Ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей
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 заявленной полезной моделью, является повышение надежности и точности измерения вязкости и плотности жидкостей в процессе непрерывных автоматических измерений в течение длительного времени. Сущность предложения заключается в том, что ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей, содержащий процессор, генератор, двухканальный драйвер, акустический блок, двухканальный коммутатор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, блок измерения температуры, блок памяти, клавиатуру и дисплей, снабжен акустическим блоком, выполненным в виде одной пластины, длина которой много больше ее толщины, изогнутой U-образно и погруженной изгибом в жидкость, с закрепленными на пластине двумя наклонными пьезоэлектрическими преобразователями, так чтобы расстояния от каждого из них до торцов пластины были равными, и по отношению произведения амплитуд эхо-сигналов преобразователей, отраженных от концов пластины, к произведению амплитуд сигналов в раздельном режиме работы преобразователей определяют сдвиговую вязкость и плотность жидкости.
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.
Недостатком обычных ультразвуковых приборов для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей [1] 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 0.2-0.3 Па·с и более. Таким образом, целый ряд технически важных жидкостей - керосин, легкие масла и т.д., оказывается неохваченным.
Из техники известен ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей, содержащий процессор, генератор, двухканальный драйвер, акустический блок, двухканальный коммутатор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), блок измерения температуры, блок памяти, клавиатуру и дисплей [2].
Главным недостатком этого ультразвукового прибора для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей является то, что при наличии двух каналов в процессе непрерывных автоматических измерений в течение длительного времени (от нескольких часов до нескольких месяцев) возможно изменение параметров как электронных, так и акустических блоков этих каналов, и это может привести к существенным ошибкам измерений. Например, уменьшение чувствительности одного из преобразователей акустического блока уменьшит амплитуду эхо-сигнала, и, как следствие, прибор зафиксирует изменение вязкости и плотности, вызванное не изменением свойств жидкости, а ошибкой прибора. Последствия этого могут быть самыми непредсказуемыми.
Технической задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является повышение надежности и точности измерения вязкости и плотности жидкостей в процессе непрерывных автоматических измерений в течение длительного времени.
Сущность предложения заключается в том, что ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей, содержащий процессор, генератор, двухканальный драйвер, акустический блок, двухканальный коммутатор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, блок измерения температуры, блок памяти, клавиатуру и дисплей, снабжен акустическим блоком, выполненным в виде одной пластины, длина которой много больше ее толщины, изогнутой U-образно и погруженной изгибом в жидкость, с закрепленными на пластине двумя наклонными пьезоэлектрическими преобразователями, так чтобы расстояния от каждого из них до торцов пластины были равными.
На фиг. 1 представлена блок-схема прибора, выполненного согласно данной полезной модели.
На фиг. 2 представлено устройство акустического блока прибора 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 идентичен ультразвуковому прибору для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей [2] (фиг. 1). Он включает процессор 1, генератор 2, двухканальный драйвер 3, акустический блок 4, двухканальный коммутатор 5, усилитель 6, АЦП 7, 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 на одинаковом расстоянии от торцов к пластине 14, изогнутой U-образно и жестко зафиксированной скобами 15 и погруженной в резервуар с контролируемой жидкостью 16. В резервуаре также 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 (левый выход на фиг. 1). Драйвер формирует последовательность радиоимпульсов, обеспечивающих излучение упругих импульсов с частотным спектром, близким к монохроматическому, которые
возбуждают первый преобразователь 13 (левый на фиг. 2). Преобразователь 13 формирует нормальную волну, которая распространяется по пластине 14, отражается от ее края и принимается и трансформируется им в отраженный электрический эхо-сигнал. Первый вход коммутатора 5 (левый вход на фиг. 1) соединяется с его выходом. Эхо-сигнал через коммутатор подается на усилитель 6 и преобразуется АЦП 7 в цифровой код, который через блок памяти 10 подается в процессор для обработки (величина А11). ЦАП 8 вырабатывает сигнал, устанавливающий коэффициент усиления усилителя 6, величина которого задается при калибровке прибора.
Во втором такте аналогично все повторяется для второго преобразователя 13 (запоминается величина A22).
В третьем такте процессор 1 запускает генератор 2 и первый канал драйвера 3, возбуждающий первый преобразователь 13. Второй вход коммутатора 5 (правый вход на фиг. 1) соединяется с его выходом. В этом случае первый преобразователь является излучателем, а второй - приемником ультразвуковой волны бегущей по пластине. Прибор запоминает величину A12 .
В четвертом такте процессор 1 запускает генератор 2 и второй канал драйвера 3 (правый выход на фиг. 1), возбуждающий второй преобразователь 13 (правый на фиг. 2). Первый вход коммутатора 5 (левый вход на фиг. 1) соединяется с его выходом. В этом случае второй преобразователь является излучателем, а первый - приемником ультразвуковой волны бегущей по пластине. Прибор запоминает величину А21.
Далее процессор 1 по отношению (A11·A22)/(A12·A 21) рассчитывает сдвиговую вязкость и плотность и с учетом данных с блока измерения температуры 9 вводит коррекцию и выводит результаты измерения на дисплей 12.
Повышение надежности и точности измерения вязкости и плотности жидкостей в процессе непрерывных автоматических измерений в течение длительного времени по сравнению с [2] достигается за счет замены двух тонких пластин (волноводов) одной пластиной с наклеенными на нее двумя наклонными преобразователями на равных расстояниях от торцов пластины.
Акустический блок прибора работает в двух режимах: совмещенный (эхо-импульсный) и раздельный (теневой). Получаемое при этом соотношение (A11·A22 )/(A12·A21) не зависит от флуктуаций электрических и акустических характеристик прибора.
Вышесказанное поясняется следующими соображениями. Амплитуду сигнала, принимаемого преобразователем в i-том такте работы прибора, можно представить в виде
где U0 - амплитуда зондирующего импульса генератора,
K1
Kn - коэффициенты, отвечающие за поэтапное преобразование излученного электрического сигнала в приемный электрический сигнал (электромеханическое преобразование, трансформация волны, прохождение волны через границу раздела сред и т.д.),
W, l - соответственно коэффициент затухания ультразвуковой волны в пластине и дополнительный коэффициент затухания ультразвуковой волны, обусловленный влиянием жидкости,
l wi, lli - соответственно длина пробега волны в свободном волноводе и в волноводе, соприкасающемся с жидкостью для i-того такта работы прибора.
Отсюда легко показать, что
где K - коэффициент пропорциональности, определяемый при калибровке.
Из формулы (2) видно, что отношение произведений измеренных амплитуд зависит только от коэффициента затухания ультразвуковой волны, обусловленного влиянием жидкости и протяженности контакта волновода с жидкостью, и не зависит от коэффициентов, отвечающих за поэтапное преобразование излученного электрического сигнала в приемный электрический сигнал, т.е., от параметров электронных и акустического блоков.
Из формулы (2) получаем
Зная коэффициент затухания нормальной волны и используя формулы, полученные в [3, 4], можно вычислить вязкость и плотность жидкости.
Погрешность возникает только в том случае, если с течением времени изменяется симметрия акустического поля преобразователя.
Для определения коэффициента пропорциональности K в резервуар заливается жидкость с известными плотностью и сдвиговой вязкостью. Затем производятся измерения амплитуд Aik (i, k=1; 2), рассчитывается дополнительный коэффициент затухания нормальной волны вследствие контакта с жидкостью (l)0 и определяется численное значение K.
Проведенные испытания прибора с таким акустическим блоком при измерениях параметров авиационных керосинов марок РТ и ТС-1 показали, что погрешность измерения плотности и сдвиговой вязкости не превышает 0,5-1% при периоде измерений до 12 часов. В качестве образцовой жидкости при измерениях использовался государственный стандартный образец вязкости ВЖ-ПА-1(2) [5].
Литература
1. Method for measuring liquid viscosity and ultrasonic viscometer. US patent 5365778 A.
2. Ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей. Патент РФ на полезную модель 
143319 МПК G01N 29/00.
3. Чуприн В.А. Разработка ультразвуковых приборов для диагностики состояния технологических жидкостей / Контроль. Диагностика. - 2011. - 10. - С. 11-17.
4. Chuprin V.A. Ultrasonic Measurements of Kinematic Viscosity for Analize of Engine Oil Parameters. - 11th European NDT Conference. - Prague, October 6-10, 2014. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.ndt.net/eventsA5CNDT2014/app/content/Paper/53_Chuprin_Revl.pdf
5. Интернет-ресурс ООО «ПЕТРОАНАЛИТИКА» (Россия). - режим доступа: http://ytica.ru
Ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей, содержащий процессор, генератор, двухканальный драйвер, акустический блок, двухканальный коммутатор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, блок измерения температуры, блок памяти, клавиатуру и дисплей, отличающийся тем, что акустический блок выполнен в виде одной пластины, длина которой много больше ее толщины, изогнутой U-образно и погруженной изгибом в жидкость, с закрепленными на пластине двумя наклонными пьезоэлектрическими преобразователями, так чтобы расстояния от каждого из них до торцов пластины были равными.
