Способ определения плотности жидкой биологической среды

 

Изобретение относи гся к биологии и предназначено для определения плотности биологических жидких сред. Цель изобретения - повышение точности определения. Для этого в исследуемой среде возбуждают коротким электричеЬким импульсом два акустических импульса от лицевой и тыльной поверхностей недемпфированного щего ш езоэлектрического преобразователя . Широкополосным приемным пьезоэлектрическим преобразователем изме ряют амплитудные значения импульсов волны колебательной скорости в исследу - емой среде, излучаемых лицевой и тьшьной поверхностями пьезоэлемента недемпфированного пьезоэлектрического преобразователя. С целью исключения интерференции, исключения комплексных величин из амплитудных значений - А и Aj - ПРИНЯТЫХ импульсов, время нарастания фронта возбуждающих импульсов и период их следования выбирают из условия T jf Tun (nd/Cp)T, где Тф , t, - время нарастания фронта возбуждающего импульса и время прохождения акустическим импульсом толщины d пьезоэлемента излучающего преобразователя, С - скорость ультразвука в пвезосреде, Т - период следования возбуждающих импульсов. Расчет плотиости исследуемой среды по измеренным величинам ведут по формуле: f ( ) - (2А, т„с:А., - ), где акустическое сопротивление пьезосреды, время прохождения акустическим импульсом через исследуемую среду расстояния t между приемным и излучающим пьезопреобразо вателями. 1 ил. 3 табл. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„31 483

А1 (51-) 4 G 01 N 33/48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 У 3931700/28-14 (22) 13.06.85 (46) 23,05.87. Бюл. Р 19 (71) Литовская ветеринарная академия и Каунасский политехнический институт им. Антанаса,Снечкуса (72) А.А.Сядярявичюс,. А.А.Владишаускас, В.Г.Данилов и М.Л.В.Паункснене (53) 614.07 (088.8 ) ,(56) Кивилис С.С. Плотномеры. — И.:

Энергия, 1980, с. 230-234. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ Ж Щ—

КОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ (57) Изобретение относится к биологии и предназначено для определения плотности биологических жидких .сред.

Цель изобретения — повьппение точности определения. Для этого в исследуемой среде возбуждают коротким электрическим импульсом два акустических импульса от лицевой и тыльной поверхностей недемпфированного излучающего пьезоэлектрического преобразо вателя. Широкополосным приемным пьезоэлектрическим преобразователем изме ряют амплитудные значения импульсов волны колебательной скорости в исследу емой среде, излучаемых лицевой и тыльной поверхностями пьезоэлемента недемпфированного пьезоэлектрического преобразователя. С целью исключения интерференции, исключения комплексных величин из "амплитудных значений—

А„ и А — принятых импульсов, время нарастания фронта возбуждающих импульсов и период их следования выбирают из условия 7+ «с 7„„= (nd/Сд)(Т, где, „„ — время нарастания фронта возбуждающего импульса и время прохождения акустическим импульсом толщины d пьезоэлемента излучающего преобразователя, С вЂ” скорость ультразвука в пьезосреде, Т вЂ” период следования возбуждающих импульсов.

Расчет плотности исследуемой среды по измеренным величинам ведут по формул Р (Z „ f) (2A> "ис A<

-7„ ), где Z акустическое сопротивление пьезосреды, 7„ — время прохождения акустическим импульсом через исследуемую среду расстояния t между приемным и излучающим пьезопреобразователями, 1 ил. Э табл.

1312483

Изобретение относится к биологии

1 в частности к способам определения плотности биологических жидких сред.

Целью изобретения является повышение точности определения. 5

Поставленная цель достигается тем, что, в жидкой биологической среде возбуждают коротким электрическим импульсом два акустических импульса от лицевой и тыльной поверх- 10 ностей недемпфированного излучающего пьезоэлектрического преобразователя, причем время нарастания фронта и период следования возбуждающих импульсов устанавливают по формуле

15 ф < . „= (nd/C ) (T, где ф, Г„n — в р емя, с ос тв е тс тв енно, нарастания фронта возбуждающего им-, 20 пульса и прохождения акустическим импульсом толщины d пьезоэлемента излучающего преобразователя; п — число отражений акустического импульса от внутренних граней пьезоэлемента излучающего преобразователя;

С„- — скорость ультразвука в пьезо1реде;

Т вЂ” период следования возбуждающих импульсов, 30

Прием прошедших исследуемую среду двух акустических импульсов проводят посредством широкополосного пьезоэлектрического преобразователя, а расчет плотности исследуемой среды по измеренным величинам осуществляют по формуле

Zn 2As ис с

40 где у — плотность исследуемой среды;

7. — акустическое сопротивление пьезосреды;

,„с — время прохождения акустичЕским импульсом через исследуемую сре- 45 ду расстояния E между приемным и излучающим преобразователями;

А„, А . — амплитудные значения импульсов волны колебательной скорости в исследуемой среде излученных, соответственно, лицевой и тыльной проверхностям пьезоэлемента излучающего преобразователя.

Сущность предложенного способа определения плотности жидкой биологи- 55 ческой среды заключается в том, что в исследуемой среде возбуждают коротким электрическим импульсом два акустических импульса от лицевой и тыльной поверхностей недемпфированного излучающего пьезоэлектрического преобразователя. 111ирокополосным приемным пьезоэлектрическим преобразователем измеряют амплитудные значения импульсов волны колебательной скорости в исследуемой среде, излучаемых лице» вой и тыльной поверхностями пьезоэлемента недемпфированного пьезоэлектрического преобразователя. С целью исключения интерференции,.исключения комплексных величин из амплитудных значений А„ и А принятых импульсов время нарастания фронта возбуждающих импульсов и период их следования выбирают из условия

Тф((ид (nd/Сдаст

Кроме того, измерение значения времени 7„спрохождения фиксированного расстояния импульсом волны коле— бательной скорости в исследуемой среде и амплитуд A А .принятых импульсов этой же волны колебательной скорости, излучаемых соответственно лицевой и тыльной поверхностями пье эоэлемента, связаны с акустическим сопротивлением исследуемой среды.

Плотность рассматривают по формуле

Zn/ 2 4 ис

2 А

На чертеже представлена блок-схема, поясняющая реализацию способа определения плотности жидкости биологической среды.

В схему входят излучающий недемпфированный пьезоэлектрический преобразователь 1., приемный широкополосный пьезоэлектрический преобразова- тель 2, расположенные на фиксированном расстоянии 8 и помещенные в кювету 3 с исследуемой жидкой биологической средой 4, генератор 5, приемник 6, времяизмерительный блок 7, устройство 8 сравнения, содержащее длительное устройство и выходной преобразователь.

В качестве генератора 5 используется наносекундный генератор типа

Г5-47, приемника 6 — широкополосный усилитель У3-33, времяизмерительного блока 7 — частотомер Ч4-34А, устройства сравнения 8 — осциллограф С1-92 вычислительного устройства 9 — вычислительное устройство Т3-29, регистрирующего устройства 10 — цифропечатающее устройство Консул".

Для определения плотности жидкой биологической среды недемпфированный

Амплитуда импульса волны колебательной скорости в исследуемой среде 4, излученного лицевой поверхностью преобразователя 1, определяется выражением сЕ (1) 30

1 к+ Zg где А„ — амплитуда импульса, излученного лицевой поверхностью преобразователя 1; — пьезоэлектрическая постоянная, 35

E — - электрическое поле;

Z — акустическое сопротивление к исследуемой биологической среды 4;

Z„ — акустическое сопротивление пьезосреды излучающего преобразовате-4р ля 1.

Время прохождения колебательной волной расстояния К в исследуемой среде 4 между лчцевой поверхностью излучающего преобразователя 1 и приемным пре-45 образователем 2 определяется выражением рР г ис Z к (2) где С„ — время прохождения колебательной волной расстояния Р в исследуемой среде 4; р — плотность исследуемой среды 4.

Амплитуда импульса волны колебатель ной скорости в исследуемой среде 4, излученного тыльной поверхностью преобразователя 1, определяется выражением

3 13124 излучающий 1 и широкополосный приемный 2 пьезоэлектрические преобразователи, расположенные на фиксированном расстоянии Р, помещают в исследуемую жидкую биологическую среду 4 в кювете 3. Излучающий пьезоэлектрический преобразователь 1 возбуждают от генератора 5 коротким электрическим импульсом, причем время Сф нарастания фронта возбуждающих импульсов 1Р и период Т их следования выбирает из условия 7<(i „„ .= (nd./Ñ„)(Т. Это обеспечивает исключение интерференции. Реакция лицевой и тыльной поверхностей недемпфированного излуча- !5 ющего пьезоэлектрического преобразователя 1 в виде импульсов волны колебательной скорости в исследуемой биологической среде 4 принимают широкополосным приемным пьезоэлектричес- 2р ким преобразователем 2, преобразующим их в электрические сигналы.

83 (3) (4) A„Z„+ ZÄ

2Z„

Поскольку

2А1Еn — AzЕп P (5) к t

Аг

"ис то из выражения (5 ) следует, что вычислительное устройство 9 реализует алгоритм, описываемый выражением

Zn 2А "ис

M --1 = — (- — — -- — ), (6)

P Р Аг ис

При этом в конце цикла измерения осуществляют вывод измеренной величины Мр с выхода вычислительного устройства 9 на регистрирующий прибор 10.

eED„

Aã

2 2к+ п где Az — амплитуда импульса, излученного тыльной поверхностью преобразователя 1; ,D„= 2Z„/(Ек+ Еп) — коэффициент прохождения акустическим импульсом границы пьезосреда — исследуемая сре.

4 да.

С широкополосного приемного пьезоэлектрического преобразователя 2 импульс A усиленный в приемнике 6, поступает на стоповый вход времяиэмерительного блока 7 и на первый вход устройства 8 сравнения. Импульс Аг также усиленный в приемнике 6 поступает с обратной полярностью на второй вход устройства 8 сравнения. Одновременно с возбуждением излучающего преобразователя 1 электрический импульс с генератора 5 подается на стартовый вход времяизмерительного блока 7. После появления на стоповом входе времяизмерительного блока 7 импульса А„, вырабатывается прямоугольный импульс длительностью цц =

Г/С, где С = Z„/ð — скорость ультразвука в исследуемой среде 4. Этот импульс подается на первый вход вычислительного устройства 9. В устройстве 8 сравнения амплитудные значения A„ Az сравниваются, а отношение сравниваемых величин A>/А поступает, на второй вход вычислительного устройства 9. В вычислительном устройстве 9 программируется постоянный коэффициент Х„ /1.

Иэ отношения амплитуд А, к А импульсов волны колебательной скорости в исследуемой среде 4, согласно выражений (1) н (3), находят

1312483 6 и толщиной 5 мм. Волновое сопротивлего - ние пьезокерамики Z = 30,6 10 кГ/мс, 2

Я Рассстояние между излучающим и приемным широкополосным пьезокерамическими преобразователями составляет ти- 50 мм.

Данные для измерения плотности крови клинически здоровых коров

10 представлены в табл.1.

В табл.2 и 3 представлены данные для измерения плотности цельного молока клинически здоровых и больных маститом коров.

Формула изобретения °

Таблица I

2, м (j (А„, В

2 f

Для измерения плотности, в качестве излучающего недемпфированно пьезоэлектрического преобразовател используют пьезокерамический диск из материала ЦТС-19 диаметром D =

18 мм, толщиной L = 5 мм. :Акус ческое сопротивление пьезокерамики

Е„ = 30,6 10 к "/м с. Расстояние между излучающим и приемным широкополосным пьезоэлектрическими преобразователями составляло P = 50 мм.

В качестве исследуемой среды используют воду. Нирокополосный приемный пьезоэлектрический преобразователь имеет полосу пропускания ат 1 до

18,5 МГц. При возбуждении недемпфированного пьезоэлектрического преобразователя коротким электрическим импульсом напряжения с =10 нс и периодом следования импульсов T=250 мкс выполняется 20 условие 7ф«т„„= (пй/Сп) <Т. При n =

10, „ц, = 11,8.10 мкс, На вьгсоде широкополосного приемного преобразователя получают амплитудные значения импульсов напряжения А = 0,2 В, А = О, 32 В . Время прохождения акустическим импульсом расстояния 2

50 мм в исследуемой среде одс=

33,33 10 мкс. Измеренная плотность исследуемой среды. составляет 30

P = 0,9996 -10 кГ/м1 . При этом относительная погрешность измерения, по сравнению с базовым объектом, уменьшилась в 37 раз.

Пример. Исследуемую среду по- 35 мещают в специальную кювету, в качестве излучающего недемпфираванного пьезоэлектрического преобразователя используют пьезакерамический диск нз материала ЦТС-19 диаметром 18 мм

Способ определения плотности жидкой биологической среды путем помещения в нее излучающего и приемного датчиков, воздействия на среду ультразвуковым сигналом и снятие показаний, отличающийся тем, чта, с целью повышения точности определения, излучающий датчик помещают внутрь исследуемой среды параллельно приемному датчику, при этом излучающий датчик недемпфирован и имеет две излучающие поверхности, затем создают ультразвуковой сигнал коротким электрическим импульсом, время нарастания франта которого меньше времени прохождения ультразвуковой волной толщины излучающего датчика, а .плотности определяют по времени прохождения акустическим импульсом через исследуемую среду и двум амплитудным значениям импульсов волны колебательной скорости, излученных обеими поверхностями излучающего датчика.

30,6.10 31,64-!О 1580

0 05

0,05

0,05

0,05

31,98.10 1563

1,680 2,677 1,1915 1048,90

0,05

32,09*10 1558

30,6 10

30,6-10

30 6,10Ь

30,6 10

31,72 -10 1576

31,80 10 1572

1,800 1,865

1,750 2,786

1,720 2,739

1,700 2,708

1,1915 1057,07

1,1915 1055,45

1,1915 1052.,43

1,1915 1051,92

1312483

Таблица 2

1,1915

3P,6 ) 0 32,83 10

1523 0,05

1034, 77

1,1915 1033,61

1,1915 1033,00

30,6 10 32,89.10 1520 0,05

30,6 10 32,90-10

30,6 ° )О .33,06.10

1,1915 1030,54

30,6.10

33,09 -10

1,1915 1029,98

Таблица 3

Z 7, нс С, м/с Е, м А,, В А,В К(Ы ) 32 79 ° 10-6 1525 0 05 1 550 2 474 1 1915 1033 33

)р,480 2э366 1 ю1915 )0)5þ4) 33,22 10-С 1505 О 05

1500 0,05 1,477 2,362 1,1915 1012,36

33,33 10

33,35 10

30,6. 10

1498 0,05 1,465 2,343 1,1915 1011,23

30,6-10

33 35 10-а 1490 0,05 1,457 2,331 1,1915 1009,95

Составитель E.Êoëìàêoâà

Редактор Г.Волкова Техред Л.Сердюкова

Корректор А.Обручар

Заказ )967/43

Тираж 777 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Б-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãoðoä, ул.Проектная,4

30,6 10

30,6° . 10

30,6 10

1518 0 05 ! 512 О, 05

1511 0,05

1,531 2,444

1,517 2,422

1,511 2,416

1,502 2,399

),490 2,380