УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АДИАБАТИЧЕСКОЙ СЖИМАЕМОСТИ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 1994 года по МПК G01N11/00 

Изобретение относится к исследованию физических свойств веществ и конкретно к измерению и оценке упругих параметров жидкостей, используемых в качестве смазочных материалов в узлах трения, а также во всевозможных гидросистемах.

Известное устройство для определения количества нерастворенного в жидкости газа, предназначенное для оценки сжимаемости рабочих жидкостей гидросистемы, содержащее компрессионную измерительную камеру, при заполнении которой происходит герметизация ее специальными приспособлениями. Сжатие исследуемой жидкости выполняется плунжером-деформатором, имеющим систему нагружения. Изменение объема жидкости регистрируется индикатором перемещения, взаимодействующим с плунжером. Работа устройства основана на измерении изменения объема жидкости ΔV_о при фиксированном нагружении ΔР и известном начальном объеме жидкости V_о [1].

Недостатками известного устройства являются невозможность измерения адиабатической динамической сжимаемости жидкостей, т.е. сжимаемости жидкостей при циклических нагрузках, часто реализуемых при эксплуатации машин, а также громоздкость конструкции, обусловленная наличием специальных приспособлений для герметизации.

Известно также устройство для измерения сжимаемости жидкостей, состоящее из компрессионной измерительной камеры с подводящими и отводящими каналами, плунжера-деформатора, установленного в компрессионной камере, системы нагружения и индикатора перемещения плунжера, причем в теле плунжера выполнены каналы, взаимодействующие с подводящим и отводящим каналами компрессионной измерительной камеры. Система нагружения представляет собой груз заданной массы, действующий на верхнюю часть плунжера. Работа устройства основана на измерении изменения единицы объема с помощью индикатора перемещения при увеличении давления, вызванного грузом заданной массы [2].

Недостатком известного устройства является невозможность измерения адиабатической сжимаемости жидкостей, обусловленная тем, что нагружатель-деформатор и индикатор перемещения рассчитаны только на статическую нагрузку. Жидкости же в реальных условиях эксплуатации подвергаются, как правило, циклическим динамическим нагрузкам и, следовательно, необходимо знать именно адиабатическую динамическую сжимаемость объектов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству является устройство для измерения комплексного коэффициента адиабатической сжимаемости жидкостей, содержащее генератор синусоидальных колебаний, усилитель мощности, измерительную компрессионную камеру с исследуемой жидкостью и с вмонтированными в камеру деформатором, мембраной, датчиком давления, подключенным к первому регистрирующему прибору, сумматор, первым входом подключенный к датчику давления, вторым - к выходу усилителя мощности, а выходом - к второму регистрирующему прибору [3].

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является невысокая точность измерения адиабатической динамической сжимаемости жидкостей. Указанный недостаток обусловлен тем, что в устройстве в качестве деформатора используется стопка пьезопреобразователей, нагруженная через диафрагму на исследуемую жидкость и обеспечивающая незначительные деформации ( Δl ≈ 2 - 10^-5 мм [ 1 ], где Δl - удлинение стопки пьезопреобразователей при подаче на них напряжения). Так как непосредственно измерить такую незначительную деформацию не представляется возможным, то в прототипе предлагается косвенный метод оценки: предполагается, что деформация Δl является линейной функцией напряжения на пьезопреобразователе:
Δl = k ˙U_вх, (1) где k - постоянный коэффициент, и для расчета адиабатической сжимаемости βпредлагается формула
U_вх/U_вых = a + bβ , (2) где U_вых - напряжение на выходе датчика давления ( U_вых ≈ ΔP- изменение давления в объеме); а и b - аппаратурные константы.

Коэффициент а обусловлен тем, что стенки компрессионной камеры не абсолютно жестки, величины k, b связаны с пьезоэлектрической постоянной, числом пьезопреобразователей в стопке, объемом камеры, а также акустическим сопротивлением исследуемой жидкости. Величины a, b, k определяются в прототипе по измерениям в эталонной жидкости с известной адиабатической сжимаемостью, при этом считается, что полученные таким образом значения a, b, k также пригодны для случая измерений в любой исследуемой жидкости. Однако любая жидкость характеризуется своей собственной величиной сжимаемости, упругости и акустического сопротивления и, следовательно, для стопки пьезопреобразователей, нагруженной на такие различные жидкости, коэффициент k различен. Таким образом, в устройстве, принятом за прототип, величина изменения объема ΔV непосредственно не измеряется, а оценивается из соотношения (1), в котором коэффициент k считается постоянным и независимым от исследуемой жидкости. Реально коэффициент k для пьезопреобразователя существенно зависит от упругости и волнового сопротивления исследуемой среды [1]. Пренебрежение этим фактором приводит к существенным ошибкам в определении истинного значения адиабатической сжимаемости жидкостей по формуле (2).

Целью изобретения является повышение точности измерений.

В соответствии с изобретением цель достигается тем, что устройство для измерения адиабатической сжимаемости жидкости, содержащее последовательно соединенные генератор синусоидальных колебаний, усилитель мощности, измерительную компрессионную камеру с расположенными в ней деформатором, мембраной и датчиком давления, подключенным к первому регистрирующему прибору, снабжено измерителем перемещения мембраны, двумя регистрирующими приборами и сумматором, причем измеритель перемещения подключен к второму регистрирующему прибору и к первому входу сумматора, к второму входу которого подключен выход датчика давления, а выход сумматора подключен к входу третьего регистрирующего прибора, при этом деформатор выполнен в виде магнитострикционного преобразователя.

В предпочтительном варианте выполнения устройства магнитострикционный преобразователь состоит из соленоида и сердечника, выполненного в виде стопки ферритовых колец и механически связанного с мембраной измерительной компрессионной камеры.

В другой возможной конкретной форме выполнения измеритель перемещения выполнен в виде оптоэлектронной системы, состоящей из источника света и фотодатчика, жестко установленных на неподвижной опоре и оптически связанных через зеркало, закрепленное на мембране измерительной компрессионной камеры.

Измеритель перемещения может быть выполнен в виде пьезопреобразователя, соединенного с мембраной измерительной компрессионной камеры, и поджатого к нему токосъемника, жестко укрепленного на неподвижной опоре.

На чертеже показана функциональная схема устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 синусоидальных колебаний, усилитель 2 мощности, измерительную компрессионную камеру 3 с исследуемой жидкостью 4 и с вмонтированными в нее деформатором 5, подключенным к выходу усилителя 2 мощности, мембраной 6, передающей нагрузку от деформатора 5 на исследуемую жидкость 4, датчиком 7 давления, подключенным к первому регистрирующему прибору 8 и к первому входу сумматора 9. Выход сумматора 9 подключен к входу второго регистрирующего прибора 10. Измеритель 11 перемещений оптомеханически связан с мембраной 6 и подключен выходом к второму входу сумматора 9 и к входу третьего регистрирующего прибора 12.

Измеритель 11 перемещений выполнен в виде пьезопреобразователя, плоско закрепленного на мембране 6 измерительной компрессионной камеры 3, и поджатого к нему токосъемника, жестко укрепленного на неподвижной опоре и подключенного к второму входу сумматора 9 и к входу третьего регистрирующего прибора 12. Генератор 1 синусоидальных колебаний и усилитель 2 мощности представляют собой стандартные, выпускаемые промышленностью приборы типа Г6-29 (генератор сигналов специальной формы) и 100У-101. Деформатор 5 выполнен в виде магнитострикционного преобразователя, состоящего из соленоида 13, намотанного на катушку 14 из оргстекла, и сердечника 15. Сердечник представляет собой стопку ферритовых колец 16: один конец стопки вместе с катушкой 14 закреплен на неподвижной опоре 17, другой через мембрану 6 нагружен на исследуемую жидкость 4. Соленоид 13 подключен к усилителю мощности. При прохождении переменного тока частотой f в соленоиде возбуждается переменное магнитное поле и реализуется эффект магнитострикции, в результате которого ферритовый сердечник при наличии постоянного подмагничивания деформируется с частотой f. Изготовление сердечника из стопки ферритовых колец позволяет увеличить собственную частоту сердечника f_о (f_оопределяется толщиной одного кольца h_к, f_о ≈ 1/h_к), при этом величина деформации сердечника становится слабо зависящей от частоты f переменного тока по крайней мере в используемом диапазоне частот от 0,1 Гц до 10 кГц. Выполненный таким образом деформатор позволяет получать деформации Δl величиной 10 мкм, что более чем на порядок превышает значение Δl, реализуемое стопкой пьезопреобразователей в прототипе. Кроме того, наличие полости 18 в сердечнике 15 позволяет подвести к мембране 6 измеритель перемещений для непосредственного измерения величины деформации Δl. В прототипе величина Δl определяется косвенно (см. формулу (1)).

Измеритель 11 перемещений выполнен в виде оптоэлектронной системы: на мембране измерительной компрессионной камеры 3 со стороны внутренней полости 18 деформатора крепится плоское зеркало 19, в эту же полость вводится держатель 20, жестко установленный на неподвижной опоре 17, с помещенным на нем источником 21 света и фотодатчиком 22. От источника 21 света сфокусированный оптический луч падает под некоторым углом на плоское зеркало 19, отражается и попадает на активную зону фотодатчика 22. При осциллирующих перемещениях мембраны 6, а вместе с ней и зеркала 19 площадь засвета активной зоны фотодатчика 22 периодически изменяется и, следовательно, периодически изменяется и, следовательно, периодически изменяется величина выходного напряжения U_ф на выходе фотодатчика 22. Таким образом, выходное напряжение U_ф может быть представлено в виде
U_ф = ΔU_ф ˙sin (ωt), (3) где ω= 2π f круговая частота переменного тока соленоида 13, а следовательно, и частота колебаний деформатора 5 и мембраны 6; t - время.

По амплитудному значению ΔU_ф можно судить об амплитуде линейных перемещений мембраны Δl. В качестве фотодатчика в устройстве используется стандартный фотодиод типа ФД-265Б с инерционностью τ≈ 5 ˙10^-6 c. Инерционность фотодатчика незначительная, что позволяет отслеживать периодические колебания мембраны с частотой до 100 кГц. Механические измерители перемещений, используемые в аналогах, не могут обеспечить регистрацию перемещений быстро осциллирующего деформатора.

Измеритель перемещения калибруется следующим образом. В статических условиях при отсутствии осциллирующих колебаний деформатора снимается зависимость напряжения ΔU_ф от величины линейного перемещения Δl плоского зеркала 19, измеренной механическим микрометром с точностью 0,1 мкм. Строится линейная зависимость
ΔU_ф = γ˙Δl, (4) по которой определяется коэффициент пропорциональности γ.

Используемый в устройстве фотодиод обеспечивает линейность характеристики (зависимость выходного напряжения от площади засвета активной зоны) с погрешностью не хуже 0,01% в рабочем диапазоне перемещений луча по активной зоне. Величину γ можно существенно повысить выбором специальной геометрии распрост- ранения оптического пучка и мощности источника света.

Изменение объема ΔV(t) измерительной компрессионной камеры 3 также линейно с линейным перемещением Δl(t) мембраны 6:
ΔU(t) = S_o ˙Δl + ΔV_n, (5) где S_о - площадь торца деформатора 5 (S_o = πD²/4, где D - диаметр торца деформатора); ΔV_n - поправка к объему, вызванная незначительным различием диаметра D деформатора и диаметра D_в входного отверстия измерительной компрессионной камеры 3, предназначенного для ввода деформатора. Так как разница D и D_в незначительна, то поправка ΔV_n за счет изгиба мембраны по краям торца деформатора 5 практически постоянна при всех используемых деформациях Δl, поддается точной оценке и не превышает 0,5% величины S_o ˙Δl в выражении (5).

Таким образом, с учетом выражений (3)-(5) для амплитуды изменения объема ΔV_m получают формулу
ΔV_m= · S_o+ΔV_п.

(6)
Учитывая, что ΔV_n не превышает 0,5% величины первого слагаемого выражения (6), получают окончательную формулу расчета
ΔV_m= 1,005U_ф= η·ΔU_ф.

(7)
В качестве первого 8 и третьего 12 регистрирующих приборов в устройстве может быть использован любой измеритель амплитудного значения переменного напряжения с большим входным сопротивлением, например осциллограф С1-78 или цифровой вольтметр типа Щ4311, подключенный через пиковый детектор. В качестве второго регистрирующего прибора 10 используется цифровой вольтметр Щ4311.

В качестве датчика 7 давления в устройстве используется обыкновенный пьезокерамический датчик с резонансной частотой f_p≈7 МГц, которая значительно превышает диапазон используемых частот от 10 Гц до 10 кГц. Пьезодатчик реагирует на циклические изменения давления ΔP(t), обусловленные деформацией исследуемого объема жидкости, и выдает переменное напряжение U_р амплитудой ΔU_р:
ΔP = ΔU_p ˙sin (ωt + Δ ϕ), (8) где Δ ϕ- сдвиг фазы между изменением объема ΔV(t) в измерительной компрессионной камере и изменением давления ΔP(t). Изменения напряжения U_p(t) на выходе пьезодатчика пропорциональны изменениям давления ΔP(t) в объеме исследуемой жидкости.

Таким образом,
ΔP(t) = σ˙U_p(t) . (9)
Тогда для амплитудного значения ΔP_m имеют
ΔP_m = σ˙ΔU_p, где σ- коэффициент пропорциональности, равный для пьезокерамики величине ≈10³ Па/В.

В качестве сумматора 9 в устройстве используется синхронный детектор, собранный по стандартной схеме.

Устройство работает следующим образом.

Непрерывный синусоидальный сигнал с круговой частотой ω с выхода генератора 1 синусоидальных колебаний подается на вход усилителя 2 мощности. С выхода усилителя мощности усиленный электрический сигнал поступает на соленоид 13 деформатора 5, вмонтированного в измерительную компрессионную камеру 3. Возбуждаемое в соленоиде переменное магнитное поле за счет эффекта магнитострикции вызывает механические колебания сердечника 15 деформатора, один конец которого жестко закреплен на неподвижной опоре 17. Cвободный конец сердечника через мембрану 6 измерительной компрессионной камеры 3 передает механические колебания частотой ωнепосредственно на исследуемую жидкость 4, приводя к периодическим изменениям объема жидкости ΔV(t). Периодические изменения ΔV(t) передаются измерителю 11 перемещений, оптомеханически связанному с мембраной 6. Измеритель перемещений выполнен в виде оптоэлектронной системы, состоящей из зеркала 19, плоско закрепленного на мембране 6, источника 21 света и фотодатчика 22, установленных на неподвижной опоре 17. Оптический луч от источника 21 света падает под некоторым углом на плоское зеркало 19 и после отражения попадает в активную зону фотодатчика 22. При механических колебаниях деформатора с частотойω площадь засвета активной зоны фотодатчика 22 периодически изменяется и на его выходе возникает переменное синусоидальное напряжение U_ф =ΔU_ф˙sin (ωt). Амплитудное значение этого напряжения ΔU_ф пропорционально амплитуде перемещений деформатора 5, а следовательно, и амплитуде изменения объема ΔV_m в исследуемой жидкости 4. Третий регистрирующий прибор 12, входом подключенный к выходу измерителя 11 перемещений, регистрирует амплитудное значение ΔU_ф ≈ ΔV_m. Возникающие при колебаниях деформатора периодические изменения объема жидкости ΔV(t) приводят к периодическим изменениям давления ΔP(t) частотой ω, которые преобразуются датчиком 7 давления в электрические синусоидальные колебания U_p = =ΔU_p ˙sin ( ωt + Δ ϕ) той же частоты ω и со сдвигом фазΔ ϕ , обусловленным запаздыванием изменений давления в жидкости ΔP(t) от изменений объема ΔV(t). Амплитудное значение полученных синусоидальных колебаний ΔU_p измеряется регистрирующим прибором 8, вход которого подключен к выходу датчика 7 давления. С выхода датчика 7 давления электрический синусоидальный сигнал U_p(t) также поступает на первый вход сумматора 9, на второй вход которого подается синусоидальный сигнал U_ф(t) с выхода фотодатчика 22 измерителя 11 перемещений. На выходе сумматора 9 вырабатывается постоянное напряжение Δ U_Σ , пропорциональное разности фаз Δ ϕ двух синусоидальных сигналов U_p(t) и U_ф(t), которое фиксируется вторым регистрирующим прибором 10.

Выведем формулу расчета адиабатической сжимаемости β_ад*, измеренной на предлагаемом устройстве. Адиабатическая сжимаемость для жидкостей определяется по формуле
β_ад= · ,
(10) где V_o - объем исследуемой жидкости; ΔV - изменение объема жидкости; ΔР - изменение давления жидкости, обусловленное изменением объема.

При статических деформациях между изменением объема ΔV и изменением давления ΔР сдвиг по фазе Δ ϕ отсутствует. В предлагаемом устройстве жидкость подвергается циклической деформации, следовательно, между синусоидальными изменениями объема ΔV(t) и синусоидальными изменениями давления ΔP(t) существует некоторый сдвиг по фазе Δ ϕ, обусловленный диссипативными процессами в жидкости и ее неабсолютной упругостью. В этом случае адиабатическая сжимаемость комплексная: β_ад^*=β_о˙e^jΔϕ=β_оcos Δ ϕ+j β_о sin Δ ϕ,
(11) где β_о - модуль адиабатической сжимаемости, определяемый амплитудными значениями ΔV_m и ΔP_m:
β_o= · .

(12)
Величина P_m измеряется первым регистрирующим прибором 8 согласно соотношению (9): ΔP_m = σ˙U_p. Величина ΔV_m измеряется третьим регистрирующим прибором 12 согласно соотношению (7): ΔV_m = η˙ΔU_ф. Тогда из соотношения (12) находят окончательную формулу расчета модуля адиабатической сжимаемости:
β_o= · · = χ · .

(13)
Второй регистрирующий прибор 10 измеряет напряжение ΔU_Σс выхода сумматора 9, пропорциональное сдвигу фаз Δ ϕ- сигналов, подаваемых на первый, и второй входы сумматора и определяемых соотношениями (3) и (8). Действительно, суммируя выражения (3) и (8) и полагая для простоты ΔU_ф= ΔU_p = A_o, на выходе сумматора 9 получают напряжение
U_Σ= 2A_o·cost + sin .

(14)
Переменная составляющая сигнала U_Σ отфильтровывается в сумматоре 9 (синхронное фазовое детектирование), и на второй регистрирующий прибор 10 подается постоянная составляющая
ΔU_Σ= 2A_osin .

(15)
Так как сдвиг по фазе между изменением объема и изменением давления в жидкостях не превышает 5^о в широком диапазоне частот и температур, то из соотношения (15) получают окончательно
ΔU_Σ A_o·Δϕ (16)
Таким образом, показания второго регистрирующего прибора 10 пропорциональны сдвигу фаз Δ ϕ между изменением объема жидкости ΔV(t) и изменением давления ΔP(t). Зная Δ ϕ, с учетом соотношений (11)-(13) можно определить действительную β^Iи мнимуюβ^II составляющие комплексной адиабатической сжимаемости:
β^I=β_о cos Δ ϕ;β^II=β_о sin Δ ϕ . (17)
Кроме того, зная Δ ϕ, можно вычислить поглощение механической волны в исследуемой жидкости, приходящееся на длину волны:
α_λ=π tg Δ ϕ . (18)
Оценивают точность измерения адиабатической сжимаемости на предлагаемом устройстве. Как видно из формул (13) и (16), точность измерения β_о и Δ ϕопределяется точностью измерения напряжения на фотодатчике ΔU_ф, на датчике давления ΔU_p и напряжения ΔU_Σна сумматоре. Систематическая относительная ошибка измерения ∂ β_о/β_ои ∂(Δ ϕ)/Δ ϕнаходится по известным формулам:
= + ;
(19)
= ,
(20) где ∂(ΔU_ф), ∂(ΔU_p) и ∂(Δ U_Σ) - абсолютные погрешности измерения напряжения соответственно на выходе фотодатчика, датчика давления и сумматора. Эти погрешности даже при использовании цифрового вольтметра типа Щ-4311 составляют не более 0,010 мВ. Амплитуда напряжения ΔU_ф на выходе фотодатчика согласно выражению (7) составляет 30 мВ при обычно реализуемой в предлагаемом устройстве деформации Δl = 10 мкм. Тогда относительная ошибка в определении ΔU_ф составляет ∂(ΔU_ф)/ΔU 3,3·10^-4 0,03% .

Амплитуда напряжения U_p на выходе датчика давления при периодическом изменении объема ΔV(t) жидкости поддается точной оценке. Действительно изменения давления в жидкости ΔP_m приводят к деформации S датчика 7 давления:
ΔP = C_″ ·S = C_″ · ,
(21) где С₁₁ - модуль упругости материала датчика; ΔХ - абсолютная деформация; Х_о - толщина датчика давления. С другой стороны, если в качестве датчика давления использовать пьезоматериал, то нетрудно рассчитать напряжение ΔU_р, появляющееся на нем за счет деформации ΔХ (прямой пьезоэлектрический эффект):
ΔU_p = h₁₁ ˙ΔX, (22) где h₁₁ - пьезоэлектрическая константа деформации.

Из соотношений (21) и (22) следует
ΔP_m= · ΔU_p,
(23)
Сравнивая соотношения (9) и (23), получают для константы следующее выражение:
σ = .

(24)
Для пьезодатчика давления, выполненного из кварца Х-среза, С_II = 86˙10⁹ н/м², h₁₁ = 4,89˙10⁹ В/м, Х_о = 3 мм, и тогда из соотношения (24) получают значение σ≈ 0,6˙10⁴ Па/В. Для датчика давления, изготовленного из пьезокерамики, пьезоэлектрическая константа деформации h_ik более чем на порядок превышает аналогичную величину для кварца и, следовательно, величина σ для керамики почти на порядок меньше. В предлагаемом устройстве используется датчик давления, выполненный из керамики, для которого величина σ экспериментально определена и равна σ= =0,65˙10³ Па/В. Рассчитывают амплитуду напряжения ΔU_p, возникающую на выходе датчика 7 давления при изменении объема ΔV_m, обусловленного перемещением деформатора 5 на Δl = 10 мкм. Периодические смещения частиц жидкости на величину Δl вызывают изменение давления в среде:
Δ P_m= ω˙ρ_ж˙C_ж˙Δ l^' , (25) где ρ_ж - плотность жидкости; С_ж - скорость распространения звука в жидкости; Δl' - смещение частиц жидкости, обусловленное перемещением деформатора, возле датчика давления (Δl' ≈ 0,1Δ l).

Тогда, используя соотношение (9), получают
ΔP_m= .

(26)
Оценка по формуле (26) для воды на частоте f = 10 Гц Δl' = 1 мкм, ρ= 10³ кг/м³, С = 1,5˙10³ м/с дает величину ΔU_p = =0,14 В.

Таким образом, относительная ошибка в определении величины ΔU_pсоставляет ∂(Δ U_p)/Δ U_p≈ 0,01 % и суммарная относительная ошибка измерения модуля адиабатической сжимаемости ∂ β_о/β_о на предлагаемом устройстве согласно соотношению (19) равна
= 0,03+0,1=0,04% .

Аналогично оценивается точность определения сдвига фазы Δ ϕсогласно соотношению (20). Из уравнения (16) следует, что при поступлении на входы сумматора 9 двух сигналов амплитудой 0,1 В со сдвигом фазы Δ ϕ= 1^о = 0,017 (рад) на выходе сумматора появляется суммарный сигнал амплитудой Δ U_Σ= 0,0017 В. Тогда из соотношения (20) следует, что даже при малых сдвигах фазы - порядка ≈ 1^о относительная ошибка измерения Δ ϕ составляет
= = · 100% ≈ 0,6% .

В устройстве, принятом за прототип, в основу принципа измерения адиабатической сжимаемости положено предположение о пропорциональности входного напряжения U_вх, подаваемого на деформатор (стопку пьезокварцевых пластин), получаемой в результате деформации Δl (см. формулу (1)). Это предположение правильно для каждой конкретной жидкости. Однако коэффициент пропорциональности k различен для различных исследуемых жидкостей. Таким образом, определение k калибровкой по известной жидкости и использование этого же значения k для определения адиабатической сжимаемости других жидкостей приводят к существенным ошибкам измерения.

Действительно декремент затухания пьезопреобразователей, используемых в прототипе, в первом приближении можно определить по формуле
θ = ln1 - , где Е - общая энергия, отдаваемая пьезокварцем; Е' - энергия, отдаваемая пьезокварцем в жидкость за период. Энергия E' определяется из следующего соотношения:
E^I= 4 π²(ρ_ж˙C_ж)˙f˙S_о(Δ l₁)² , где ρ_ж, С_ж - плотность и скорость звука соответственно для исследуемой жидкости, ρ_ж˙С_ж - акустическое сопротивление жидкости; S_о - площадь торца деформатора; Δl₁ - деформация.

Величина Е (энергия упругих напряжений в пьезокварце при максимальной деформации) определяется выражением
E = (ρ_к·C_к)fS_o(Δl)², где ρ_к˙С_к - акустическое сопротивление кварца. Поскольку Δl = Δl₁, то декремент затухания кварца равен
θ = .

Таким образом, декремент затухания кварца зависит от отношения акустических сопротивлений исследуемой жидкости и кварца, используемого в прототипе в качестве деформатора. Так как волновые акустические сопротивления различных жидкостей сильно отличаются (например, в толуоле ( ρ˙с)_т = 1174800 кг/м²˙c, а в воде ( ρ˙с)_в = 1500000 кг/м² ˙c), то в соотношении (1) для каждой исследуемой жидкости должен быть известен свой коэффициент k, что значительно сужает область применимости устройства, принятого за прототип. Измерения с использованием одного значения k = const, определяемого калибровкой, например, по толуолу приводит к отклонению измеренных значений адиабатической сжимаемости воды от истинных на 6%.

Таким образом, предлагаемое устройство в сравнении с известными позволяет с большей точностью измерять значения модуля адиабатической сжимаемости, действительную β' и мнимую β" части адиабатической сжимаемости, а также коэффициент поглощения α_λ упругих волн в различных жидкостях (см. формулы (13), (17), (18). Это существенно расширяет сферу применения изобретения и позволяет экспрессно определять перечисленные выше параметры в смазочных материалах, в гидравлических жидкостях. Знание реальных значений сжимаемости рабочих жидкостей позволяет правильно осуществить трибологический расчет узлов трения и гидравлических машин, оценить их предельные нагрузочные способности, трение и износ, а также демпфирующие свойства. Поэтому устройство может быть использовано в машиноведении для конкретной оценки упругих параметров смазочного материала и научно обоснованного инженерного расчета рабочих характеристик узлов трения.

Кроме того, устройство позволяет определять коэффициент поглощения α_λ и скорость распространения упругих волн на низких частотах с = (1( ρ β_ад)^1/2 в малых объемах жидкостей, и поэтому может быть с успехом использовано для спектроскопических исследований жидких сред в инфразвуковой области. Обычное измерение поглощения α_λ и скорости с упругих волн на низких частотах требует очень больших объемов исследуемой жидкости. В предлагаемом устройстве исследуемый объем может быть ограничен несколькими кубическими сантиметрами.

Использование: для исследования упругих параметров жидкостей. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно соединенные генератор синусоидальных колебаний, усилитель мощности и измерительную компрессионную камеру. В камере расположены деформатор, мембрана и датчик давления. Мембрана соединена с измерителем перемещения. Измеритель перемещения выполнен в виде электронного блока. Деформатор выполнен в виде магнитострикционного преобразователя, состоящего из соленоида и сердечника и выполненного в виде стопки ферритовых колец. Деформатор механически связан с измерительной компрессионной камерой. Измеритель перемещения выполнен в виде оптоэлектронной системы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АДИАБАТИЧЕСКОЙ СЖИМАЕМОСТИ ЖИДКОСТЕЙ, содержащее последовательно соединенные генератор синусоидальных колебаний, усилитель мощности, измерительную компрессионную камеру с расположенными в ней деформатором, мембраной и датчиком давления, подключенным к первому регистрирующему прибору, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, устройство дополнительно снабжено измерителем перемещения мембраны, двумя регистрирующими приборами и сумматором, причем измеритель перемещения подключен к второму регистрирующему прибору и первому входу сумматора, к второму входу которого подключен выход датчика давления, а выход сумматора подключен к входу третьего регистрирующего прибора, при этом деформатор выполнен в виде магнитострикционного преобразователя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитострикционный преобразователь состоит из соленоида и сердечника, выполненного в виде стопки ферритовых колец и механически связанного с мембраной измерительной компрессионной камеры. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измеритель перемещения выполнен в виде оптоэлектронной системы, состоящей из источника света и фотодатчика, жестко установленных на неподвижной опоре и оптически связанных через зеркало, закрепленное на мембране измерительной компрессионной камеры. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измеритель перемещения выполнен в виде пьезопреобразователя, соединенного с мембраной измерительной компрессионной камеры, и поджатого к нему токосъемника, жестко укрепленного на неподвижной опоре.