Способ и устройство для определения плотности веществ
Владельцы патента RU 2327141:
ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ГОСУДАРСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО "РАДУГА" ИМЕНИ А.Я. БЕРЕЗНЯКА" (RU)
Изобретение может быть использовано для определения теплофизических характеристик веществ. Способ заключается в температурном воздействии на поверхность образца измеряемого вещества и измерении его температуры при условии использования геометрически одинаковых образцов измеряемого и эталонного веществ и одинаковом расположении в образцах источников и дистанцированных от них приемников температурного воздействия. Первоначально задают периодическое независимое и одинаковое знакопеременное температурное воздействие на поверхность образцов, определяют температуру измеряемого и эталонного образцов и посредством фазового детектора измеряют рассогласование фазы измеренных температур. Затем подстраивают частоту температурного воздействия на образец измеряемого вещества так, что выполняется условие равенства фаз измеренных температур в образцах измеряемого и эталонного веществ, измеряют соотношение частот изменения знака температурного воздействия, а плотность измеряемого вещества вычисляют в соответствии с установленным математическим выражением. Техническим результатом является повышение быстродействия измерений, автоматизация процесса и упрощение технических средств для его осуществления. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Предлагаемые способ и устройство относятся к области измерения физических величин, в частности плотности, и могут быть применены 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 способу является принятый за прототип способ определения плотности материалов - заявка на изобретение №94018595, включающий адиабатическое тепловое воздействие на поверхность исследуемого материала, измерение зависимости температуры от времени в месте приложения источника тепла, по которой вычисляют значение интеграла температуры поверхности по времени, а плотность находят по калибровочной зависимости. Общими с предлагаемым техническим решением являются следующие признаки - способ определения плотности вещества включает температурное воздействие на поверхность образца и измерение его температуры.
Устройство-прототип для реализации данного способа содержит 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, является наличие электрического источника тепла и измерителя температуры.
В связи с большим временем интегрирования, требуемым для повышения разрешающей способности данного метода, способ и устройство-прототип сложно поддаются автоматизации и имеют большую инерционность.
Технической задачей, на решение которой направлены предлагаемый способ и устройство, является повышение быстродействия измерений, автоматизация данного процесса и упрощение технических средств для его осуществления.
Для решения данной технической задачи в способе определения плотности вещества, заключающемся в температурном воздействии на поверхность образца измеряемого вещества и измерении его температуры, при условии использования геометрически одинаковых образцов измеряемого и эталонного веществ и одинаковом расположении в образцах источников и дистанцированных от них приемников температурного воздействия, первоначально задают периодическое независимое и одинаковое знакопеременное температурное воздействие на поверхность образцов, определяют температуру измеряемого и эталонного образцов и посредством фазового детектора измеряют рассогласование фазы измеренных температур, а затем подстраивают частоту температурного воздействия на образец измеряемого вещества так, что выполняется условие равенства фаз измеренных температур в образцах измеряемого и эталонного веществ, измеряют соотношение частот изменения знака температурного воздействия, а плотность измеряемого вещества вычисляют в соответствии с уравнением
где ρu и ρэ - плотность соответственно измеряемого и эталонного веществ,
fu и fэ - частота изменения знака температурного воздействия соответственно на поверхность образцов измеряемого и эталонного веществ,
при этом частоту изменения знака температурного воздействия на поверхность образца эталонного вещества выбирают следующей
где Тэ - период смены знака теплового воздействия, равный
где mэ - масса образца эталонного вещества (кг),
λэ - длина волны - расстояние между источником температурного воздействия и измерителем температуры (м),
Тк - температура образцов измеряемого и эталонного вещества (К).
Для реализации данного способа наиболее простым конструктивно и эффективным является устройство для измерения плотности вещества, содержащее 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 способа являются следующие - при условии использования геометрически одинаковых образцов измеряемого и эталонного веществ и одинаковом расположении в образцах источников и дистанцированных от них приемников температурного воздействия, первоначально задают периодическое независимое и одинаковое знакопеременное температурное воздействие на поверхность образцов, определяют температуру измеряемого и эталонного образцов и посредством фазового детектора измеряют рассогласование фазы измеренных температур, а затем подстраивают частоту температурного воздействия на образец измеряемого вещества так, что выполняется условие равенства фаз измеренных температур в образцах измеряемого и эталонного веществ, измеряют соотношение частот изменения знака температурного воздействия, а плотность измеряемого вещества вычисляют в соответствии с уравнением
где ρu и ρэ - плотность соответственно измеряемого и эталонного веществ,
fu и fэ - частота изменения знака температурного воздействия соответственно на поверхность образцов измеряемого и эталонного веществ,
при этом частоту изменения знака температурного воздействия на поверхность образца эталонного вещества выбирают следующей:
где Тэ - период смены знака теплового воздействия, равный
где mэ - масса образца эталонного вещества (кг),
λэ - длина волны - расстояние между источником температурного воздействия и измерителем температуры (м),
Тк - температура образцов измеряемого и эталонного вещества (К).
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 быстродействие измерений и упрощаются технические средства для его осуществления.
Предложенные технические решения могут найти применение при измерении плотности различных веществ, находящихся как в газообразном, жидком, так и твердом состоянии.
Предлагаемое устройство и способ определения плотности поясняются чертежом.
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 условием 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 реализует заявленный способ 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
где Δl - глубина проникновения тепловой волны [м],
ω - частота фазовых переходов волны или орбитальный период волн [1/с],
αт 2 - температуропроводность [м2/с].
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:
где λ - длина микроволны;
Δl - элементарная волна;
R - сопротивление движению элементарных волн в микроволне [Ом].
ε=m·U2,
где m - масса вещества,
откуда следует
U2·Т=αт 2, откуда следует:
Из уравнения [2] и [5] следует
откуда следует:
откуда следует:
- тепловая энергия волны.
Тогда получим q2·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
где Тк - температура в Кельвинах.
В тепловых волнах длина волн находится в диапазоне размера газодинамического атома
т.е. λ=0,529·10-10 м, откуда следует
Если температуру, среднюю за период, выбрать равной 300К, то получим 
Если выбрать массу эталонной среды ≈0,03 кг, 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.
1. Способ определения плотности вещества, заключающийся в температурном воздействии на поверхность образца измеряемого вещества и измерении его температуры, отличающийся тем, что при условии использования геометрически одинаковых образцов измеряемого и эталонного веществ и одинаковом расположении в образцах источников и дистанцированных от них приемников температурного воздействия, первоначально задают периодическое независимое и одинаковое знакопеременное температурное воздействие на поверхность образцов, определяют температуру измеряемого и эталонного образцов и посредством фазового детектора измеряют рассогласование фазы измеренных температур, а затем подстраивают частоту температурного воздействия на образец измеряемого вещества так, что выполняется условие равенства фаз измеренных температур в образцах измеряемого и эталонного веществ, измеряют соотношение частот изменения знака температурного воздействия, а плотность измеряемого вещества вычисляют в соответствии с уравнением:
где ρи и ρэ - плотность соответственно измеряемого и эталонного веществ;
fи и fэ - частота изменения знака температурного воздействия соответственно на поверхность образцов измеряемого и эталонного веществ;
при этом частоту изменения знака температурного воздействия на поверхность образца эталонного вещества выбирают следующей:
где Тэ - период смены знака теплового воздействия, равный:
где mэ - масса образца эталонного вещества, кг;
λэ - длина волны - расстояние между источником температурного воздействия и измерителем температуры, м;
Тк - температура образцов измеряемого и эталонного вещества, К.
2. Устройство для определения плотности вещества, содержащее 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 теплоизолированнык друг от друга и управляемых 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.
