СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ЖИДКИХ И ТВЁРДЫХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR DETERMINING THE VISCOELASTIC PROPERTIES OF LIQUID AND SOLID MEDIA AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

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,
1
1
1
1
k - параметр преобразования, J(rβ) - функция Бесселя первого рода первого порядка, Y(rβ) - функция Бесселя второго рода первого порядка,
1
1
1
n
n
n
2
n
2
n
1
n
2
n
i - мнимая единица, Ф*(k) - Фурье преобразование по z от функции ƒ(z), ƒ(z) - непрерывная функция, описывающая распределение напряжений по оси z, определенная при - ∞<z<∞, такая что , а - внешний радиус трубы, b - внутренний радиус трубы, μ - модуль сдвига, η - динамическая вязкость, ρ - плотность среды, n=1, 2, 3 - индекс, относящиеся к трубе, внешней и внутренней средам соответственно, J(rβ) - функция Бесселя первого рода второго порядка, Y(rβ) - функция Бесселя второго рода второго порядка, K(rβ) - модифицированная функция Бесселя второго рода первого порядка, K(rβ) - модифицированная функция Бесселя второго рода второго порядка, ω -круговая частота,
12
13
α и α - коэффициенты скольжения на границах трубы с внешней и внутренней средой соответственно.
12,13
12,13
Коэффициент скольжения позволяет описать «нежесткую» склейку двух тел и оценить отступление от условий «жесткого» контакта (α=1), либо «скользящего» соединения (α=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]:
n
0
e
n
0
0
где U - амплитуда эхо-импульса от торца объекта контроля на n-ом отражении, U - амплитуда зондирующего импульса, R - коэффициент отражения на границе «труба - преобразователь», δ - коэффициент затухания акустической волны, x=2⋅L⋅n+х - позиция n-ого отражения на шкале по расстоянию, 2⋅L⋅n - расстояние, проходимое акустической волной на n-ом отражении, x - 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:
m
где U - 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.
3
3
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/м (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/м 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.