Ультразвуковой способ контроля концентрации магнитных суспензий



Ультразвуковой способ контроля концентрации магнитных суспензий
Ультразвуковой способ контроля концентрации магнитных суспензий

 


Владельцы патента RU 2520166:

Чуприн Владимир Александрович (RU)

Использование: для контроля концентрации магнитных суспензий. Сущность изобретения заключается в том, что закрепляют ультразвуковой преобразователь вблизи одного из торцов тонкой пластины, находящейся в воздухе, преобразователь изготавливают и возбуждают таким образом, чтобы в пластине распространялась нормальная волна, чувствительная к продольному импедансу жидкости, например симметричная волна Лэмба нулевого порядка, принимают эхо-сигнал, отраженный от противоположного торца пластины, измеряют его амплитуду, затем начинают погружать пластину в измерительный сосуд, в который поступает контролируемая суспензия, до ее подачи к контролируемому изделию из ферромагнитных материалов обеспечивают перемещение пластины по направлению, перпендикулярному к поверхности эмульсии, при этом движение пластины и в воздухе, и в самой эмульсии производится с постоянной скоростью V, при этом продолжают измерения амплитуды эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, с выбранной цикличностью, фиксируют момент начала погружения пластины в жидкость, например, по уменьшению амплитуды эхо-сигнала, запоминают численное значение амплитуды и момент времени, соответствующий этому уменьшению, затем включают измерение временного интервала, измеряют и запоминают численные значения амплитуды каждого n-го эхо-сигнала во время погружения, в момент времени Т, равный L/V (L - заранее выбранная глубина погружения), движение пластины прекращают, вычисляют коэффициент затухания эхо-сигналов на единицу длины и среднее значение коэффициента затухания, после чего по рассчитанному среднему значению и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии. Технический результат: повышение достоверности контроля концентраций магнитных суспензий. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю качества изделий из ферромагнитных материалов и может быть использовано для контроля и регулирования концентрации магнитных суспензий непосредственно в процессе неразрушающего автоматического контроля изделий из ферромагнитных материалов (например, осей железнодорожных вагонов) на наличие поверхностных дефектов.

Известна колба для определения концентрации магнитной суспензии (см., например, http://magnaflux. lucon-russia.ru/equipment/prinadlezhnosti/elem_tsentrobezhnaya_kolba_dlya_opredelemya_kontsent ratsii_magmtnoy_suspenzu/) производства фирмы Magnaflux. Отбор проб для заполнения колбы производится вручную. Рабочий объем колбы составляет 100 мл. Подготовка образца суспензии и выдержка образца в колбе занимают более часа. При фиксированном объеме суспензии (как правило, рабочий объем 100 мл) объем осадка на дне колбы является показателем концентрации супензии. Главными недостатками такого измерения являются крайне низкая производительность и сложность автоматизации измерений. Соответственно, в настоящее время динамический контроль состояния суспензии во время контроля качества изделий в промышленных условиях практически невозможен, хотя состав суспензии в силу разных причин может изменяться. Это оказывает негативное влияние как на обнаружение дефектов, так и на оценку их размеров.

Известны (см. Чуприн В.А. «Разработка ультразвуковых приборов для диагностики состояния технологических жидкостей», Контроль. Диагностика, №10, 2011, с.11-17) также способ и устройство для измерения параметров жидкости, основанные на возбуждении и приеме ультразвуковых нормальных волн в тонкой пластине и на сравнении амплитуд принимаемых сигналов, когда пластина находится в воздухе и когда она погружена на определенную глубину в исследуемую жидкость. Влияние жидкости на параметры нормальной волны, распространяющейся в пластине, проявляется в увеличении коэффициента затухания волны в пластине. Если возбуждают и принимают различные типы нормальных волн или дополнительно поверхностную волну, а также измеряют скорость звука в жидкости, получают систему уравнений, содержащую комбинацию параметров жидкости. Измеряя изменение амплитуд принимаемых волн при погружении пластины в жидкость по сравнению с воздухом и решая систему уравнений, находят численные значения плотности и вязкости (см. Чуприп В.А. «Разработка ультразвуковых приборов для диагностики состояния технологических жидкостей», Контроль. Диагностика, №10, 2011, с.11-17). Поскольку концентрация магнитных частиц в суспензии влияет на вышеназванные параметры жидкости, то теоретически возможно, измеряя, например, плотность суспензии, судить о концентрации суспензии.

Проведенные нами эксперименты показывают, что изменение концентрации магнитных частиц в пределах, представляющих для практики интерес (до 10%), влияют на сдвиговый импеданс магнитной эмульсии в несколько раз слабее, чем на ее продольный импеданс, так что контроль концентрации магнитных частиц, основанный на измерении сдвигового импеданса, становится практически невозможным. Поэтому для контроля концентрации магнитных частиц целесообразно использовать типы нормальных волн в тонкой пластине, которые наиболее чувствительны к величине продольного импеданса эмульсии, в частности нулевую моду симметричной волны Лэмба. Такие измерения могут обеспечить приемлемую для практических целей чувствительность в автоматическом режиме.

Однако недостатком прототипа является нестабильность измерений из-за влияния суспензии, находящейся в контакте с неподвижной пластиной, на параметры распространяющейся в пластине волны, которая проявляется в том, что амплитуда эхо-сигнала в погруженной в эмульсию пластине изменяется с течением времени, хотя концентрация суспензии не изменяется. Эта нестабильность обусловлена тем, что магнитные частицы, взвешенные в суспензии, оказавшись при вертикальном погружении пластины в первоначальный момент на ее поверхности, затем начинают с нее стекать. В результате измеряемые амплитуды сигналов становятся зависящими от интервала времени между моментом измерения и моментом погружения пластины. Если пластина расположена горизонтально, то зависимость измеряемых амплитуд от момента времени измерения также имеет место, однако в силу другой причины - из-за падения на пластину взвешенных частиц из расположенных выше слоев суспензии.

Задачей изобретения является повышение достоверности контроля концентраций магнитных суспензий путем повышения чувствительности измерений и обеспечения однозначной связи между измеряемым параметром жидкости и концентрацией магнитных частиц суспензии.

1. Поставленная цель достигается тем, что закрепляют ультразвуковой преобразователь, например призматический, вблизи одного из торцов тонкой пластины, находящейся в воздухе, преобразователь изготавливают и возбуждают таким образом, чтобы в пластине распространялась нормальная волна, чувствительная к продольному импедансу жидкости, например симметричная волна Лэмба нулевого порядка, принимают эхо-сигнал, отраженный от противоположного торца пластины, измеряют его амплитуду, затем начинают погружать пластину в контролируемую жидкость, обеспечивая перемещение пластины по направлению, перпендикулярному к поверхности эмульсии, и в самой эмульсии с постоянной скоростью V, при этом продолжают измерения амплитуды эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, с выбранной цикличностью, фиксируют момент начала погружения пластины в жидкость, например, по уменьшению амплитуды эхо-сигнала, запоминают численное значение амплитуды и момент времени, соответствующие этому уменьшению, затем включают измерение временного интервала, измеряют и запоминают численные значения амплитуды каждого n-го эхо-сигнала во время погружения, в момент времени T, равный L/V (L - заранее выбранная глубина погружения), движение пластины прекращают, вычисляют коэффициент затухания эхо-сигналов на единицу длины по формуле:

αn=[lnAn+1/An]·F/V,

где An, An+1 - амплитуды n-го и (n+1)-го эхо-сигналов;

F - частота повторения измерений;

V - скорость погружения пластины;

вычисляют среднее значение коэффициента затухания по формуле:

,

где N=T·F - число находящихся в памяти значений измеренных амплитуд эхо-сигналов; и по рассчитанному среднему значению и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят об актуальной концентрации исследуемой суспензии.

Как показала экспериментальная проверка, такая последовательность измерительных операций позволяет реализовать воспроизводимые с погрешностью не более 10% измерения α ¯ , вычисленные из нескольких циклов погружений при условии, что концентрация эмульсии не изменяется.

Описанная выше последовательность контроля и регулирования концентрации магнитной суспензии непосредственно в процессе неразрушающего автоматического контроля изделий из ферромагнитных материалов поясняется фиг.1. Ультразвуковой наклонный преобразователь 1 закрепляют на тонкой пластине 2. Угол призмы преобразователя выбран таким образом, чтобы в пластине оптимальным образом возбуждалась нулевая мода симметричной волны Лэмба. Тонкую пластину закрепляют в держателе 3, который перемещают по направляющей 4 в направлении измерительного сосуда 5 с контролируемой магнитной суспензией. Измерительный сосуд и перемещающий тонкую пластину механизм размещают на столе 6 для придания всей конструкции механической жесткости и устойчивости. Контролируемая эмульсия поступает в сосуд 5 из рабочей емкости (на фиг.1 не показана) через штуцер 8. В рабочей емкости размещена мешалка для придания смеси нужной консистенции и помпа, которая доставляет эмульсию в измерительный сосуд. Через штуцер 7 контролируемая эмульсия возвращается обратно в рабочую емкость.

Процесс контроля концентрации магнитной суспензии состоит из отдельных циклов. В каждом цикле в исходном состоянии пластина с преобразователем находится в крайнем верхнем положении и не касается суспензии. В этом положении включают генератор (на фиг.1 не показан), который возбуждает ультразвуковой преобразователь 1 с помощью последовательности электрических импульсов с частотой повторения F. В результате излученная волна Лэмба распространяется в пластине 2, отражается от ее противоположного торца и эхо-сигнал принимается тем же преобразователем (верхняя последовательность импульсов, изображенная на фиг.1). Затем включают перемещение держателя 3 в направлении сосуда с эмульсией с постоянной скоростью V и измеритель временного интервала. Фиксируют момент времени То, когда амплитуда эхо-сигнала уменьшается до некоторого заранее выбранного значения (уровень а на фиг.1), что соответствует погружению некоторой части пластины в эмульсию, включают память, в которую записывается амплитуда каждого n-го эхо-сигнала. В момент времени TL, когда пластина погрузилась на заранее выбранную глубину L=V·(TL-T0)=V·T, перемещение держателя 3 прекращается (амплитуда эхо-сигнала соответствует уровню b на фиг.1), вычисляют коэффициент затухания эхо-сигналов на единицу длины по формуле:

αn=[lnAn+1/An]·F/V,

где An, An+1 - амплитуды n-го и (n+1)-го эхо-сигналов;

F - частота повторения измерений;

V - скорость погружения пластины;

вычисляют среднее значение коэффициента затухания по формуле:

,

где N=T·F - число находящихся в памяти значений измеренных амплитуд эхо-сигналов; и по рассчитанному среднему значению и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии. Затем перемещают пластину в исходное крайнее верхнее положение, в котором контакт тонкой пластины с контролируемой эмульсией отсутствует, и цикл измерений повторяется.

2. Другая реализация поставленной цели достигается тем, что повторяется вся последовательность действий, описанная в пункте 1, вплоть до остановки погружения пластины при достижении заранее выбранной глубины L, затем в отличие от пункта 1 обнуляют и снова включают измеритель временного интервала и память, измеряют и записывают в память амплитуды каждого n-го эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, и соответствующий его приходу момент времени Tn, сравнивают каждое новое измеренное значение амплитуды n-го эхо-сигнала с несколькими m ближайшими предыдущими, например для m=3 это (n-1), (n-2) и (n-3), останавливают измерения амплитуд и временного интервала в момент времени T1, когда относительные изменения сравниваемых амплитуд эхо-сигналов δm не превышают выбранную ранее некоторую величину, например 10% от численного значения амплитуды (n-3)-го эхо-сигнала, подбирают удовлетворяющую выбранным критериям функцию, аппроксимирующую экспериментальную зависимость от времени находящихся в памяти измеренных амплитуд эхо-сигналов, и рассчитывают момент времени T, когда относительные изменения амплитуд эхо-сигналов δm при изменении времени не будут превышать некоторую выбранную величину Δ, например 0.1%, по численным значениям временных интервалов T1 и/или Т и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии.

Описанная выше последовательность измерительных шагов поясняется фиг.2. Так как при прекращении погружения пластины начинают стекать осевшие на ее поверхности магнитные частицы, то амплитуды эхо-сигналов с течением времени начинают расти быстро, а затем этот рост замедляется. Схематически этот процесс изображается на фиг.2 участком 1 кривой (сплошная линия). За время T1 в памяти накопится T1·F численных значений амплитуд и интервалов времени, отсчитанных от T=0. Используя этот набор значений, можно подобрать подходящую функцию А(Т), аппроксимирующую участок 1 экспериментальной зависимости, а затем рассчитать теоретическое время Т, по прошествии которого выполнялось бы условие δm≤Δ.

1. Ультразвуковой способ контроля концентрации магнитных суспензий в процессе неразрушающего контроля изделий из ферромагнитных материалов, заключающийся в том, что закрепляют ультразвуковой преобразователь, например призматический, вблизи одного из торцов тонкой пластины, находящейся в воздухе, преобразователь изготавливают и возбуждают таким образом, чтобы в пластине распространялась нормальная волна, чувствительная к продольному импедансу жидкости, например симметричная волна Лэмба нулевого порядка, принимают эхо-сигнал, отраженный от противоположного торца пластины, измеряют его амплитуду, затем начинают погружать пластину в измерительный сосуд, в который поступает контролируемая суспензия, до ее подачи к контролируемому изделию из ферромагнитных материалов обеспечивают перемещение пластины по направлению, перпендикулярному к поверхности эмульсии, отличающийся тем, что движение пластины и в воздухе, и в самой эмульсии производится с постоянной скоростью V, при этом продолжают измерения амплитуды эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, с выбранной цикличностью, фиксируют момент начала погружения пластины в жидкость, например, по уменьшению амплитуды эхо-сигнала, запоминают численное значение амплитуды и момент времени, соответствующий этому уменьшению, затем включают измерение временного интервала, измеряют и запоминают численные значения амплитуды каждого n-го эхо-сигнала во время погружения, в момент времени Т, равный L/V (L - заранее выбранная глубина погружения), движение пластины прекращают, вычисляют коэффициент затухания эхо-сигналов на единицу длины по формуле:
αn=[lnAn+1/An]·F/V,
где An, Аn+1 - амплитуды n-го и (n+1)-го эхо-сигналов;
F - частота повторения измерений;
V - скорость погружения пластины;
вычисляют среднее значение коэффициента затухания по формуле:
,
где N=T·F - число находящихся в памяти значений измеренных амплитуд эхо-сигналов; и по рассчитанному среднему значению и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после погружения тонкой пластины на выбранную глубину обнуляют и снова включают измеритель временного интервала и память, в которую записывают амплитуды каждого n-го эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, и соответствующий его приходу момент времени Tn, сравнивают каждое новое измеренное значение амплитуды n-го эхо-сигнала с несколькими m ближайшими предыдущими амплитудами, например для m=3 это (n-1), (n-2) и (n-3), останавливают измерения амплитуд и временного интервала в момент времени T1, когда относительные изменения сравниваемых амплитуд эхо-сигналов δm не превышают выбранную ранее некоторую величину, например 10% от численного значения амплитуды (n-3)-го эхо-сигнала, подбирают удовлетворяющую выбранным критериям функцию, аппроксимирующую экспериментальную зависимость от времени находящихся в памяти измеренных амплитуд эхо-сигналов, и рассчитывают момент времени Т, когда относительные изменения амплитуд эхо-сигналов δm при изменении времени не будут превышать некоторую выбранную величину Δ, например 0.1%, по численным значениям временных интервалов T1 и/или T и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии.



 

Похожие патенты:

Устройство (10) для анализа текучего вещества (18) объемом V содержит фильтр (12), который имеет поверхность фильтра (14) площадью A. При этом фильтр выполнен с возможностью пропускания текучего вещества через поверхность фильтра, объемная плотность потока текучего вещества, усредненная по поверхности фильтра, равна j mean.

Изобретение относится к области изготовления полимерных нанокомпозитов, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов в космической, авиационной, строительной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к способам контроля степени загрязнения моющих растворов минеральными примесями, смытыми с шерсти, при ее промывке в моечных агрегатах. Способ включает измерение плотности моющего раствора в г/см3 с одновременным измерением температуры испытуемого раствора в ванне моечного агрегата с последующим определением с помощью трехкоординатной номограммы по плотности в г/см3 и температуре в °C сухого остатка моющего раствора в г/дм3.

Изобретение относится к способу и устройству датчика для определения величины целевых частиц на контактной поверхности, прилегающей к пробоотборной камере, в которой могут обеспечиваться целевые частицы.

Изобретение относится к технической диагностике агрегатов машин, имеющих замкнутую систему смазки, и предназначено для анализа содержания продуктов загрязнения в работающем масле и экспресс-диагностики технического состояния машин.

Изобретение относится к способу оценки концентрации смолоподобных веществ в водной суспензии титрованием и может быть использовано в области экспериментальной и промышленной биотехнологии.

Изобретение относится к производству фильтров для улавливания твердых частиц с содержанием ферромагнитных примесей и может быть использовано для количественной оценки в закрытых трубопроводах ферромагнитных частиц в жидкости и газе.

Изобретение относится к пограничной области между физикой, химией и биологией. .

Изобретение относится к способу и устройству для обнаружения загрязнений в текучей среде (1). Причем текучая среда (2), загрязненная частицами, подается с помощью первого дозирующего насоса (3) на устройство (4) для измерения загрязненности или плотности частиц в загрязненной текучей среде. Указанные способ и метод характеризуются тем, что текучая среда (2), загрязненная частицами, перед поступлением на устройство (4) для измерения загрязненности смешивается с очищенной текучей средой (5) в заданном соотношении. Затем осуществляют измерение плотности частиц или загрязненности смешанной текучей среды (6), и с помощью вычислительного устройства (7) определяется плотность частиц или загрязненность загрязненной текучей среды (2). Техническим результатом является обеспечение возможности определения степени загрязнения текучей среды. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

Использование: для измерения продольного и сдвигового импендансов жидкостей. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью ультразвукового преобразователя возбуждают в двух тонких волноводах различные нулевые моды нормальных волн, измеряют коэффициенты затухания каждого типа волны в волноводах и рассчитывают продольный и сдвиговый импедансы исследуемой жидкости, при этом волноводы акустического блока изготавливают в виде тонких полос различной толщины, возбуждают в них нулевую моду волны Лэмба, калибруют акустический блок путем последовательного измерения в обоих волноводах коэффициентов затухания нулевой моды волны Лэмба при их последовательном погружении в две жидкости с известными продольным и сдвиговым импедансами, из полученных уравнений рассчитывают коэффициенты, связывающие импедансы жидкости с коэффициентом поглощения волны Лэмба в волноводах, затем погружают волноводы в исследуемую жидкость, измеряют коэффициенты затухания нулевой моды волны Лэмба в обоих волноводах и с помощью найденных численных значений коэффициентов по известным соотношениям рассчитывают продольный и сдвиговый импедансы исследуемой жидкости. Технический результат: обеспечение возможности автоматического контроля состояния жидкостей в условиях их эксплуатации без измерения нулевой моды горизонтально поляризованной нормальной волны. 2 ил.

Изобретение относится к определению объемной концентрации мелкодисперсных взвешенных частиц в потоке жидкости или газа и может быть использовано для непрерывного контроля процессов очистки воды в биологических очистных сооружениях. Проточная измерительная ячейка устройства выполнена в виде усеченного прозрачного или с прозрачными окнами конуса, в который вставлен и зафиксирован на заданном расстоянии от стенок ячейки сплошной или пустотелый прозрачный стержень конической формы таких размеров и таким образом, что разность квадрата внутреннего радиуса ячейки и квадрата наружного радиуса прозрачного стержня, измеренных в одном сечении ячейки, постоянна для всех сечений ячейки. Источник света содержит делитель светового потока, обеспечивающий сканирование световым лучом сечений ячейки по всей длине ячейки, а фотоприемник выполнен в виде линейки отдельных фотоприемников, содержащей как минимум два независимых фотоприемника. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Группа изобретений относится к контролю (мониторингу) содержания механических примесей в потоках жидких сред. Способ контроля содержания механических примесей в рабочих жидкостях, в частности в жидком углеводородном топливе, заключается в том, что поток топлива пропускают, поддерживая постоянный расход, через систему фильтрующих перегородок с последовательно уменьшающимися размерами пор, при этом измеряют давление перед каждой фильтрующей перегородкой и давление за ней, вычисляют на основании изменения разности давлений гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки по времени, затем по полученным данным определяют степень засорения фильтрующей перегородки путем сравнения с имеющимися тарировочными данными, показывающими изменение гидравлического сопротивления фильтрующей перегородки в зависимости от содержания механических примесей, и на основе этих данных определяют количество в топливе механических примесей определенного размера. Также описано устройство и система для реализации способа. Достигается оперативный контроль (мониторинг) наличия в топливе механических примесей, их весового количества и распределения частиц по размерным диапазонам при оценке эффективности схемы подготовки топлива. 3 н. и 4 з.п. ф-лы,2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения концентрации сажи в моторном масле двигателей внутреннего сгорания. Заявленное изобретение касается способа определения концентрации сажи в моторном масле двигателей внутреннего сгорания, при котором определенное количество моторного масла с определенной скоростью течения направляется вдоль измерительного участка (2) и/или через него. Моторному маслу в области измерительного участка (2) подается энергия по меньшей мере от одного источника (13) энергии таким образом, что содержащиеся в моторном масле частицы сажи по меньшей мере частично поглощают эту энергию. Затем количество энергии, поглощенное в области участка (2) измерения, регистрируется и исходя из этого определяется концентрация сажи в моторном масле. Кроме того, заявлено устройство для определения концентрации сажи в моторном масле двигателей внутреннего сгорания. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх