СТРУЙНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПЛОТНОМЕР Российский патент 2009 года по МПК G01N9/18 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аэродинамическим устройствам для измерения плотности различных жидкостей, и может найти применение в таких отраслях промышленности, как химическая, лакокрасочная, микробиологическая и пищевая промышленность.

Известно устройство для измерения плотности (Скучик Е. Основы акустики, т.2 (пер. с англ.). - М.: Мир, 1976. - С.439), содержащее генератор звуковых колебаний, формирователь плоской акустической волны в виде отрезка трубы и измеритель звукового давления. Генератор звуковых колебаний расположен в нижней части трубы, полость которой заполнена веществом с известным акустическим импедансом, а в верхней ее части размещено исследуемое вещество. При некоторой частоте генерируемого сигнала в формирователе плоской акустической волны образуются стоячие волны. С помощью измерителя звукового давления измеряют максимальное и минимальное давления в стоячей волне. Плотность вещества определяют как функцию ρ_в=f(c_в, d), где c_в - скорость распространения звука в контролируемом веществе; d - отношение максимумов звукового давления в стоячей волне к минимумам.

Недостатком такого устройства является невысокая надежность контроля агрессивных, пожаро- и взрывоопасных сред.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является устройство (Патент РФ 2124714. Устройство для измерения плотности жидкости / М.М.Мордасов, С.В.Мищенко, Д.М.Мордасов, опубл. 10.01.1999, Бюл. №1), содержащее генератор акустических колебаний, выполненный в виде диафрагмы и размещенный в верхней части формирователя плоской акустической волны, измеритель звукового давления, пневматическую емкость, источник постоянного расхода, устройство перемещения, при этом источник постоянного расхода, генератор акустических колебаний и формирователь плоской акустической волны соединены с пневматической емкостью, внутри формирователя плоской акустической волны помещен струйный турбулентный усилитель, выход которого подключен к блоку управления устройством перемещения, которое соединено с пневматической емкостью и с измерителем перемещения. Плотность жидкости с помощью такого устройства определяют по величине смещения генератора акустических колебаний относительно базисного расстояния, численно равного половине длины волны генерируемых колебаний, до момента ступенчатого изменения фазы образованной стоячей волны.

Недостатком устройства, принятого за прототип, является сложность настройки частоты генерируемых колебаний f, а следовательно, и установки базисного расстояния h₀, которое связано с частотой зависимостью

.

Отклонение h₀ от заданного значения, вызванное изменением частоты f, отрицательно влияет на точность измерения плотности.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений за счет обеспечения настройки частоты генерируемых колебаний.

Сущность изобретения заключается в том, что струйно-акустический плотномер, содержащий генератор акустических колебаний, выполненный в виде диафрагмы и размещенный в верхней части формирователя плоской акустической волны, измеритель звукового давления, пневматическую емкость, источник постоянного расхода, устройство перемещения, при этом источник постоянного расхода, генератор акустических колебаний и формирователь плоской акустической волны соединены с пневматической емкостью, а внутри формирователя плоской акустической волны размещен струйный турбулентный усилитель, выход которого подключен к блоку управления устройством перемещения, которое соединено с пневматической емкостью и с измерителем перемещения, дополнительно снабжен устройством изменения объема, преддиафрагмовой емкостью переменного объема, выполненной в виде взаимно перемещающихся цилиндров, расположенных соосно, причем один цилиндр входит внутрь другого и закреплен на диафрагме, а другой связан с устройством изменения объема.

На чертеже представлена схема струйно-акустического плотномера.

Струйно-акустический плотномер включает в себя источник постоянного расхода воздуха 1, генератор акустических колебаний 2 в виде диафрагмы и формирователь 3 плоской акустической волны, соединенные с пневматической емкостью 4. Последовательно с пневматической емкостью 4 включена преддиафрагмовая емкость 5 переменного объема, выполненная, например, в виде взаимно перемещающихся цилиндров 6 и 7, расположенных соосно с диафрагмой. Цилиндр 7 закреплен на диафрагме, а цилиндр 6 подключен к устройству изменения объема 8. Емкость 4 кинематически связана с устройством перемещения 9. Внутри формирователя 3 размещены питающий 10 и приемный 11 капилляры струйного турбулентного усилителя, выход которого подключен к блоку управления 12 устройством перемещения 9. Устройство перемещения 9 соединено с измерителем перемещения 13. Струйно-акустический плотномер размещен над поверхностью контролируемой жидкости 14.

Струйно-акустический плотномер работает следующим образом.

Струйно-акустический плотномер размещают на базисном расстоянии h₀, соответствующем половине длины волны λ генератора. Сжатый воздух с постоянным расходом с выхода источника постоянного расхода 1 подается в емкость 4. Из емкости 4 газ через диафрагму поступает в полость формирователя 3 плоской акустической волны, который расположен открытым концом нормально к поверхности контролируемой жидкости 14. На вход питающего капилляра 10 подают давление питания Р_пит, при этом на выходе капилляра 11 формируется выходной сигнал Р_вых=1. При звуковом давлении, отличном от нуля, увеличивается размер струи газа, выходящей из отверстия диафрагмы генератора акустических колебаний 2, что приводит к взаимодействию ее со струей, вытекающей из капилляра 10, за счет чего уменьшается выходное давление Р_вых. Давление Р_вых принимает максимальное значение при нулевом звуковом давлении, так как восстанавливается размер струи газа, выходящей из отверстия диафрагмы 2.

При подаче газа на вход генератора акустических колебаний 2 возникают гармонические колебания звуковой частоты, на частоту которых оказывают влияние такие величины, как диаметр d₀ отверстия диафрагмы и ее толщина b, температура питающего газа и окружающей среды, расход питающего газа и его состав. Для настройки генератора используют устройство 8, изменяющее частоту генерируемых колебаний за счет изменения объема преддиафрагмовой емкости 5. Изменение объема емкости 5 достигается путем изменения взаимного расположения цилиндров 6 и 7.

Перед началом измерения устанавливают базисное значение расстояния h₀ от диафрагмы до контролируемой поверхности, составляющее половину длины волны λ излучаемого акустического сигнала. Так как , то , где с - скорость звука в газовой среде. Так как о плотности жидкости судят по величине смещения от базисного значения h₀ Δh=h-h₀, то точность измерения будет существенно зависеть от точности установки этой волны, которая должна быть постоянной.

Контрольной поверхностью при установке h₀ является твердая плоская поверхность. Она устанавливается на расстоянии λ/2 от диафрагмы. Частота генерируемых акустических колебаний устанавливается путем перемещения цилиндра 6 преддиафрагмовой переменной пневматической емкости 5. Перемещение прекращается при достижении амплитудой акустического колебания нулевого значения.

Перемещение пневматической емкости 4 относительно поверхности жидкости 14 осуществляется с помощью устройства 9 от базисного значения h₀ до расстояния, при котором в пространстве между генератором акустических колебаний 2 и поверхностью контролируемой жидкости возникает стоячая волна. Момент достижения экстремума в распределении стоячей волны фиксируется струйным турбулентным усилителем, сигнал с его выхода поступает на вход блока управления 12, управляющее воздействие с которого посредством устройства перемещения 9 возвращает систему в исходное положение. Далее процесс происходит аналогично изложенному выше. Таким образом, о плотности судят по расстоянию от генератора акустических колебаний 2 до поверхности жидкости 14, при котором происходит ступенчатое изменение фазы образованной стоячей волны.

Предлагаемый струйно-акустический плотномер позволяет повысить точность бесконтактного неразрушающего контроля агрессивных, пожаро- и взрывоопасных жидкостей за счет обеспечения настройки частоты генерируемых колебаний и использования струйно-акустических эффектов, сопровождающихся образованием стоячей волны в пространстве между генератором акустических колебаний и контролируемой поверхностью, путем измерения смещения ее экстремума при изменении фазы комплексного коэффициента отражения.

Струйно-акустический плотномер жидкости может найти применение в различных отраслях промышленности, например в химической, лакокрасочной, микробиологической и в пищевой промышленности. Технической задачей изобретения является повышение точности измерений за счет обеспечения настройки частоты генерируемых колебаний. Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что струйно-акустический плотномер дополнительно снабжен устройством изменения объема, выход которого подключен к преддиафрагмовой пневматической емкости, имеющей переменный объем. Предлагаемый струйно-акустический плотномер позволяет повысить точность бесконтактного неразрушающего контроля агрессивных, пожаро- и взрывоопасных жидкостей за счет обеспечения настройки частоты генерируемых колебаний и использования струйно-акустических эффектов, сопровождающихся образованием стоячей волны в пространстве между генератором акустических колебаний и контролируемой поверхностью, путем измерения смещения ее экстремума при изменении фазы комплексного коэффициента отражения. 1 ил.

Устройство для измерения плотности, содержащее генератор акустических колебаний, выполненный в виде диафрагмы и размещенный в верхней части формирователя плоской акустической волны, измеритель звукового давления, пневматическую емкость, источник постоянного расхода, устройство перемещения, при этом источник постоянного расхода, генератор акустических колебаний и формирователь плоской акустической волны соединены с пневматической емкостью, а внутри формирователя плоской акустической волны размещен струйный турбулентный усилитель, выход которого подключен к блоку управления устройством перемещения, которое соединено с пневматической емкостью и с измерителем перемещения, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено устройством изменения объема преддиафрагмовой емкости и преддиафрагмовой емкостью переменного объема, включенной последовательно с пневматической емкостью и выполненной в виде взаимно перемещающихся цилиндров, расположенных соосно, причем один цилиндр входит внутрь другого и закреплен на диафрагме, а другой связан с устройством изменения объема.