Способ измерения продольного и сдвигового импендансов жидкостей



Способ измерения продольного и сдвигового импендансов жидкостей
Способ измерения продольного и сдвигового импендансов жидкостей

 

G01N29/028 - Исследование или анализ материалов с помощью ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн; визуализация внутреннего строения объектов путем пропускания через них ультразвуковых или звуковых волн через предметы (G01N 3/00-G01N 27/00 имеют преимущество; измерение или индикация ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн вообще G01H; системы с использованием эффектов отражения или переизлучения акустических волн, например акустическое изображение G01S 15/00; получение записей с помощью способов и устройств, аналогичных используемым в фотографии, но с использованием ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн G03B 42/06)

Владельцы патента RU 2529634:

Чуприн Владимир Александрович (RU)

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 ультразвуковым методам измерения параметров технических жидкостей и может быть использовано при разработке и изготовлении приборов для контроля и регулирования плотности и вязкости жидкостей.

Известно [1], что, если с помощью наклонного ультразвукового преобразователя в тонком волноводе (толщина, которого много меньше длины распространяющейся в нем волны) возбудить либо нулевую моду симметричных нормальных волн вертикальной, либо горизонтальной поляризаций, то, измерив коэффициенты затухания волны в свободном волноводе и в погруженном в жидкость, можно после соответствующей калибровки рассчитать продольный Z l L и сдвиговый Z S L импедансы контактирующей жидкости. Продольный импеданс жидкости равен

Z l L = ρ L c l L ,

где ρL - плотность исследуемой жидкости;

c l L - скорость звука в исследуемой жидкости.

Сдвиговый импеданс жидкости равен

Z S L = η S ρ L ω / 2 ,

где ηS - сдвиговая вязкость исследуемой жидкости,

ρL - плотность исследуемой жидкости;

ω - круговая частота ультразвуковых колебаний.

Измеряя дополнительно скорости распространения каждой из нормальных волн в волноводе и продольной волны в жидкости и используя измеренные численные значения обоих волновых импедансов, можно рассчитать численные значения плотности и сдвиговой вязкости исследуемой жидкости.

Существенный недостаток известного способа связан с тем, что для нахождения численного значения сдвигового импеданса жидкости используется нулевая мода горизонтально поляризованной нормальной волны. Наиболее эффективным способом возбуждения таких волн в волноводе является преобразование объемной сдвиговой волны 1 в горизонтально поляризованную нормальную волну 2 за счет падения первой на боковую поверхность волновода 3 под соответствующим углом, определяемым призмой преобразователя 4 (фиг.1). Такая трансформация реализуется, как правило, с помощью наклонных преобразователей, в которых объемная сдвиговая волна возбуждается с помощью пьезокерамического элемента, поляризованного специальным способом. Поэтому цена таких пьезоэлементов существенно превосходит цену пьезоэлементов для излучения/приема продольных волн. Монокристаллические пьезоэлементы сдвиговых волн оказываются еще более дорогими. Кроме того, связь между преобразователем и волноводом должна обеспечить передачу сдвиговых напряжений. Поэтому она осуществляется путем приклеивания преобразователя к волноводу. Это делает конструкцию неразборной, что существенно усложняет сборку и настройку акустического блока. В связи с этим отказ от использования горизонтально поляризованных волн понижает стоимость и упрощает конструкцию акустического блока.

Целью изобретения является разработка ультразвукового способа автоматического контроля состояния жидкостей в условиях их эксплуатации путем измерения их плотности и сдвиговой вязкости на основе измерения амплитуд нормальных волн, распространяющихся в двух волноводах, при котором исключено использование нулевой моды горизонтально поляризованной нормальной волны, что позволяет упростить и удешевить акустический блок прибора.

Поставленная цель достигается тем, что 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.

Физической основой предлагаемого способа являются следующие теоретические результаты. Дисперсионное уравнение для симметричных нормальных волн вертикальной поляризации (волн Лэмба) получено в [2]. Используя это уравнение, можно показать, что коэффициент затухания α нулевой моды такой волны в тонком волноводе с погрешностью, не превышающей 2%, может быть представлен в виде

α = a Z l L d + b Z S L d ,                                                (1)

где a и b - коэффициенты, являющиеся функциями параметров волновода: скоростей распространения в нем продольной, сдвиговой и нулевой моды симметричной нормальной волны,

d - толщина волновода.

Эксперименты показывают [3], что изменения скорости нулевой моды симметричной нормальной волны под влиянием контакта волновода с жидкостью не превышают 0.2%. Поэтому при точности измерений в единицы процентов коэффициенты могут считаться постоянными и не зависящими от толщины волновода. Численные значения этих коэффициентов можно найти с помощью калибровки. Калибровка состоит в измерении α1, и α2, когда волновод, в котором возбуждена нулевая мода симметричной волны Лэмба, погружают последовательно в две жидкости с известными импедансами ( Z l L ) 1 , ( Z S L ) 1 , ( Z l L ) 2 , ( Z S L ) 2 , т.е. плотностями ( ρ c a l ) 1 , и ( ρ c a l ) 2 , скоростями распространения продольных волн ( c c a l ) 1 , и ( c c a l ) 2 и сдвиговыми вязкостями ( η c a l ) 1 и ( ρ c a l ) 2 . Затем решают систему из двух уравнений (1) относительно коэффициентов a и b.

( α c a l ) 1 = α ( Z l L ) 1 d 1 + b ( Z S L ) 1 d 1 ;

( α c a l ) 2 = α ( Z l L ) 2 d 2 + b ( Z S L ) 2 d 2 .

После определения коэффициентов a и b и измерения коэффициентов затухания нулевой моды симметричной нормальной волны ( α 1 ) x и ( α 2 ) x в двух волноводах толщиной d1 и d2 можно вычислить оба импеданса ( Z l L ) x и ( Z S L ) x исследуемой жидкости:

( α 1 ) x = a ( Z l L ) x d 1 + b ( Z S L ) x d 1 ;

( α 2 ) x = a ( Z l L ) x d 2 + b ( Z S L ) x d 2 ,

Блок-схема такого акустического блока приведена на фиг.2. Наклонные преобразователи 1 возбуждают в волноводах 2 и 3 (толщина d1 и d2) нулевую моду волны Лэмба. Оба волновода погружены в жидкость 4, находящуюся в сосуде 5. Для нахождения плотности и вязкости жидкости дополнительно измеряют скорость распространения продольной волны в исследуемой жидкости. Затем последовательно вычисляют плотность, сдвиговую и, при необходимости, кинематическую вязкости жидкости. Численные значения частоты нулевой моды симметричной волны Лэмба, необходимые для расчета сдвиговой вязкости, должны быть либо известны из параметров генератора или измерены одним из известных способов.

Литература

1. Chuprin V., Gitis M. Measurements of the Material Properties of Liquids Using Normal Acoustic Plate Waves / Proceed. 18th World Confer. NDT. Durban, 2012.

2. Zhu Z, Wu J. The propagation of Lamb waves in a plate bordered with a viscous liquid. J. Acoust. Soc. Am. 1995. v.98(2). Pt.1. pp.1057-1064.

3. Чуприн В.А. Экспериментальное исследование характеристик акустического поля нулевых нормальных мод колебаний тонких пластин // Акуст. журн. 2013. Т.59. №1. С.122-133.

Способ измерения продольного и сдвигового импедансов жидкостей, заключающийся 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,
отличающийся тем, что, с целью упрощения и удешевления акустического блока, 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам неразрушающего контроля структуры и дефектов металлических изделий и может быть использовано при изготовлении образцов для тестирования и настройки установок ультразвукового контроля проката (УЗК).

Изобретение относится к неразрушающим методам производственного контроля и может найти применение при анализе различных волоконных материалов в промышленности.

Использование: для возбуждения и приема симметричных и антисимметричных волн в тонких волноводах. Сущность изобретения заключается в том, что на поверхности волновода закрепляют ультразвуковой преобразователь, который присоединяют к генератору и приемнику электрических сигналов, затем прикладывают электрическое напряжение к преобразователю таким образом, чтобы в волноводе в направлении, перпендикулярном к его оси, излучалась объемная, например, продольная волна, затем принимают, усиливают и обрабатывают эхо-сигнал, создаваемый нормальной волной, возникающей в волноводе за счет частичной трансформации в нем объемной волны в нормальную, при этом дополнительно закрепляют на противоположной стороне волновода соосно к первому преобразователю ультразвуковой преобразователь, акустические параметры которого в пределах не более ±5% отличаются от параметров первого преобразователя, причем электрическое соединение обоих преобразователей производят таким образом, чтобы фазы излучаемых и принимаемых ими сигналов либо совпадали (для случая симметричных нормальных волн), либо имели противоположные знаки (для случая антисимметричных нормальных волн), для чего при излучении и приеме симметричных нормальных волн оба преобразователя электрически соединяют параллельно, а при излучении и приеме антисимметричных нормальных волн преобразователи возбуждают электрическим напряжением противоположной полярности и присоединяют оба преобразователя к различным входам дифференциального усилителя или оба преобразователя электрически соединяют параллельно, а их пьезоэлементы поляризуют в противоположных направлениях.

Использование: для определения типа дефекта в металлических изделиях. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют импульсное облучение исследуемой зоны ультразвуковым излучением, регистрацию исходного отраженного сигнала, его компьютерную обработку для определения информативных параметров, по которым судят о наличии и типе дефекта, при этом к исходному отраженному сигналу от каждого обнаруженного дефекта применяют преобразование Гильберта, получая аналитический сигнал, затем вычисляют модуль аналитического сигнала, получая огибающую исходного сигнала, на огибающей находят моменты времени t0, t1, и t2, соответствующие максимуму амплитуды огибающей и половине ее максимального значения слева и справа от максимума, применяя непрерывное вейвлетное преобразование к аналитическому сигналу, по определенной формуле находят зависимость мгновенной частоты от времени, на которой выбирают для дальнейшего анализа частоты ƒ0, ƒ1 и ƒ2, соответствующие моментам времени t0, t1, и t2, затем используя частоты ƒ0, ƒ1 и ƒ2 формируют новые безразмерные параметры - нормированные девиации частоты ƒr1 и ƒr2, отображают значения ƒr1 и ƒr2 в виде точки на двумерной диаграмме, по расположению которой в определенной области диаграммы судят о типе дефекта.

Изобретение относится к лесной, деревообрабатывающей промышленности и может быть использовано при сертификации древесины на корню в условиях лесного хозяйства и лесозаготовок, а также при сертификации древесины круглых и пиленых древесных материалов в условиях переработки древесного сырья и механической обработки древесины.

Использование: для контроля перемешивания среды в виде сырой нефти в резервуаре. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе перемешивания поочередно каждым обратимым электроакустическим преобразователем излучают широкополосный акустический сигнал через среду к другим обратимым электроакустическим преобразователям, принимают и преобразуют эти сигналы другими, за исключением излучившего этот широкополосный акустический сигнал, обратимыми электроакустическими преобразователями в соответствующие принятые электрические сигналы, при этом обработку принятых электрических сигналов осуществляют путем вычисления взаимных корреляционных функций каждого из принятых электрических сигналов с широкополосным электрическим сигналом, вычисляют общую ширину корреляционных откликов, о завершении перемешивания нефти судят по стабилизации общей ширины корреляционных откликов.
Использование: для неразрушающего контроля труб. Сущность изобретения заключается в том, что излучают внутрь трубы с одного ее конца серию повторяющихся зондирующих акустических сигналов, разделенных интервалами времени между их повторами в серии, детектируют с помощью микрофона отраженные от дефектов внутреннего объема трубы сигналы, измеряют отраженные сигналы и усредняют результаты по всем измерениям серии сигналов, определяют характер дефекта по амплитудно-временным характеристикам усредненного сигнала, при этом длительность интервалов времени между повторами зондирующих акустических сигналов в серии изменяют от сигнала к сигналу в серии таким образом, чтобы интервал времени перед каждым последующим сигналом отличался от предыдущих интервалов времени на величину не менее длительности зондирующего акустического сигнала.

Использование: для контроля конструкций с использованием ультразвука в пространствах с малым зазором. Сущность: заключается в том, что контрольный сканер [1000] имеет низкопрофильное строение, предназначенное для вхождения в узкие пространства и контроля конструкций [10], например сварных соединений [13].

Использование: для определения упругих констант делящихся материалов при повышенных температурах. Сущность заключается в том, что установка для определения упругих констант делящихся материалов при повышенных температурах содержит звуководы, снабженные акустическими изоляторами, между концами звуководов размещен образец из делящегося материала, а на противоположных коцах установлены пьезоэлектрические преобразователи, соединенные с генератором и регистрирующей аппаратурой, при этом образец и часть звуководов окружены нагревателем и помещены они в вакуумную камеру, при этом образец соединен с термопарой, вакуумная рабочая камера помещена в герметичный перчаточный бокс и имеет рубашку охлаждения и протоки охлаждения проточной водой.

Использование: для ультразвукового моделирования. Сущность: заключается в том, что получение температурной модели поверхности (3) объекта (2) с использованием ультразвуковых преобразователей (4, 5) содержит этапы, на которых итерационно корректируют температурную модель с использованием измеренных значений времени прохождения ультразвуковых волн и их основанными на модели прогнозами.

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.

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.

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 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.
Наверх