ПЛОТНОМЕР

Предлагаемое устройство относится к устройствам для измерения физических величин, в частности плотности, и может быть применено для определения теплофизических характеристик веществ.
Известно, что теплофизические характеристики, в том числе и теплопроводность, различных веществ и их различных состояний непосредственно связаны с взаимодействием между частицами вещества, которые и определяют плотность.
Для определения теплофизических характеристик веществ применяют активное воздействие на их поверхность тепловым потоком.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является принятое за прототип устройство для определения плотности материалов (плотномер), описанное в заявке на изобретение №94018595, содержащее электрический источник тепла - измерительный зонд, в полости которого расположен источник тепла, а на нижнем торце которого расположены термопары (датчик температуры). Общими существенными признаками присутствующими и в предлагаемом устройстве являются наличие электрического источника тепла и измерителя температуры.
В связи с большим временем интегрирования, требуемым для повышения разрешающей способности данного устройства, оно сложно поддается автоматизации и имеет большую инерционность.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является повышение быстродействия измерений, автоматизация данного процесса и упрощение технических средств для его осуществления.
Для решения данной технической задачи устройство для измерения плотности вещества (плотномер), содержит теплоизолированный от окружающей среды корпус, выполненный с возможностью размещения в нем теплоизолированных друг от друга геометрически одинаковых образцов
измеряемого и эталонного веществ, размещенные в корпусе два теплоизолированные друг от друга и управляемые генераторами знакопеременного напряжения элемента Пельтье для передачи температурного воздействия образцам измеряемого и эталонного вещества, датчики температуры образцов измеряемого и эталонного вещества, дистанцированные от элементов Пельтье и подключенные через усилители сигналов к входу фазового детектора, подключенного выходом к генератору знакопеременного напряжения, управляющему элементом Пельтье образца измеряемого вещества, контроллер измерения отношения частот генераторов знакопеременного напряжения, при этом элементы Пельтье и датчики температуры по отношению к образцам измеряемого и эталонного вещества расположены одинаково.
Отличительными признаками предлагаемого устройства являются следующие - теплоизолированный от окружающей среды корпус, выполненный с возможностью размещения в нем теплоизолированных друг от друга геометрически одинаковых образцов измеряемого и эталонного веществ, размещенные в корпусе два теплоизолированные друг от друга и управляемые генераторами знакопеременного напряжения элемента Пельтье для передачи температурного воздействия образцам измеряемого и эталонного вещества, датчики температуры образцов измеряемого и эталонного вещества, дистанцированные от элементов Пельтье и подключенные через усилители сигналов к входу фазового детектора, подключенного выходом к генератору знакопеременного напряжения, управляющему элементом Пельтье образца измеряемого вещества, контроллер измерения отношения частот генераторов знакопеременного напряжения, при этом элементы Пельтье и датчики температуры по отношению к образцам измеряемого и эталонного вещества расположены одинаково. Т.е. основными отличительными существенными признаками являются - использование кроме образца измеряемого вещества аналогичного геометрически образца эталонного вещества (вещества с
известными физическими свойствами); соответственно наличие у каждого из образцов своего источника теплового воздействия и измерителя температуры, которые обязательно разнесены между собой для возможности организации внутри образцов прохождения тепловой волны; в качестве источников температурного воздействия используются элементы Пельтье; наличие усилителей сигналов температурных датчиков, наличие фазового детектора, которым выделяют рассогласование фазы измеренных температур и контроллера измеряющего это рассогласование.
Благодаря данным отличительным признакам в совокупности с известными из прототипа достигается следующий технический результат -существенно повышается быстродействия измерений и упрощаются технические средства для его осуществления.
Предложенное техническое решение может найти применение при измерении плотности различных веществ, находящихся как в газообразном, жидком, так и твердом состоянии.
Предлагаемое устройство поясняется рисунком.
Устройство для измерения плотности вещества содержит два теплоизолированных друг относительно друга генератора температурного потока - элемента Пельтье 1 и 2 (работающих в противофазе) для передачи температуры соответственно образцам измеряемого 3 и эталонного 4 вещества (схожего или предполагаемого по составу, свойства которого известны), которые размещены в теплоизоляционном корпусе 5. При этом измеряемое 3 (соответственно и эталонное 4) вещество может быть в любом состоянии - в газообразном, жидком, твердом. Температура образцов веществ 3 и 4 измеряется датчиками 6 и 7, которые расположены на расстоянии от соответствующих элементов Пельтье 1 и 2. Выходы датчиков 6 и 7 подключены к управляющему напряжением низкочастотному генератору переменного напряжения 8 через дифференциальные усилители сигналов 11 и фазочувствительный выпрямитель 9 (фазовый детектор). Заданное - первоначальное знакопеременное напряжение на элемент Пельтье
2 образца эталонного вещества 4 подается низкочастотным генератором переменного напряжения 10. Заданное - первоначальное (настроенное на среднюю частоту генератора 10, а затем подстраиваемое) знакопеременное напряжение на элемент Пельтье 1 образца измеряемого вещества 3 подается низкочастотным генератором переменного напряжения 8. Датчики температур 6 и 7, например резистивные, включены в мостовые схемы, запитанные постоянным напряжением, а выходы мостовых схем соединены с дифференциальными усилителями 11. необходимым условие работы является одинаковое расстояние между элементами Пельтье 1 и 2 и соответствующими датчиками температур 6 и 7. В силу инерционности можно генераторы переменного напряжения 8 и 10 выполнять квазисинусоидальными. В этом случае элементы Пельтье 1 и 2 выделят чистую синусоиду. Соотношение частот генераторов 10 и 8 измеряется контроллером 12.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. К элементу Пельтье 2 генерирующему тепловую волну в образце эталонного вещества 4 подают от генератора 10 знакопеременное напряжение постоянной частоты. Первоначально аналогичное напряжение подается и генератором 8 к элементу Пельтье 1. При этом элементы Пельтье 1 и 2 изменяют температуру образцов вещества 3 и 4 с частотой изменения полярности напряжения. Поскольку теплопроводность образцов вещества 3 и 4 разная, то скорость распространения тепловой волны от элементов Пельтье 1 и 2 к датчикам температуры 6 и 7 также будет разной и поэтому фазочувствительный детектор 9 выделит сигнал, пропорциональный разности температурных фаз в образцах 3 и 4. Этот сигнал автоматически изменит частоту генератора 8 так, чтобы выполнить условие разности фаз, равной нулю, т.е. равенства скоростей распространения тепловой волны. Соотношение частот генераторов 10 и 8 измеряется контроллером, после чего вычисляется в соответствии с формулой. Зная плотность (число частиц) образца эталонного вещества 3, вычисляется плотность образца 4 измеряемого вещества.
Зависимость
,
следует из законов проникновения тепловой волны в среду. Согласно второму закону Фурье для проникновения тепловой волны в среду, фазовое время между одноименными фазовыми состояниями волн определяется как
Δl - глубина проникновения тепловой волны [м];
ω - частота фазовых переходов волны или орбитальный период волн [1/сек];
T
2
2
α  - температуропроводность [м/сек];
Из формулы [1] следует, что фазовая скорость
Согласно классической электродинамике мощность излучения волны определяется как
, где
Т - период излучения; ε - энергия излученных волн за период Т.
- ток в элементарном токовом витке, откуда следует:
В формуле [4]
λ - длина микроволны;
Δl - элементарная волна;
R - сопротивление движению элементарных волн в микроволне [Ом].
2
ε=m·U, где
m - масса вещества,
откуда следует
2
2
T
U·T=α  откуда следует:
Из уравнения [2] и [5] следует
откуда следует:
откуда следует:
- тепловая энергия волны.
2
Тогда получим q·R=Q·Т и уравнение [7] запишется в виде:
Если выполнить устройство, обеспечивающее стабилизацию длины волны и стабилизацию тепловой энергии волн, то получим
но , где Кб - постоянная Больцмана
и тогда
В формуле [11] Тк - температура в Кельвинах.
В тепловых волнах длина волн находится в диапазоне размера газодинамического атома
-10
т.е. λ=0,529·10 м откуда следует
Если температуру среднюю за период выбрать равной 300° К, то получим
Если выбрать массу эталонной среды ≈0,03кг, то получим 1/fэ≈0,9 Гц, т.е. fэ=1,111 Гц.
Т.е. на низких частотах в районе 1 Гц можно выполнить спектральный анализатор различных сред.
Следует заметить, что формула [11] связывает массу тепловой волны, длину волны и частоту фазовых переходов волны. Изменяя частоту тепловой волны и измеряя температуру волны среднюю за период при стабилизации этой температуры следует отмечать потребляемую энергию генератором тепловой волны (элементом Пельтье) при минимуме или максимуме ее потребления. Тем самым будут определены частоты, на которых происходит максимальное поглощение энергии, аналогичное спектральным линиям поглощения (дифракция Фраунгофера в оптическом диапазоне). Таким образом реализуется предлагаемый анализатор спектра, или плотномер спектральный.