Способ определения вязкоупругих свойств жидких и твёрдых сред и устройство для его реализации

Использование: для измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют возбуждение крутильных колебаний в измерительном устройстве расположенными на его поверхности преобразователями, при этом возбуждение крутильных колебаний производят путем подачи импульсного сигнала на излучающие преобразователи, расположенные на поверхности измерительного устройства, геометрические параметры которого позволяют возбуждать в нем крутильные колебания, регистрируют сигнал принимающими преобразователями, определяют коэффициент затухания серии эхо-импульсов многократных отражений крутильных колебаний в ненагруженном и нагруженном исследуемой средой измерительном устройстве, вычисляют коэффициент затухания серии эхо-импульсов многократных отражений крутильных колебаний с учетом коэффициента отражения на границе «преобразователь - труба», а вязкость и модуль сдвига с учетом известной плотности исследуемой среды, вычисленного коэффициента затухания крутильных колебаний и основной частоты в спектре сигнала определяют по номограммам. Технический результат: расширение функциональных возможностей в плане измерения вязкости жидких сред, а также модуля сдвига и скорости распространения поперечных волн в твердых средах, повышение точности измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред при относительной простоте изготовления устройства. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и может быть использовано для измерения сдвиговой вязкости, модуля сдвига, плотности жидких, твердых, сыпучих и грунтовых сред.

Из уровня техники известен способ и устройство измерения вязкости жидкостей, основанный на измерении времени прохождения продольной и поперечной волны, расчете их скоростей и коэффициента отражения на границе «твердое тело - жидкость» [Patent US 5365778 А]. Известно также комплексное устройство измерения расхода, плотности и вязкости нефтепродуктов, основанное на измерении времени прохода импульса акустической волны в одном и обратном направлении и расчете скорости распространения волны. С использованием известной скорости производится расчет затухания и вязкости исследуемой среды [Патент РФ ПМ №66029].

Недостатками известных способов и устройств являются:

- измерение вязкости только жидких сред;

- низкая точность измерений, обусловленная расчетом скорости распространения ультразвуковой волны на однократном ее прохождении через измеряемую среду и ее возбуждении в среде с неизвестными параметрами.

Известен ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей, основанный на измерении амплитуды и времени прихода эхо-сигналов акустической волны по двум плоским волноводам, к которым приклеены наклонные пьезоэлектрические преобразователи, возбуждающие волны Лэмба в пластинах [Патент РФ ПМ №143319]. Прибор имеет несколько модификаций, целью которых является повышение надежности и точности измерения вязкости и плотности жидкостей в процессе непрерывных автоматических измерений в течение длительного времени [Патент РФ ПМ №153458, Патент РФ ПМ №153622].

Недостатками известных устройств являются:

- измерение вязкости только жидких сред;

- зависимость результатов измерения за счет использования дисперсионных мод продольной и изгибной волны Лэмба;

- влияние изменения толщины пластины на результат измерений.

Известен способ и устройство измерения вязкости жидкостей, основанные на резонансном акустическом методе, реализованном на вычислении разности между первой резонансной частотой, полученной в эталонной среде, и второй резонансной частотой, полученной в измеряемой среде, а также сравнении ширины их спектральных составляющих [Patent US 4862384].

Недостатками известного способа и устройства являются:

- измерение вязкости и действительной части модуля сдвига только жидких сред;

- влияние геометрических параметров пьезокерамики, сосуда с жидкостью и резонирующего устройства на результат измерений;

- возможность появления мешающих резонансов, влияющих на точность измерений. Наиболее близким к заявленному является способ и устройство измерения параметров вязкоупругих жидких сред, основанные на сравнении амплитудно-частотных характеристик полого резонансного устройства с осевой симметрией и заполненного исследуемой средой, расчете изменения затухания и вязкости [Патент РФ ИЗ №2411500].

Устройству-прототипу присущи недостатки предыдущего технического решения.

Техническим результатом и решаемой задачей является расширение функциональных возможностей в плане измерения вязкости жидких сред, а также модуля сдвига и скорости распространения поперечных волн в твердых средах.

Дополнительным техническим результатом является повышение точности измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред при относительной простоте изготовления устройства.

Указанный технический результат достигается за счет возбуждения крутильных колебаний в измерительном устройстве, расположенными на его поверхности преобразователями, при этом возбуждение крутильных колебаний производят путем подачи импульсного сигнала на излучающие преобразователи, расположенные на поверхности измерительного устройства. Далее проводят регистрацию сигнала с помощью принимающих преобразователей и обрабатывают многоканальным аналогово-цифровым преобразователем. По принятым эхограммам определяют коэффициент затухания серии эхо-импульсов многократных отражений крутильных колебаний в ненагруженном и нагруженном исследуемой средой измерительном устройстве. Затем производят вычисление коэффициента затухания серии эхо-импульсов многократных отражений крутильных колебаний с учетом коэффициента отражения на границе «преобразователь - труба», а вязкость и модуль сдвига, с учетом известной плотности исследуемой среды, вычисленного коэффициента затухания крутильных колебаний и основной частоты в импульсе сигнала, определяют по номограммам. С использованием вычисленного модуля сдвига находят скорость распространения поперечных волн в исследуемой среде.

Указанный технический результат также достигается за счет нагружения измеряемой средой на любую площадь измерительного устройства, а также возможностью нагружения как с внешней, так и внутренней стороны измерительного устройства. При этом в качестве излучающего и принимающего может быть использован один преобразователь, а в качестве измерительного устройства может быть использована труба любого диаметра с любой толщиной стенки. Излучающие и принимающие преобразователи могут быть равномерно распределены на поверхности измерительного устройства, при этом принимающие преобразователи для повышения амплитуды подключают к многоканальному аналогово-цифровому преобразователю через усилитель сигнала.

Дополнительный технический результат, направленный на повышение точности измерений, реализуется за счет возбуждения крутильных колебаний путем подачи импульсного сигнала с различной основной частотой в спектре сигнала, тем самым вязкость и модуль сдвига рассчитываются на различной частоте, что делает результат более достоверным.

Заявленный технический результат достигается также за счет реализации устройства для измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред, содержащее излучающие и принимающие преобразователи, расположенные на внешней поверхности измерительного устройства, вычислительное устройство и многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, входы которого соединены с принимающими преобразователями, блок генератора и усилителя, блок электроакустических преобразователей, состоящим из излучающих и принимающих преобразователей, причем излучающие преобразователи соединены с выходом генератора, а вычислительное устройство связано с блоком генератора и усилителя и многоканальным аналогово-цифровым преобразователем, и измерительное устройство, геометрические параметры которого позволяют возбуждать в нем крутильные колебания и регистрировать серию эхо-импульсов многократных отражений.

В заявленном устройстве в качестве измерительного устройства может быть использована труба любого диаметра с любой толщиной стенки.

Принимающий преобразователь может быть соединен с аналого-цифровым преобразователем через усилитель сигнала.

В качестве излучающего и принимающего может быть использован один и тот же преобразователь.

Преобразователи могут быть равномерно распределены по периметру трубы. При погружении трубы в среду ее внутренняя полость может быть заполнена измеряемой средой или воздухом, в последнем случае торцы трубы герметизируются. Заявленное изобретение поясняется следующими чертежами.

Фиг. 1 - Структурная схема устройства определения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред,

Фиг. 2 - Схема электроакустических преобразователей и распространения ультразвуковой волны в трубе,

Фиг. 3 - Эхограмма многократных отражений крутильной волны от торцов ненагруженной трубы диаметром 32 мм, толщиной стенки 4,3 мм и длиной 950 мм,

Фиг. 4 - Эхограмма многократных отражений крутильной волны от торцов трубы, нагруженной песком, диаметром 32 мм, толщиной стенки 4,3 мм и длиной 950 мм,

Фиг. 5 - Номограмма для определения модуля сдвига с помощью стальной трубы диаметром 32 мм и толщиной стенки 4,3 мм,

Фиг. 6 - Номограмма для определения вязкости с помощью стальной трубки диаметром 2 мм и толщиной стенки 0,2 мм.

В основу большинства способов и устройств входит теоретическая модель Максвелла, основанная на времени релаксации жидкости, модель Фойгта, модель Зенера или степенная модель, в теоретических подходах которых для описания распространения акустической волны используется уравнение Навье с теорией Стокса-Кирхгофа, описывающей вязкоупругие свойства жидкостей на основе сдвиговой вязкости и комплексного модуля сдвига. В общем случае модель сводится к поиску решения влияния на затухание акустических волн ньютоновских жидкостей, обладающих только вязкой составляющей [И.Г. Михайлов, С.Б. Гуревич. Поглощение ультразвуковых волн в жидкостях. Успехи физических наук].

Разработанный способ относится к одному из разновидностей импульсного метода измерения вязкости и основан на измерении затухания серии эхо-импульсов крутильной волны, многократно переотраженной от торцов трубы.

Расчет вязкости производится согласно модели, описанной в [О.В. Муравьева, С.В. Леньков, Ю.В. Мышкин. Факторы, влияющие на ослабление крутильных волн в трубах в условиях нагружения на контактные вязкоупругие среды // Дефектоскопия. - №9. - 2016. - С. 3-10], где вычисляются смещения в крутильной волне, распространяющейся вдоль бесконечной трубы. Смещения находятся по формуле:

где r, z, ω - координаты в цилиндрической системе координат,

k - параметр преобразования, J₁(rβ₁) - функция Бесселя первого рода первого порядка, Y₁(rβ₁) - функция Бесселя второго рода первого порядка,

i - мнимая единица, Ф₁*(k) - Фурье преобразование по z от функции ƒ₁(z), ƒ₁(z) - непрерывная функция, описывающая распределение напряжений по оси z, определенная при - ∞<z<∞, такая что , а - внешний радиус трубы, b - внутренний радиус трубы, μ_n - модуль сдвига, η_n - динамическая вязкость, ρ_n - плотность среды, n=1, 2, 3 - индекс, относящиеся к трубе, внешней и внутренней средам соответственно, J₂(rβ_n) - функция Бесселя первого рода второго порядка, Y₂(rβ_n) - функция Бесселя второго рода второго порядка, K₁(rβ_n) - модифицированная функция Бесселя второго рода первого порядка, K₂(rβ_n) - модифицированная функция Бесселя второго рода второго порядка, ω -круговая частота,

α₁₂ и α₁₃ - коэффициенты скольжения на границах трубы с внешней и внутренней средой соответственно.

Коэффициент скольжения позволяет описать «нежесткую» склейку двух тел и оценить отступление от условий «жесткого» контакта (α_12,13=1), либо «скользящего» соединения (α_12,13=0), приводящего к нарушению передачи упругих компонент смещений и напряжений через границу раздела сред [Аббакумов К.Е., Коновалов Р.С. Влияние нарушения акустического контакта на распространение волн Стоунли вблизи границы твердых полупространств // Дефектоскопия. - 2008. - №3. - С. 52-58]. Для жидких невязких и газообразных сред в случаях с крутильной волной данный коэффициент очень мал и обычно принимается равным нулю, поскольку крутильная волна имеет только поперечные горизонтально поляризованные смещения. Для жидких вязких, сыпучих и грунтовых сред значения коэффициента скольжения могут варьировать в пределах от 0 до 0,05 (например, для супеси - 0,018, глины - 0,032). Для твердых сред данный коэффициент изменяется в широких пределах от 0 до 1 (например, для битумной изоляции - 0,066, бетона - 0,203). При расчетах зависимостей для номограмм полагается, что коэффициент скольжения равен отношению акустических импедансов материала контактной среды и материала трубы, а площадь контакта описывается весовым коэффициентом при коэффициенте скольжения.

Для реализации предложенного способа измерения вязкости была использована экспериментальная установка.

Устройство (фиг. 1) для измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред 1 содержит трубу 2, блок 3 электроакустических преобразователей, устанавливаемый вблизи торца трубы 2, блок 4 генератора и усилителя, системный блок персонального компьютера 5 с платой аналого-цифрового преобразования 6 для ввода акустических сигналов в компьютер 5. В качестве примера на фиг. 2 приведен блок электроакустических преобразователей 3, используемый в эксперименте и состоящий, из двух излучающих преобразователей 7 и одного принимающего преобразователя 8, которые устанавливаются на цилиндрическую поверхность трубы 2 вблизи ее торца. Большее количество преобразователей обеспечивают возбуждение и прием крутильных колебаний с меньшим по количеству и амплитуде посторонних мешающих типов колебаний. При этом конструкция с одним преобразователем обеспечивает простоту в изготовлении устройства с уменьшением ее стоимости.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. На цилиндрическую поверхность вблизи торца трубы 2 устанавливается блок электроакустических преобразователей 3 (фиг. 1). Электрический импульс с генератора 4 подается на блок 3 электроакустических преобразователей, где излучающие преобразователи 7 (фиг. 2) возбуждают крутильные колебания, которые создают крутильную волну, распространяющуюся вдоль трубы 2. Многократно переотраженный от торцов трубы 2, регистрируемый, по крайней мере, одним принимающим преобразователем 8 и преобразованный из акустического электрический сигнал усиливается в блоке 3 и поступает на плату аналого-цифрового преобразования 6 (фиг. 1), где обрабатывается и выводится на экран персонального компьютера 5. Излучение крутильной волны обеспечивается за счет ориентации преобразователей 7 на поверхности трубы 2, создающих касательные напряжения поперек оси трубы 2 в азимутальном направлении.

Результатом измерений являются осциллограммы серий эхо-импульсов многократных отражений акустической волны по длине трубы (фиг. 3). Каждый импульс на осциллограмме формируется в результате суперпозиции волн, излученных каждой точкой соприкосновения излучающих преобразователей с цилиндрической поверхностью трубы, отразившимися от противоположных торцов трубы и принятых этими же точками или точками соприкосновения принимающих преобразователей и далее многократно переотраженных. Положение n-го импульса на оси времени соответствует расстоянию, пройденному волной n раз по длине трубы. В случае нагружения трубы вязкоупругой средой (фиг. 4) растет затухание серии эхо-импульсов многократных отражений и уменьшается амплитуда акустических шумов.

С помощью полученных осциллограмм по известным формулам рассчитывается затухание волны с учетом потерь энергии акустической волны на переотражениях от торцов трубы и границе контакта с преобразователем [Муравьева О.В., Злобин Д.В. Акустический тракт метода многократных отражений при дефектоскопии линейно-протяженных объектов // Дефектоскопия. - 2013. - №2. - С. 43-51]:

где U_n - амплитуда эхо-импульса от торца объекта контроля на n-ом отражении, U₀ - амплитуда зондирующего импульса, R_e - коэффициент отражения на границе «труба - преобразователь», δ - коэффициент затухания акустической волны, x_n=2⋅L⋅n+х₀ - позиция n-ого отражения на шкале по расстоянию, 2⋅L⋅n - расстояние, проходимое акустической волной на n-ом отражении, x₀ - позиция зондирующего импульса на шкале по расстоянию, L=C⋅t - длина объекта контроля, С - скорость распространения акустической волны, t - время прохождения акустической волной расстояния равного длине трубы.

Из формулы (6) выражается коэффициент затухания:

где U_m - амплитуда эхо-импульса от торца объекта контроля на m-ом отражении, m - порядковый номер отражения такой, что m>n.

Далее определяется основная частота эхо-импульсов крутильной волны, многократно отраженной от торцов трубы, с использованием инструментов программного обеспечения, либо с помощью разложения сигнала в спектр. Зная затухание волны, плотность среды и частоту импульса определяют вязкость жидких сред или модуль сдвига твердых сред. По известному модулю сдвига рассчитывается скорость поперечной волны по формуле:

где μ - модуль сдвига, ρ - плотность исследуемой среды.

Определение измеряемых величин (вязкости или модуля сдвига) производится по номограммам, типичный вид которых представлен на фиг. 5, 6. Например, в трубе диаметром 32 мм с толщиной стенки 4,3 мм и длиной 950 мм при нагружении ее песком на 80% площади поверхности и плотностью 1500 кг/м³ (фиг. 5) ослабление крутильной волны на частоте 25 кГц составляет 2 дБ/м, что соответствует значению модуля сдвига 1,3 ГПа, при этом скорость поперечной волны составит 930 м/с. При помещении трубы диаметром 2 мм с толщиной стенки 0,2 мм и длиной 250 мм в декстрин с плотностью 890 кг/м³ на 80% площади поверхности (фиг. 6) ослабление крутильной волны на частоте 100 кГц составит 20 дБ/м, что соответствует значению вязкости 1,3 Па⋅с.

Предлагаемый способ измерения может быть использован для измерения вязкоупругих свойств жидких, сыпучих, грунтовых и твердых сред в строительной, нефтегазовой, пищевой и транспортной промышленности.

1. Способ измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред, включающий возбуждение крутильных колебаний в измерительном устройстве расположенными на его поверхности преобразователями, отличающийся тем, что возбуждение крутильных колебаний производят путем подачи импульсного сигнала на излучающие преобразователи, расположенные на поверхности измерительного устройства, геометрические параметры которого позволяют возбуждать в нем крутильные колебания, регистрируют сигнал принимающими преобразователями, определяют коэффициент затухания серии эхо-импульсов многократных отражений крутильных колебаний в ненагруженном и нагруженном исследуемой средой измерительном устройстве, вычисляют коэффициент затухания серии эхо-импульсов многократных отражений крутильных колебаний с учетом коэффициента отражения на границе «преобразователь - труба», а вязкость и модуль сдвига с учетом известной плотности исследуемой среды, вычисленного коэффициента затухания крутильных колебаний и основной частоты в спектре сигнала определяют по номограммам.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве излучающего и принимающего используют один и тот же преобразователь.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве измерительного устройства используют трубу произвольного диаметра с произвольной толщиной стенки.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагружение измеряемой средой осуществляют на любую площадь измерительного устройства.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагружение измеряемой средой осуществляют с внешней и внутренней сторон измерительного устройства.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразователи устанавливают вблизи торца цилиндрического измерительного устройства.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что возбуждение крутильных колебаний производят путем подачи импульсного сигнала с различной основной частотой в спектре сигнала.

8. Устройство для измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред, содержащее излучающие и принимающие преобразователи, расположенные на внешней поверхности измерительного устройства, вычислительное устройство и многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, входы которого соединены с принимающими преобразователями, отличающееся тем, что устройство снабжено блоком генератора и усилителя, блоком электроакустических преобразователей, состоящим из излучающих и принимающих преобразователей, причем излучающие преобразователи соединены с выходом генератора, а вычислительное устройство связано с блоком генератора и усилителя и многоканальным аналогово-цифровым преобразователем и измерительным устройством, геометрические параметры которого позволяют возбуждать в нем крутильные колебания и регистрировать серию эхо-импульсов многократных отражений.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что в качестве измерительного устройства используют трубу произвольного диаметра с произвольной толщиной стенки.

10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что принимающий преобразователь соединен с аналого-цифровым преобразователем через усилитель сигнала.

11. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что в качестве излучающего и принимающего преобразователя используется один и тот же преобразователь.

12. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что преобразователи равномерно распределены по периметру трубы.

13. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что преобразователи расположены вблизи торца цилиндрического измерительного устройства.