УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2004 года по МПК G01N9/24 G01N29/18 

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для контроля плотности класса жидкостей со схожими физико-химическими свойствами.

Известен способ измерения плотности жидкости, заключающийся в том, что плотность ρ контролируемой жидкости вычисляют по выражению

путем измерения скорости распространения в ней ультразвуковых колебаний V, считая постоянным коэффициент адиабатической сжимаемости β_ад (Кивилис С. С. Плотномеры. М.: Энергия, 1980, с.222).

Недостатком известного способа является низкая точность определения плотности жидкости, обусловленная сложностью вычисления коэффициента адиабатической сжимаемости жидкости, а также его значительная температурная зависимость.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения плотности жидкости, заключающийся в том, что тем или иным способом определяют время прохождения ультразвуковыми колебаниями фиксированного расстояния в контролируемой жидкости, что соответствует измерению скорости распространения ультразвуковых колебаний, и определяют ее плотность по априори установленной зависимости времени прохождения от плотности (Бражников Н.И. Ультразвуковые методы измерения плотности. - Приборы и системы управления, 1976, 10, с. 17-21).

Недостатком такого способа является невозможность автоматического контроля плотности различных видов жидкостей и их смесей, обусловленная необходимостью априорного знания вида контролируемой жидкости.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей существующего способа измерения плотности для класса жидкостей со схожими физико-химическими свойствами и их смесей в широком температурном диапазоне.

Эта задача достигается тем, что в ультразвуковом способе определения плотности жидкости, заключающемся в определении скорости распространения ультразвуковых волн в жидкости, предварительно устанавливают зависимости скорости распространения ультразвука от температуры и скорости распространения ультразвука от плотности для класса жидкостей со схожими физико-химическими свойствами, с учетом определенной при фиксированной температуре скорости распространения ультразвука выбирают две близлежащие зависимости скорости распространения ультразвука от плотности, формируют теоретическую зависимость скорости от плотности для исследуемой жидкости и по ней определяют плотность.

Зависимость скорости распространения ультразвука от плотности для исследуемой жидкости формируют путем сравнения полученного в результате измерения значения скорости и расчетных значений, определения двух наименьших абсолютных отклонений и построения теоретической зависимости скорости от плотности уже для исследуемой жидкости по величинам этих отклонений.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема устройства для реализации способа, на фиг.2 представлены зависимости скорости распространения ультразвука от температуры для жидкостей из класса нефтепродуктов, на фиг.3 представлены зависимости скорости распространения ультразвука от плотности для жидкостей из класса нефтепродуктов, на фиг.4 показан пример определения весовых коэффициентов при построении теоретической зависимости V(ρ), на фиг.5 представлены зависимости скорости распространения ультразвука от температуры для бензинов АИ-80, АИ-92 и их смесей, на фиг. 6 представлены зависимости скорости распространения ультразвука от плотности для бензинов АИ-80, АИ-92 и их смесей.

Устройство на фиг.1 включает излучающий 1 и приемный 2 преобразователи, зону контроля плотности 3 с контролируемой жидкостью, датчик температуры 4, электронную схему 5 и вычислительное устройство 6.

Для осуществления предложенного способа излучающим преобразователем 1 возбуждают, а приемным преобразователем 2 принимают продольную волну в контролируемой жидкости, находящейся в зоне контроля плотности 3. Электронной схемой 5 фиксируют время прохождения волной фиксированного расстояния b и вычисляют скорость распространения ультразвука V_изм. Одновременно датчиком температуры 4 измеряют температуру Т_изм контролируемой жидкости, и результаты измерения температуры и скорости распространения ультразвука передают в вычислительное устройство 6.

На основании вычисленной скорости распространения ультразвука V_изм и температуры контролируемой жидкости Т_изм выбирают две близлежащие зависимости скорости распространения ультразвука от температуры из семейства предварительно установленных калибровочных зависимостей. Выбор близлежащих зависимостей производят подстановкой измеренной температуры Т_изм в каждую из предварительно установленных калибровочных зависимостей скорости распространения ультразвука от температуры V(T) для всего класса жидкостей, вычислением расчетного значения скорости распространения ультразвука V_i для каждой зависимости по выражению
V_i=k_i•Т_изм+q_i
(k_i и q_i - постоянные коэффициенты для каждой жидкости из всего класса, вычисленные при помощи математической обработки экспериментально полученных калибровочных зависимостей скорости распространения ультразвука от температуры),
и определением абсолютных отклонений
ΔV_i = |V_изм-V_i|.
На фиг. 2 в качестве примера приведены зависимости скорости распространения ультразвука от температуры для класса нефтепродуктов, включающего моторное масло, тормозную жидкость, дизельное топливо, бензин АИ-92 и бензин АИ-80. Два наименьших отклонения ΔV_i и ΔV_i+1 определят близлежащие зависимости V₁(T) и V₂(T) из семейства предварительно установленных зависимостей. При равенстве нулю одного из отклонений, например ΔV_i, (точное совпадение предварительно установленной зависимости V(T) с аналогичной зависимостью исследуемой жидкости) выполняют пересчет измеренной скорости распространения ультразвука V_изм в плотность ρ по соотношению
ρ=а_i•V_изм+b_i,
где а_i и b_i - постоянные коэффициенты пересчета для выделенной жидкости, вычисленные при помощи математической обработки экспериментально полученных калибровочных зависимостей скорости распространения ультразвука от плотности.

На фиг. 3 в качестве примера приведены зависимости скорости распространения ультразвука от плотности для класса нефтепродуктов, упомянутого выше, по которым производят пересчет скорости распространения ультразвука в плотность жидкости.

В случае неравенства нулю ни одного из двух отклонений (исследуемая жидкость имеет зависимость V(T), не совпадающую с предварительно установленными), как показано на фиг.4, пересчет скорости распространения ультразвука в плотность жидкости производят по теоретически установленной зависимости:

где a₁, а₂ и b₁, b₂ - постоянные коэффициенты пересчета для двух близлежащих зависимостей V₁(T) и V₂(T); ΔV₁ и ΔV₂ - абсолютные значения отклонений скоростей, рассчитанных по предварительно установленным зависимостям V₁(T) и V₂(T) и измеренной скорости V_изм.

В качестве примера на фиг. 5 представлены зависимости скорости распространения ультразвука от температуры для бензинов АИ-80, АИ-92 и их смесей, зависимости V(T) которых находятся между аналогичными зависимостями бензинов и удаление от соответствующей кривой находится в обратной зависимости от вклада данного типа бензина в смесь бензинов.

На фиг. 6 представлены зависимости скорости распространения ультразвука от плотности для бензинов АИ-80, АИ-92 и их смесей, по которым выполняется пересчет скорости распространения ультразвука в плотность жидкости. Зависимости V(ρ) смесей бензинов находятся также между аналогичными зависимостями бензинов АИ-80 и АИ-92 и удаление от соответствующей кривой также находится в обратной зависимости от вклада данного типа бензина в смесь бензинов.

В таблице 1 приведен пример расчета плотностей некоторых смесей бензинов, произведенный по заранее установленным зависимостям и по зависимостям, теоретически установленным в результате измерений. Погрешность определения плотности при таком способе не превышает ±1 кг/м³.

Схожий характер зависимостей скорости распространения ультразвука от температуры в промышленном диапазоне, незначительно отличающихся коэффициентами наклона, позволяет производить автоматическую идентификацию контролируемой жидкости из класса жидкостей со схожими физико-химическими свойствами, формировать теоретические зависимости скорости распространения ультразвука от плотности для смесей жидкостей из этого же класса и вычислять их плотность.

Использование: для контроля плотности класса жидкостей со схожими физико-химическими свойствами. Сущность: в способе определяют скорость распространения ультразвуковых волн в жидкости и определяют по ней плотность, предварительно устанавливая зависимости скорости распространения ультразвука от температуры и скорости распространения ультразвука от плотности для класса жидкостей со схожими физико-химическими свойствами. С учетом определенной при фиксированной температуре скорости распространения ультразвука выбирают две близлежащие зависимости скорости распространения ультразвука от плотности, формируют теоретическую зависимость скорости от плотности для исследуемой жидкости и по ней определяют плотность. Зависимость скорости распространения ультразвука от плотности для исследуемой жидкости формируют путем сравнения полученного в результате измерения значения скорости и расчетных значений, определения двух наименьших абсолютных отклонений и построения теоретической зависимости скорости от плотности уже для исследуемой жидкости по величинам этих отклонений. Технический результат - расширение функциональных возможностей существующего способа измерения плотности для класса жидкостей со схожими физико-химическими свойствами и их смесей в широком температурном диапазоне. 6 ил., 1 табл.

Ультразвуковой способ определения плотности жидкости, заключающийся в определении скорости распространения ультразвуковых волн в жидкости и температуры жидкости, в предварительном установлении зависимости скорости распространения ультразвука от температуры для жидкостей со схожими физико-химическими свойствами, отличающийся тем, что подстановкой измеренной температуры в каждую из предварительно установленных калибровочных зависимостей скорости распространения ультразвука от температуры вычисляют расчетную скорость распространения ультразвука для каждой зависимости V_i, определяют абсолютное отклонение ΔV_i, два наименьших отклонения определяют близлежащие зависимости скорости от температуры V₁(Т) и V₂(Т) из семейства предварительно установленных зависимостей, а пересчет скорости распространения ультразвука в плотность жидкости производят по теоретически установленной зависимости

где а₁, а₂, b₁, b₂ – постоянные коэффициенты пересчета для двух близлежащих зависимостей V₁(Т) и V₂(Т);

ΔV₁ и ΔV₂ – абсолютные значения отклонений скоростей, рассчитанных по предварительно установленным зависимостям V₁(T) и V₂(Т) и измеренной скорости V_изм.