Способ определения плотности жидкостей и устройство для его осуществления

 

Использование: при исследовании физических свойств жидкостей техническими средствами ультразвукового контроля. Техническим результатом изобретения является высокая точность измерения плотности жидкостей, простота и надежность конструкции, простота обслуживания. Сущность изобретения: способ акустического измерения плотности жидкостей заключается в пропускании акустического сигнала от излучателя через жидкость, при этом измеряют время прохождения сигнала через жидкость, амплитуду принятого сигнала и температуру жидкости, а величину плотности определяют по измеренным величинам по формуле. Устройство для осуществления этого способа содержит кювету, на противоположных стенках которой установлены соосно излучатель акустического сигнала и приемник акустического сигнала, формирователь пачки импульсов заданной частоты, усилитель сигналов, компаратор, высокочастотный прецизионный генератор импульсов, счетчик импульсов, пиковый детектор, блок измерения амплитуды, датчик температуры, вычислительное устройство, блок памяти и блок цифровой индикации. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к исследованию физических свойств жидкостей и может быть использовано для экспрессного контроля плотности нефтепродуктов как в лабораторных условиях, так и в потоке, непосредственно на технологической установке.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ ультразвукового контроля плотности раствора, основанный на измерении затухания ультразвуковых волн - изгибных волн Лэмба, возбуждаемых в наружной стенке герметичного корпуса (пат. Российской Федерации 2085933, МПК G 01 N 29/00, 1997, Бюл. 21).

Этот способ имеет основные недостатки, заключающиеся в сложности получения волн Лэмба и в том, что при измерении плотности жидкости не учитывается ее температура.

Известно устройство для ультразвукового контроля плотности раствора, имеющее герметичный корпус, на внутренней стенке которого закреплены преобразователи, соединенные со схемой возбуждения и приема волн Лэмба, выносной индикатор, электрически связанный посредством кабеля с измерителем амплитуд, и установленный в корпусе совместно с блоками возбуждения и регистрации автономный блок питания (пат. Российской Федерации 2085933, МПК G 01 N 29/00, 1997, Бюл. 21).

Известное устройство имеет недостатки: сложность изготовления герметичного корпуса со встроенной электроникой и сложность его обслуживания.

В основу изобретения положена задача - создать способ определения плотности жидкостей и устройство для его реализации, которые позволили бы повысить точность определения плотности жидкостей, надежность устройства и простоту его обслуживания.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения плотности жидкостей, заключающемся в пропускании акустического сигнала через жидкость, согласно изобретению, измеряют время прохождения сигнала через жидкость, измеряют амплитуду принятого сигнала и температуру жидкости, а величину плотности определяют по измеренным величинам: Q = a₁•c+a₂•Θ+a₃•α, где с_к, Θ_к, α_к (к=1, 2, 3) - измеренные скорость акустического сигнала, температура и затухание акустического сигнала в контролируемой жидкости; а_к (к=1, 2, 3) - коэффициенты, полученные при калибровке.

Кроме того, в устройстве для определения плотности жидкостей, содержащем кювету с жидкостью, снабженную излучателем акустического сигнала и соосно с ним приемником акустического сигнала, согласно изобретению, дополнительно введены формирователь пачки импульсов заданной частоты, усилитель сигналов, компаратор, блок измерения времени прохождения сигнала, пиковый детектор, блок измерения амплитуды, датчик температуры, вычислительное устройство, блок памяти и блок цифровой индикации, причем первый выход формирователя пачки импульсов подключен к входу пьезоэлектрического излучателя акустического сигнала, выход пьезоэлектрического приемника акустического сигнала подключен к входу усилителя сигнала, выход которого подключен к входу компаратора и пикового детектора, выход компаратора подключен к первому входу блока измерения времени, ко второму входу которого подключен второй выход формирователя пачки импульсов, выход блока измерения времени подключен к первому входу вычислительного устройства, выход пикового детектора подключен к входу блока измерения амплитуды, выход которого подключен ко второму входу вычислительного устройства, к третьему входу которого подключен датчик температуры, выход вычислительного устройства подключен к блоку памяти и блоку цифровой индикации.

На фиг.1 представлены временные диаграммы, поясняющие способ определения плотности жидкостей; на фиг.2 - устройство для его осуществления.

Способ осуществляется следующим образом.

Пробу жидкости помещают в рабочую кювету 1 (aиг.2) (для определения плотности в потоке кюветой служит технологическая труба), с формирователя 4 пачка импульсов заданной частоты поступает на излучатель 2, который вырабатывает акустический сигнал, и на второй вход управляемого высокочастотного прецизионного генератора импульсов 7, выход которого подключен к входу счетчика импульсов 8, выход которого в свою очередь подключен к первому входу вычислительного устройства 13, прошедший через контролируемую жидкость прямой акустический сигнал поступает на приемник 3, где звуковой сигнал преобразуется в электрический сигнал и поступает через усилитель 5 на компаратор уровня 6, который исключает из дальнейшей обработки "паразитный" акустический сигнал, прошедший по стенке кюветы 1, передний фронт отфильтрованного сигнала фиксируется в управляемом высокочастотном прецизионном генераторе 7, время прохождения сигнала определяется разностью времени фиксации переднего фронта принятого сигнала и времени фиксации переднего фронта поступающей с формирователя пачки импульсов 4 (Фиг.1), время прохождения сигнала через жидкость напрямую связано с плотностью жидкости. Так как на скорость прохождения акустического сигнала влияют вязкость и температура жидкости, то для корректировки погрешности вычисления плотности измеряют амплитуду принятого сигнала, коэффициент затухания которой зависит от вязкости жидкости, температуру и по данным измерениям определяют уточненную плотность жидкости.

В общем случае плотность жидкости связана с другими ее электрофизическими параметрами выражением: Q = F(c,Θ,α), где с - скорость акустического сигнала в контролируемой жидкости; Θ - температура контролируемой жидкости; α - затухание акустического сигнала в контролируемой жидкости.

Калибровочная модель процесса определения плотности жидкости: где Q_к (к=1, 2, 3) - предварительно известные значения плотностей эталонных жидкостей;
с_к, Θ_к,α_к (к=1, 2, 3) - измеренные скорость акустического сигнала, температура и затухание акустического сигнала в контролируемой жидкости;
а_к (к=1, 2, 3) - неизвестные связывающие коэффициенты.

Коэффициенты а_к находятся по формулам:

где
Тогда плотность контролируемой жидкости будет определяться:
Q = a₁•c+a₂•Θ+a₃•α.
На фиг. 2 изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа определения плотности жидкостей.

Устройство содержит кювету 1 (или технологическая труба), на противоположных стенках которой установлены соосно излучатель акустического сигнала 2 и приемник акустического сигнала 3, формирователь пачки импульсов заданной частоты 4, усилитель сигналов 5, компаратор 6, управляемый высокочастотный прецизионный генератор импульсов 7, счетчик импульсов 8, пиковый детектор 9, блок измерения амплитуды 10, датчик температуры 11, вычислительное устройство (в качестве которого может выступать однокристальная микроЭВМ) 12, блок памяти 13 и блок цифровой индикации 14. Первый выход формирователя пачки импульсов 4 подключен к входу излучателя акустического сигнала 2, выход приемника акустического сигнала 3 подключен к входу усилителя сигнала 5, выход которого подключен к входам компаратора 6 и пикового детектора 9, выход компаратора 6 подключен к первому входу управляемого высокочастотного прецизионного генератора импульсов 7, ко второму входу которого подключен второй выход формирователя пачки импульсов 4, выход генератора 7 подключен к входу счетчика импульсов 8, который в свою очередь подключен к первому входу вычислительного устройства 12, выход пикового детектора 9 подключен к входу блока измерения амплитуды 10, выход которого подключен ко второму входу блока 12, к третьему входу блока 12 подключен датчик температуры 11, выход вычислительного устройства 12 подключен к входу блока памяти 13 и к входу блока цифровой индикации 14.

Устройство работает следующим образом.

В кювету 1 наливается контролируемая жидкость, формирователь 4 формирует через определенные промежутки времени пачки импульсов заданной частоты (передний фронт пачки импульсов фиксируется в управляемом высокочастотном прецизионном генераторе импульсов 7), которые поступают на вход излучателя акустического сигнала 2, акустический сигнал проходит через жидкость и принимается приемником 3, где акустический сигнал преобразуется в электрический, который усиливается усилителем сигналов 5, с выхода усилителя 5 сигнал поступает на компаратор уровня 6, который исключает из дальнейшей обработки "паразитный" акустический сигнал, прошедший по стенкам кюветы 1, передний фронт принятого сигнала фиксируется в управляемом высокочастотном прецизионном генераторе импульсов 7. Передним фронтом пачки импульсов (фиг.1) с формирователя 4 запускается высокочастотный прецизионный генератор 7, импульсы которого подсчитываются счетчиком 8, а передним фронтом принятого сигнала (фиг. 1) генератор 7 отключается, по количеству импульсов, подсчитанных счетчиком 8, определяется время прохождения сигнала через жидкость (фиг.1). Данные о времени прохождения сигнала поступают в вычислительное устройство 12. С выхода усилителя 5 сигнал поступает также на вход пикового детектора 9, где выделяется максимальная амплитуда принятого сигнала, величина которой определяется в блоке измерения амплитуды 10, данная величина также поступает в вычислительное устройство 12, куда также поступают данные с датчика температуры 11. В блоке памяти 13 хранятся в цифровом виде величины, характеризующие время прохождения акустических сигналов через эталонные жидкости низкой, средней и высокой плотности при различных температурах, вязкости, определяемые при калибровке устройства. Вычислительное устройство 12, используя полученные результаты измерений и матрицу соответствия плотности эталонных сред при различных температурах и вязкости, определяет плотность исследуемой пробы. Эта величина высвечивается на индикаторе 14.

Формула изобретения

1. Способ определения плотности жидкостей, заключающийся в пропускании акустического сигнала от излучателя через жидкость, отличающийся тем, что измеряют время прохождения сигнала через жидкость, измеряют амплитуду принятого сигнала и температуру жидкости, а величину плотности определяют по измеренным величинам по формуле
Q = a₁•c+a₂•Θ+a₃•α,
где с_к, Θ_к, α_к(к= 1, 2, 3) - измеренные скорость акустического сигнала, температура и затухание акустического сигнала в контролируемой жидкости;
а_к(к= 1, 2, 3) - коэффициенты полученные при калибровке.

2. Устройство для определения плотности жидкостей, содержащее кювету с жидкостью, снабженную излучателем акустического сигнала и соосно с ним приемником акустического сигнала, отличающееся тем, что в него дополнительно введены формирователь пачки импульсов заданной частоты, усилитель сигналов, компаратор, блок измерения времени прохождения сигнала, пиковый детектор, блок измерения амплитуды, датчик температуры, вычислительное устройство, блок памяти и блок цифровой индикации, причем первый выход формирователя пачки импульсов подключен к входу пьезоэлектрического излучателя акустического сигнала, выход пьезоэлектрического приемника акустического сигнала подключен к входу усилителя сигнала, выход которого подключен к входу компаратора и пикового детектора, выход компаратора подключен к первому входу блока измерения времени, ко второму входу которого подключен второй выход формирователя пачки импульсов, выход блока измерения времени подключен к первому входу вычислительного устройства, выход пикового детектора подключен к входу блока измерения амплитуды, выход которого подключен ко второму входу вычислительного устройства, к третьему входу которого подключен датчик температуры, выход вычислительного устройства подключен к блоку памяти и блоку цифровой индикации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2