УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГОВОЙ ВЯЗКОСТИ И ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ

Ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей
Полезная модель относится к приборам для непрерывного автоматического измерения сдвиговой вязкости и плотности технических жидкостей непосредственно в технологическом процессе и может быть использована как для контроля за техническим состоянием машин и механического оборудования в процессе их эксплуатации на основе измерений изменений свойств смазывающих и охлаждающих жидкостей, так и для оценки качества различных технологических процессов.
Недостатком обычных ультразвуковых приборов для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей [1] является слабая зависимость амплитуд сигналов, отраженных от границы раздела, от вязкости и плотности жидкости. Поэтому реально удается достаточно точно (с погрешностью 5-10%) измерять сдвиговые вязкости жидкостей величиной 0.2-0.3 Па·с и более. Таким образом, целый ряд технически важных жидкостей - керосин, легкие масла и т.д., оказывается неохваченным.
Из техники известен ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей, содержащий процессор, генератор, двухканальный драйвер, акустический блок, двухканальный коммутатор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), блок измерения температуры, блок памяти, клавиатуру и дисплей [2].
Главным недостатком этого ультразвукового прибора для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей является то, что при наличии двух каналов в процессе непрерывных автоматических измерений в течение длительного времени (от нескольких часов до нескольких месяцев) возможно изменение параметров как электронных, так и акустического блоков этих каналов, и это может привести к существенным ошибкам измерений. Например, уменьшение чувствительности одного из преобразователей акустического блока уменьшит амплитуду эхо-сигнала, и, как следствие, прибор зафиксирует изменение вязкости и плотности, вызванное не изменением свойств жидкости, а ошибкой прибора. Последствия этого могут быть самыми непредсказуемыми.
Технической задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является повышение надежности и точности измерения вязкости и плотности жидкостей в процессе непрерывных автоматических измерений в течение длительного времени.
Сущность предложения заключается в том, что ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей, содержащий процессор, генератор, акустический блок, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, блок измерения температуры, блок памяти, клавиатуру и дисплей, снабжен акустическим блоком, выполненным в виде одной прямолинейной пластины, длина которой много больше ее толщины, с закрепленным на ней одним наклонным пьезоэлектрическим преобразователем, причем на конце пластины, погружаемом в жидкость, выполнена прямоугольная ступень определенной высоты, также погружаемая в жидкость.
На фиг. 1 представлена блок-схема прибора, выполненного согласно данной полезной модели.
На фиг. 2 представлено устройство акустического блока прибора согласно данной полезной модели.
На фиг. 3 представлена осциллограмма эхо-сигналов от пластины со ступенью, выполненной согласно данной полезной модели.
Нумерация узлов и блоков прибора на всех фигурах - сквозная; один и тот же номер соответствует одному и тому же блоку или узлу.
Прибор построен на основе прибора для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей [2] (фиг. 1) с исключением нескольких блоков, лишних для данной полезной модели. Он включает процессор 1, генератор 2, акустический блок 3, усилитель 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 6, блок измерения температуры 7, блок памяти 8, клавиатуру 9 и дисплей 10. На фиг. 2 приведена укрупненная схема акустического блока 3. Он состоит из наклонного преобразователя 11, приклеенного к пластине со ступенью 12, погруженной в резервуар с контролируемой жидкостью 13. В сосуде также закреплен (на фигуре крепеж не показан) датчик температуры 14.
При нажатии соответствующей клавиши клавиатуры 11 процессор 1 в первом такте запускает генератор 2. Генератор формирует последовательность радиоимпульсов, обеспечивающих излучение упругих импульсов с частотным спектром, близким к монохроматическому, которые возбуждают преобразователь 11. Преобразователь формирует нормальную волну, которая распространяется по пластине 12, отражается сначала от ступени, а затем от ее края, принимается и трансформируется им в отраженный электрический эхо-сигнал. Этот эхо-сигнал подается на усилитель 4 и преобразуется АЦП 5 в цифровой код, который через блок памяти 8 подается в процессор для обработки. ЦАП 6 вырабатывает сигнал, устанавливающий коэффициент усиления усилителя 4, величина которого задается при калибровке прибора. Далее процессор 1 по двум измеренным амплитудам и временам прихода эхо-сигналов (от ступени и от края пластины) рассчитывает сдвиговую вязкость и плотность и с учетом данных с блока измерения температуры 7 вводит коррекцию и выводит результаты измерения на дисплей 10.
Повышение надежности и точности измерения вязкости и плотности жидкостей в процессе непрерывных автоматических измерений в течение длительного времени по сравнению с [2] достигается за счет следующих факторов. Во-первых, наличие ступени на конце пластины вызывает появление двух эхо-сигналов (фиг. 3, где 1 - эхо-сигнал от ступени, 2 - эхо-сигнал от конца пластины), второй из которых пробегает расстояние, равное удвоенной высоте ступени. На воздухе отношение этих сигналов фактически определяет затухание в материале волновода (в нашем случае это алюминий), который в нижнем мегагерцовом диапазоне невелик. При погружении волновода в жидкость отношение эхо-сигналов непосредственно дает затухание волны, обусловленное свойствами жидкости, такими как плотность и сдвиговая вязкость [3, 4]. При этом погрешность, возникающая за счет разброса свойств пластин, параметров и качества приклейки преобразователей, практически сводится к нулю, так как один преобразователь и одна пластина одинаково влияют на амплитуды обоих эхо-сигналов. Погрешность возникает только в том случае, если с течением времени изменяется симметрия акустического поля преобразователя. Во-вторых, возможные неодинаковые флуктуации параметров в электронных и акустических блоках двухканальной системы [2], имеющие место при длительных непрерывных измерениях, в предлагаемой полезной модели попросту исключены.
Проведенные испытания прибора с пластиной в виде ступени при измерениях параметров авиационных керосинов марок РТ и ТС-1 показали, что погрешность измерения плотности и сдвиговой вязкости не превышает 0,5-0.7% при периоде измерений до 12 часов.
Литература
1. Method for measuring liquid viscosity and ultrasonic viscometer. US patent 5365778 A.
2. Ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей. Патент РФ на полезную модель №143319 МПК G01N 29/00.
3. Гитис М.Б., Чуприн В.А. Применение ультразвуковых поверхностных и нормальных волн для измерений параметров технических жидкостей. 1. Измерение сдвиговой вязкости // ЖТФ. 2012. Т. 82. №5. С. 93-99.
4. Гитис М.Б., Чуприн В.А. Применение ультразвуковых поверхностных и нормальных волн для измерений параметров технических жидкостей. 2. Измерение плотности // ЖТФ. 2012. Т. 82. №5. С. 100-105.