Устройство и способ определения физических параметров двухфазной смеси с помощью распространения акустической волны в непрерывной фазе двухфазной смеси

 

Использование: для определения времени распространения акустической волны в непрерывной фазе двухфазной смеси. В частности, изобретение может использоваться для измерения акустического импеданса этой фазы, ее плотности и скорости распространения акустической волны в непрерывной фазе. Технический результат изобретения состоит в создании возможности проведения измерений без прерывания процесса разделения и без отбора каких-либо образцов двухфазной смеси, а кроме того, в создании устройства, не меняющего основной режим работы при проведении измерений, и способа, который не влияет на гидравлический режим работы разделительного оборудования и который не изменяет характеристики двухфазной смеси. Сущность изобретения: устройство измерения времени распространения акустической волны в непрерывной фазе двухфазной смеси, содержащей непрерывную фазу и дисперсную фазу, в виде капелек в непрерывной фазе, содержит электроакустический преобразователь, генерирующий акустические волны и формирующий на выходе сигналы отраженных акустических волн, средство, способное определять время распространения сигнала по сигналам преобразователя и средства фокусирования акустических волн и регулирования частоты акустических волн для обеспечения отражения волн от капелек дисперсной фазы, которые расположены в области фокусирования. Предложенный способ состоит в том, что сфокусированные акустические волны испускают в непрерывную фазу, причем частоту акустической волны регулируют для создания отражения на капельках дисперсной фазы, которые расположены в области фокусирования, производят запись первых сигналов волн, отраженных от капелек, определяют время распространения волны по отраженным сигналам, и скорость распространения вычисляют с учетом времени распространения и с учетом расстояния фокусировки акустической волны. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

Область техники

Изобретение относится к устройству и способу определения физических параметров двухфазной смеси с помощью пропускания акустической волны через непрерывную фазу смеси. Например, настоящее изобретение может использоваться для определения времени распространения акустической волны в непрерывной фазе двухфазной смеси. В частности, такое устройство может использоваться для измерения акустического импеданса этой фазы, ее плотности и скорости распространения акустической волны в непрерывной фазе.

Для целей нестоящего изобретения двухфазная смесь означает любую эмульсию или дисперсную смесь, в которой первый раствор или первая фаза имеет форму непрерывной фазы, и вторая твердая, жидкая или газообразная фаза имеет форму капелек или частиц, распределенных в непрерывной фазе. Вторая фаза называется дисперсной фазой.

Такой тип двухфазной смеси используется, в частности, для разделения химических элементов в растворе. Способ разделения состоит, по существу, в помещении первого раствора, содержащего химические элементы в контакт со вторым раствором, который действует как экстрактор.

Помещение двух растворов в контакт, таким образом, позволяет производить передачу материала между ними.

Передача материала происходит с помощью формирования двухфазной смеси в форме эмульсии или дисперсной смеси из мелких капелек. Затем, после передачи материала, жидкости разделяются путем осаждения.

Известны различные разделительные устройства, работающие в соответствии с вышеприведенным способом. Они включают устройства типа миксер-декантатор, устройство типа центробежного экстрактора или колонку с пульсирующим потоком.

Настоящее изобретение может также использоваться для анализа физических или химических характеристик двухфазной смеси, и, в частности, для контроля параметров, существенных при таком анализе, а именно, во-первых, скорости распространения акустической волны в непрерывной фазе смеси и, во-вторых, ее плотности. Изменение скорости распространения записывается всякий раз, при изменении плотности непрерывной фазы. Например, такой тип изменения плотности соответствует передаче материала между фазами.

Настоящее изобретение может быть использовано в нефтяной, фармацевтической, химической и пищевой промышленности, при обработке радиоактивных отходов и, в общем, в любой области, в которой необходимо определять характеристики эмульсии.

Известный уровень техники

При использовании какого-либо способа разделения обычно отслеживают характеристики двухфазной смеси, в частности, путем определения пропорции каждой фазы в смеси.

В документе FR А 2478314 описан, в частности, способ измерения объема одной из фаз в двухфазной смеси, которую помещают в резервуар, состоящей из первой фазы F₁, находящейся в диспергированном состоянии во второй фазе F₂. В соответствии с этим способом определяют скорость v₁ распространения ультразвукового сигнала в фазе F₁, и скорость v₂ распространения ультразвукового сигнала в фазе f₂, после чего ультразвуковой сигнал излучают из точки P₁ в указанном резервуаре и определяют характеристики этого сигнала в точке Р₂ в резервуаре, которая расположена на расстоянии d от точки ₁, при этом определяют время t, затраченное сигналом для прохождения расстояния d, и объем ε ₁ фракции фазы F₁, и/или объем ε ₂ фракции фазы F₂ вычисляют с использованием следующих уравнений:

и

В документе US, A,4726211 описан аналогичный процесс, в котором также используется способ измерения времени распространения акустической волны в двухфазной смеси.

Первый этап вычисления объема фракции любой из фаз, состоит в определении скоростей распространения (v₁, v₂) акустической волны в каждой фазе, как и в случае, описанном выше.

При этом в последнем документе описывается способ измерения скорости распространения волны в каждой из жидкостей, которые смешивают перед приготовлением смеси.

Трудность измерения объема фракций любой из фаз состоит в том, что скорости распространения или значения времени распространения не являются постоянными величинами в процессе разделения. На эти параметры влияют изменения температуры, а также изменения плотности фаз, связанные с передачей материала.

Определить изменение скоростей и величин времени распространения как функцию температуры не слишком трудно.

В настоящее время существует два возможных способа, позволяющих определять изменение скоростей или величин времени распространения, как функции передачи материала из одной фазы в другую.

Первый способ состоит в отборе образцов небольшого объема эмульсии в процессе обработки разделения, после чего измерения скорости или времени распространения акустических волн выполняют отдельно в каждой фазе после их осаждения.

Однако этот первый способ имеет недостатки. Отбор образцов эмульсии может нарушить работу разделительного устройства. Кроме того, отбор образцов возможен только, если разделительное устройство содержит достаточно большой объем смеси. Кроме того, отобранные образцы должны быть затем повторно введены в разделительное устройство или должны храниться после каждого измерения.

Кроме того, в случае, когда двухфазная смесь содержит сильно радиоактивные вещества, может оказаться невозможным производить отбор и хранение образцов для измерения.

Второй способ определения скоростей или величин времени распространения волны в каждой из фаз отдельно во время обработки состоит в формировании камер осаждения в разделительном устройстве в непосредственной близости к области смешивания. Такие камеры осаждения, расположенные непосредственно в месте проведения процесса, могут изменять гидравлическое поведение устройства и создавать локальные модификации характеристик двухфазной смеси.

Такие устройства также используются для непосредственного измерения плотности непрерывной фазы.

Описание изобретения

Настоящее изобретение направлено на способ и устройство, предназначенные для определения физических параметров, таких как скорость распространения акустической волны в непрерывной фазе двухфазной смеси, акустического импеданса непрерывной фазы и/или ее плотности, в которых отсутствуют вышеприведенные недостатки.

В частности, одна из целей настоящего изобретения состоит в создании возможности проведения измерений без прерывания процесса разделения и без отбора каких-либо образцов двухфазной смеси.

Другой целью является создание устройства, не меняющего основной режим работы при проведении измерений, и способа, который не влияет на гидравлический режим работы разделительного оборудования, и который не изменяет характеристики двухфазной смеси.

Для достижения этих целей настоящее изобретение, в частности, направлено на создание устройства, предназначенного для измерения времени распространения акустической волны в непрерывной фазе двухфазной смеси, устройства, содержащего электроакустический преобразователь, который позволяет генерировать акустические волны и выводить принятый сигнал отраженной акустической волны, и средство, использующее сигналы преобразователя для определения по сигналам, формируемым преобразователем, времени распространения волн. Это устройство также содержит средство фокусирования акустических волн в область фокусирования, при этом частота акустических волн регулируется для обеспечения отражения волн от капелек в дисперсной фазе, расположенных приблизительно в области фокусирования.

Длина λ акустической волны, генерируемой электроакустическим преобразователем, равна

В данном уравнении, V_c представляет скорость распространения волны в непрерывной фазе, и f представляет собой частоту волны.

Капелька дисперсной фазы, расположенная в пределах области фокусирования, создает местное возмущение акустического импеданса в среде, через которую в данном месте проходит волна. Акустический импеданс среды определяется в данном случае как произведение ее плотности на скорость распространения волны в среде.

Акустическая волна может отражаться капелькой дисперсной фазы, которая находится в области фокусирования, и энергия отраженного акустического сигнала пропорциональна разности между значениями акустического импеданса дисперсной фазы и непрерывной фазы. Эффективное отражение происходит, когда диаметр капелек больше, чем длина волны λ .

Таким образом по оценке величины скорости V_c может быть определена минимальная частота, как функция диаметра (ϕ ) наименьшей из капелек, находящихся, по существу, в двухфазной смеси. Например, частота может регулироваться для установления длины волны λ на значении λ =ϕ /5.

Использование ультразвукового преобразователя, работающего с высокой частотой, например, с частотой выше 100 МГц, гарантирует, что такое отражение от капелек будет иметь место, даже если произойдут существенные изменения в двухфазной смеси. Размер капелек в разделительном устройстве изменяется как функция рабочих условий и коэффициента удержания непрерывной фазы.

Фокусное расстояние акустической волны, предпочтительно, выбирается на основании компромисса между минимальным диаметром капельки, который может использоваться для измерений при данной частоте, и степенью затухания волны в непрерывной фазе. Это означает, что время распространение может быть определено с хорошей точностью при приемлемой вероятности прохождения капельки через область фокусирования капельки в течение времени измерения, при учете среднего расстояния между капельками.

Фокусное расстояние может, например, составлять порядка одного миллиметра.

Частота акустической волны может также быть оптимизирована как функция степени затухания в среде.

Время распространения в непрерывной фазе волны, которая отражается от капельки, расположенной в области фокусирования, соответствует времени, которое необходимо для прохождения двойного фокусного расстояния средства фокусирования.

Таким образом, средство, предназначенное для использования сигналов, формируемых устройством в соответствии с настоящим изобретением, может использоваться для определения скорости V_c распространения волны в непрерывной фазе в соответствии с уравнением

В данном уравнении F представляет собой фокусное расстояние средства фокусирования, и Т представляет собой время распространения.

Например, средство фокусирования может иметь акустическую линзу с первой поверхностью, на которой закреплен электроакустический преобразователь, и второй поверхностью, которая, содержит, по меньшей мере, одну вогнутую часть с радиусом кривизны R, обращенную к смеси, и которая называется поверхностью излучения. Эта поверхность излучения сконструирована таким образом, что она фокусирует акустические волны по направлению к области фокусирования. Когда акустическая волна испускается, происходит первое частичное отражение на поверхности испускания, а вторая последовательность отражений может затем происходить от капелек внутри области фокусирования.

При этом, в соответствии с одним из определенных аспектов настоящего изобретения, средство, использующее такие сигналы, может быть выполнено таким образом, что оно будет определять время задержки между первым сигналом отражения на поверхности излучения линзы и вторым сигналом отражения от капелек в дисперсной фазе, которые соответствует одной испускаемой акустической волне. Время распространения волны, которая проходит двойное фокусное расстояние F линзы, будет затем равно этому времени задержки.

Скорость распространения акустической волны может быть затем вычислена по величине фокусного расстояния F в соответствии с уравнением , приведенным выше, или как параксиальное приближение по величине радиуса кривизны R поверхности излучения и скорости V_v распространения в материале линзы.

Результат равен

Таким образом, V²_c-V_c· V_v+2· R· V_v/T=0.

Из этого уравнения может быть вычислено значение V_c (в стекле V_v≈ 5968 м· с^-1).

Амплитуда сигнала, получаемого на выходе преобразователя, больше, когда акустический импеданс капельки не равен акустическому импедансу жидкости, формирующей непрерывную фазу. При первом приближении, предполагается, что капелька может быть представлена плоским диском, который проходит перед областью фокусирования. Предполагается, что размер капельки больше, чем длина акустической волны. В наиболее благоприятном случае, принимаемый сигнал может быть смоделирован функцией , в которой V(z) представляет собой выходной сигнал, когда капелька движется вдоль оси акустической линзы на расстоянии z, R(Θ ) представляет собой степень отражения капельки, Θ - угол падения, под которым акустическая волна достигает капельки, Р(Θ ) представляет собой функцию, соответствующую раскрытию линзы (функция зрачка), k - волновой вектор в непрерывной среде, и Θ ₀ представляет угол половины раскрытия линзы (≈ 50° ). Максимальная амплитуда сигнала получается, когда капелька находится в фокальной плоскости или близко к ней. Эта характеристика может использоваться для точного определения времени распространения Т между поверхностью излучения линзы и областью фокусирования. Время распространения, предпочтительно, определяется на основании большого количества проходов волны через капельки, расположенные вблизи к точке фокуса.

В соответствии с одним из частных вариантов воплощения акустической линзы, ее поверхность испускания может содержать, по меньшей мере, одну вогнутую часть, которая может фокусировать акустические волны, и плоскую часть, которая способна отражать не сфокусированные волны.

Формирование поверхности излучения с плоской частью не является существенным, но позволяет более точно производить измерения по отраженным на этой части волнам, которые не были сфокусированы. Этот момент более подробно описан в следующей части текста.

В соответствии с одним из улучшенных вариантов, поверхность излучения акустической линзы может также быть покрыта тонким покрытием из противоотражающего материала с толщиной, приблизительно равной λ ₀/4, где λ ₀ представляет длину акустической волны. Кроме того, акустический импеданс Z_a покрытия из противоотражающего материала также может выбран равным , где z_l представляет собой акустический импеданс материала (например, стекла) из которого изготовлена акустическая линза, и Z_c представляет собой оценку импеданса непрерывной фазы.

Противоотражающее покрытие выполняет две функции, во-первых оно улучшает определение степени отражения непрерывной фазы (описано ниже) с помощью плоской части поверхности излучения, и, во-вторых, оно корректирует астигматизм сходимости вогнутой части поверхности излучения.

Следует отметить, что использование акустической линзы не является единственно возможным средством фокусирования акустической волны. То есть, как вариант, преобразователь может представлять собой преобразователь сегментного типа, содержащий множество элементов преобразователя (датчиков) с отдельным возбуждением. Эти элементы, индивидуально управляемые соответствующими электронными схемами, используются для непосредственного фокусирования генерируемой акустической волны. Они могут, таким образом, формировать средство фокусирования в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения, данный способ может использоваться для измерения скорости распространения акустической волны в непрерывной фазе двухфазной смеси, содержащей непрерывную фазу и дисперсную фазу, формирующую капельки в непрерывной фазе. В соответствии с этим способом:

- акустические волны, фокусируемые в области фокусирования, испускаются в непрерывной фазе, причем частота акустической волны регулируется таким образом, чтобы создать отражение на капельках в дисперсной фазе, расположенных приблизительно в области фокусирования,

- записываются первые сигналы отражения волн от капелек,

- по отраженным сигналам определяется время распространение для волны, и

- вычисляется скорость распространения, исходя из времени распространения и фокусного расстояния акустической волны.

В соответствии с другим конкретным вариантом воплощения настоящего изобретения, отраженные сигналы также могут использоваться для определения степени отражения непрерывной фазы. Эта степень отражения определяется как отношение амплитуды отраженных сигналов к амплитуде испускаемых акустических сигналов.

При этом могут быть записаны вторые отраженные сигналы акустической волны, отраженной в интерфейсе между акустической линзой электроакустического преобразователя и непрерывной фазой.

Предпочтительно, сигналы, отражающиеся от плоской части поверхности излучения, соответствующие не сфокусированной волне, могут использоваться для определения степени отражения R_c.

Например, амплитуда сигнала может быть записана и измерена с использованием простого осциллографа.

Степень отражения R_c в непрерывной фазе может быть определена непосредственно по амплитуде сигнала, например, как функция заранее определенной (приблизительно линейной) калибровочной кривой.

Калибровочная кривая может быть определена путем погружения линзы в текучие среды, для которых значения степени отражения являются известными, например, такие, как воздух или вода, и путем измерения амплитуды волн, отраженных этими текучими средами.

В соответствии с другой возможностью степень отражения непрерывной фазы может быть определена как отношение амплитуды сигналов, отраженных от непрерывной фазы, к амплитуде испускаемых сигналов.

Амплитуда и, таким образом, энергия испускаемых сигналов может определена по дополнительному и частичному отражениям сигналов на контрольном оптическом устройстве. Этот аспект будет более подробно описан в остальной части описания.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения становится возможным также установить акустический импеданс _c в непрерывной фазе, если известна степень отражения R_c непрерывной фазы, используя следующее уравнение:

где z_l представляет собой акустический импеданс (известен) материала, из которого выполнена акустическая линза.

Когда на акустическую линзу нанесено противоотражающее покрытие с акустическим импедансом Z_a, результат будет выглядеть следующим образом

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения плотность ρ _с непрерывной фазы также может быть установлена из следующего уравнения:

Степень отражения R_D между непрерывной фазой и дисперсной фазой также может быть определена на основании измерения максимальной амплитуды указанных сигналов первого отражения, другими словами, сигналов, соответствующих отражению на капельках дисперсной фазы.

В этом случае величина R_D также определяется путем сравнения амплитуды сигналов первого отражения с заранее определенной калибровочной кривой, используя дисперсные смеси или среды с известными характеристиками.

Наконец, зная акустический импеданс непрерывной фазы и степень отражения R_D, акустический импеданс Z_D дисперсной фазы может быть вычислен с использованием следующего уравнения:

В этом уравнении Z_C представляет собой импеданс непрерывной фазы, определенный заранее, как описано выше.

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из следующего описания, со ссылкой на прилагаемые чертежи. Это описание приведено только для иллюстрации и не является ограничительным.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично изображен электроакустический преобразователь с акустической линзой, причем данный преобразователь используется в устройстве в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.2 - то же, что и на фиг.1 при наличии капельки в области фокусирования линзы;

на фиг.3 - сигналы, отраженные от капельки и от передней поверхности линзы, которые производятся преобразователем, изображенным на фиг.2;

на фиг.4 - сегмент колонки с пульсирующим потоком, которая оборудована устройством в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.5 - график, показывающий зависимость от времени амплитуды сигналов, получаемых с помощью преобразователя в устройстве в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.6 - вид в сечении акустического преобразователя, который может использоваться в устройстве в соответствии с настоящим изобретением, и который является вариантом преобразователя, изображенного на фиг.1;

на фиг.7А - упрощенный график сигналов, принимаемых первым каналом преобразователя по фиг.6;

на фиг.7В - упрощенный график сигналов, принимаемых вторым каналом преобразователя по фиг.6.

Подробное описание вариантов воплощения настоящего изобретения

Для упрощения идентичные, аналогичные или эквивалентные элементы на различных фигурах обозначены далее одинаковыми ссылочными позициями;

Позицией 10 на фиг.1, в общем, обозначен электроакустический преобразователь, который может быть установлен в устройстве в соответствии с настоящим изобретением.

Преобразователь 10 содержит электроакустический преобразователь 12, например такой, как пьезоэлектрическое устройство, установленный на первой поверхности, которая называется задней поверхностью 14 линии 16 задержки.

Линия 16 задержки может представлять собой, например, цилиндрический блок, изготовленный из материала, который не поглощает акустические волны, такого как стекло. Она имеет вторую поверхность, называемую поверхностью 18 излучения, в которой сформирована вогнутая часть 18а с радиусом R кривизны, которая выполнена таким образом, что она может фокусировать акустические волны, и часть 18b, которая выполнена плоской. Линия задержки, таким образом, образует акустическую линзу. Линия задержки обозначается как "акустическая линза" 16 в остальной части этого текста. Противоотражающее покрытие 19, изготовленное из такого материала, как политетрафторэтилен (Тефлон) или силикон покрывает поверхность 18 излучения акустической линзы.

Штрихпунктирная линия 20 изображает фокальную плоскость, проходящую через точку 22 фокуса акустической линзы 16. Фокусное расстояние, измеряемое между поверхностью 18 излучения и точкой фокуса, может составлять, например, 1 мм.

Акустический преобразователь 10 может быть установлен, например, на стенке 24 разделительного устройства 26 так, чтобы поверхность 18 излучения акустической линзы 16 была обращена по направлению к внутреннему пространству разделительного устройства, которое содержит двухфазную смесь 28.

Например, двухфазная смесь 28 может содержать непрерывную фазу, состоящую из НNО₃, в которой находится дисперсная фаза в форме капелек, состоящая из ТВР (трибутилфосфат), смешанного с 30% додекана.

В других вариантах воплощения дисперсная фаза может также содержать твердые частицы или пузырьки газа.

Электроакустический преобразователь 12 подключен с помощью проводов 25 к внешнему электрическому устройству, которое не показано на фиг.1, которое может использоваться для подачи сигнала возбуждения на преобразователь и для измерения параметров одного или нескольких сигналов, принимаемых преобразователем.

Когда сигнал электрического возбуждения подается на пьезоэлектрическое устройство 12, это устройство генерирует акустическую волну 30, которая представлена схематично.

Акустическая волна 30 распространяется через линзу так, что она фокусируется в точке 22 фокуса. Кроме того, как показано двумя двойными стрелками 32 и 33, часть волны отражается от поверхности 18 излучения линзы 16 и возвращается на преобразователь.

При этом часть волны, излучаемая в двухфазную смесь 28, не отражается.

Пьезоэлектрическое устройство 12 работает в соответствии с последовательностью фаз приема и излучения.

В течение фазы излучения продолжительностью, например, около 30 нс, преобразователь генерирует волну в соответствии с сигналом возбуждения, предпочтительно, в виде пульсирующего сигнала. Частота сигнала может быть выбрана, например, 100 МГц.

Во время фазы приема с продолжительностью, например, порядка 150 нс, преобразователь подает на выход принятый сигнал, соответствующий отраженным волнам, которые он принимает.

На фиг.2 изображен преобразователь 10, тот же, что и на фиг.1 в ситуации, когда капелька 40 помещена в области фокусирования, другими словами, приблизительно в точке фокуса.

Акустическая волна, испускаемая пьезоэлектрическим устройством, отражается не только от поверхности 18 излучения линзы 16, как показано двойными стрелками 32 и 33, но также и от капельки 40.

На фиг.2 изображена двойная стрелка 42, обозначающая волну, испускаемую преобразователем, которая фокусируется на капельке 40, и отраженную волну эхосигнала, образующегося при отражении от капельки 40.

На фиг.3 изображены сигналы, соответствующие волне, отраженной от передней поверхности акустической линзы, и частично волне, отраженной от плоской части этой поверхности, а также волне, отраженной от капельки в дисперсной фазе. На фиг.3 по шкале ординат отложена амплитуда сигналов в произвольном масштабе. По шкале абсцисс отложено время (в микросекундах).

Буквой А на фиг.3 обозначен первый сигнал, соответствующий отражению от вогнутой части передней поверхности линзы.

Буквой В на фиг.3 обозначен второй сигнал, соответствующий отражению от плоской части передней поверхности линзы.

По максимальным амплитудам сигналов А и В возможно непосредственно вычислить степень отражения R_c непрерывной фазы в интерфейсе линза/непрерывная фаза.

Аналогично, путем измерения максимальной амплитуды сигнала, отраженного от дисперсной капельки (не виден на фиг.3), другими словами, от интерфейса непрерывная фаза/дисперсная фаза, можно установить степень отражения дисперсной смеси в этом интерфейсе.

Взаимосвязь между максимальной амплитудой сигналов и значениями степени отражения зависит, главным образом, от коэффициента усиления измерительных инструментов, таких, как осциллограф, и может быть вычислена исходя из материала образцов, для которых величина степени отражения известна.

Как указано выше, знание величин степени отражения представляет собой средство вычисления значений акустического импеданса фаз.

Плотность непрерывной фазы может быть затем определена на основании известных величин этих импедансов и скорости распространения акустической волны в непрерывной фазе.

На фиг.4, описанной ниже, представлен один из возможных вариантов использования устройства в соответствии с настоящим изобретением.

На этой фигуре позицией 26 обозначен сегмент колонки с пульсирующим потоком с перфорированными смешивающими лотками 27, в которой две жидкие фазы введены в циркуляцию в различных направлениях для формирования двухфазной смеси 28. Эта смесь содержит непрерывную фазу 29, в которой движутся капельки 40 дисперсной фазы. Направление смещения капелек 40 обозначено стрелкой D.

Преобразователь 10, аналогичный изображенному на предыдущих фигурах, установлен в стенке 24 колонки с пульсирующим потоком и подключен проводами 25 к линии 50 генерирования и использования импульсных сигналов.

Линия 50 содержит ультразвуковой генератор 52, который может создавать высокочастотные электрические импульсы и подавать их на пьезоэлектрическое устройство в преобразователе 10. Ультразвуковой генератор может быть подключен к датчику посредством цепи 54 согласования полного сопротивления, если это необходимо.

Принимаемые эхосигналы, поступающие с выхода пьезоэлектрического устройства, также подаются через цепь 54 согласования импеданса на осциллограф 56 и на вычислительное средство 58. Осциллограф 56 отображает сигналы. Вычислительное средство 58, например компьютер, может использоваться для вычисления скорости распространения волн в непрерывной фазе в любой момент времени.

На фиг.5 изображен упрощенный график, который следует рассматривать совместно с фиг.4, на котором изображены примеры сигналов, которые могут быть записаны с помощью устройства, изображенного на фиг.4.

Шкалы на фиг.5 выбраны произвольно.

Позицией 60 обозначен импульс, соответствующий излучению волны пьезоэлектрическим устройством.

Позициями 62 и 63 обозначены первый и второй эхосигналы, соответствующие частичному отражению волны, испускаемой плоской и вогнутой частями поверхности излучения линзы, соответственно.

Позицией 64 обозначен третий эхосигнал с максимальной амплитудой, соответствующей отражению волны от капельки.

Как было указано выше, амплитуда эхосигнала 62 содержит информацию о степени отражения непрерывной фазы по отношению к стеклу. Аналогично, амплитуда эхосигнала 64 содержит информацию о степени отражения между двумя фазами.

Длительность, обозначенная как t_v между импульсом 60 и первым эхосигналом 62, соответствует времени прохождения волной пути вперед-назад от пьезоэлектрического устройства до поверхности излучения линзы.

Длительность, обозначенная t_e, соответствует времени, которое волна проходит вперед-назад от пьезоэлектрического устройства до капельки, расположенной в точке фокуса.

Первоначально время распространения волны в непрерывной фазе может быть определено путем вычитания заранее определенной фиксированной величины, соответствующей времени, за которое волна проходит через средство фокусирования (линзу), из величины длительности t_e.

Для исключения вариаций времени распространения в линзе время Т распространения предпочтительно измеряется между вторым эхосигналом 63 и третьим эхосигналом 64.

Это дает значение Т=t_e-t_v.

Время распространения и скорость распространения могут вычисляться даже по небольшому количеству измерений (излучения-приема волны).

Однако точность результата улучшается при выполнении статистических вычислений по большому количеству измерений.

Например, можно записывать последовательные эхосигналы, получаемые при излучении 500 000 акустических импульсов.

По этим измерениям среднее время t_e может быть вычислено в соответствии с записью эхосигнала максимальной амплитуды.

При таком типе статистической обработки относительная точность измерений времени распространения и вычисленной величины скорости распространения может быть лучше, чем 0,5%.

На фиг.6 изображен более сложный акустический преобразователь, который может использоваться в измерительном устройстве в соответствии с настоящим изобретением. Это устройство содержит акустическую линзу 116 с передней поверхностью 111, которая будет введена в контакт с двухфазной смесью, характеристики которой должны измеряться. Линза 116 имеет характеристики, сопоставимые с характеристиками линзы 16, описанной со ссылкой на фиг.1.

Передняя поверхность 111 имеет первую вогнутую часть 118а, которая может фокусировать акустические волны в двухфазной смеси. Эта вогнутая часть сопоставима с вогнутой частью 18а по фиг.1 и 2.

Вторая часть передней поверхности 111, обозначенная номером 118b, представляет собой плоскую часть, соответствующую части 18b по фиг.1 и 2.

На задней поверхности 114 акустической линзы установлены два пьезоэлектрических устройства 112а, 112b, связанные с первой и второй частями 118а и 118b на передней поверхности. Эти пьезоэлектрические устройства сконструированы таким образом, что они могут излучать волны сигнала и регистрировать отраженные волны или эхосигналы. Каждый узел, сформированный пьезоэлектрическим устройством и соответствующей частью передней поверхности, далее по тексту обозначается как "канал" акустического преобразователя. Эти каналы являются независимыми.

Можно видеть, что первое пьезоэлектрическое устройство 112а совмещено с первой частью 118а передней поверхности вдоль оси, перпендикулярной передней поверхности.

Второе пьезоэлектрическое устройство 112b несколько смещено от центральной линии плоской части 118b так, что оно также обращено к прорези 150, сформированной в корпусе акустической линзы 116 с одной из боковых сторон.

Прорезь 150 формирует контрольное оптическое устройство, такое, как, например, оптическое устройство стекло-воздух, когда линза изготовлена из стекла. Функция этого оптического устройства будет более подробно описана далее по тексту.

Наконец, как можно видеть на чертеже, в передней поверхности 111 этой акустической линзы сформирована полость 152. Эта полость заполнена материалом 154, согласования импеданса, например смолой винилового эфира. Свободная поверхность этого материала выполнена плоской и на одном уровне с передней поверхностью 111. Свободная поверхность этого материала в изображаемом примере формирует вторую часть 118b (плоскую) передней поверхности.

Материал согласования импеданса выбирается таким образом, чтобы он имел значение акустического импеданса как можно более близкое к предполагаемому значению акустического импеданса смеси, характеристики которой измеряются. Он также выбирается таким образом, чтобы он имел хорошую сцепление и хорошую сопротивляемость агрессивному воздействию среды, с которой он находится в контакте.

Передняя поверхность акустической линзы также может быть покрыта противоотражающим слоем, который изготовлен из материала с импедансом Za, величина которого может быть равна .

Выше было приведено более подробное описание в этом отношении.

Благодаря наличию двух каналов преобразователь может отдельно измерять, во-первых, степень отражения непрерывной фазы, и, во-вторых, ее плотность или скорость распространения волны в ней в оптимальных условиях.

Первый канал, соответствующий вогнутой части передней поверхности, используется для определения времени распространения волны и скорости распространения в непрерывной фазе. С другой стороны, второй канал, соответствующий плоской части передней поверхности, используется для измерения коэффициента отражения и, таким образом, акустического импеданса непрерывной среды.

На фиг.7А очень схематично изображены эхосигналы, записанные первым пьезоэлектрическим устройством 112а первого канала в соответствии с волной 160а сигнала, испускаемого этим устройством.

Первый эхосигнал 163 соответствует отражению волны от передней поверхности 111 акустической линзы 116 и второй эхосигнал 164 соответствует отражению (если такое происходит) волны от капельки, которая взвешена в непрерывной фазе.

Эти эхосигналы используются, как описано ранее, со ссылками на фиг.1-5.

На фиг.7В также очень схематично изображены эхосигналы, записываемые вторым пьезоэлектрическим устройством 112b второго канала, которые соответствуют волне 160b, испускаемой этим устройством.

Первый контрольный эхосигнал 159 соответствует части волны, которая подвергается почти полному отражению, или, по меньшей мере, известной величине отражения контрольного оптического устройства, сформированного прорезью 150.

Второй эхосигнал 161 соответствует отражению от интерфейса стекло-смола, другими словами, от интерфейса между телом акустической линзы и материалом согласования импеданса.

Третий эхосигнал 162 соответствует отражению испускаемой волны от интерфейса смола - непрерывная фаза, другими словами, между материалом согласования импеданса, который помещен на одном уровне с передней поверхностью линзы, и непрерывной фазой.

Контрольный эхосигнал используется для определения энергии или амплитуды волны сигнала, изначально испускаемого пьезоэлектрическим устройством.

Свойства отражения контрольного оптического устройства известны, следовательно, амплитуда отраженного эхосигнала пропорциональна амплитуде изначально испускаемой волны. Когда отражение контрольного оптического устройства будет полным, амплитуда контрольного эхосигнала будет равна амплитуде испускаемой волны и может непосредственно использоваться для определения степени отражения R_c непрерывной фазы.

Степень отражения R_c равна отношению амплитуды отраженной волны, другими словами, волны, соответствующей третьему эхосигналу 162, к амплитуде испускаемой волны.

Для упрощения на графиках волн, изображенных на фиг.7А и 7В, были опущены значения степени отражения среды, и все они показаны с идентичной амплитудой.

Предпочтительно, два канала акустического преобразователя включаются в разное время. Первая серия измерений может быть первоначально выполнена с использованием второго канала для определения акустического импеданса непрерывной фазы. Второй канал может использоваться на втором этапе для определения скорости распространения и плотности непрерывной фазы.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения времени распространения акустической волны в непрерывной фазе двухфазной смеси, содержащей непрерывную фазу и дисперсную фазу, сформированную в виде капелек (40) в непрерывной фазе, содержащее электроакустический преобразователь (12), способный генерировать акустические волны (30) и создавать на выходе принятый сигнал отраженных акустических волн, и средство использования сигналов преобразователя, выполненное с возможностью определения времени распространения на основании сигналов, формируемых преобразователем, отличающееся тем, что оно также содержит средство фокусирования акустических волн в области фокусирования и регулирования частоты акустических волн для обеспечения отражения волн от капелек дисперсной фазы, расположенных внутри в области фокусирования.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство фокусирования содержит акустическую линзу (16) с поверхностью (18) излучения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поверхность (18, 111) излучения акустической линзы содержит, по меньшей мере, вогнутую часть (18а, 118а), способную фокусировать акустические волны, и плоскую часть (18b, 118b), способную отражать не сфокусированные волны.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что, по меньшей мере, на одной второй поверхности, расположенной напротив и параллельно поверхности излучения акустической линзы, установлен первый пьезоэлектрический элемент (112а), соответствующий вогнутой части (118а) поверхности излучения, и второй пьезоэлектрический элемент (112b), соответствующий плоской части (118b) поверхности излучения.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что линза дополнительно содержит контрольное оптическое устройство, связанное со вторым пьезоэлектрическим элементом (112b).

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что акустическая линза содержит область, изготовленную из материала (154) согласования импеданса со свободной, плоской поверхностью, которая выполнена на одном уровне с плоской частью поверхности излучения.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что материал согласования импеданса установлен в полости (152), сформированной в акустической линзе на поверхности излучения.

8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поверхность излучения содержит противоотражающее покрытие.

9. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство использования сигналов преобразователя выполнено с возможностью определения времени задержки между первым сигналом (62), отраженным от поверхности излучения линзы, и вторым сигналом (64), отраженным от капельки дисперсной фазы, которые соответствуют одной и той же излученной акустической волне.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство использования сигналов выполнено с возможностью определения скорости V_C распространения акустической волны в непрерывной фазе с использованием уравнения

где F представляет фокусное расстояние средства фокусирования,

Т - время распространения волны.

11. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство использования сигналов содержит средство измерения амплитуды сигнала, отраженного, по меньшей мере, от одной части поверхности излучения акустической линзы для определения степени отражения R_C непрерывной фазы.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство использования сигналов также содержит средство измерения амплитуды сигнала, отраженного от капельки дисперсной фазы для определения степени отражения между непрерывной фазой и дисперсной фазой.

13. Способ определения параметров распространения акустической волны в непрерывной фазе в двухфазной смеси, содержащей непрерывную фазу и дисперсную фазу, сформированную в виде капелек (40) в непрерывной фазе, состоящий в том, что акустические волны (30), сфокусированные в области фокусирования, испускают в непрерывную фазу, причем частоту акустической волны регулируют для создания отражения на капельках дисперсной фазы, которые расположены в области фокусирования, производят запись первых сигналов волн, отраженных от капелек, определяют время распространения волны по отраженным сигналам, и скорость распространения вычисляют с учетом времени распространения и с учетом расстояния фокусировки акустической волны.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что записывают вторые отраженные сигналы акустической волны, отраженные от интерфейса между акустической линзой электроакустического преобразователя и непрерывной фазой, и также определяют степень R_C отражения непрерывной фазы путем измерения амплитуды указанных вторых сигналов.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что определяют акустический импеданс Z_C непрерывной фазы, используя следующее уравнение:

где Z_L представляет акустический импеданс материала, из которого изготовлена акустическая линза.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что определяют плотность ρ_С непрерывной фазы, используя значение величины акустического импеданса Z_C, и скорость распространения акустической волны, с использованием уравнения:

17. Способ по п.13, отличающийся тем, что степень отражения _D между непрерывной фазой и дисперсной фазой определяют на основании измерения амплитуды первых отраженных сигналов.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что степень отражения _D между непрерывной фазой и дисперсной фазой определяют путем измерения амплитуды первого отраженного сигнала и вычисляют акустический импеданс Z_D дисперсной фазы с использованием следующего уравнения:

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8