СТРУЙНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПЛОТНОМЕР
JET-ACOUSTIC DENSITY METRE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аэродинамическим устройствам для измерения плотности различных жидкостей, и может найти применение в таких отраслях промышленности, как химическая, лакокрасочная, микробиологическая и пищевая промышленность.
в
в
в
Известно устройство для измерения плотности (Скучик Е. Основы акустики, т.2 (пер. с англ.). - М.: Мир, 1976. - С.439), содержащее генератор звуковых колебаний, формирователь плоской акустической волны в виде отрезка трубы и измеритель звукового давления. Генератор звуковых колебаний расположен в нижней части трубы, полость которой заполнена веществом с известным акустическим импедансом, а в верхней ее части размещено исследуемое вещество. При некоторой частоте генерируемого сигнала в формирователе плоской акустической волны образуются стоячие волны. С помощью измерителя звукового давления измеряют максимальное и минимальное давления в стоячей волне. Плотность вещества определяют как функцию ρ=f(c, d), где c - скорость распространения звука в контролируемом веществе; d - отношение максимумов звукового давления в стоячей волне к минимумам.
Недостатком такого устройства является невысокая надежность контроля агрессивных, пожаро- и взрывоопасных сред.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности является устройство (Патент РФ 2124714. Устройство для измерения плотности жидкости / М.М.Мордасов, С.В.Мищенко, Д.М.Мордасов, опубл. 10.01.1999, Бюл. №1), содержащее генератор акустических колебаний, выполненный в виде диафрагмы и размещенный в верхней части формирователя плоской акустической волны, измеритель звукового давления, пневматическую емкость, источник постоянного расхода, устройство перемещения, при этом источник постоянного расхода, генератор акустических колебаний и формирователь плоской акустической волны соединены с пневматической емкостью, внутри формирователя плоской акустической волны помещен струйный турбулентный усилитель, выход которого подключен к блоку управления устройством перемещения, которое соединено с пневматической емкостью и с измерителем перемещения. Плотность жидкости с помощью такого устройства определяют по величине смещения генератора акустических колебаний относительно базисного расстояния, численно равного половине длины волны генерируемых колебаний, до момента ступенчатого изменения фазы образованной стоячей волны.
0
Недостатком устройства, принятого за прототип, является сложность настройки частоты генерируемых колебаний f, а следовательно, и установки базисного расстояния h, которое связано с частотой зависимостью
.
0
Отклонение h от заданного значения, вызванное изменением частоты f, отрицательно влияет на точность измерения плотности.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений за счет обеспечения настройки частоты генерируемых колебаний.
Сущность изобретения заключается в том, что струйно-акустический плотномер, содержащий генератор акустических колебаний, выполненный в виде диафрагмы и размещенный в верхней части формирователя плоской акустической волны, измеритель звукового давления, пневматическую емкость, источник постоянного расхода, устройство перемещения, при этом источник постоянного расхода, генератор акустических колебаний и формирователь плоской акустической волны соединены с пневматической емкостью, а внутри формирователя плоской акустической волны размещен струйный турбулентный усилитель, выход которого подключен к блоку управления устройством перемещения, которое соединено с пневматической емкостью и с измерителем перемещения, дополнительно снабжен устройством изменения объема, преддиафрагмовой емкостью переменного объема, выполненной в виде взаимно перемещающихся цилиндров, расположенных соосно, причем один цилиндр входит внутрь другого и закреплен на диафрагме, а другой связан с устройством изменения объема.
На чертеже представлена схема струйно-акустического плотномера.
Струйно-акустический плотномер включает в себя источник постоянного расхода воздуха 1, генератор акустических колебаний 2 в виде диафрагмы и формирователь 3 плоской акустической волны, соединенные с пневматической емкостью 4. Последовательно с пневматической емкостью 4 включена преддиафрагмовая емкость 5 переменного объема, выполненная, например, в виде взаимно перемещающихся цилиндров 6 и 7, расположенных соосно с диафрагмой. Цилиндр 7 закреплен на диафрагме, а цилиндр 6 подключен к устройству изменения объема 8. Емкость 4 кинематически связана с устройством перемещения 9. Внутри формирователя 3 размещены питающий 10 и приемный 11 капилляры струйного турбулентного усилителя, выход которого подключен к блоку управления 12 устройством перемещения 9. Устройство перемещения 9 соединено с измерителем перемещения 13. Струйно-акустический плотномер размещен над поверхностью контролируемой жидкости 14.
Струйно-акустический плотномер работает следующим образом.
0
пит
вых
вых
вых
Струйно-акустический плотномер размещают на базисном расстоянии h, соответствующем половине длины волны λ генератора. Сжатый воздух с постоянным расходом с выхода источника постоянного расхода 1 подается в емкость 4. Из емкости 4 газ через диафрагму поступает в полость формирователя 3 плоской акустической волны, который расположен открытым концом нормально к поверхности контролируемой жидкости 14. На вход питающего капилляра 10 подают давление питания Р, при этом на выходе капилляра 11 формируется выходной сигнал Р=1. При звуковом давлении, отличном от нуля, увеличивается размер струи газа, выходящей из отверстия диафрагмы генератора акустических колебаний 2, что приводит к взаимодействию ее со струей, вытекающей из капилляра 10, за счет чего уменьшается выходное давление Р. Давление Р принимает максимальное значение при нулевом звуковом давлении, так как восстанавливается размер струи газа, выходящей из отверстия диафрагмы 2.
0
При подаче газа на вход генератора акустических колебаний 2 возникают гармонические колебания звуковой частоты, на частоту которых оказывают влияние такие величины, как диаметр d отверстия диафрагмы и ее толщина b, температура питающего газа и окружающей среды, расход питающего газа и его состав. Для настройки генератора используют устройство 8, изменяющее частоту генерируемых колебаний за счет изменения объема преддиафрагмовой емкости 5. Изменение объема емкости 5 достигается путем изменения взаимного расположения цилиндров 6 и 7.
0
0
0
Перед началом измерения устанавливают базисное значение расстояния h от диафрагмы до контролируемой поверхности, составляющее половину длины волны λ излучаемого акустического сигнала. Так как , то , где с - скорость звука в газовой среде. Так как о плотности жидкости судят по величине смещения от базисного значения h Δh=h-h, то точность измерения будет существенно зависеть от точности установки этой волны, которая должна быть постоянной.
0
Контрольной поверхностью при установке h является твердая плоская поверхность. Она устанавливается на расстоянии λ/2 от диафрагмы. Частота генерируемых акустических колебаний устанавливается путем перемещения цилиндра 6 преддиафрагмовой переменной пневматической емкости 5. Перемещение прекращается при достижении амплитудой акустического колебания нулевого значения.
0
Перемещение пневматической емкости 4 относительно поверхности жидкости 14 осуществляется с помощью устройства 9 от базисного значения h до расстояния, при котором в пространстве между генератором акустических колебаний 2 и поверхностью контролируемой жидкости возникает стоячая волна. Момент достижения экстремума в распределении стоячей волны фиксируется струйным турбулентным усилителем, сигнал с его выхода поступает на вход блока управления 12, управляющее воздействие с которого посредством устройства перемещения 9 возвращает систему в исходное положение. Далее процесс происходит аналогично изложенному выше. Таким образом, о плотности судят по расстоянию от генератора акустических колебаний 2 до поверхности жидкости 14, при котором происходит ступенчатое изменение фазы образованной стоячей волны.
Предлагаемый струйно-акустический плотномер позволяет повысить точность бесконтактного неразрушающего контроля агрессивных, пожаро- и взрывоопасных жидкостей за счет обеспечения настройки частоты генерируемых колебаний и использования струйно-акустических эффектов, сопровождающихся образованием стоячей волны в пространстве между генератором акустических колебаний и контролируемой поверхностью, путем измерения смещения ее экстремума при изменении фазы комплексного коэффициента отражения.