ОДНОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ АНАЛИЗА ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 2009 года по МПК G01N29/02 

Заявляемое изобретение относится к области молекулярной акустики и предназначено для анализа физико-химических свойств твердых тел, жидких, газообразных сред и может быть применено, в частности, для определения скорости звука и анализа других физических характеристик (вязкости, частотной дисперсии этих параметров и др.) жидких сред, коллоидных растворов и т.д. Знание точных значений физических характеристик среды позволяет в ряде случаев также с высокой точностью определять количественный состав компонентов.

Известен интерферометр Пирса [Ноздрев В.Ф., Федорищенко Н.В. Молекулярная акустика. М.: Высш. школа, 1974. С.21-23. Рис.7.]. Интерферометр содержит пьезопреобразователь, контактирующий с жидкостью и излучающий акустическую волну, отражаемую подвижным рефлектором. При известной частоте акустических колебаний скорость звука определяется подсчетом числа мод при перемещении рефлектора. Коэффициент поглощения определяется путем измерения отношения максимумов и минимумов амплитуды отраженного рефлектором и принятого пьезопреобразователем сигналов. Достижимая точность определения скорости звука данным методом не превышает 0,01% (С.22).

Наиболее близким по совокупности признаков является автогенератор с линией задержки на поверхностных акустических волнах (ЛЗ ПАВ) [Дворников А.А., Огурцов В.И., Уткин Г.М. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1983. С.43. Рис.2.1.].

Генератор содержит усилитель, вход и выход которого замкнуты цепью обратной связи, включающей линию задержки акустических волн, которая содержит излучающий и приемный резонансные преобразователи, один из которых имеет узкую полосу рабочих частот. Время задержки, определяемое длиной ЛЗ и физическими параметрами среды распространения ПАВ, должно с некоторой точностью удовлетворять условию акустоэлектрического синхронизма на частоте резонанса излучающего и приемного преобразователей. Выполнение условия баланса фаз с учетом задержки сигнала в усилителе приводит к генерации колебаний на частотах, близких к центральной частоте резонанса излучающего и приемного преобразователей. Для обеспечения одночастотного режима работы генератора с запаздывающей обратной связью близкие по частоте моды, также удовлетворяющие условию акустоэлектрического синхронизма, подавляются за счет узкой полосы частот одного из резонансных преобразователей. Высокая стабильность частоты генератора на ЛЗ ПАВ обеспечивается большой крутизной фазочастотной характеристики, что обусловлено большим временем задержки. Одночастотный генератор на ЛЗ ПАВ обладает высокой чувствительностью к присоединяемой на поверхность звукопровода массе, а также высокой чувствительностью к иным воздействиям, изменяющим скорость акустических волн (механическая деформация, воздействие температуры и др). Этим обусловлено появление высокоэффективных сенсоров для анализа паров и газовых сред, тензодатчиков и других устройств с использованием технологии ЛЗ ПАВ. Теоретический предел порога чувствительности по массе для ПАВ оценивается на уровне 10^-11 г/см² [Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиздат, 1989. С.257.].

Достижение высокой чувствительности анализаторов на основе ЛЗ ПАВ сопряжено с увеличением длины звукопровода, что является сложной и дорогостоящей технической задачей, и это является недостатком данного технического решения. Кроме того, возможности данного устройства ограничены в применении к задачам анализа сплошных сред: твердых тел, жидкостей, коллоидных растворов и др., обладающих значительной плотностью и вязкостью, т.к. при контакте с ними нарушаются условия существования ПАВ. Известно, что ЛЗ ПАВ подвержена старению из-за деградации полированной поверхности звукопровода. Этот фактор также является недостатком, ограничивающим сферу применения рассматриваемого одночастотного генератора.

Заявляемое изобретение предназначено для анализа физических параметров сплошных сред: жидкостей, коллоидных растворов, а также твердых тел, погруженных в жидкость. Очень эффективный инструмент для точных количественных измерений - одночастотный генератор на основе ЛЗ ПАВ - применим лишь для анализа физических параметров среды с низкой плотностью. Представляется целесообразным применить данный способ к физической среде с высокой плотностью, используя в качестве линии задержки саму среду и, соответственно, объемные акустические волны (ОАВ) как элемент структуры одночастотного генератора с запаздывающей обратной связью. Решение задачи существует, т.к. в заявленном изобретении предлагаются функциональные аналоги составных частей одночастотного генератора на ЛЗ ПАВ, способные работать в среде с высокой плотностью. Применяя заявленное изобретение, можно существенно увеличить точность анализа физических параметров сплошных сред. Возможная сфера применения: определение малых концентраций примесей и их состава (анализ соленой и пресной воды, анализ степени загрязнения стоков и др.). Очевидно, что в отличие от ЛЗ ПАВ длина ЛЗ ОАВ легко может быть изменена. Вследствие этого данный "интерферометр" может быть применен и в другой области: для точного измерения малых перемещений. Важным достоинством предлагаемого изобретения в отличие от известного устройства является простота его изготовления и низкая стоимость.

Технический результат в заявленном изобретении достигается тем, что в известном одночастотном генераторе на ЛЗ ПАВ, содержащем усилитель, вход и выход которого замкнуты цепью обратной связи, включающей линию задержки акустических волн, которая содержит излучающий и приемный резонансные преобразователи, один из которых имеет узкую полосу рабочих частот, согласно изобретению в качестве линии задержки объемных акустических волн используется анализируемая жидкая среда, заключенная между погруженными в жидкость плоскостями излучающего и приемного преобразователей, которые ограничивают объем, характеризуемый набором собственных частот, а в качестве преобразователей используются кварцевые резонаторы. Для достижения технического результата одна из сторон каждого резонатора заключена в объем, не проницаемый для жидкости.

Электроды на сторонах резонаторов, погруженных в жидкость, соединены с общим проводом.

Заявленный одночастотный генератор также содержит усилитель автоматической регулировки усиления, вход которого подключен к выходу усилителя, подключенного к электроду кварцевого резонатора, излучающего акустические колебания, а выход - к входу регулятора усиления в цепи обратной связи генератора.

Возможный вариант работы одночастотного генератора для анализа жидких сред отличается тем, что ЛЗ ОАВ может включать дополнительно погруженное в эту жидкость твердое тело, либо вариант, когда лучевая траектория ОАВ включает отражение от границы твердое тело - жидкость погруженного в жидкую среду твердого тела, причем излучающая и приемная грани кварцевых резонаторов ориентированы при этом ортогонально направлению распространения объемных акустических волн, прошедших через жидкость и твердое тело или отраженных от него.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно создание режима одночастотной генерации в схеме генератора с запаздывающей обратной связью, обеспечиваемой ЛЗ ОАВ, достигается тем, что используются погруженные в жидкость кварцевые резонаторы. В качестве таких резонаторов можно, в частности, применить кварцевые пьезорезонаторы мегагерцевого диапазона с колебаниями сдвига по толщине. Акустические колебания в таком резонаторе сосредоточены в центральной области, где расположена электродная структура. В периферийной области колебания отсутствуют, и это позволяет прикрепить (приклеить) резонатор к плоскости кольцевого держателя. Вторая плоскость кольцевого держателя закрывается подвижной герметичной мембраной, что позволяет при погружении резонатора в жидкость сохранять газовую среду в области герметизированного электрода и при этом уравновесить гидростатическое давление смачиваемого электрода и газовой среды. Оба резонатора выбираются одной частоты и монтируются в держатели одинаково. Оба резонатора располагаются смачиваемыми плоскостями ортогонально направлению распространения ОАВ. Акустическая волна может распространяться как по направлению линии, соединяющей центры преобразователей, так и с промежуточным переотражением от поверхности (поверхностей). Последний вариант генератора может быть использован для анализа свойств поверхности, приводящих к изменению фазовой задержки и затуханию ОАВ. В зависимости от решаемой задачи расстояние между резонаторами может быть фиксированным или переменным. Условие узкой полосы рабочих частот одного из резонаторов означает, что при формировании общей частотной характеристики одна полоса должна включать другую несмотря на то, что резонаторы физически различны. В то же время общая частотная характеристика должна обладать высокой селективностью, что обеспечивается одним узкополосным резонатором. Излучающий резонатор, подключенный к выходу усилителя, шунтируется низким выходным сопротивлением усилителя, что приводит к дополнительному (наряду с демпфирующим влиянием жидкости) снижению добротности и, соответственно, расширению полосы рабочих частот. Приемный резонансный преобразователь подключен к высокоомному входу усилителя и не подвержен дополнительному шунтированию нагрузкой. Несмотря на контакт с жидкостью приемной стороны резонатора добротность его остается достаточно высокой (˜1000 для воды по результатам исследования работы заявленного устройства), что обеспечивает его узкополосность. Плоскопараллельные передающая и приемная грани преобразователей ограничивают объем, являющийся, по сути, жидкостным аналогом открытого резонатора Фабри-Перо с той разницей, что акустический сигнал не отражается от второй плоскости, а возвращается к излучающей плоскости через усилитель, обеспечивающий выполнение условия баланса амплитуд в автогенераторе. Для ослабления емкостной связи между излучающим и приемным преобразователями, которая может привести к паразитному самовозбуждению генератора, обращенные друг к другу электроды резонаторов соединены с общим проводом. Жидкостный резонатор обладает набором собственных частот акустических колебаний продольных акустических волн, и баланс фаз выполняется, когда собственная частота попадает в контур усиления, обусловленный общей частотной характеристикой кварцевых резонаторов. Выполнить это условие можно разными способами: изменением длины жидкостного резонатора, изменением скорости распространения звука в жидкости при изменении ее состава и т.д. При выполнении условий баланса фаз и амплитуд генерируемый сигнал подвержен малым вариациям частоты в зависимости при малых перемещениях выделенной моды жидкостного резонатора в пределах полосы частот кварцевых резонаторов под воздействием вариаций измеряемых величин (изменения концентрации примеси и др.). Разрешающая способность таких измерений очень высока и недостижима другими методами.

На Фиг.1 изображена схема одночастотного генератора для анализа жидких сред. Усилитель 1 соединен выходом с излучающим резонансным преобразователем 2. Приемный резонансный преобразователь 3 соединен с входом усилителя 1. Оба преобразователя погружены в среду 4, в которой могут существовать ОАВ, которые могут возбуждаться и приниматься преобразователями 2 и 3. Преобразователи 2, 3 и среда 4 образуют ЛЗ ОАВ. Стороны, противоположные излучающей грани преобразователя 2 и принимающей грани преобразователя 3, заключены в непроницаемые для жидкости объемы 5 и 6. Электрод 7 преобразователя 2 и электрод 8 преобразователя 3, контактирующие с жидкостью, соединены с общим проводом 9. Усилитель автоматической регулировки усиления 10 входом 11 подключен к выходу усилителя 1, подключенного к электроду кварцевого резонатора 2, излучающего акустические колебания, а выход усилителя 10 - к входу 12 регулятора усиления в цепи обратной связи генератора.

На Фиг.2 представлена полученная экспериментально на макете, выполненном согласно данному описанию, зависимость рабочей частоты одночастотного генератора от концентрации изопропилового спирта в дистиллированной воде.

Работа генератора осуществляется следующим образом. Выходной каскад широкополосного усилителя 1 способен возбудить механические колебания преобразователя 2 только в том спектральном диапазоне, который соответствует полосе пропускания этого кварцевого резонатора с учетом снижения его добротности за счет демпфирования жидкой средой 4 и шунтирования выходным сопротивлением усилителя 1. Прошедшая через среду 4 объемная акустическая волна возбуждает в пьезокварцевом резонаторе 3 электрическое напряжение, поступающее на вход усилителя 1. Аналогичным образом эффективно будет преобразован только диапазон акустических колебаний, который соответствует полосе частот кварцевого резонатора 3, демпфированного жидкой средой 4 и относительно высокоомными цепям входа усилителя, цепями АРУ и др. Генерация возникает при выполнении условия баланса амплитуд (потери на преобразование электрического сигнала в ОАВ и обратное преобразование, а также потери на затухание ОАВ должны быть восполнены усилителем) и баланса фаз. Баланс фаз выполняется, когда разность фаз между входом и выходом усилителя 1 составляет π для инвертирующего и 0 для неинвертирующего усилителя. Это возможно, если акустическая длина ЛЗ ОАВ соответствует нечетному числу полуволн в первом случае и четному во втором с учетом времени прохождения сигнала через усилитель 1. Для выполнения одночастотного режима генерации полоса пропускания цепи обратной связи, включающей резонансные преобразователи 2, 3 и среду распространения ОАВ 4, должна включать лишь одну собственную частоту резонатора и подавлять ближайшие моды, удовлетворяющие условию синхронизма. Это определяется выбором исходных параметров кварцевых резонаторов и выбором параметров согласования с усилителем 1 и цепями АРУ в зависимости от физических параметров исследуемой среды и диапазона частот. Совершенно очевидно, что при определенных соотношениях перечисленных параметров возможен срыв генерации. Это на практике можно использовать для подсчета числа мод, прошедших через условие существования генерации при изменении состава среды. В то же время в режиме существования генерации из-за конечной полосы частот цепи обратной связи возможна одночастотная генерация на любой из частот в пределах этой полосы (Фиг.2). В таком режиме частота определяется только физическими параметрами среды, изменения которых могут быть измерены с очень высокой точность. Предложенное описание работы устройства предполагает, что усилитель 1 работает в линейном режиме и ограничение амплитуды сигнала не обусловлено нелинейностями усилителя. Для этого одночастотный генератор для анализа жидких сред дополнительно содержит усилитель автоматической регулировки усиления 10, вход которого 11 подключен к выходу усилителя 1, подключенного к электроду кварцевого резонатора 2, излучающего акустические колебания, а выход - к входу 12 регулятора усиления в цепи обратной связи генератора. Конкретная схема АРУ может быть выполнена в различных вариантах. В частности: в усилителе 10 напряжение сигнала генератора сравнивается с опорным уровнем напряжения, а усиленный разностный сигнал в режиме отрицательной обратной связи управляет элементом, изменяющим усиление в контуре обратной связи генератора, например управляет сопротивлением канала полевого транзистора, шунтирующего кварцевый резонатор 3. Очевидно, что возбуждение одночастотных колебаний возможно и в неоднородной среде при выполнении необходимых условий генерации: баланса фаз и баланса амплитуд. Это возможно и в том случае, когда ЛЗ ОАВ состоит из разнородных компонентов и выстроена необходимая лучевая траектория прохождения акустической волны. В частности, дополнительно содержит погруженное в жидкую среду твердое тело, причем излучающая и приемная грани кварцевых резонаторов ориентированы ортогонально направлению распространения объемных акустических волн, прошедших через твердое тело или отраженных от него.

Экспериментальные исследования по определению скорости звука в смеси воды и спирта проводились на макете, выполненном в соответствии с представленным выше описанием реализации предлагаемого изобретения. ЛЗ ОАВ была выполнена в виде цилиндрической полости длиной 6,5 мм, торцевые поверхности которой были излучающей и приемной плоскостями кварцевых резонаторов. Соответствующие магистрали делали полость проточной и позволяли изменять состав жидкости в объеме ЛЗ. Объем заполнялся дистиллированной водой. Затем в дистиллированную воду добавлялся изопропиловый спирт. Смесь перемешивалась, и измерялась частота генерации при соответствующей концентрации. Результаты измерений представлены на Фиг.2. По горизонтальной оси отложено значение объема спирта (мл) по отношению к исходному объему воды 1 мл. Периодический характер зависимости частоты генерации от концентрации смеси, т.е. в зависимости времени задержки ОАВ иллюстрирует режим сканирования собственных частот резонатора. Крутизна первого участка зависимости свидетельствует, что изменение концентрации на 0,05 приводит к изменению частоты на 4 кГц. Стабильность измеряемой частоты ˜10^-7. Таким образом, разрешающая способность измерений в данном опыте ˜10^-6.

Изобретение относится к области акустики и может быть использовано для анализа физико-химических свойств жидких сред, в частности для определения скорости звука и анализа других физических характеристик (вязкости, частотной дисперсии этих параметров и др.). Техническим результатом изобретения является расширение области применения, повышение точности, упрощение изготовления и снижение себестоимости. Одночастотный генератор содержит усилитель, вход и выход которого замкнуты цепью обратной связи, включающей линию задержки акустических волн, которая содержит излучающий и приемный резонансные преобразователи, один из которых имеет узкую полосу рабочих частот. В качестве линии задержки объемных акустических волн используется анализируемая жидкая среда, заключенная между погруженными в жидкость плоскостями излучающего и приемного преобразователей, которые ограничивают объем, характеризуемый набором собственных частот, а в качестве преобразователей используются кварцевые резонаторы. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Одночастотный генератор для анализа жидких сред, содержащий усилитель, вход и выход которого замкнуты цепью обратной связи, включающей линию задержки акустических волн, которая содержит излучающий и приемный резонансные преобразователи, один из которых имеет узкую полосу рабочих частот, отличающийся тем, что в качестве линии задержки объемных акустических волн используется анализируемая жидкая среда, заключенная между погруженными в жидкость плоскостями излучающего и приемного преобразователей, которые ограничивают объем, характеризуемый набором собственных частот, а в качестве преобразователей используются кварцевые резонаторы.2. Одночастотный генератор для анализа жидких сред по п.1, отличающийся тем, что одна из сторон каждого резонатора заключена в объем, не проницаемый для жидкости.3. Одночастотный генератор для анализа жидких сред по п.1, отличающийся тем, что электроды на сторонах резонаторов, контактирующих с жидкостью, соединены с общим проводом.4. Одночастотный генератор для анализа жидких сред по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит усилитель автоматической регулировки усиления, вход которого подключен к выходу усилителя, подключенного к электроду кварцевого резонатора, излучающего акустические колебания, а выход к входу регулятора усиления в цепи обратной связи генератора.5. Одночастотный генератор для анализа жидких сред по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит погруженное в жидкую среду твердое тело, причем излучающая и приемная грани кварцевых резонаторов ориентированы ортогонально направлению распространения объемных акустических волн, прошедших через жидкость и твердое тело или отраженных от него.