Ультразвуковий пристрій для визначення теплофізичних параметрів рідин

Ультразвуковий пристрій для визначення теплофізичних параметрів рідин, що містить камеру високого тиску з першим та другим електроакустичними перетворювачами з можливістю зміни відстані між ними, блок формування радіоімпульсів, C2 2 (19) 1 3 Оскільки соленоїд встановлено зовні автоклава, стінки останнього не можуть бути товстими, інакше електромагнітна сила буде недостатньою для переміщення поршня в крайню верхню позицію. Отже даний пристрій має обмежений діапазон робочих тисків. Найбільш близьким по технічній суті до винаходу є ультразвуковий пристрій для контролю параметрів рідин, що містить камеру високого тиску з першим та другим електроакустичними перетворювачами з можливістю зміни відстані між ними, блок формування радіоімпульсів, вихід якого з’єднаний з першим перетворювачем, приймач, вхід якого з’єднаний з другим перетворювачем та через атенюатор з виходом блока формування радіоімпульсів, реєстратор пульсацій сигналу на виході приймача, датчик тиску [2]. Недоліком відомого пристрою є низька достовірність визначення термобаричних залежностей параметрів рідин, що обумовлено як недостатньою точністю вимірювань швидкості поширення ультразвуку в досліджуваній рідині, так і обмеженим діапазоном робочих тисків і температур. Відомий пристрій не забезпечує високу точність вимірювання швидкості поширення ультразвуку в зв’язку з низькою чутливістю його електронноакустичного тракту внаслідок зовнішнього розташування електроакустичних перетворювачів. При цьому звук проходить декілька акустичних переходів (перетворювач - корпус - рідина - поршень перетворювач) і значно затухає. У випадку сильно поглинаючих звук рідин вимірювання взагалі стають неможливими. Вузька область застосування відомого пристрою по тиску та температурі обумовлена тим, що він, по суті, являє собою поршневий п’єзометр з розміщеними зовні електроакустичними перетворювачами. При застосуванні такої конструктивної схеми достовірність і точність визначення параметрів рідин у вирішальній мірі залежить від надійності роботи кільцевого ущільнення, що забезпечує герметизацію зазору між поршнем і корпусом камери високого тиску. Навіть незначне витікання досліджуваної рідини в зоні ущільнення призводить до невідповідності показів датчика тиску і датчика переміщення поршня, внаслідок чого значення густини будуть заниженими, а стисливості та швидкості поширення ультразвука - завищеними відносно дійсних значень. Оскільки для функціонування відомого пристрою необхідно кожен раз перед новими вимірюваннями здійснювати розгерметизацію та герметизацію зазору між поршнем та корпусом, надійність роботи ущільнення є невисокою. В основу винаходу поставлено задачу підвищення достовірності визначення термобаричних залежностей швидкості поширення ультразвуку та густини за рахунок переходу до комплексного імпульсно-фазового вимірювання вказаних теплофізичних параметрів. Це досягається шляхом введення третього та четвертого перетворювачів, з фіксованою відстанню між ними, та підключення їх до першого та другого перетворювачів, що мають іншу резонансну частоту, розміщенням всіх перетворювачів в герметичній вимірювальній комірці змінного об’єму та виконанням блоку формування 91726 4 радіоімпульсів з можливістю генерації сигналів з двома різними частотами заповнення, що відповідають резонансним частотам перетворювачів. Поставлена задача вирішується тим, що в ультразвуковий пристрій для визначення теплофізичних параметрів рідин, що містить камеру високого тиску з першим та другим електроакустичними перетворювачами з можливістю зміни відстані між ними, блок формування радіоімпульсів, вихід якого з’єднаний з першим перетворювачем, приймач, вхід якого з’єднаний з другим перетворювачем та через атенюатор з виходом блока формування радіоімпульсів, реєстратор пульсацій сигналу на виході приймача, датчик тиску, згідно з винаходом, введені третій та четвертий електроакустичні перетворювачі з фіксованою відстанню між ними, третій перетворювач підключений до першого, а четвертий до другого, резонансна частота першого та другого перетворювачів відмінна від резонансної частоти третього та четвертого перетворювачів, блок формування радіоімпульсів має два генератори синусоїдальних сигналів, виходи яких об’єднані, які виконані з можливістю зовнішньої модуляції відеоімпульсами, та двоканальний генератор відеоімпульсів, один з виходів якого підключений до входу першого генератора синусоїдальних сигналів, а інший до входу другого генератора синусоїдальних сигналів, камера високого тиску виконана у вигляді автоклава, в якому розташована герметична вимірювальна комірка змінного об’єму, з розміщеними в ній парами електроакустичних перетворювачів. Суть винаходу пояснюється кресленням, де на Фіг. зображено запропонований ультразвуковий пристрій. Пристрій включає камеру високого тиску у вигляді автоклава 1, в якому розташована герметична вимірювальна комірка 2 змінного об’єму з сильфоном 3, з розміщеними в ній парою електроакустичних перетворювачів 4, 5 одної резонансної частоти з можливістю зміни відстані між ними та парою електроакустичних перетворювачів 6, 7 іншої резонансної частоти з фіксованою відстанню між ними. Всі ущільнення вимірювальної комірки 2 виконані нерухомими. Автоклав з’єднаний з насосом високого тиску (не показаний) та датчиком тиску 8. Блок формування радіоімпульсів має два генератори синусоїдальних сигналів 9 і 10, виходи яких об’єднані, виконаних з можливістю зовнішньої модуляції відеоімпульсами, та двоканальний генератор відеоімпульсів 11, один з виходів якого підключений до входу генератора 9, а інший до входу генератора 10. Генератори 9, 10 мають електричний зв’язок з перетворювачами 5 і 6. Перетворювачі 4 і 7 з’єднані з входом приймача 12, до виходу якого підключений реєстратор пульсацій 13. Між входом приймача та виходом блоку формування радіоімпульсів підключений атенюатор 14. Пристрій діє таким чином. Відеоімпульси з двоканального генератора 11 модулюють напругу генераторів 9 і 10. Частоти генераторів 9 і 10 встановлюють різними, при цьому частота генератора 9 відповідає резонансній частоті однієї пари перетворювачів, наприклад, 4 і 5 5, а генератора 10 - іншої пари перетворювачів, тобто 6 і 7. Електричний сигнал, що являє собою дві послідовності радіоімпульсів з частотами заповнення F1 і F2, з об’єднаного виходу генераторів 9, 10 поступає на перетворювачі 5 і 6. Перетворювач 5 випромінює у досліджувану рідину акустичні імпульси з частотою заповнення F1, а перетворювач 6 - з частотою заповнення F2. Після проходження відповідно змінної і фіксованої відстані між перетворювачами, ці імпульси перетворюються знову в електричні, з частотою заповнення F1 на перетворювачі 4 і F2 на перетворювачі 7. Радіоімпульси з перетворювачів 4 і 7 поступають на вхід приймача 12, на який через атенюатор 14 з об’єднаного виходу генераторів 9, 10 поступає також опорний сигнал. В результаті інтерференції отриманого з акустичного тракту та опорного сигналів напруга на виході приймача 12 змінюється по амплітуді відповідно до різниці фаз між цими сигналами. При збільшенні чи зменшенні тиску або температури швидкість поширення ультразвуку в досліджуваній рідині змінюється, а отже змінюється час затримки сигналу в акустичному тракті та, як наслідок, різниця фаз між цим сигналом та опорним сигналом. При неперервній зміні тиску або температури виникає пульсація напруги на виході приймача 12. Кількість пульсацій фіксують за допомогою реєстратора 13. Для того, щоб імпульсні сигнали з частотами заповнення F1 і F2 не надходили на вхід приймача 12 одночасно, один з них затримують відносно іншого шляхом відповідної настройки каналів генератора 11. Зміна тиску або температури призводить до зміни густини досліджуваної рідини, а отже, об’єму сильфона 3 та, відповідно, відстані між перетворювачами 4 і 5. Таким чином, час затримки на змінній акустичній базі між перетворювачами 4 і 5 залежить як від швидкості поширення ультразвуку, так і від густини досліджуваної рідини, а час затримки сигналу на фіксованій акустичній базі між перетворювачами 6 і 7 залежить лише від швидкості поширення ультразвуку. Двоканальний генератор 11 настроюють так, щоб тривалість відеоімпульсів, з урахуванням характеристик досліджуваної рідини, була достатньою для перекриття імпульсів акустичного та опорного трактів, а отже, інтерференції відповідних сигналів. Якщо досліджуваними об’єктами є, наприклад, рідкі вуглеводні, а відстані між перетворювачами порядку 10мм, то необхідна тривалість відеоімпульсів становить (10 20)мкс. Пульсації сигналів зручно фіксувати по інтерференційним вузлам за допомогою осцилографа, який в даному випадку виконує функцію реєстратора. Ці вузли виникають за умови, що радіоімпульси акустичного та опорного трактів надходять на вхід приймача у протифазі. Початкову настройку на вузол здійснюють шляхом невеликої варіації частоти генераторів 9, 10. Вимірювання швидкості поширення ультразвуку і густини проводять, як правило, по ізотермам, тобто термостатують автоклав, після чого підраховують кількість інтерференційних вузлів при зміні тиску. Позначимо через t час проходження акустичним сигналом фіксованої бази L при початковому 91726 6 значенні швидкості поширення ультразвуку C0. Тоді: L t (1) C0 Нехай при збільшенні тиску від Р0 до Р швидкість поширення ультразвуку зростає від С0 до С, і при цьому спостерігають N вузлів. Це означає, що час проходження сигналом бази L зменшується на величину NT2: L t NT2 (2) C де Т2 - період коливань сигналу, що проходить 1 базу L. Враховуючи, що T2 , з рівнянь (1) і (2) F2 отримуємо формулу для розрахунку швидкості поширення ультразвуку: 1 C 1 N (3) C 0 LF2 Позначимо через час проходження акустичним сигналом бази l0 при початковому значенні швидкості поширення ультразвуку С0. Тоді: l0 (4) C0 Нехай при збільшенні тиску від Р0 до Р швидкість поширення ультразвуку зростає від C0 до С, а густина від 0 до , і при цьому спостерігають n вузлів. Зростання густини викликає зменшення об’єму досліджуваної рідини від V0 до V, а отже зменшення відстані між перетворювачами 4 і 5 від l0 до l. Таким чином: l t nT1 (5) C 1 де T1 - період коливань сигналу, що проF1 ходить базу l. Позначимо зміну акустичної бази через l=l0-l, а зміну об’єму досліджуваної рідини через V=V0V=S l, де S - ефективний переріз сильфона. Нехай m= 0V0= V - маса досліджуваної рідини в комірці. Тоді: 0 V0 0 V0 (6) V V0 S l З рівнянь (4) і (5) отримуємо формулу для розрахунку густини: 0 S C nC (7) 1 [l0 (1 ) ] V0 C0 F1 Завдяки тому, що акустичні імпульси від перетворювачів 5 і 6 проходять лише через досліджувану рідину, без будь-яких додаткових акустичних переходів, чутливість електронно-акустичного тракту запропонованого пристрою є максимальною. Це дозволяє з високою достовірністю визначати С і навіть у випадку сильно поглинаючих та розсіюючих звук речовин, наприклад, в’язких рідин, емульсій, суспензій. Крім того, в запропонованому пристрої всі ущільнення вимірювальної комірки виконані нерухомими, що забезпечує надійність їх 7 91726 роботи в широкому діапазоні тисків і температур. Отже, область визначення С і розширюється, а достовірність визначення цих теплофізичних параметрів, відповідно, збільшується. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 8 Джерела інформації: 1. Опис до а.с. СРСР №926590, кл. G 01 N 29/02, 1982. 2. Опис до а.с. СРСР №1226279, кл. G 01N 29/00, 1986. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601