ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА И ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к акустическим и теплофизическим измерениям, может быть использовано для определения скорости ультразвука в жидкостях и их плотности в зависимости от температуры и давления.
Проведение инженерных и научных расчетов при создании научных и промышленных установок, в технологических процессах требуют высокой точности и надежности экспериментальных данных о физико-химических и теплофизических свойствах веществ. Скорость ультразвука, наряду с плотностью и изобарной теплоемкостью, является одним из самых информативных параметров вещества.
Широкое распространение получил импульсно-фазовый метод исследования акустических свойств вещества. Суть метода заключается в измерении времени задержки ультразвуковых сигналов в исследуемой среде для определения скорости ультразвука и отношения амплитуд исходного и прошедшего через среду сигналов для определения поглощения ультразвука.
В последнее время благодаря высокому уровню развития современной электронно-вычислительной техники и измерительных систем создаются автоматизированные ультразвуковые установки.
Известно устройство для измерения скорости ультразвуковых колебаний в образцах (А.с. №402734, 1973), содержащее синхронизатор, возбуждающий генератор, регулируемую линию задержки, пьезоизлучатель, пьезоприемник, усилитель, измерительный триггер, преобразователь временных интервалов в амплитуду, селектор первого полупериода ультразвукового импульса, амплитудный дискриминатор, схему запоминания, индикатор и самописец.
Недостатками устройства являются отсутствие автоматизации измерений, невозможность измерений на различных частотах ультразвука и при высоких давлениях, невозможность одновременного измерения скорости ультразвука и плотности вещества, возбуждение пьезопреобразователя ударным прямоугольным импульсом, что может привести к искажению сигнала, излучаемого пьезопреобразователем, использование громоздкой аппаратуры с низкой точностью, стабильностью и информативностью.
Известно также ультразвуковое устройство для одновременного измерения скорости и поглощения ультразвука, плотности и вязкости жидкостей (А.с. №1797038, 1993), 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 частотомер, подключенный к выходу формирователя прямоугольных импульсов, цилиндр, в котором расположены пьезоизлучатель с отражателем, размещенный вокруг цилиндра соленоид, последовательно соединенные одновибратор, источник линейно меняющегося напряжения, цифровой амперметр, коммутатор и трехканальный усилитель, последовательно соединенные формирователь прямоугольных импульсов, вход которого подключен к выходу усилителя низкой частоты, формирователь импульсов по фронту и срезу и кольцевой счетчик, последовательно соединенный с пиковым детектором, вход которого подключен к выходу усилителя низкой частоты, интерфейс микропроцессора и программный счетчик, входом подключенный к выходу формирователя прямоугольных импульсов, выход одновибратора подключен к входам сброса счетчика импульсов, интерфейса микропроцессора, пикового детектора и программного счетчика и к пусковому входу первого частотомера, информационные выходы частотомеров, цифрового амперметра, счетчика импульсов и пикового детектора подключены к интерфейсу микропроцессора, первый выход кольцевого счетчика связан со вторыми входами цифрового амперметра и источника линейно изменяющегося напряжения и с входом пуска пикового детектора, второй выход кольцевого счетчика подключен ко 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 интерфейсу микропроцессора, а соленоид выполнен из трех секций, подключенных к соответствующим выходам трехканального усилителя.
Недостатками устройства являются ограниченный диапазон частот, невозможность измерений при высоких давлениях, возбуждение пьезопреобразователя непрерывным высокочастотным сигналом, в результате чего пьезопреобразователь работает не в режиме свободных колебаний, а в режиме вынужденных колебаний, большое количество функциональных блоков для генерации, приема и обработки сигналов, расчет скорости ультразвука не по времени прохождения сигнала, а по числу импульсов, соответствующих максимумам акустической стоячей волны на известной длине хода поршня отражателя, двигающегося под воздействием магнитного поля соленоида, расчет плотности с помощью регистрации моментов нарушения флотационного равновесия поршня-отражателя в крайних нижнем и верхнем положениях. Все это приводит к дополнительным погрешностям.
Известен измеритель скорости звука повышенной точности (А.с. №2152596,2000), содержащий последовательно соединенные интегратор, управляемый генератор, формирователь импульсов, счетчиковый делитель и регистратор, входом подключенный к выходу формирователя импульсов, распределитель импульсов, последовательно соединенные генератор возбуждающих импульсов, входом соединенный с первым выходом распределителя, электроакустический преобразователь с отражателем, ограничитель импульсов, входом соединенный с выходом генератора возбуждающих импульсов, компаратор, первым входом соединенный с выходом ограничителя импульсов, а вторым - с первым выходом распределителя, дискриминатор длительности, первый вход которого соединен со вторым выходом распределителя импульсов, а второй - с выходом компаратора, ключевой элемент, первый и второй входы которого соответственно соединены с первым и вторым выходами дискриминатора длительности, а выход - с входом интегратора, частотный детектор, вход которого соединен со вторым выходом дискриминатора длительности, и одновибратор регулируемой длительности, первый вход которого соединен с выходом частотного детектора, второй вход - с выходом компаратора, а выход соединен с третьим входом ключевого элемента.
Недостатками измерителя являются отсутствие автоматизации измерений, ограниченный диапазон частот, невозможность измерений при высоких давлениях, невозможность одновременного измерения скорости ультразвука и плотности вещества, возбуждение пьезопреобразователя ударным прямоугольным импульсом, значительная временная задержка сигналов в большом количестве функциональных блоков для генерации, приема и обработки сигналов.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости (Мелихов Ю.Ф., Вервейко В.Н., Вервейко М.В. Экспериментальные методы исследования свойств органических жидкостей под давлением // Наука и технологии. Избранные труды Российской школы «К 70-летию Г.П. Вяткина». М.:РАН, 2005. С. 175-185), взятый нами в качестве прототипа. Измеритель содержит ЭВМ, двухканальный формирователь прямоугольных импульсов и задержек, схему управления температурным режимом термостата, адаптер канала общего пользования, который служит для связи системной шины ЭВМ с нестандартными интерфейсами приборов, имеющих цифровой выход: двух омметров Щ-34 и частотомера Ч3-64, двухканальный усилитель, осциллограф, схему развязки и согласования, измерительный автоклав с акустическим пьезометром и электровводом высокого давления, систему термостатирования, измерения и контроля температуры, систему создания и измерения давления.
Недостатками измерителя являются возбуждение пьезопреобразователя ударным прямоугольным импульсом, что приводит к искажению сигнала, излучаемого пьезопреобразователем, так как короткое время возбуждения пьезопреобразователя ударным одиночным прямоугольным импульсом не позволяет ему колебаться на собственной резонансной частоте с максимально возможной амплитудой, и не дает возможности возбуждать пьезопреобразователь на частотах, кратных собственной частоте пьезопреобразователя в целях расширения рабочего диапазона частот; использование громоздкой аппаратуры, необходимость второго импульса задержки для создания метки времени, визуального контроля метки времени на осциллографе, что вносит дополнительные погрешности в измерения и не дает возможности полной автоматизации процесса измерений.
Технической задачей полезной модели является упрощение конструкции и уменьшение габаритов измерителя скорости ультразвука и плотности жидкостей, возможность полной автоматизации измерителя, повышение быстродействия, точности и надежности измерений скорости распространения ультразвука в жидкостях импульсно-фазовым методом в диапазоне частот 1-50 МГц и плотности жидкостей методом сильфонного пьезометра.
Технический результат достигается тем, что в известный измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости, содержащий ЭВМ, измерительный автоклав с акустическим пьезометром и электровводом высокого давления, систему термостатирования, измерения и контроля температуры, схему управления температурным режимом термостата, систему создания и измерения давления, два омметра, согласно изобретению, включен электронный блок генерации, приема и обработки сигналов на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), возбуждающей пьезопреобразователь пакетами синусоидальных импульсов на частотах, кратных собственной частоте пьезопреобразователя.
В предлагаемом измерителе вместо громоздких приборов: частотомера, двухканального усилителя, осциллографа, а также двухканального формирователя прямоугольных импульсов и схемы развязки и согласования включен электронный блок генерации, приема и обработки сигналов на основе ПЛИС ЦОС-310-2К, чем достигается упрощение конструкции и уменьшение габаритов измерителя, возможность полной автоматизации измерителя.
Повышение быстродействия, точности и надежности измерений, а также расширение диапазона рабочих частот достигается использованием современных быстродействующих электронных компонентов, возбуждением пьезопреобразователя пакетами синусоидальных импульсов, что позволяет ему колебаться на собственной резонансной частоте с максимально возможной амплитудой без искажения сигнала, и дает возможность возбуждать пьезопреобразователь на частотах, кратных собственной частоте пьезопреобразователя; кроме того отпадает необходимость в использовании второго импульса, задержанного относительно первого импульса, возбуждающего пьезопреобразователь, для создания метки времени и визуального контроля за меткой времени на осциллографе, что также приводит к снижению погрешности измерений. При этом сохраняется возможность визуального наблюдения и контроля за сигналами на ЭВМ.
Техническая сущность заявляемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая блок схема измерителя скорости ультразвука и плотности жидкости, на фиг. 2 - электронный блок генерации, приема и обработки сигналов, на фиг. 3 - ПЛИС, на фиг. 4 - измерительная камера - акустический пьезометр (АП).
Измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости, представленный на фиг. 1, состоит из ЭВМ 1, служащей для визуального наблюдения, программного управления работой установки и вычисления искомых физических величин; электронного блока генерации, приема и обработки сигналов 2; АП 3; системы термостатирования и измерения температуры 4; системы создания и измерения давления 5. Электронный блок генерации, приема и обработки сигналов 2, представленный на фиг. 2, включает в себя ПЛИС 6, выполняющую функции управления, связи с ЭВМ 1 посредством интерфейса USB 7, генерации и приема сигналов; цифро-аналоговый (ЦАП) 8 и аналогово-цифровой (АЦП) 9 преобразователи, осуществляющие преобразование сигналов из цифровой в аналоговую форму при излучении и из аналоговой в цифровую форму при приеме соответственно; коммутатор сигналов 10, осуществляющий переключение выходного и входного трактов и защищающий приемный тракт схемы при излучении; программируемые усилители выходного 11 и входного 12 сигналов; генератор тактовых импульсов 13, осуществляющий общую синхронизацию системы; внешнее оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 14 для временного хранения цифрового образа принятого сигнала перед передачей в ЭВМ 1.
ПЛИС 6, схема которой представлена на фиг. 3, состоит из контроллера интерфейса USB 15, декодера команд 16, блока синхронизации и управления 17, контроллеров ЦАП 18, АЦП 19, внутреннего ОЗУ 20 и внешнего ОЗУ 21.
Основными элементами АП 3, представленного на фиг. 4, являются пьезопреобразователь 22, исследуемая жидкость 23, диафрагма 24, рефлектор 25, калиброванная стойка 26, платиновый термометр сопротивления (ПТС) 27 и манганиновый манометр (ММ) 28.
Измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости работает следующим образом. ЭВМ 1 формирует необходимые параметры генератора сигналов на основе ПЛИС 6, передавая информацию на ПЛИС 6 через блок USB 7. По команде запуска измерения сигнал, генерируемый ПЛИС 6 (имеющий необходимые фазово-частотные характеристики и состоящий из пакетов синусоидальных импульсов), подается на ЦАП 8, осуществляющий конвертацию сигналов из цифровой в аналоговую форму. Одновременно с этим ПЛИС 6 осуществляет управление коммутатором сигналов 10 и коэффициентом усиления программируемых усилителей выходного 11 и входного 12 сигналов. При этом во время генерации сигнала коммутатор 10 осуществляет подключение входа-выхода ПЛИС 6 к усилителю выходного сигнала 11, а при приеме сигнала - к усилителю входного сигнала 12.
С коммутатора 10 во время генерации сигнала аналоговый сигнал подается на пьезопреобразователь 22 из ниобата лития Х-среза, являющийся попеременно и излучателем и приемником ультразвуковых волн. Сигнал, посылаемый излучателем 22, проходит через исследуемую жидкость 23 и отражается от диафрагмы 24 и рефлектора 25. Полученные после отражения сигналы поступают на пьезоприемник 22 и через коммутатор 10 на усилитель входного сигнала 12. Усиленный входной сигнал подается на АЦП 9 для конвертации из аналоговой в цифровую форму, после чего поступает на вход ПЛИС 6 и на внешнее ОЗУ 14 для временного хранения цифрового образа принятого сигнала. С внешнего ОЗУ 14 сформированный пакет импульсов посредством управления ПЛИС 6 передается через интерфейс USB 7 в ЭВМ 1.
Частоту сигнала можно изменять, используя как преобразователи с различной собственной частотой, так и используя возбуждение пьезопреобразователя на частотах, кратных собственной частоте.
Скорость ультразвука определяется по известной длине калиброванной стойки 26 (двойному расстоянию между излучателем 22 и диафрагмой 24) и измеренному времени прохождения этого расстояния выделенным ПЛИС 6 первым импульсом сигнала по его максимуму.
Плотность жидкости определяется по известной скорости ультразвука в жидкости, известной начальной плотности при атмосферном давлении и данной температуре, измеренному времени прохождения сигнала от излучателя 22 до рефлектора 25 и обратно.
На основе известных термодинамических соотношений рассчитываются теплофизические величины.
Таким образом, достигается возможность автоматического измерения и расчета акустических и теплофизических параметров жидкостей с высокой точностью в широком интервале температур, давлений и частот ультразвука.
Перед началом измерений в ЭВМ 1 вводится информация о начальной длине калиброванной стойки 26, термическом и барическом коэффициентах материала АП 3, градуировках ПТС 27 и ММ 28, эффективных сечениях АП 3 при различных давлениях и температурах, плотностях исследуемой жидкости при атмосферном давлении в зависимости от температуры.
Плотность при атмосферном давлении измеряется кварцевым пикнометром постоянного объема.