Датчик механических и электрических параметров жидкости
Предлагаемое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования с помощью ультразвуковых волн механических и электрических параметров жидкости, в частности, вязкости, плотности, диэлектрической проницаемости, электрической проводимости. Задачей настоящего решения является разработка датчика для исследования механических и электрических параметров жидкости, в частности, вязкости, плотности, диэлектрической проницаемости, электрической проводимости. Технический результат заключается в повышении чувствительности к свойствам жидкости. Датчик механических и электрических параметров жидкости содержит подложку, например, из ниобата лития 1. С одного края подложки размещены первый 2 и второй 3 входные ВШП. Напротив них с другого края расположены первый 4 и второй 5 выходные ВШП. Между вторым входным ВШП 3 и вторым выходным ВШП 5 размещена проводящая пленка 6, которая может быть нанесена как с верхней, так и с нижней стороны подложки. Поперек подложки 1 размещена ячейка 7 для исследуемой жидкости. Длина ячейки выбрана таким образом, что ячейка выступает за пределы преобразователей. К первому 2 и второму 3 входным ВШП присоединен ВЧ генератор 8, а к первому 4 и второму 5 выходным ВШП - двуканальный векторный вольтметр 9.
Предлагаемое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования с помощью ультразвуковых волн механических и электрических параметров жидкости, в частности, вязкости, плотности, диэлектрической проницаемости, электрической проводимости.
Известно устройство для определения плотности жидкости ультразвуковым методом. Оно содержит управляемый напряжением генератор изменяемой частоты с управляющим входом, ультразвуковую резонансную камеру, снабженную электроакустическим излучающим преобразователем, вход которого соединен с выходом генератора и оппозитным ему электроакустическим принимающим преобразователем, а также расположенной между преобразователями полостью для пробы жидкости. Кроме того, система содержит схему фазовой синхронизации, которая подключена между выходом принимающего преобразователя и управляющим входом генератора, устройство реагирования на выходной сигнал принимающего преобразователя, устройство, подключенное к схеме фазовой синхронизации для управления и изменения фазы подаваемого на излучающий преобразователь сигнала относительно выходного сигнала принимающего преобразователя. В системе предусмотрены управляющее устройство, подключенное к схеме фазовой синхронизации для ввода в нее управляющего напряжения при настройке частоты генератора на любую требуемую частоту из всего множества собственных частот резонансной камеры, и вычислительный блок для вычисления плотности. Способ определения плотности жидкости основан на исследовании резонансного поведения пробы жидкости в ультразвуковой резонансной камере (см. патент РФ №2144183, МПК G01N 29/02).
Однако данное устройство имеет недостаточные функциональные возможности, позволяет измерять только плотность жидкости. Кроме того, оно является относительно сложным.
Наиболее близким к предлагаемому решению является SH-ПАВ устройство, содержащее пьезоэлектрическую подложку с расположенными на ней двумя входными и двумя выходными встречно-штыревыми преобразователями, ячейку для исследуемой жидкости, расположенную между входными и выходными преобразователями и имеющую длину, перекрывающую их поперечный размер, между одной парой преобразователей на подложку нанесена проводящая пленка. Ячейка в виде пластины с прямоугольным отверстием (рамка из химически прочного материала) через резиновую
прокладку размещается на поверхности (стороне) подложки, на которой размещены преобразователи, и фиксируется на подложке. Толщина подложки существенно больше пространственного периода преобразователей.
Недостатком устройства является работа на поверхностных волнах, которые обладают низкой гравитационной чувствительностью и низким коэффициентом электромеханической связи. Это приводит к низкой чувствительности измерения параметров жидкости.
Задачей настоящего решения является разработка датчика для исследования механических и электрических параметров жидкости, в частности, вязкости, плотности, диэлектрической проницаемости, электрической проводимости.
Технический результат заключается в повышении чувствительности к свойствам жидкости.
Поставленная задача достигается тем, что датчик механических и электрических параметров жидкости содержит пьезоэлектрическую подложку с расположенными на ней двумя входными и двумя выходными встречно-штыревыми преобразователями, ячейку для исследуемой жидкости, расположенную поперек подложки между входными и выходными преобразователями и имеющую длину, перекрывающую их поперечный размер, между одной парой преобразователей на подложку нанесена проводящая пленка, толщина подложки h выбрана из условия распространения поверхностной акустической волны типа SH0 , а именно:
h=(0.1-0.2)
, где - длина поверхностной акустической волны.
Толщина подложки существенно меньше пространственного периода преобразователей.
Проводящая пленка, например, металлическая, может быть расположена как с верхней, так и с нижней стороны подложки.
В одном из вариантов выполнения ячейка представляет собой стеклянную рамку, приклеенную к поверхности подложки эластичным клеем, при этом область склеивания внутри ячейки имеет покрытие из материала, химически стойкого к исследуемой жидкости.
Для компенсации тепловых уходов параметров устройство может иметь два дополнительных входных и два дополнительных выходных встречно-штыревых преобразователя, расположенных на той же или на отдельной подложке, при этом между дополнительными преобразователями размещена ячейка для эталонной жидкости.
Решение поясняется чертежом, на котором приведен вариант датчика без дополнительных преобразователей, где:
1. подложка;
2. первый входной встречно-штыревой преобразователь (ВШП);
3. второй входной ВШП;
4. первый выходной ВШП;
5. второй выходной ВШП;
6. проводящая пленка;
7. ячейка для исследуемой жидкости;
8. ВЧ генератор;
9. двуканальный векторный вольтметр.
Датчик механических и электрических параметров жидкости содержит подложку, например, из ниобата лития 1. С одного края подложки размещены первый 2 второй 3 входные ВШП. Напротив них с другого края расположены первый 4 и второй 5 выходные ВШП. Между вторым входным ВШП 3 и вторым выходным ВШП 5 размещена проводящая пленка 6, которая может быть нанесена как с верхней, так и с нижней стороны подложки.
Поперек подложки 1 размещена ячейка 7 для исследуемой жидкости. Длина ячейки выбрана таким образом, что ячейка выступает за пределы преобразователей. К первому 2 и второму 3 входным ВШП присоединен ВЧ генератор 8, а к первому 4 и второму 5 выходным ВШП - двуканальный векторный вольтметр 9. Для варианта с дополнительными ВШП генератор 8 через делитель подключен ко всем четырем входным преобразователям, а выходные ВШП подключаются к двум двухканальным векторным вольтметрам.
Устройство работает следующим образом.
ВЧ генератор 8 подает непрерывный электромагнитный сигнал на первый 2 и второй 3 входные ВШП, которые возбуждают в подложке 1 SH 0 акустическую волну, которая распространяется по направлению к первому 4 и второму 5 выходным ВШП. Далее выходные ВШП 4 и 5 преобразуют акустические сигналы в электромагнитные, которые принимаются векторным вольтметром 9. При помещении исследуемой жидкости в ячейку 7 скорость и затухание акустической волны в пространстве под ячейкой 7 меняются, что приводит к изменению фазы и амплитуды выходных электромагнитных сигналов. Акустическая волна, прошедшая между входным преобразователем 2 и выходным преобразователем 4, реагирует на механические и электрические свойства исследуемой жидкости, поскольку соответствующее пространство под ячейкой 7 является электрически открытым. Акустическая волна, прошедшая между входным преобразователем 3 и выходным преобразователем 5, реагирует только на механические
свойства исследуемой жидкости, поскольку соответствующее пространство под ячейкой 7 является электрически закороченным благодаря присутствию проводящей пленки 6. При этом проводящая пленка может быть расположена как с верхней, так и с нижней стороны подложки, поскольку толщина подложки выбрана существенно меньше длины акустической волны.
Таким образом, измеряя четыре параметра, а именно: амплитуды выходных электромагнитных сигналов и их фазы, можно по расчетной программе определить искомые параметры жидкости, указанные выше: плотность, вязкость, диэлектрическую проницаемость и электрическую проводимость.
Предлагаемое устройство позволило определить параметры такой жидкости как смесь глицерина с водным раствором хлористого натрия. Плотность, вязкость, диэлектрическая проницаемость и электрическая проводимость были измерены с помощью других методов: плотность - с помощью аналитических весов и измерительной мензурки, вязкость - с помощью вискозиметра ВПЖ-1, диэлектрическая проницаемость и электрическая проводимость - с помощью плоского конденсатора, заполненного исследуемой жидкостью, и прецизионного LCR измерителя. Полученные данные с помощью предлагаемого метода и указанных выше известных методов приведены в таблице.
| Таблица. | ||||
| ПараметрСпособ измерения | Плотность, кг/м3 | Вязкость, Па·с | Диэлектрическая проницаемость относит. | Электрическая проницаемость, с/м |
| Стандартные методы измерения | 10 3±5% | 7,1±5% | 80±2% | 0,065±3% |
| Путем обработки данных акустическим датчиком | 1,01·103 | 7,06·10 -2 | 78,8 | 0,06 |
Предлагаемое устройство может быть использовано в тех условиях, где стандартные методы не применимы. К ним можно отнести многие биологические реакции, протекающие в жидкости и сопровождающиеся изменением ее физических параметров во времени. Предлагаемое устройство было испытанно при исследовании динамики протекания биологических реакций в суспензии клеток E-coli XL-1 при взаимодействии со специфическим FAGом (настроенным на E-coli XL-1). Было установлено время активного взаимодействия клеток с FAGом и время последующего разрушения этих клеток.
1. Датчик механических и электрических параметров жидкости, содержащий пьезоэлектрическую подложку с расположенными на ней двумя входными и двумя выходными встречно-штыревыми преобразователями, ячейку для исследуемой жидкости, расположенную поперек подложки между входными и выходными преобразователями и имеющую длину, перекрывающую их поперечный размер, между одним входным и соответствующим выходным преобразователями, на подложку нанесена проводящая пленка, толщина подложки h выбрана из условия распространения поверхностной акустической волны типа SH0
h=(0,1-0,2), где - длина поверхностной акустической волны.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что проводящая пленка расположена с нижней стороны подложки.
3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что ячейка представляет собой стеклянную рамку, приклеенную к поверхности подложки эластичным клеем, при этом область склеивания внутри ячейки имеет покрытие из материала химически стойкого к исследуемой жидкости.
4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он содержит два дополнительных входных и два дополнительных выходных встречно-штыревых преобразователей, расположенных на той же или отдельной подложке, между которыми размещена ячейка для эталонной жидкости.
