Ультразвуковое устройство для измерения параметров жидкостей

 

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для исследования физических и физико-химических свойств жидкостей в научной практике, а также нефтяной, химической, микробиологической и других отраслях промышленности для контроля физических свойств рабочих жидкостей. Цель изобретения - повышение производительности измерения коэффициента поглощения ультразвука, расширение диапазона измерения плотности в области вязких жидкостей и повышение точности измерения вязкости. Между пьезопреобразовэтелем 3 и отражателем устанавливают стоячую волну. При этом через две нижние секции соленоида 21 протекает нарастающий ток и отражатель начинает двигаться вверх. Огибающая с ам

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1>s G 01 N 29/02

ГОСУДАРСТВЕ1НОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4932464/28 (22) 29,04.91 (46) 23.02.93,Бюл. М 7 (71) Ковровский филиал Владимирского политехнического института (72) Е.П,Тетерин и С.Ю,Лиж (56) Ультразвуковая техника, НИИМАШ, 1965, вып.4, с.23, Авторское свидетельство СССР

М 926590, кл, G 01 N 29/02,1980. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОСТЕЙ (57) Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для исследования физических и физико-химических свойств жидкостей в научной практике, а также нефтяной, химической, микробиологической и других отраслях промышленности для контроля физических свойств рабочих жидкостей, Цель изобретения — повышение производительности измерения коэффициента поглощения ультразвука, расширение диапазона измерения плотности в области вязких жидкостей и повышение точности измерения вязкости. Между пьезопреобразователем 3 и отражателем устанавливают стоячую волну, При этом через две нижние секции соленоида 21 протекает нарастающий ток и отражатель начинает двигаться вверх, Огибающая с ам1797038

30

50 плитудного детектора 5 дает информацию о коэффициенте поглощения ультразвука.

При подключении третьей секции соленоида отражатель 4 достигает верхнего положения. Через две верхние секции соленоида 21 е

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для исследования физико-химических свойств жидкостей в научной практике; в химической, нефтяной и других отраслях промышленности, s также морском и речном-флоте для контроля физических свойств рабочих жидкостей.

Известно ультразвуковое устройство для контроля параметров жидкостей, содержащее генера ор колебаний,. автоклав с преобразователем и поршнем-отражателем, пОследовательно соединенные детектор, вход которого соединен с преобразователем усилитель, формирователь импульсов и счетчик, а также осциллограф.

Известно также ультразвуковое устройство для контроля параметров жидкостей, содержащее автоклав с пьезопреобраэователем и поршнем-отражателем, первый блок согласования, включенный между генератором колебаний и пьезопреобразовате-. лем, второй блок согласования, включенный между преобразователем и детектором, по- 2 следовательно соединенные схему запрета, вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, ключ, обмотку управления и геркон, первый контакт которого предназначен для подключения к соленоиду, последовательно соединенные блоком регулировки стабилизированного напряжения, и измерительный прибор, выход которого подключен к второму контакту геркона, схему установки

"0", выход которой соединен с входом ключа, схема запрета индикации, Включенную между. формирователем импульсов и измерительным прибором и соединенный co схемой установки "0"; первый частотомер, вход которого соединен с выходом генератора колебаний, и второй частотомер, включенный между формирователЕм импульсов и генератором колебаний.

Недостатками известного устройства являются: 4 низкая производительность определения коэффициента поглощения ультразвука, так как его расчет осуществляется вручную по осциллограмме, записанной на .фотобумагу; протекает с убыванием ток и отражатель достигает нижнего положения. Значение тока в соленоиде для крайних положений отражателя 4 и дает значение плотности жидкости. 1 ил. не позволяет проводить определение плотности вязких жидкостей, так как точность измерения плотности зависит от вязкости жидкости; низкая точность измерения вязкости, так как измерение частоты следования импульсов, по которой определяется вязкость, осуществляется на протяжении всей последовательности импульсов, включая участки ускоренного и замедленного движения поршня-отражателя.

Целью изобретения является повышение производительности измерений, расширение диапазона измерения плотности и повышение точности измерения вязкости.

Поставленная цель достигается тем, что в. устройство, содержащее генератор колебаний, пьезопреобразователь, цилиндр-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 управления 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 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, выход соединен с пусковым входом счетчика импульсов, вторым входом управления коммутатора секций соленоида, три выхода которого через трехканальный усилитель соединены с тремя секциями со1797038 рого соединен с выходом усилителя низкой 15 частоты, при этом информационные выходы амперметра, а также выходы конца измеренийсчетчикаимпульсовицифровогоампермет- 20 ра соединены с интерфейсом микропроцессора, ных измерений параметров жидкостей.

Устройство содержит генератор 1 коле- 25

45

50 импульсов, выход "Конец измерения" которого, а также информационный выход сое- 55 динены с интерфейсом 17 микропроцессора

18, а вход соединен с выходом формирователя 8 прямоугольных импульсов, выход коленоида, вторым пусковым входом источника линейно изменяющегося напряжения и вторым выходом 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 фиксирующим входом источника линейно изменяющегося напряжения, четвертый выход соединен с входом остановки счетчика импульсов, а вход соединен с выходом формирователя длинного импульса, вход котопервого и второго частотомеров, пикового детектора, счетчика импульсов и цифрового

На черте>ке представлена блок-схема ультразвукового устройства для комплексбаний, цилиндр 2 с пьезопреобразователем

3 и поршнем-отражателем 4, последовательно соединенные амплитудный детектор

5, вход которого соединен с пьезопреобразователем 3 и генератором 1 колебаний, усилитель 6 низкой частоты, выход которого соединен с входами пикового детектора 7, формирователя 8 прямоугольных импульсов и формирователя 9 длинного импульса, который последовательно соединен с формирователем 10 импульсов по фронту и срезу и кольцевым счетчиком 11 импульсов, первый выход которого соединен с первым фиксирующим входом источника 12 линейно изменяющегося напряжения, с первым пусковым входом цифрового амперметра 13 и пусковым входом пикового детектора 7, второй выход соединен со вторым пусковым входом источника 12 линейно изменяющегося напряжения, вторым входом коммутатора 14 секций соленоида, пусковыми входами счетчика 15 импульсов и программного счетчика 16 импульсов третий выход соединен с третьим фиксирующим входом источника 12 линейно изменяющегося напряжения и вторым пусковым входом цифрового амперметра 13, четвертый выход соединен с входом остановки счетчика 15 торого соединен также с входом программного счетчика 16 импульсов и входом второго час5

10 тотомера 19, пусковой вход которого соединен с выходом программного счетчика 16 импульсов, а информационный выход —. с интерфейсом 17 микропроцессора 18.

Кроме того устройство включает трехканальный усилитель 20, три выхода которого соединены с тремя секциями соленоида 21, а три входа которого соединены с выходами коммутатора 14 секций соленоида, первый вход управления которого соединен с выходом "Конец измерений" цифрового амперметра 13 и интерфейсом 17 микропроцессора

18. Первый частотомер 22, вход которого соединен с выходом генератора 1 колебаний, а пусковой вход с выходом одновибратора 23, этот же выход которого соединен с пусковым входом источника 12 линейно изменяющегося напряжения, входами сброса счетчика 15 импульсов, программного счетчика импульсов, пикового детектора 7 и интерфейса 17 микропроцессора 18.

Информационные выходы первого 22 и второго 19 частотомеров, пикового детектора 7, счетчика импульсов 15 и цифрового амперметра 13 соединены с интерфейсом

17 микропроцессора 18.

Устройство работает следующим образом, Непрерывные высокочастотные колебания с выхода генератора 1 колебаний поступают на ni åçàïðåoáðàçoaaòåëü 3, который преобразует электрические колебания в акустические волны соответствующей частоты в жидкости, Между пьезопреобразователем 3 и торцом поршня-отражателя 4, находящемся в крайнем нижнем положении, устанавливается стоячая волна.

При запуске одновибратора 23 íà его выходе формируется импульс, приводящий в исходное состояние счетчик 15 импульсов программный счетчик 16 импульсов пиковый детектор 7, интерфейс 17 микропроцессора 18, запускает первый частотомер 22 и источник 12 линейно изменяющегося напряжения; на выходе которого напряжение начинает линейно нарастать. При этом через две нижние секции соленоида 21 начинает протекать с линейным нарастанием ток. По достижении некоторого значения тока поршень-отражатель 4 приходит во флотационное равновесие с последующим его нарушением и начинает двигаться вверх в крайнее верхнее положение. С этого момента пьезопреобразователь 3 начинает реагировать на изменение фазы стоячей волны в соответствии с перемещением поршня-отражателя 4, амплитудно модулируя непрерывные высокочастотные колебания генератора 1. Промодулированные таким образом колебания поступают на амплитуд1797038 ный детектор 5, который выделяет огибающую. Полученный низкочастотный сигнал усиливается усилителем низкой 6 частоты, с выхода которого он поступает на вход формирователя 9 длинного импульса, который вырабатывает прямоугольный импульс длительностью, соответствующей времени движения поршня-отражателя 4 из одного крайнего положения в другое. Этот импульс далее поступает на формирователь 10 импульсов по фронту и срезу, который по переднему фронту и срезу (заднему фронту) вырабатывает короткие прямоугольные импульсы, поступающие на кольцевой счетчик

11 импульсов.

Первый импульс, сформированный по фронту первого длинного импульса и соответствующий моменту нарушения флотационного равновесия поршня-отражателя 4, с первого выхода кольцевого счетчика 11 импульсов поступает на первый фиксирующий вход источника 12 линейно изменяющегося напряжения, вызывая фиксацию достигнутого значения тока в первых двух секциях соленоида 21. Этот же импульс поступает на первый пусковой вход цифрового амперметра 13, который измеряет зафиксированное значение тока. Этот же импульс поступает на пусковой вход пикового детектора 7 и запускает его на измерение амплитуды затухающих колебаний сигнала, поступающего на его вход с выхода усилителя 6 низкой частоты. По результатам измерения амплитуды микропроцессорный блок определяет коэффициент поглощения ультразвука.

По окончанию измерений цифровой амперметр 13 вырабатывает сигнал, который с выхода "Конец измерений" поступает в микропроцессорный блок, который считывает измеренное значение тока и на первый вход управления коммутатора секций соленоида

14, который подключает к источнику t2 линейно изменяющегося напряжения и третью секцию соленоида 21. При этом поршень-отражатель 4 движется под действием суммарного поля трех секций соленоида 21 до своего крайнего верхнего положения в цилиндре 2.

При достижении крайнего верхнего положения в цилиндре 2 поршнем-отражателем 4 сигнал на выходе усилителя 6 низкой частоты прекращается и формирователь 9 длинного импульса формирует задний фронт(срез) длинного импульса. По заднему фронту длинного имйульса формирователь

10 импульсов по фронту и срезу вырабатывает короткий прямоугольный импульс, поступающий на вход кольцевого счетчика 11 импульсов. 8 соответствие этому импульсу на втором выходе кольцевого счетчика 11

55 импульсов появляется сигнал. Этот сигнал поступает: на пусковые входы программного счетчика 16 импульсов и счетчика 15 импульсов и запускает их на второй вход управления коммутатора 14 секций соленоида, который отключает от источника 12 линейно изменяющегося напряжения нижнюю секцию трехсекционного соленоида 21 оставляя под напряжением среднюю и верхнюю секции:на второй пусковой вход источника 12 линейно изменяющегося напряжения, на выходе которого напряжение начинает линейно убывать. При этом через две верхние секции соленоида 21 начинает протекать с линейным убыванием ток. По достижении некоторого значения тока поршень-отражатель 4 приходит во флотационное равновесие под действием трех сил— тяжести, архимедовой и электромагнитной, с последующим его нарушением и начинает двигаться вниз в крайнее нижнее положение. С этого момента начинается формирование сигнала аналогично как и при движении поршня — отражателя вверх. На выходе формирователя 9 длинного импульса появляется второй прямоугольный импульс длительностью, соответствующей времени движения поршня отражателя 4 из верхнего крайнего положения в нижнее. По переднему и заднему фронту (срезу) этого импульса формирователь 10 импульсов по фронту и срезу вырабатывает короткие прямоугольные импульсы, поступающие на кольцевой счетчик 11 импульсов.

Короткий прямоугольный импульс, сформированный по фронту второго длинного импульса и соответствующий моменту нарушения флотационного равновесия поршня-отражателя 4 в крайнем верхнем положении в цилиндре 2, с третьего выхода кольцевого счетчика 11 импульсов поступает на второй фиксирующий вход источника

12 линейно изменяющегося напряжения. вызывая фиксацию достигнутого значения тока в двух верхних секциях соленоида 21.

Этот же импульс поступает на второй пусковой вход цифрового амперметра 13,который измеряет зафиксированное значение тока и по окончании измерений вырабатывает сигнал который с выхода "Конец измерений" поступает в микропроцессорный блок, который считывает измеренное значение тока и по полученным значениям тока для крайнего нижнего и крайнего верхнего положения поршня-отражателя 4 осуществляют расчет плотности исследуемой жидкости, Сигнал с выхода "Конец измерения" поступает также на первый вход управления коммутатора секций соленоида 14, который обесточивает соленоид 21, и поршень-отражатель 4 начи1797038

5

15 счетчике импульсов 15.

30

50 нает свободно двигаться вниз в кольцевом зазоре жидкости в цилиндре 2 под действием силы тяжести.

С выхода формирователя 8 прямоугольных импульсов прямоугольные импульсы, соответствующие акустическому сигналу, поступают нэ вход второго частотомера 19 и на вход программного счетчика 16импульсов, который по достижению заданного числа импульсов, который по достижению заданного числа импульсов, соответствующих положению поршня-отражателя 4 в средней части цилиндра 2, вырабатывает сигнал который с его выхода поступает на пусковой вход частотомера 19, который осуществляет частоту следования прямоугольных импульсов на его входе. По отношению высокой частоты генератора 1, измеряемой частотомером 22, и частоте следования пря- моугольных импульсов с формирователя 8 прямоугольных импульсов микропроессорный блок осуществляют расчет вязкости исследуемой жидкости.

3а время движения поршня-отражателя

4 из крайнего верхнего в крайнее нижнее положение прямоугольные импульсы с выхода формирователя 8 прямоугольных импульсов поступают также на вход счетчика

15 импульсов, который подсчитывает их число. По числу импульсов, соответствующих максимумам акустической стоячей волны.на известной длине хода поршня-отражателя

4, микропроессорный блок производит расчет скорости ультразвуковой волны в исследуемой жидкости.

При достижении поршнем-отражателем

4 крайнего нижнего положения в цилиндре

2 сигнал на выходе усилителя 6 низкой частоты прекращается и формирователь 9 длинного импульса формирует заданный фронт(срез) длинного импульса. По заднему

Формула и зобретения

Ультразвуковое устройство для измерения параметров жидкостей, содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор колебаний, пьезопреобразователь с отражателем, амплитудный детектор, усилитель низкой частоты, формирователь прямоугольных импульсов и счетчик, первый частотомер, подключенный к выходу генератора колебаний, второй час- 55 тотомер, подключенный к выходу формирователя прямоугольных импульсов, цилиндр, в котором расположены пьезоизлучатель с отражателем, и размещенный вокруг цилиндра соленоид. отл и ч а ю щ ее с ятем,чта, фронту длинного импульса формирователь

10 импульсов по фронту и срезу вырабатывает короткий прямоугольный импульс поступающий на вход кольцевого счетчика 11 импульсов. В соответствие этому импульсу на четвертом выходе кольцевого счетчика

11 импульсов появляется сигнал, который поступает на вход остановки счетчика 15 импульсов. По приходу этого сигнала счетчик 15 импульсов прекращает счет и выдает импульс на выходе "Конец измерений", который поступает в микропроцессорный блок и после периода которого производится сбор информации, зафиксированной в первом 22 и втором 19 частотомерах и в

Предлагаемое устройство позволяет:

1, Повысить производительность измерений, так как пиковый детектор, выполненный, например, по схеме интегрирующего аналого-цифрового преобразователя и будучи сопряжен с процессорным блоком обеспечивает автоматические измерения амплитуд акустического сигнала, по которым определяется коэффициент поглощения ультразвука.

2. Расширить диапазон измерения плотности в область вязких жидкостей за счет регистрации момента нарушения флотационного равновесия .поршня-отражателя как в крайнем нижнем, так и в крайнем верхнем положении, что исключает влияние силы вязкого трения жидкости нэ результат определения плотности, так как для этих положений онэ направлена в противоположные стороны, 3, Повысить точность измерения вязкости жидкостей вследствие определения скорости движения поршня-отражателя только на участке его равномерного движения в кольцевом зазоре жидкости, с целью повышения производительности, расширения диапазона измерения плотности и повышения точности измерения вязкости, она снабжена последовательна соединенными адновибратором, источником линейно изменяющегося напряжения, цифровым амперметром, коммутатором и трехканальным усилителем, последовательна соединенными формирователем прямоугольных длинных импульсов, вход которого подключен к выходу усилителя низкой частоты, формирователем, импульсов по фронту и срезу и кольцевым счетчиком, последовательно соединенным пиковым детекторам, ьхад которого подключен к выходу усилителя низкой частоты, и интерфейсом

1797038

Составитель Е.Тетерин

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор О.Густи

Редактор

Заказ 650 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 микропроцессора и программным счетчиком, входом подключенным к выходу формирователя прямоугольных импульсов, выход одновибратора подключен к входам сброса счетчика импульсов, интерфейса 5 микропроцессора, пикового детектора и программного счетчика и к пусковому входу первого частотомера, информационные выходы частотомеров, цифрового амперметра, счетчика импульсов и пикового детектора 10 подключены к интерфейсу микропроцессора, первый выход кольцевого счетчика связан с вторыми входами цифрового амперметра и источника линейно изменяющегося напряжения и с входом пуска пико- 15 вого детектора, второй выход кольцевого счетчика подключен к второму входу коммутатора, третьему входу источника линейно изменяющегося напряжения и пусковым входам счетчика импульсов и программного счетчика, третий выход кольцевого счетчика связан с третьим входом цифрового амперметра и с четвертым входом источника линейно изменяющегося напряжения, четвертый выход кольцевого счетчика связан с входом остановки счетчика импульсов, выход окончания измерений которого подключен к интерфейсу микропроцессора, выход окончания измерения цифрового амперметра подключен к третьему входу коммутатора и к интерфейсу микропроцессора, а соленоид выполнен из трех секций, подключенных к соответствующим выходам трехканального усилителя.