерять вязкость в стационарных условиях, однако в процессе производства часто необходимо контролировать параметры технологической жидкости, в том числе вязкость и плотность непосредственно в трубопроводах, резервуарах и работающих механизмах.

Из техники известен ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей, содержащий импульсный генератор, усилитель, измеритель амплитуды и времени и акустический блок в виде двух цилиндрических волноводов, концы которых погружены в контролируемую жидкость, с закрепленными на них двумя прямыми пьезоэлектрическими преобразователями [1].

Главным недостатком этого метода и прибора является слабая зависимость амплитуд сигналов, отраженных от границы раздела, от вязкости и плотности жидкости. Поэтому реально удается достаточно точно (с погрешностью 5-10%) измерять сдвиговые вязкости жидкостей величиной 2-3 Пуаза и более. Таким образом, целый ряд технически важных жидкостей - керосин, легкие масла и т.д., оказывается неохваченным.

Более высокую чувствительность и точность измерений можно получить, если для получения информации о вязкости и плотности жидкости измерять влияние жидкости на нормальные волны, распространяющиеся в пластине, погруженной в исследуемую жидкость [2-4]. Для этого в тонкой пластине, находящейся в воздухе, можно возбудить ультразвуковую нормальную волну (горизонтально-поляризованную или волну Лэмба), а затем погрузить пластину в жидкость. В соответствии с теорией [2-4] контакт с жидкостью приводит к увеличению коэффициента затухания этих волн. Это увеличение определяется как свойствами жидкости (вязкость, плотность, скорость звука), так и протяженностью области взаимодействия волны и жидкостью. Измерив изменения обоих коэффициентов затухания при известной длине контакта волны с жидкостью, можно получить систему из двух уравнений для вычисления вязкости и плотности жидкости. Если пластина достаточно тонкая (0.2-0.3 мм) и длинная (около 100-200 мм) выигрыш в чувствительности доходит до трех порядков.

Технической задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является повышение чувствительности и точности измерения вязкости и плотности жидкостей.

Сущность предложения заключается в том, что ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей, содержащий импульсный генератор, усилитель, измеритель амплитуды и времени и акустический блок в виде двух цилиндрических волноводов, концы которых погружены в контролируемую жидкость, с закрепленными на них двумя прямыми пьезоэлектрическими преобразователями, снабжен акустическим блоком, выполненным в виде двух жестко скрепленных между собой и не менее чем на две третьих части длины погружаемых в контролируемую жидкость прямолинейных пластин разной длины, длина каждой из которых много больше ее толщины, с закрепленными на них двумя наклонными пьезоэлектрическими преобразователями, причем пластины скреплены так, что с одной стороны их концы закреплены на одном уровне и с этой же стороны на каждой пластине закреплен свой наклонный пьезоэлектрический преобразователь.

Кроме того, прибор снабжен акустическим блоком, в котором одна часть каждой пластины, к которой прикреплен пьезоэлектрический преобразователь, выполнена прямолинейной, а другая криволинейной с большим числом изгибов, например, виде гармошки.

Кроме того, прибор снабжен акустическим блоком, в котором пластины представляют собой сочетания двух прямолинейных участков и двух криволинейных участков с большим числом изгибов, например, виде гармошки, причем длина первого прямолинейного участка, примыкающего к криволинейному, примерно равна протяженности пьезоэлектрического преобразователя в направлении излучения, а длина второго прямолинейного участка, расположенного между двумя криволинейными, много меньше, чем длина каждого из криволинейных.

Кроме того, прибор снабжен включенным между генератором и пьезоэлектрическими преобразователями двухканальным драйвером, формирующим последовательность радиоимпульсов, возбуждающих пьезоэлектрические преобразователи.

Кроме того, прибор снабжен прикрепленным между пластинами датчиком температуры для компенсации температурных изменений вязкости.

На фиг. 1 представлена блок-схема прибора, выполненного согласно данной полезной модели.

На фиг. 2 представлено устройство акустического блока прибора согласно данной полезной модели.

На фиг. 3 представлены формы волноводов, выполненных согласно данной полезной модели.

Нумерация узлов и блоков прибора на всех фигурах сквозная; один и тот же номер соответствует одному и тому же блоку или узлу.

Прибор построен на основе прибора для неразрушающего контроля и технической диагностики [5] (фиг. 1) с дополнением нескольких блоков, специфичных для данной полезной модели. Он включает процессор 1, генератор 2, двухканальный драйвер 3, акустический блок 4, двухканальный коммутатор 5, усилитель 6, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 8, блок измерения температуры 9, блок памяти 10, клавиатуру 11 и дисплей 12. На фиг. 2 приведена укрупненная схема акустического блока 4. Он состоит из двух наклонных преобразователей 13, приклеенных к пластинам 14, жестко скрепленным между собой скобами 15 и погруженным в резервуар с контролируемой жидкостью 16. Между волноводами закреплен (на фигуре крепеж не показан) датчик температуры 17.

При нажатии соответствующей клавиши клавиатуры 11 процессор 1 в первом такте запускает генератор 2 и первый канал драйвера 3. Драйвер формирует последовательность радиоимпульсов, обеспечивающих излучение упругих импульсов с частотным спектром, близким к монохроматическому, которые возбуждают первый преобразователь 13. Преобразователь 13 формирует нормальную волну, которая распространяется по пластине 14, отражается от ее края и принимается и трансформируется им в отраженный электрический эхо-сигнал. Этот эхо-сигнал через первый канал коммутатора 5 подается на усилитель 6 и преобразуется АЦП 7 в цифровой код, который через блок памяти 10 подается в процессор для обработки. ЦАП 8 вырабатывает сигнал, устанавливающий коэффициент усиления усилителя 6, величина которого задается при калибровке прибора. Во втором такте все повторяется для второго преобразователя 13. Далее процессор 1 по двум измеренным амплитудам и временам прихода эхо-сигналов рассчитывает сдвиговую вязкость и плотность и с учетом данных с блока измерения температуры 9 вводит коррекцию и выводит результаты измерения на дисплей 12.

При этом точность измерения коэффициента затухания волны определяется точностью измерения амплитуды волны и точностью измерения протяженности контакта волны с жидкостью. Очевидно, что погрешность измерения параметров жидкости в сильной мере зависит также от того, насколько близко удается соблюсти при измерениях условия, заложенные при выводе теоретической связи коэффициентов затухания волны и параметров жидкости. Как показали наши эксперименты, в первую очередь, необходима проверка, является ли волна, распространяющаяся в пластине плоской. Поскольку такая экспериментальная проверка является весьма сложной, ее можно заменить калибровкой прибора. Для этого проводятся измерения коэффициентов затухания обеих волн при погружении пластины в жидкость с известными плотностью, вязкостью и скоростью звука. Из акустических измерений рассчитывается вязкость и плотность калибровочной жидкости, затем рассчитанные значения сравниваются с табличными и вычисляется поправочный коэффициент, который затем вводится как поправка в дальнейшие измерения. При этом длина контакта между распространяющейся в пластине волной и жидкостью при калибровке и в работе должна быть одной и той же.

Отметим также, что вследствие слабого влияния жидкости (особенно с малой сдвиговой вязкостью) на параметры распространяющихся в пластине волн для достижения необходимой для практических применений точности 0.5÷2.0% - длина пластина должна быть не менее 200 мм.

Реализация этих требований сталкивается с определенными трудностями, так как применение длинных пластин делает акустический блок громозким и трудно интегрируемым в работающее технологическое оборудование.

Наши эксперименты показали, что для достижения компактности акустического блока часть пластины, по которой распространяются нормальные волны, может быть выполнена в виде гармошки (фиг. 3а). В пределах точности измерений амплитуда и временная огибающая принимаемого ультразвукового импульса не испытывают изменений, если радиус кривизны изгибаемого участка пластины превышает длину распространяющейся волны в 5-7 раз.

Размещение акустического блока в некоторых технологических конструкциях должно удовлетворять требованиям герметичности. В этих случаях пластина выполняется в виде комбинации нескольких прямолинейных и криволинейных участков, например, в виде сочетания двух прямолинейных и двух криволинейных участков с большим числом изгибов (фиг. 3б), причем длина прямолинейного участка, расположенного между двумя криволинейными, много меньше чем длина остальных. Последнее обстоятельство дает возможность пренебречь влиянием изменения акустической нагрузки на условия распространения нормальной волны в месте герметизации пластины 14 и стенки резервуара 18 (фиг. 3).

Эксперименты показали, что погрешность такого прибора в диапазоне сдвиговых вязкостей в пределах 0.01-10 Пуаз и плотностей в диапазоне 0.7-1.3 г/см3 не превышает 3%.

Литература

1. Method for measuring liquid viscosity and ultrasonic viscometer. US patent 5365778 A

2. Гитис М.Б., Чуприн В.А. Применение ультразвуковых поверхностных и нормальных волн для измерений параметров технических жидкостей. 1. Измерение сдвиговой вязкости //ЖТФ. 2012. Т. 82. 5. С. 93-99.

3. Гитис М.Б., Чуприн В.А. Применение ультразвуковых поверхностных и нормальных волн для измерений параметров технических жидкостей. 2. Измерение плотности // ЖТФ. 2012. Т. 82. 5. С. 100-105.

4. Чуприн В.А. Оптимизация параметров ультразвуковых измерителей вязкости смазочных жидкостей для непрерывной диагностики состояния машинного оборудования. 1. Проверка пригодности реологической модели. // Контроль. Диагностика. 2014. 2. С. 15-23.

5. Прибор для неразрушающего контроля и технической диагностики. Патент РФ на полезную модель 35886 МПК 7 G01D 3/00, G01N 3/38, 23/00, 25/00, 27/00, 29/00.

1. Ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей, содержащий импульсный генератор, усилитель, измеритель амплитуды и времени и акустический блок в виде двух цилиндрических волноводов, концы которых погружены в контролируемую жидкость, с закрепленными на них двумя прямыми пьезоэлектрическими преобразователями,

отличающийся тем, что акустический блок выполнен в виде двух жестко скрепленных между собой и не менее чем на две третьих части длины погружаемых в контролируемую жидкость прямолинейных пластин разной длины, длина каждой из которых много больше ее толщины, с закрепленными на них двумя наклонными пьезоэлектрическими преобразователями, причем пластины скреплены так, что с одной стороны их концы закреплены на одном уровне и с этой же стороны на каждой пластине закреплен свой наклонный пьезоэлектрический преобразователь.

2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что в акустическом блоке одна часть каждой пластины, к которой прикреплен пьезоэлектрический преобразователь, выполнена прямолинейной, а другая - криволинейной с большим числом изгибов, например в виде гармошки.

3. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что в акустическом блоке пластины представляют собой сочетания двух прямолинейных участков и двух криволинейных участков с большим числом изгибов, например в виде гармошки, причем длина первого прямолинейного участка, примыкающего к криволинейному, примерно равна протяженности пьезоэлектрического преобразователя в направлении излучения, а длина второго прямолинейного участка, расположенного между двумя криволинейными, много меньше, чем длина каждого из криволинейных.

4. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что между генератором и пьезоэлектрическими преобразователями включен двухканальный драйвер, формирующий последовательность радиоимпульсов, возбуждающих пьезоэлектрические преобразователи.

5. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что между пластинами прикреплен датчик температуры для компенсации температурных изменений вязкости.



 

Похожие патенты:
Наверх