АКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЖИДКОСТИ В ОДНОЙ ОБЛАСТИ ПРОБЫ ЖИДКОСТИ И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТАКОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2010 года по МПК G01N29/02 G01N11/00 

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

Настоящее изобретение относится к физическим датчикам, а более конкретно - к акустическим датчикам, основанным на акустических пластинчатых модах колебаний высоких порядков, обладающих особыми свойствами.

Описание родственной области техники

Потребность в миниатюрных датчиках жидкости стимулировала активность в изучении сенсорных свойств акустических волн под действием нагрузок в виде различных жидкостей. В этой связи основной проблемой является значительное поглощение большинства волн из-за вязкоупругих потерь и/или переизлучения энергии в смежную жидкостную среду. Поэтому в отношении акустических устройств должен быть осуществлен правильный выбор подходящей акустической волны. Ранее для этих целей уже были использованы специальные типы волн Рэлея, Лэмба, Лява, приповерхностных и поперечных поверхностных волн. Однако сильная зависимость вязкости жидкости от температуры не была учтена должным образом, и надлежащее решение этой проблемы найдено не было.

В патенте США №5235235 описан многочастотный акустический датчик для анализа жидкостей. Датчик включает в себя несколько пар ВШП с разными периодами, которые располагаются в одну линию и генерируют поверхностную и пластинчатые волны, отличающиеся по частоте. Основываясь на различии во воздействии волн на разных частотах с массовой, вязкостной и другими нагрузками пластины, определяются масса, проводимость и вязкость тестируемой жидкости. Однако использование большого числа ВШП влечет за собой увеличение габаритов датчика, объема тестуируемой пробы жидкости и количества индивидуальных электронных систем для обработки данных, поступающих с каждой пары преобразователей. Расположение же всех ВШП в одну линию приводит к нежелательным искажениям тех акустических волн, которые вынуждены распространяться через внутренние ВШП.

В патенте США №6543274 описаны способ и устройство для измерения плотности и вязкости жидкости акустическим датчиком на основе сдвиговой волны, а температуры жидкости - автономным тонкопленочным резистором, размещенным вне акустического датчика. Однако из-за применения двух пространственно разделенных устройств увеличиваются массы жидкости, требуемые для анализа, а измерения проводятся в 2-х разных точках тестируемой пробы, внося дополнительные искажения и увеливая габариты по сравнению с единым устройством.

В патенте США №6494079 В1 информацию о вязкости и температуре жидкости получают из решетки отличающихся механических резонаторов больших размеров. Такое устройство применимо только для значительных объемов тестируемых жидкостей, составляющих от 1 мл до 1 литра, вследствие больлших размеров самого устройства.

Наиболее близким по технической сущности является акустическое устройство для одноврменного определения вязкости и температуры жидкости, описанное в патенте США №4691714. Устройство содержит пластину с плоскопараллельными гранями, выполненную из плавленого кварца толщиной h=635 мкм, металлическую пленку толщиной 2000°А, расположенную на одной из граней упомянутой пластины, пьезоэлектрическую пленку ZnO толщиной 6,4 мкм, расположенную на той же грани поверх металлической пленки, и пары встречно-штыревых преобразователей (ВШП) с периодом λ=25 мкм, расположенные поверх пленки ZnO. Тестируемая жидкость наносится на противоположную грань упомянутой составной пластины. Для проведения измерений пара ВШП генерирует и принимает в пластине две акустически волны - поверхностную, которая распространяется по грани, не имеющей контакта с жидкостью, и объемную, которая распространяется в глубь пластины, отражается от грани с жидкостью и снова поступает на первую грань, где регистрируется приемным ВШП. Тем же ВШП регистрируется и поверхностная акустическая волна. Одновременное существование обеих волн в таком устройстве обеспечивается выбором толщины пластины h намного больше периода λ ВШП (h/λ≈25), а прием двух волн одним ВШП оказывается возможным благодаря упругой изотропии пластины плавленого кварца и совпадением потоков энергии двух акустических волн с направлениями их распространения - по этой причине применение пластин из пьезокристаллов в данном устройстве невозможно. В устройстве описанной конструкции вязкость жидкости определяется по измерению амплитуды отраженной объемной волны, а ее температура - по изменению скорости (фазы) поверхностной акустической волны. Однако поскольку температура тестируемой жидкости может быть отлична от таковой для пластины плавленого кварца, то масса жидкости должна намного превышать массу всего акустического устройства с тем, чтобы равновесная температура системы устройство-жидкость была как можно ближе к исходной температуре жидкости. Чем менее массивна жидкость, тем хуже точность измерений и больше отличие начальной температуры жидкости от измеренной. Кроме того, так как амплитуда отраженной объемной волны зависит не только от вязкости, но и от температуры жидкости, то значение вязкости, измеренное для жидкости малого объема, также не соответствует реальному - то есть предложенной конструкции, неприменимо для жидкостей объемом порядка 100-1000 мкл.

Задачей настоящей группы изобретений является акустическое устройство для одновременного определения вязкости и температуры жидкости в одной области пробы жидкости объемом 100-1000 мкл и способ измерения с использованием такого устройства.

Поставленная задача решена тем, что измерительное устройство для одновременного измерения вязкости и температуры жидкости в одной области пробы жидкости содержит пьезоэлектрическую пластину толщиной h, один входной и один выходной встречно-штыревые преобразователи с периодом λ порядка толщины h упомянутой пластины, образованные на одной поверхности упомянутой пластины, предназначенные для генерирования и приема акустической пластинчатой моды колебаний в упомянутой пластине, зону взаимодействия упомянутой моды колебаний с пробой жидкости, образованную на противоположной поверхности упомянутой пластины, где присутствие жидкости вызывает детектируемые изменения в скорости и амплитуде упомянутой моды колебаний, средство, генерирующее электрический сигнал соответствующей частоты, подводимый к входному встречно-штыревому преобразователю, средство, принимающее сигнал с выходного встречно-штыревого преобразователя, выделяющее изменения в скорости и амплитуде упомянутой моды колебаний при прохождении зоны взаимодействия с пробой жидкости, благодаря чему упомянутая мода трансформируется в электрический сигнал или в соответствующие значения для контролирующего средства, и контролирующее средство, обрабатывающее упомянутые изменения посредством программных и аппаратных средств для вычисления значений вязкости и температуры пробы жидкости из изменений в упомянутой моде колебаний.

Измерительное устройство может характеризоваться также тем, что упомянутая пластина выполнена из LiNbO₃ 128°Y,Х+90°-среза с отношением h/λ, равным 1,67, а входной встречно-штыревой преобразователь генерирует упомянутую моду колебаний с фазовой скоростью 15300 м/сек и с величиной продольной компоненты смещения моды, много большей ее поперечно-вертикальной компоненты на поверхности упомянутой пластины.

Поставленная задача решена также тем, что измерительное устройство содержит пару встречно-штыревых преобразователей с периодом λ порядка толщины h упомянутой пластины, образованную на одной поверхности упомянутой пластины, предназначенных для генерирования и приема акустических пластинчатых мод колебаний в пьезоэлектрической пластине, которая выполнена из LiNbO₃ 128°Y,X+90°-среза с отношением h/λ, равным 1,67, зону взаимодействия упомянутых мод колебаний с пробой жидкости, образованную на противоположной поверхности упомянутой пластины, где присутствие жидкости вызывает детектируемые изменения в скоростях и амплитудах двух разных типов упомянутых мод колебаний, проходящих через зону взаимодействия в одном направлении, средство, генерирующее электрические сигналы с частотами f_n и f_m, подводимые к входному встречно-штыревому преобразователю для последовательной генерации упомянутых мод колебаний, средство, принимающее выходные сигналы, выделяющие изменения в скорости одной из упомянутых мод колебаний на частоте f_n и в амплитуде другой на частоте f_m, благодаря чему упомянутые моды трансформируются в электрические сигналы или в соответствующие значения для контролирующего средства.

Поставленная задача решена также тем, что измерительное устройство содержит две пары входных и выходных встречно-штыревых преобразователей с отличающимися периодами λ₁ и λ₂ порядка толщины h упомянутой пластины, образованные на одной поверхности упомянутой пластины, предназначенных для генерирования и приема двух акустических пластинчатых мод колебаний в упомянутой пластине, зону взаимодействия упомянутых мод колебаний с пробой жидкости, образованную на противоположной поверхности упомянутой пластины, где присутствие жидкости вызывает детектируемые изменения в скоростях и амплитудах двух упомянутых мод колебаний, проходящих через зону взаимодействия в одном направлении, средство, генерирующее электрические сигналы с частотами f_n и f_m, подводимые к входным встречно-штыревым преобразователям для последовательной генерации двух упомянутых мод колебаний, средство, принимающее сигналы с выходных встречно-штыревых преобразователей, выделяющие изменения в скорости одной из упомянутых мод колебаний на частоте f_n и в амплитуде другой на частоте f_m.

Измерительное устройство может характеризоваться также тем, что оно содержит пары входных и выходных встречно-штыревых преобразователей, которые размещены вдоль одного направления или двух пересекающих друг друга направлений.

Измерительное устройство может характеризоваться также тем, что упомянутая пьезоэлектрическая пластина толщиной h выполненна из LiNbO₃ 128°Y-среза с отношением h/λ, равным 1,67, а устройство содержит две пары входных и выходных встречно-штыревых преобразователей с одинаковыми периодами λ, образованные на одной поверхности упомянутой пластины, предназначенные для генерирования и приема моды нулевого порядка с фазовой скоростью 3930 м/с вдоль оси Х и моды семнадцатого порядка с фазовой скоростью 15300 м/с перпендикулярно упомянутой оси X, зону взаимодействия упомянутых мод колебаний с пробой жидкости, образованную на противоположной поверхности упомянутой пластины, где присутствие жидкости вызывает детектируемые изменения в скоростях и амплитудах двух упомянутых мод колебаний, проходящих через зону взаимодействия, средство, генерирующее электрические сигналы с частотами f_n и f_m, подводимые к входным встречно-штыревым преобразователям для последовательной генерации двух упомянутых мод колебаний, средство, принимающее сигналы с выходных встречно-штыревых преобразователей, выделяющих изменения в скорости одной из упомянутых мод на частоте f_n и амплитуде другой на частоте f_m.

Поставленная задача решена также тем, что способ одновременного измерения вязкости и температуры жидкости в одной области пробы жидкости с использованием упомянутых измерительных устройств предусматривает поиск акустической пластинчатой моды колебаний путем измерения вносимых потерь и фазы между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями, измерение и построение зависимостей вносимых потерь и фазы упомянутой моды от вязкости и температуры с использованием жидкостей с низкой и высокой вязкостью и аппроксимацию упомянутых зависимостей посредством соответствующих кривых и формул, введение тестируемой пробы жидкости в зону взаимодействия с модой колебаний, измерение вносимых потерь и фазы для этой моды и вычисление значений вязкости и температуры тестируемой пробы по упомянутым кривым и формулам.

Поставленная задача решена также тем, что способ одновременного измерения, вязкости и температуры жидкости в одной области пробы жидкости с использованием упомянутых измерительных устройств предусматривает поиск двух акустических пластинчатых мод колебаний путем измерения вносимых потерь и фазы между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями, измерение и построение зависимостей вносимых потерь одной из упомянутых мод от вязкости и фазы другой от температуры с использованием вводимых в зону взаимодействия жидкостей с низкой и высокой вязкостью и аппроксимацию упомянутых зависимостей посредством соответствующих кривых и формул, введение тестируемой пробы жидкости в зону взаимодействия с модами колебаний, измерение вносимых потерь для одной из упомянутых мод и фазы для другой и вычисление значений вязкости и температуры тестируемой пробы по упомянутым кривым и формулам.

Поиск подходящих акустических пластинчатых мод колебаний для всех вариантов устройства проводится по методике, известной из уровня техники, подробно описанной в [см. I.V.Anisimkin, V.I.Anisimkin. IEEE Transactions, v.UFFC-53, no.8, pp.1487-1492, 2006]. Поиск осуществлялся в рамках всех мод, в том числе высокого порядка n≥2, существующих в промышленно выпускаемых пьезоэлектрических пластинах с толщиной h порядка длины λ, акустической волны (h~λ). Пригодность мод оценивается, исходя из их чувствствительности к измеряемым параметрам (вязкости и температуре), величины вносимых потерь в присутствии жидкостей с низкой и высокой вязкостью и степени подавления ложных сигналов на рабочей частоте: высокая чувствительность позволяет повысить точности измерений и снизить порог срабатывания измерительного устройства, низкие вносимые потери - применять устройство к жидкостям как с низкой, так и с высокой вязкостью, а подавление ложных сигналов - уменьшить влияния паразитных сигналов на результаты измерений.

До сих пор акустические пластинчатые моды колебаний высокого порядка n≥2 для акустических датчиков жидкости не использовались.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение может стать более понятным из следующего описания и примеров, описанных со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых:

Фиг.1 - схема последовательности операций одного варианта осуществления способа и устройства для измерения вязкости и температуры жидкости;

Фиг.2 - схема последовательности операций другого варианта осуществления способа и устройства для измерения вязкости и температуры жидкости;

Фиг.3 - схематическое изображение акустического устройства для измерения температуры и вязкости жидкости;

Фиг.4 - схематическое изображение варианта осуществления устройства с одной парой встречно-штыревых преобразователей (ВШП), генерирующей и принимающей акустическую пластинчатую моду колебаний;

Фиг.5А - схематическое изображение другого варианта осуществления устройства с двумя парами ВШП с одинаковыми периодами, генерирующими и принимающими две акустические пластинчатые моды колебаний по двум взаимно перпендикулярным направлениям;

Фиг.5С - схематическое изображение варианта устройства с двумя парами ВШП с отличающимися периодами, генерирующими две акустические пластинчатые моды в двух разных пересекающихся направлениях (С);

Фиг.6 - схематическое изображение типичной передаточной функции S₂₁ в широком диапазоне частот для акустических устройств, типа показанных на Фиг.4 и 5, выполненных на основе пластины кварца ST-среза с относительной толщиной h/λ=1.485. Пики на графике - акустические пластинчатые моды разных порядков n.

Фиг.7-9 - схематическое изображение передаточной функции S₂₁ для акустической пластинчатой моды колебаний с частотой Гц ≈ 51 МГц, распространяющейся в пластине из LiNbO₃ 128°YX+90°-среза с поверхностями, не содержащими жидкости (Фиг.7), с одной свободной поверхностью и второй поверхностью, нагруженной водой (Фиг.8), и с одной свободной поверхностью, другой поверхностью, нагруженной глицерином (Фиг.9). Толщина пластины h=500 мкм, длина λ акустической волны = 300 мкм, относительная толщина пластины h/λ=1.67, масса воды и глицерина = 600 мг;

Фиг.10 - схематическое изображение профилей продольной u₁ и поперечно-вертикальной u₃ компонент упругого смещения по глубине х₃ пластины из LiNbO₃ 128°YX+90°-среза со свободными поверхностями для акустической пластинчатой моды колебаний с частотой f_n≈51 МГц. х₃=0 - поверхность пластины, х₃=0.85 - ее середина. Полная толщина пластины h/λ=1.67;

Фиг.11 - зависимость вносимых потерь IL_n от вязкости η жидкости для акустической пластинчатой моды колебаний с частотой f_n≈51 МГц в пластине LiNbO₃ 128°YX+90°-среза толщиной h/λ=1.67 (h=500 мкм, λ=300 мкм). Температура - 22°С. Экспериментальные значения (точки) аппроксимированы подгоночной кривой вида у=у_о+A₁(1-e^-x1/t1)+A₂(1-e^-x2/t2), где х - вязкость η, у_о - вносимые потери IL_n в отсутствие жидкости, у - вносимые потери IL_n при нанесении жидкости на одну из поверхностей пластины. Масса тестируемой жидкости - 600 мг. Вставка: 1 - пьезоэлектрическая пластина, 2 - встречно-штыревые преобразователи, 3 - тестируемая жидкость в ячейке на противоположной поверхности пластины;

Фиг.12 - зависимость фазы φ_n от температуры t жидкости для акустической пластинчатой моды колебаний с частотой f_n≈51 МГц в пластине LiNbO₃ 128°YX+90°-среза толщиной h/λ,=1.67 (h=500 мкм, λ=300 мкм). Экспериментальные значения (точки) аппроксимированы подгоночными кривыми вида у=-114.2052+6.7879х ( - вода) и у=-133.7489+6.29066х (• - глицерин), где х - температура t, у - фаза, -114.2052 и -133.7489 - начальные значения фазы в отсутствие жидкости. Массы воды и глицерина - 600 мг. Вставка: 1 - пьезоэлектрическая пластина, 2 - встречно-штыревые преобразователи, 3 - тестируемая жидкость в ячейке на противоположной поверхности пластины.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Несколько вариантов осуществления настоящего изобретения поясняются фиг.1-12, которые на конкретных примерах показывают, как производятся измерения вязкости η и температуры t в одном и том же месте тестируемой пробы жидкости объемом 100-1000 мкл. Значения плотности р пробы предполагаются известными зараннее.

Общим для всех вариантов устройства в настоящем изобретении является то, что они базируются на использовании одной или двух акустических пластинчатых мод колебаний, распространяющихся в твердотельной пластине, измерении для каждой из упомянутых мод изменений в амплитуде A_n (вносимых потерях IL_n) и в скорости v_n (фазе (φ_n), вызываемых введением тестируемой пробы жидкости в зону взаимодействия с упомянутыми модами, где n - порядок акустической пластинчатой моды колебаний, приеме сигналов с выходного встречно-штыревого преобразователя и обработке упомянутых изменений посредством программных и аппаратных средств для вычисления значений вязкости и температуры жидкости. Поскольку амплитуды A_n мод при постоянной подаваемой мощности однозначно связаны с величинами вносимых потерь IL_n, а скорости v_n мод при фиксированной частоте f_n - с величинами фаз φ_n [B.A.Auld "Acoustic Fields and Waves in Solids", a Wiley-Interscience Publication, 1973], описание способа измерений проводится в терминах IL_n и φ_n.

На Фиг.1 представлена последовательность операций для первого варианта одновременного измерения вязкости и температуры жидкости.

На этапе S11 производится поиск подходящей акустической пластинчатой моды колебаний n, которая одновременно обладает несколькими свойствами - мода существует, не полностью поглощаясь, при введении тестируемой пробы жидкости как с низкой, так и с высокой вязкостью η; вносимые потери IL_n этой моды n сильно меняются в зависимости от вязкости η жидкости, но слабо меняются в зависимости от ее температуры t; напротив, фаза φ_n той же моды n сильно меняется в зависимости от температуры t жидкости, но слабо меняется в зависимости от ее вязкости η. На этапе S12 с использованием жидкостей с разной вязкостью η измеряются зависимости IL_n от η, IL_n от t, φ_n от t и φ_n от η для выбранной акустической пластинчатой моды колебаний, а на этапе S13 упомянутые зависимости аппроксимируются посредством соответствующих кривых и формул, которые запоминаются (этап S14). Наконец, на заключительном этапе S15 в зону взаимодействия с упомянутой акустической пластинчатой модой колебаний вводится тестируемая проба жидкости, и, используя упомянутые аппроксимационные кривые и формулы (этапы S13 и S14), вычисляют значения вязкости η и температуры t тестируемой пробы.

На Фиг.2 представлена последовательность операций для другого варианта одновременного измерения вязкости и температуры жидкости.

На этапе S21 производится поиск двух отличающихся акустических пластинчатых мод колебаний порядка n и порядка m, которые распространяются вдоль одного направления или двух разных пересекающих друг друга направлений в одной пластине, которые обладают одновременно несколькими свойствами - обе моды пит существуют, не полностью поглощаясь, при введении тестируемой пробы жидкости как с низкой, так и с высокой вязкостью η; вносимые потери IL_n моды n сильно меняются в зависимости от вязкости η жидкости, но слабо меняются от ее температуры t; напротив, фаза φ_m моды m сильно меняется в зависимости от температуры t жидкости, но слабо меняется в зависимости от ее вязкости η. На этапе S22 с использованием жидкостей с разной вязкости η измеряют зависимости IL_n от η и IL_n от t для выбранной акустической пластинчатой моды n на частоте f_n. На этапе S23 с использованием разной вязкости η измеряют зависимости φ_m от t и φ_m от η для выбранной акустической пластинчатой моды колебаний m на частоте f_m. На этапе S24 упомянутые зависимости аппроксимируются посредством соответствующих кривых и формул, а на этапе S25 упомянутые аппроксимированные кривые и формулы запоминаются. Наконец, на заключительном этапе S26 в зону взаимодействия с упомянутыми акустическими пластинчатыми модами колебаний n и m вводится тестируемая проба жидкости, и, используя аппроксимационные кривые и формулы, найденные на этапах S24 и S25, вычисляют значения вязкости η и температуры t тестируемой пробы.

На Фиг.3 схематически представлен общий вид измерительного устройства для одновременного измерения температуры и вязкости жидкости. Устройство содержит средство, генерирующее электрический сигнал соответствующей частоты (Frequency Synthesizer), акустический сенсор (sensor), средство, принимающее сигналы с упомянутого сенсора (Log Amplifier, Phase Counter), и контролирующее средство (Microcontroller), обрабатывающее принятые сигналы и вычисляющее значения вязкости η и температуры t пробы жидкости. Полученные значения η и t визуализируются на экране монитора (Display).

В первом варианте измерительного устройства (Фиг.3) его сенсорная часть (Фиг.4) содержит пьезоэлектрическую пластину 400 толщиной h, один входной и один выходной встречно-штыревые преобразователи 450 с периодом λ, образованные на поверхности пластины 400, генерирующие и принимающие в упомянутой пластине акустическую пластинчатую моду колебаний n с требуемыми свойствами (см. выше, а также I.V.Anisimkin, V.I.Anisimkin IEEE Transactions. Vol.UFFC-53, №8, pp.1487-1493, 2006). Частота моды f_n определяется скоростью v_n ее распространения и периодом λ преобразователей 450: f_n=v_n/λ. Проба жидкости наносится на противоположную поверхность пластины 400 в зону распространения акустической пластинчатой моды колебаний n, вызывая детектируемые изменения в скорости v_n (фазе φ_n) и амплитуде A_n (вносимых потерях IL_n) упомянутой моды колебаний, которые фиксируются принимающим средством (Фиг.3). Значения вязкости η и температуры t жидкости вычисляются из упомянутых изменений в контролирующем средстве (Фиг.3) посредством программных и аппаратных средств.

Во втором варианте измерительного устройства (Фиг.3) та же пара встречно-штыревых преобразователей 450 генерирует и принимает в пластине 400 две отличающиеся акустические пластинчатые моды колебаний n и m, распространяющиеся в пластине 400 в одном направлении на разных частотах f_n=v_n/λ и f_m=v_n/λ соответственно. Проба жидкости наносится на противоположную поверхность пластины 400 в зону распространения акустических пластинчатых мод колебаний n и m, вызывая детектируемые изменения в скоростях v_n, v_m (фазах φ_n, φ_m) и амплитудах A_n, A_m (вносимых потерях IL_n, IL_m) упомянутых мод колебаний, которые фиксируются принимающим средством (Фиг.3). Значения вязкости η и температуры t жидкости вычисляют посредством программных и аппаратных средств в контролирующем средстве (Фиг.3) из изменений в скорости одной из упомянутых мод колебаний n на частоте f_n и в амплитуде второй из упомянутых мод колебаний m на частоте f_m.

В третьем варианте измерительного устройства (Фиг.3) его сенсорная часть (Фиг.5) содержит две пары входных и выходных встречно-штыревых преобразователей, образованные на одной поверхности пластины 400. Преобразователи обладают одинаковыми λ₁=λ₂ (Фиг.5А) или отличающимися λ₁≠λ₂ (Фиг.5С) периодами. Преобразователи предназначены для генерирования и приема двух отличающихся акустических пластинчатых мод колебаний n и m на разных частотах f_n=v_n/λ и f_m=v_m/λ, которые распространяются вдоль одного направления или двух разных пересекающих друг друга направлений (Фиг.5А, 5С) в одной пластине 400. Проба жидкости наносится на противоположную поверхность пластины 400 в зону распространения акустических пластинчатых мод колебаний n и m, вызывая детектируемые изменения в скоростях v_n, v_m (фазах (φ_n, φ_m) и амплитудах A_n, A_m (вносимых потерях IL_n, IL_m) упомянутых мод колебаний, которые фиксируются принимающим средством (Фиг.3). Значения вязкости η и температуры t жидкости вычисляют посредством программных и аппаратных средств в контролирующем средстве (Фиг.3) из изменений в скорости одной из упомянутых мод колебаний n на частоте f_n и в амплитуде второй из упомянутых мод m колебаний на частоте f_m.

Изображенные на Фиг.3 средство, генерирующее электрический сигнал соответствующей частоты (Frequency Synthesizer), средство, принимающее сигналы с сенсора (Log Amplifier, Phase Counter) и контролирующее средство (Microcontroller), обрабатывающее принятые сигналы и вычисляющее значения вязкости η и температуры t пробы жидкости, а также техника измерения скорости v_n (фазы φ_n) и амплитуды A_n (вносимых потерь IL_n) для акустических волн могут быть реализованы в нескольких вариантах [см., например, патент США №5076094 «Сенсор на акустических волнах со сдвоенным выходом для идентификации мелекул», научная статья J.Sternhagen, K.Mitzner, E.Berkenpas, M.Karlgaard, C.Wold, D.Galipeau "Система цифровой обрабоки для сенсоров на акустических волнах», IEEE Sensors Journal, vol.2, pp.288-293, 2002].

Таблицы 1-2 и Фиг.6-12 демонстрируют примеры реализации данного изобретения по вариантам, представленным на Фиг.4 и 5А. В Таблице 1 приведены использованные материалы и кристаллографические ориентации.

Таблица 1 Материал пластины Ориентация пластины (углы Эйлера λ, µ, θ) h/λ Толщина пластины, мкм Длина волны (период встречно-штыревых преобразователей) λ, мкм ST,Х-квар 0°, 132.75°, 0°
0°, 132.75°, 90° 0.6
1.0
1.0
1.485
1.67 300
500
300
300
500 500
500
300
202
300 ST,Х+90° - кварц       YZ-LiNbO₃ 0°; 90°; 90°
0°; 90°, 0° 1.25
1.67
2.48 500
500
500 400
300
202 YZ+90°-LiNbO₃   128° YX-LiNbO₃ 0°, 37.86°, 0°
0°, 37.86°, 90° 1.25
1.67
2.48 500
500
500 400
300
202 128° YX+90°-LiNbO₃   64° YX-LiNbO₃ 0°, -26°, 0° 1.67 500 300 64° YX+90°-LiNbO₃ 0°, -26°, 90° 1.67 500 300 36° YX-LiTaO₃ 0°, -54°, 0° 1.67 500 300 36° YX+90°-LiTaO₃ 0°, -54°, 90° 1.67 500 300

Все пластины имели одну полированную, другую шлифованную поверхности. На шлифованную поверхность пластины приклеивалась ячейка для введения проб тестируемых жидкостей, выполненная из кварца. Размер ячейки выбирался большим настолько, чтобы ее стенки лежали вне зоны распространения акустических пластинчатых мод колебаний и не приводили к их искажению. Длина зоны взаимодействия акустических пластинчатых мод колебаний с пробой жидкости составляла 1=22.55 мм. Начальная фаза акустических устройств равняелась φ_o=360°·(1/λ)=27060°.

Полированная поверхность пластин содержит одну (Фиг.4) или две (Фиг.5А) пары встречно-штыревых преобразователей (ВШП) с чисто периодической геометрией (без аподизации). При использовании двух пар ВШП они размещаются перпендикулярно друг другу, как показано на Фиг.5С, для генерирования и приема двух отличающихся акустических пластинчатых мод колебаний в двух разных пересекающих друг друга направлениях. Каждый ВШП содержит 40 пар электродов толщиной 1000 нм из Cr/Al. Большое число электродов в ВШП гарантирует хорошее частотное разрешение акустических пластинчатых мод колебаний разных порядков, но имеющих близкие скорости и частоты.

Измерения вносимых потерь IL_n проводятся с помощью анализатора четырехполюсников HP 8753 ES (Фиг.5А), работающего в режиме измерения амплитуды. Вначале значения IL_n измеряются для всех существующих в пластине акустических мод колебаний без жидкости в жидкостной ячейке (режим нагрузки пластины только атмосферным воздухом, вносимые потери IL_n (воздух)). Затем значения IL_n для тех же мод измеряются в условиях, когда в ячейку вводится проба жидкости массой 600 мг (режим нагрузки пластины жидкостью, вносимые потери IL_n (жидкость)). Наконец, с помощью уравнения ΔIL_n=[IL_n (жидкость)-IL_n (воздух)] определяются изменения амплитуд различных акустических пластинчатых мод колебаний под действием данной жидкости. Для исключения вариаций температуры измерения вносимых потерь проводятся при постоянной температуре t=22±0.1°С в термостате VEB MLW U10.

Измерения фаз φ_n для всех акустических пластинчатых мод колебаний при разных температурах t проводятся с помощью анализатора четырехполюсников HP 8753 ES (Фиг.5А), работающего в режиме измерения фаз, и термостата VEB MLW U10, позволяющего последовательно изменять значение t в диапазоне 0 - 100°С с шагом 5°С и точностью ±0.1°С. Температурные измерения проводятся как для пластин без жидкостной нагрузки, так и пластин, нагруженных водой и глицерином как жидкостей с малой (η=1.03 сП) и большой (η=1490 сП) вязкостью η.

Для исключения паразитного эффекта массовой нагрузки массы m всех жидкостей выбирались одинаковыми (600 мг), для чего объем V жидкостей подбирался в соответствии с их плотностями ρ: например, для воды V=m/ρ=0.6 г/1 г·см^-3=0.6 см³, для глицерина V=0.6/1.26 г·см^-3=0.48 см³. Точность измерений по амплитуде (вносимым потерям) -±0.05 дБ, по фазе -±0.05°.

Чувствительность акустических пластинчатых мод колебаний к вязкости η жидкости измерялась путем последовательного введения в жидкостную ячейку 15-ти водных растворов глицерина с различными значениями η от 1.003 сП (чистая вода) до 1491 сП (чистый глицерин). Значения η растворов определялись по известным весовым концентрациям воды и глицерина из таблиц справочника [R.C.Weast, ed. "Chemical Rubber Company Handbook of Chemistry and Physics", 66th ed. Chemical Rubber, Boca Raton, FL, 1985, p.D232].

Поиск акустических пластинчатых мод колебаний с высокой чувствительностью к вязкости жидкости проводился по методике, описанной в работе [I.V.Anisimkin, V.I.Anisimkin, IEEE Transactions, vol.UFFC-53, no.8, pp.1487-1492, 2006], в рамках мод, существующих в пьезоэлектрических пластинах из Таблицы 1. Пример типичной передаточной функции S₂₁ для одной из пластин представлен на Фиг.6, где 18-ти пикам на разных частотах f_n соответствуют пластинчатые акустические моды разных порядков n от 0 до 17. В результате проведенного поиска в качестве наиболее подходящих выбраны: акустическая пластинчатая мода с частотой f_n≈51 MHz, распространяющаяся перпендикулярно кристаллографической оси Х в пластине из 128°Y-LiNbO₃ толщиной h=500 мкм при периоде ВШП λ=300 мкм (h/λ=1.67), и мода с частотой f_m≈13 MHz, распространяющаяся вдоль кристаллографической оси Х той же пластины. Первая из этих мод обладает высокой скоростью распространения v_n≈15000 м/с и продольной компонентой смещения u₁, много большей ее поперечно-вертикальной компоненты u₃ (u₁ >> u₃, u₂=0) (Фиг.10). Вторая мода обладает низкой скоростью распространения v_n≈4000 м/с и сравнимыми компонентами смещения.

Свойства выбранных мод представлены в Таблице 2 и на Фиг.7-12.

Как видно из Таблицы 2, вносимые потери IL_n акустической пластинчатой моды колебаний с частотой f_n≈51 МГц очень чувствительны к вязкости, т.к. ΔIL_n (глицерин-Н₂О)=13 дБ, но слабо чувствительны к температуре, т.к. ΔIL_n (44°C-22°С)=1 дБ. Фаза той же моды чувствительна к температуре (Δφ_n/Δt=6 град/°С), но слабо чувствительна к вязкости (Δφ_n(глицерин-H₂O)=9 град). Передаточные функции S₂₁ для этой акустической пластинчатой моды колебаний в пластине без жидкости (со свободными поверхностями), с водой и с глицерином показаны на Фиг.7-9 соответственно.

Из Таблицы 2 видно также, что другая акустическая пластинчатая мода колебаний с частотой f_m≈13 МГц практически нечувствительна к вязкости (ΔIL_n(глицерин-Н₂О)≈0 дБ, Δφ_n(глицерин-H₂O)≈7 град), но она чувствительна к температуре (Δφ_n/Δt=2 град/°С).

Таким образом, акустическая пластинчатая мода колебаний с частотой f_m≈13 МГц, распространяющаяся вдоль оси Х в пластине 128°Y-LiNbO₃ толщиной h/λ=1.67, пригодна для измерения температуры, а акустическая пластинчатая мода колебаний с частотой f_n≈51 МГц, распространяющаяся перпендикулярно оси Х в той же пластине пригодна как для измерения температуры, так и для измерения вязкости жидкости. При этом обе моды обладают приемлемыми вносимыми потерями даже в присутствии жидкости с высокой вязкостью (<35 дБ), что позволяет анализовать широкий круг сред. Эти же моды характеризуются и значительным подавлением вне полосы пропускания (>15 дБ), что снижает влияние ближайших к ним мод на результаты измерений.

В соответствии со свойствами выбранных мод реализованы 2 варианта акустического устройства - по Фиг.4 и 5А. На Фиг.11 и 12 показаны результаты испытаний первого варианта измерительного устройства, в котором измерения как вязкости η, так и температуры t жидкости выполняются одной акустической пластинчатой модой колебаний с частотой f_n≈51 МГц из Таблицы 2. Зависимость изменений вносимых потерь ΔIL_n этого устройства как функция вязкости η жидкости носит асимптотический характер (Фиг.11), при котором величина ΔIL_n меняется сильно для малых η и слабо - для больших η. Критическое значение вязкости η_c, при которой наступает насыщение величины ΔIL_n, составляет около 100 сП, а максимальное ΔIL_n равняется 13 дБ. Точность измерений - Δη/η≤:±10% при η≤η_c и Δη/η≥±20% при η≥η_с.

Температурная характеристика реализованного устройства имеет линейный характер во всем температурном диапазоне и практически одинакова для жидкостей с большой и малой вязкостью (Фиг.12). Величина Δφ_n/Δt термочувствительности устройства постоянна во всем температурном диапазоне и составляет 6.5±0.3 град/°С. Точность измерений - Δt=±0.1°С.

Во втором варианте реализованного измерительного устройства (Фиг.5А) измерения вязкости η жидкости выполняются одной акустической пластинчатой моды с частотой f_n≈51 МГц из Таблицы 2, а измерения температуры t жидкости - другой модой с частотой f_m≈13 МГц из той же Таблицы. При неизменных характеристиках устройства в отношениии вязкости (Фиг.11), точность измерения температуры жидкости благодаря большей термочувствительности моды f_m≈13 МГц возросла вдвое и составила 11±0.3 град/°С.

Очевидно, что настоящее изобретение не ограничено описанными вариантами реализации. Напротив, оно предназначено для охвата всех подобных модификаций и конструкций.

Изобретение относится к способу и устройству. Измерительное устройство для одновременного измерения вязкости и температуры жидкости в одной области пробы жидкости содержит пьезоэлектрическую пластину толщиной h. Также устройство содержит один входной и один выходной встречно-штыревые преобразователи с периодом λ порядка толщины h. При этом встречно-штыревые преобразователи образованы на одной поверхности пластины и предназначены для генерирования и приема акустической пластинчатой моды колебаний в пластине. Кроме того, устройство содержит зону взаимодействия акустической пластинчатой моды колебаний с пробой жидкости, образованную на противоположной поверхности пластины. При этом присутствие жидкости вызывает детектируемые изменения в скорости и амплитуде моды колебаний. Также устройство содержит средство, генерирующее электрический сигнал соответствующей частоты, подводимый к входному встречно-штыревому преобразователю, и средство, принимающее сигнал с выходного встречно-штыревого преобразователя, выделяющее в скорости и амплитуде моды колебаний при прохождения зоны взаимодействия с пробой жидкости. А также устройство содержит контролирующее средство, обрабатывающее изменения посредством программных и аппаратных средств для вычисления значений вязкости и температуры пробы жидкости из изменений в акустической пластинчатой моде колебаний. Техническим результатом изобретения является повышение точности одновременного измерения вязкости и температуры жидкости в одной области пробы жидкости. 6 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 12 ил.

1. Измерительное устройство для одновременного измерения вязкости и температуры жидкости в одной области пробы жидкости, содержащее:
пьезоэлектрическую пластину толщиной h;
один входной и один выходной встречно-штыревые преобразователи с периодом λ порядка толщины h упомянутой пластины, образованные на одной поверхности упомянутой пластины, предназначенные для генерирования и приема акустической пластинчатой моды колебаний в упомянутой пластине;
зону взаимодействия упомянутой моды колебаний с пробой жидкости, образованную на противоположной поверхности упомянутой пластины, где присутствие жидкости вызывает детектируемые изменения в скорости и амплитуде упомянутой моды колебаний;
средство, генерирующее электрический сигнал соответствующей частоты, подводимый к входному встречно-штыревому преобразователю;
средство, принимающее сигнал с выходного встречно-штыревого преобразователя, выделяющее в скорости и амплитуде упомянутой моды колебаний при прохождения зоны взаимодействия с пробой жидкости, благодаря чему упомянутая мода трансформируется в электрический сигнал или в соответствующие значения для контролирующего средства; и
контролирующее средство, обрабатывающее упомянутые изменения посредством программных и аппаратных средств для вычисления значений вязкости и температуры пробы жидкости из изменений в упомянутой моды колебаний.

2. Измерительное устройство по п.1, в котором упомянутая пластина выполнена из LiNbO₃ 128°Y,X+90° - среза с отношением h/λ, равным 1,67, а входной встречно-штыревой преобразователь генерирует упомянутую моду с фазовой скоростью 15300 м/с и с величиной продольной компоненты смешения моды много больше ее поперечно-вертикальной компоненты на поверхности упомянутой пластины.

3. Измерительное устройство для одновременного измерения вязкости и температуры жидкости в одной области пробы жидкости, содержащее:
пьезоэлектрическую пластину толщиной h;
пару встречно-штыревых преобразователей с периодом λ, образованную на одной поверхности упомянутой пластины, предназначенных для генерирования и приема акустических пластинчатых мод колебаний в пьезоэлектрической пластины, которая выполнена из LiNbO₃ 128°Y,X+90° - среза с отношением h/λ, равным 1,67;
зону взаимодействия упомянутых мод колебаний с пробой жидкости, образованную на противоположной поверхности упомянутой пластины, где присутствие жидкости вызывает детектируемые изменения в скоростях и амплитудах двух различных типов упомянутых мод колебаний, проходящих через зону взаимодействия в одном направлении;
средство, генерирующее электрические сигналы с частотами f_n и f_m, подводимые к входному встречно-штыревому преобразователю для последовательной генерации упомянутых мод колебаний;
средство, принимающее выходные сигналы, выделяющие изменения в скорости одной из упомянутых мод колебаний на частоте f_n и в амплитуде другой на частоте f_m, благодаря чему упомянутые моды трансформируются в электрические сигналы или в соответствующие значения для контролирующего средства; и
контролирующее средство, обрабатывающее упомянутые изменения посредством программных и аппаратных средств, для вычисления значений вязкости и температуры пробы жидкости из изменений в упомянутой моды колебаний.

4. Измерительное устройство для одновременного измерения вязкости и температуры жидкости в одной области пробы жидкости, содержащее:
пьезоэлектрическую пластину толщиной h;
две пары входных и выходных встречно-штыревых преобразователей с отличающимися периодами λ₁ и λ₂ порядка толщины h упомянутой пластины, образованные на одной поверхности упомянутой пластины, предназначенные для генерирования и приема акустических пластинчатых мод колебаний в упомянутой пластине;
зону взаимодействия упомянутых мод колебаний с пробой жидкости, образованную на противоположной поверхности упомянутой пластины, где присутствие жидкости вызывает детектируемые изменения в скоростях и амплитудах двух упомянутых мод колебаний, проходящих через зону взаимодействия в одном направлении;
средство, генерирующее электрические сигналы с частотами f_n и f_m, подводимые к входным встречно-штыревым преобразователям для последовательной генерации двух упомянутых мод колебаний;
средство, принимающее сигналы с выходных встречно-штыревых преобразователей, выделяющие изменения в скорости одной из упомянутых мод колебаний на частоте f_n и в амплитуде другой на частоте f_m, благодаря чему упомянутые моды трансформируются в электрические сигналы или в соответствующие значения для контролирующего средства; и
контролирующее средство, обрабатывающее упомянутые изменения посредством программных и аппаратных средств, для вычисления значений вязкости и температуры пробы жидкости из изменений в упомянутой моды колебаний.

5. Измерительное устройство по п.1, в котором пары входных и выходных встречно-штыревых преобразователей размещены вдоль одного направления или двух пересекающих друг друга направлений.

6. Измерительное устройство для одновременного измерения вязкости и температуры жидкости в одной области пробы жидкости, содержащее:
пьезоэлектрическую пластину толщиной h, выполненную из LiNbО₃ 128°Y,X+90° - среза с отношением h/λ, равным 1,67;
две пары входных и выходных встречно-штыревых преобразователей с одинаковыми периодами λ порядка толщины h упомянутой пластины, образованные на одной поверхности упомянутой пластины, предназначенные для генерирования и приема моды нулевого порядка с фазовой скоростью 3930 м/с вдоль оси Х и моды семнадцатого порядка с фазовой скоростью 15300 м/с перпендикулярно упомянутой оси X;
зону взаимодействия упомянутых мод колебаний с пробой жидкости, образованную на противоположной поверхности упомянутой пластины, где присутствие жидкости вызывает детектируемые изменения в скоростях и амплитудах двух упомянутых мод колебаний, проходящих через зону взаимодействия;
средство, генерирующее электрические сигналы с частотами f_n и f_m, подводимые к входным встречно-штыревым преобразователям для последовательной генерации двух упомянутых мод колебаний;
средство, принимающее сигналы с выходных встречно-штыревых преобразователей, выделяющих изменения в скорости одной из упомянутых мод на частоте f_n и в амплитуде другой на частоте f_m, благодаря чему упомянутые моды трансформируются в электрические сигналы или в соответствующие значения для контролирующего средства; и
контролирующее средство, обрабатывающее упомянутые изменения посредством программных и аппаратных средств, для вычисления значений вязкости и температуры пробы жидкости из изменений в упомянутой моды колебаний.

7. Способ одновременного измерения вязкости и температуры жидкости в одной области пробы жидкости с использованием измерительного устройства по п.1 или 2, предусматривающий:
поиск акустической пластинчатой моды колебаний путем измерения вносимых потерь и фазы между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями;
измерение и построение зависимостей вносимых потерь и фазы упомянутой моды от вязкости и температуры с использованием жидкостей с низкой и высокой вязкостью и аппроксимация упомянутых зависимостей посредством соответствующих кривых и формул;
введение тестируемой пробы жидкости в зону взаимодействия с модой колебаний, измерение вносимых потерь и фазы для этой моды и вычисление значений вязкости и температуры тестируемой пробы по упомянутым кривым и формулам.

8. Способ одновременного измерения вязкости и температуры жидкости в одной области пробы жидкости с использованием измерительного устройства по пп.3-6, предусматривающий:
поиск двух акустических пластинчатых мод колебаний путем измерения вносимых потерь и фазы между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями;
измерение и построение зависимостей вносимых потерь одной из упомянутых мод вязкости и фазы другой от температуры с использованием вводимых в зону взаимодействия жидкостей с низкой и высокой вязкостью и аппроксимация упомянутых зависимостей посредством соответствующих кривых и формул;
введение тестируемой пробы жидкости в зону взаимодействия с модами колебаний, измерение вносимых потерь для одной из упомянутых мод и фазы для другой и вычисление значений вязкости и температуры тестируемой пробы по упомянутым кривым и формулам.