СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G01N29/02 

Группа изобретений относится к акустическим способам и устройствам для определения характеристик жидкостей и может быть использована в медицине, биологии, химии и других отраслях промышленности и науки.

Основной проблемой при создании микроакустических датчиков при их физическом контакте с тестируемой жидкостью является значительное затухание большинства акустических волн. Оно возникает из-за переизлучения части упругой энергии из твердотельной подложки, в которой распространяется зондирующая волна, в жидкий аналит, который требуется исследовать (радиационные потери), и из-за вязкости жидкости (вязкоупругие потери). Поэтому для устройств этого типа требуется производить тщательный подбор параметров акустических колебаний, которые, с одной стороны, обладали бы слабым суммарным затуханием в присутствии жидкости, а с другой - требуемой чувствительностью к параметрам жидкости, которые необходимо определить. Так, ранее уже исследовалась возможность применения рэлеевских, приповерхностных и сдвиговых пластинчатых волн и описаны устройства для измерения отдельных параметров жидкости - вязкости, плотности, проводимости или диэлектрической проницаемости. Однако большинство применений требует определения не одного, а возможно большего числа параметров, что делает анализ жидкостей более полным, достоверным и корректным.

В патенте US 4691714, Wong, et. al., 08.09.1987 описано одновременное измерение вязкости и температуры жидкости посредством микроакустического датчика. Датчик состоит из пластины плавленого кварца со встречно-штыревыми преобразователями (ВШП), расположенными на одной поверхности пластины, и контрольной выборки жидкости, находящейся в контакте с противоположной поверхностью пластины. Измерительные преобразователи генерируют и детектируют в пластине две разные акустические волны - поверхностную, распространяющуюся вдоль поверхности и не имеющую контакта с контрольной выборкой жидкости, и пластинчатой моды низшего порядка n=1, находящуюся в контакте с жидкостью. Изменение фазы поверхностной волны и изменение амплитуды пластинчатой моды используют, соответственно, для измерения температуры и вязкости жидкости. Однако поскольку жидкость и зондирующая поверхность разделены телом пластины, имеющей ограниченную теплопроводность, величина температуры, измеряемой на противоположной поверхности, отличается от реального значения, и достоверность измерений ухудшается.

В изобретении по патенту US 5117146, Martin, et. al., 26.05.1992 описано устройство для детектирования электрических свойств жидкости и изменений условий на ее границе с твердотельной пластиной. Однако это решение позволяет измерять только электропроводность и диэлектрическую проницаемость жидких аналитов, но не их плотность и/или вязкость.

В патенте US 5235235, Martin, et. al., 10.08.1993 описано измерение физических свойств жидкостей с помощью акустических волн разных типов. Однако основываясь только на различии частотных зависимостей акустических откликов на механические и электрические свойства жидкости, данное решение не учитывает различие тех же откликов от типа акустической волны. Это снижает точность измерений отдельных характеристик, т.к. не позволяет надежно разделить парциальные вклады в отклики волн от плотности, вязкости, электропроводности, диэлектрической проницаемости и температуры жидкости.

В изобретении по патенту US 6543274, Herrmann, et al., 08.04.2003 описаны способ и устройство для измерения плотности и вязкости жидкости акустическим датчиком, а ее температуры - автономным тонкопленочным резистором, размещенным вне датчика. Однако данное устройство не позволяет измерять электрические характеристики жидкости, а измерение температуры автономным сенсором вносит в жидкостную пробу дополнительные искажения.

В патенте US 7007546, Andle, 07.03.2006 раскрыты способ и устройство для измерения вязкости и сдвиговой скорости с помощью акустических волн. Хотя данное решение позволяет учесть взаимную корреляцию этих двух параметров, но оно не способно измерить остальные характеристики жидкости (плотность, электропроводность, диэлектрическую проницаемость, температуру).

В патенте US7267009, Liu, et. al., 11.09.2007 описан многомодовый акустический сенсор, работающий в дистанционном режиме. Устройство позволяет отделить измерение температурных измерений в жидкости от измерения иных физических и химических параметров, таких как давление, вращательный момент, вязкость, плотность, коррозийность, проводимость, скорость потока, маслянистость, турбулентность, влажность и концентрация. Однако одновременное измерение всех характеристик жидкости данным устройством не представляется возможным.

В полезной модели RU 73488 U1, Зайцев и др. 25.12.2007 описан акустический датчик механических и электрических параметров жидкости, содержащий пьезоэлектрическую подложку с расположенными на ней двумя входными и двумя выходными встречно-штыревыми преобразователями, ячейку для исследуемой жидкости, расположенную поперек подложки между входными и выходными преобразователями, и проводящую пленку, расположенную между одним входным и соответствующим выходным преобразователем. Однако данное решение не позволяет проводить измерение температуры жидкости, а компенсация температурных изменений за счет введения опорного канала, не содержащего жидкость, является некорректной, т.к. температурная чувствительность акустических волн в опорном (без жидкости) и измерительном (с жидкостью) каналах различна даже для одной и той же волны. Кроме того, как и в упомянутом патенте US 5235235, данное решение не учитывает реальной зависимости отклика акустической волны от измеряемых параметров жидкости, которые различны даже для волн одного типа, но разной упругой и электрической структуры. Наконец, предложенное устройство обладает слабой механической прочностью (толщина звукопровода порядка 0,1-0,2 длины волны - то есть около 50 мкм) и имеет невысокую надежность измерений из-за расположения ячейки между входными и выходными преобразователями - то есть на пути распространения волны.

В заявке RU 2007134666, Чен Ших-Чанг и др., 27.03.2009 описаны способ и устройство для одновременного измерения вязкости и температуры жидкости в одной той же тестируемой пробе. Основаны на возбуждении в пластинчатом звукопроводе одной или двух акустических мод колебаний, измерении реальных зависимостей фазы и амплитуды для каждой из этих мод от температуры и вязкости жидкости, наносимой на звукопровод, и определении искомых параметров численными методами из системы уравнений, содержащих измеренные зависимости. Однако это решение не позволяет измерить три другие параметра жидкости - плотность, электропроводность и диэлектрическую проницаемость.

Наиболее близким к патентуемому способу по технической сущности является способ определения характеристик жидкости, состоящий в возбуждении в пластинчатом звукопроводе из кристаллического пьезоэлектрика акустических пластинчатых мод колебаний, приведении указанного звукопровода в контакт с тестируемой жидкостью и регистрации параметров колебаний (US 6543274 - ближайший аналог первого изобретения группы).

Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения характеристик жидкости, содержащее пластинчатый звукопровод из пьезоэлектрика в форме плоскопараллельной пластины, на одной поверхности которой размещена кювета для жидкости, дном которой является звукопровод, а на другой - электроакустические преобразователи для возбуждения и приема в звукопроводе акустических пластинчатых мод колебаний, подключенные к блоку генерации-приема колебаний, а также вычислитель (US 5117146 - ближайший аналог второго изобретения группы).

Исходя из анализа уровня техники следует, что задача многопараметрического анализа жидкостей, то есть регистрации сразу пяти параметров жидкости - плотности, вязкости, электропроводности, диэлектрической проницаемости и температуры, - пока не решена. Для ее решения необходимо учесть зависимость упомянутых параметров от температуры и реализовать измерения в одном и том же месте одной и той же пробы объемом около 100 мкл с учетом реальной чувствительности используемых акустических волн к каждому измеряемому параметру жидкости в отдельности, что и раскрывается в данном изобретении.

Задачей, на решение которой направлена данная группа изобретений, является достижение технического результата, заключающегося в более информативном анализе жидких сред, снижении минимальной массы тестируемой пробы, уменьшении искажения пробы со стороны измерительного устройства и проведении измерений в одном и том же месте тестируемого объема. Способ пригоден для жидкостей, чья температура равна температуре звукопровода. Иными словами, способ удобно использовать как для определения плотности, вязкости, электропроводности и диэлектрической проницаемости тестируемой жидкости при известных значениях температуры, так и для определения температурных изменений каждого из этих параметров в отдельности.

Поставленная задача решена тем, что способ определения характеристик жидкости состоит в возбуждении в пластинчатом звукопроводе из кристаллического пьезоэлектрика акустических пластинчатых мод колебаний, приведении указанного звукопровода в контакт с тестируемой жидкостью и регистрации параметров колебаний, причем пластинчатый звукопровод выполняют с возможностью возбуждения в нем по меньшей мере пяти мод колебаний, каждая из которых характеризуется индивидуальной чувствительностью к плотности ρ, вязкости η, электропроводности σ, диэлектрической проницаемости ε и температуре t жидкости, в качестве параметров колебаний регистрируют фазовые отклики акустических мод при наличии тестируемой и эталонной жидкостей, а также в их отсутствии, а значения независимых друг от друга значений плотности, вязкости, электропроводности, диэлектрической проницаемости и температуры тестируемой жидкости определяют численными методами из системы уравнений:

где: Δφ₁ ^test, Δφ₂ ^test, Δφ₃ ^test, Δφ₄ ^test, Δφ₅ ^test - фазовые отклики акустических мод n=1, 2, 3, 4, 5 при наличии тестируемой жидкости; Δφ_n ^ref(ρ), Δφ_n ^ref(η), Δφ_n ^ref(σ), Δφ_n ^ref(ε), Δφ_n ^ref(t, η) - фазовые отклики, измеренные при наличии эталонных жидкостей и аппроксимированные непрерывными функциями своих переменных; φ₀₁, φ₀₂, φ₀₃, φ₀₄ φ₀₅ - фазовые отклики акустических мод в отсутствии жидкости, причем звукопровод выполняют в виде плоскопараллельной пластины либо из монокристалла LiNbO₃ 128°-повернутого у-среза с относительной толщиной h/λ=1,67, где h - толщина, λ - длина волны, либо из монокристалла LiNbO₃ 128°-повернутого у-среза с относительной толщиной h/λ=1,0, либо из монокристалла LiNbO₃ 64°-повернутого у-среза с относительной толщиной h/λ=0,74, при этом средства возбуждения мод колебаний размещены на поверхности, противолежащей контактирующей с жидкостью.

Способ может характеризоваться также тем, что траектории распространения в пластинчатом звукопроводе по меньшей мере трех мод колебаний пересекаются, а кроме того, тем, что контакт звукопровода с тестируемой жидкостью ограничен кюветой, дном которой является звукопровод.

Устройство для определения характеристик жидкости содержит пластинчатый звукопровод из пьезоэлектрика в форме плоскопараллельной пластины, на одной поверхности которой размещена кювета для жидкости, дном которой является звукопровод, а на другой - электроакустические преобразователи для возбуждения и приема в звукопроводе акустических пластинчатых мод колебаний, подключенные к блоку генерации-приема колебаний, вычислитель, причем пластинчатый звукопровод выполнен с возможностью возбуждения в нем по меньшей мере пяти мод колебаний, каждая из которых характеризуется индивидуальной чувствительностью к плотности ρ, вязкости η, электропроводности σ, диэлектрической проницаемости ε и температуре t жидкости в кювете, электроакустические преобразователи представляют собой по меньшей мере одну пару встречно-штыревых преобразователей, штыри в которых параллельны, образующих по меньшей мере один акустический канал, при этом блок генерации-приема колебаний подключен к вычислителю для определения искомых значений плотности, вязкости, электропроводности, диэлектрической проницаемости и температуры жидкости, причем пластинчатый звукопровод выполнен из пьезоэлектрического монокристалла, при этом отношение его толщины h к длине λ волны находится в диапазоне h/λ=0,1-5,0, либо пластинчатый звукопровод выполнен из монокристалла LiNbO₃ 128°- повернутого у-среза с относительной толщиной, выбранной из ряда h/λ=0,875; 1,0; 1,67; 2,5; 3,5 или 5,0, либо пластинчатый звукопровод выполнен из монокристалла LiNbO₃ 64° - повернутого у-среза с относительной толщиной, выбранной из ряда h/λ=0,74; 0,88; 1,77 или 3,5, причем блок генерации-приема колебаний либо включает высокочастотный генератор для возбуждения одного встречно-штыревого преобразователя и фазометр для регистрации изменения фазы сигнала, принятого другим встречно-штыревым преобразователем, образующим акустический канал, причем выход фазоизмерительного устройства подключен к вычислителю, либо блок генерации-приема колебаний включает по меньшей мере один усилитель, обеспечивающий режим автогенерации на упомянутых модах колебаний, подключенный ко встречно-штыревым преобразователям, образующим акустический канал, и к частотомеру, выход которого подключен к вычислителю.

Устройство может характеризоваться также тем, что содержит единственный акустический канал с возможностью последовательного возбуждения упомянутых мод колебаний на пяти разных частотах, а также тем, что часть поверхности звукопровода в области, образующей дно кюветы, покрыта слоем металла, толщина которого выбрана из условия экранирования пьезополей упомянутых мод колебаний, а встречно-штыревые преобразователи образуют два непересекающихся акустических канала, один из которых размещен под упомянутым слоем металла.

Устройство может характеризоваться также и тем, что часть поверхности звукопровода в области, образующей дно кюветы, покрыта слоем металла, толщина которого выбрана из условия экранирования пьезополей упомянутых мод колебаний; встречно-штыревые преобразователи образуют пять акустических каналов, составляющих независимые первую и вторую группы, расположенные раздельно друг от друга, причем первая группа содержит три канала, оси которых пересекаются в одной точке, а вторая - два канала, оси которых пересекаются в другой точке, при этом первая группа каналов размещена под упомянутым слоем металла, а также характеризоваться тем, что встречно-штыревые преобразователи образуют группу из пяти акустических каналов, причем оси каналов пересекаются в одной точке.

Существо группы изобретений поясняется на чертежах, где:

на фиг.1 представлена блок-схема устройства с блоком генерации-приема, включающим высокочастотный генератор и фазометр;

на фиг.2 - блок-схема устройства с блоком генерации-приема, обеспечивающим режим автогенерации, и частотомером;

на фиг.3 - конструкция датчика с одним каналом и последовательным возбуждением мод колебаний на пяти разных частотах;

на фиг.4 - конструкция датчика с двумя непересекающимися каналами;

на фиг.5 - конструкция датчика с двумя независимыми группами каналов;

на фиг.6 - конструкция датчика с группой из пяти акустических каналов;

на фиг.7 - примеры калибрационных зависимостей отклика моды от: а) вязкости; б) температуры; в) электропроводности жидкости.

Способ определения характеристик жидкости может быть реализован с помощью устройства, подробно описанного ниже.

На фиг.1, 2 представлена блок-схема устройства. Устройство содержит датчик 10, который включает пластинчатый звукопровод 12, на одной поверхности 14 которого размещена кювета 16 для жидкости 18. На противоположной поверхности 20 звукопровода 12 размещены электроакустические преобразователи 22, которые подключены через управляемые коммутаторы 24 к блоку генерации-приема колебаний.

Блок может быть реализован в двух вариантах - на базе фазоизмерительной схемы или схемы автогенератора. Фазоизмерительная схема (фиг.1) содержит высокочастотный генератор 26, приемник 28, фазометр 30, блок 32 управления и вычислений, связанный с компьютером 34. Схема автогенератора (фиг.2) содержит высокочастотный усилитель 36 и подключенный к нему частотомер 38, выход которого подключен к блоку 32 управления и вычислений, связанному с компьютером 34.

На фиг.3 показана конструкция датчика 10 с одним каналом и последовательным возбуждением мод колебаний на пяти разных частотах. На пластинчатом звукопроводе 12 образован единственный акустический канал 40 с входным 42 и выходным 44 электроакустическими встречно-штыревыми преобразователями (далее, ВШП), штыри в которых расположены параллельно. Для обеспечения заданной температуры жидкости, для которой регистрируется совокупность упомянутых физических параметров, каждый из которых является функцией температуры, звукопровод может быть либо помещен в термостат, либо подогрет (охлажден) внешним источником (например, элементом Пельтье, резистивным элементом и т.п.).

Пластинчатый звукопровод 12 может быть выполнен из пьезоэлектрического монокристалла, например из монокристалла LiNbO₃, 128° - повернутого у-среза, с относительной толщиной, выбранной из ряда h/λ=0,875; 1,0; 1,67; 2,5; 3,5 или 5,0. Также звукопровод 12 может быть выполнен из монокристалла LiNbO₃ 64° - повернутого у-среза с относительной толщиной, выбранной из ряда h/λ=0,74; 0,88; 1,77 или 3,5. Методика выбора соотношений толщины h пластины к длине λ волны описана [I.V.Anisimkin, V.I.Anisimkin. IEEE Transaction, v.UFFC-53. no.8, pp.1487-1492, 2006]. Там же (с.1488 в табл.1) приведены стандартные записи в углах Эйлера о кристаллографической ориентации используемых пластин монокристалла LiNbO₃, повернутого у-среза:

64° yx-LiNbO₃:µ=-26°, распространение акустической моды колебаний по оси X, углы Эйлера (0°; -26°; 0°);

64° ух+90°-LiNbO₃:µ=-26°, распространение акустической моды колебаний перпендикулярно оси X, углы Эйлера (0°; -26°; 90°);

128° yx-LiNbO₃:µ=+37,86°, распространение акустической моды колебаний по оси X, углы Эйлера (0°; 37,86°; 0°);

128 ух+90°-LiNbO₃:µ=+37,86°, распространение акустической моды колебаний перпендикулярно оси X, углы Эйлера (0°; 37°,86°; 90°).

Пригодность мод, существующих в пластинчатом звукопроводе 12, оценивается, исходя из их чувствительности к определяемым параметрам жидкости, эффективности возбуждения с помощью ВШП и величины поглощения мод при введении жидкости 18 в кювету 16, находящуюся на поверхности 14 звукопровода 12. Из-за различия скоростей v_n распространения мод n разных порядков генерация разных мод одним и тем же ВШП осуществляется на разных частотах f_n=v_n/λ, где λ - период ВШП, равный длине λ акустической волны. В пластинах из анизотропных пьезокристаллов, к каким относится LiNbO₃, при толщине h/λ=0,5-5,0 количество существующих мод достигает 30. Для лучшего разрешения соседних мод по частоте полоса пропускания ВШП 42 и 44 сужается путем увеличения числа пар штырей до 30-40 в каждом преобразователе.

На фиг.4 показана конструкция датчика 10 с двумя непересекающимися каналами 46 и 48, образованными парами входных 42 и выходных 44 ВШП. На части поверхности 14 пластинчатого звукопровода 12 образован слой 50 металла. Толщина такого слоя 50 должна быть выбрана из условия экранирования пьезополей упомянутых мод колебаний и для слоя, например, золота или алюминия составляет около 1000 ангстрем. Один из каналов 46, размещенный на поверхности 20 звукопровода 12, располагается под частью поверхности 14, содержащей слой 50 металла, а другой канал 48 - под частью поверхности 14, свободной от слоя 50 металла. Угол, образуемый осями каналов 46 и 48, выбирается из соображения пригодности мод для измерений. Принцип выбора описан в упомянутой статье [I.V.Anisimkin, et al.].

На фиг.5 представлена конструкция датчика 10 с двумя независимыми группами 52 и 54 каналов, образованными входными 42 и выходными 44 ВШП. На поверхности 14 пластинчатого звукопровода 12 образован слой 50 металла. Под этим слоем размещена группа 52, состоящая из каналов 56, 58 и 60, а группа 54, состоящая из каналов 62 и 64, находится под свободной поверхностью 14 звукопровода 12. Оси каналов в группе 52 пересекаются в одной точке 66, а второй группы 54 - пересекаются в другой точке 68. Расстояния между группами выбираются с точки зрения минимизации габаритов датчика 10 при исключении взаимного влияния ВШП соседних каналов и групп 52, 54 друг на друга. Углы, под которыми располагаются каналы в группах 52 и 54, в общем случае различны и выбираются из соображения пригодности мод для измерений. Принцип выбора описан в упомянутой статье [I.V.Anisimkin, et al.].

На фиг.6 показана конструкция датчика 10 с группой из пяти акустических каналов 70, 72, 74, 76, 78. Оси каналов пересекаются в одной точке 80. Углы, под которыми располагаются каналы, в общем случае различны. Расстояния между излучающим и приемным ВШП в каждом канале выбираются с точки зрения минимизации габаритов датчика 10 при исключении взаимного влияния ВШП друг на друга и составляют порядка 10 мм, а апертуры ВШП - примерно 2 мм.

В устройствах на фиг.3-6 период λ ВШП в различных акустических каналах может быть в общем случае разным. Период ВШП, как уже отмечалось со ссылкой на статью [I.V.Anisimkin, et al.], выбирается из соображений пригодности мод для измерений. Апертура ВШП определятся из соображений электрического согласования импеданса ВШП с 50-омными внешними цепями. Принцип такого согласования описан в кн. А.И.Морозов, В.В.Проклов, Б.А.Станковский "Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств", М.: Радио и Связь, 1981.

На фиг.7 представлены примеры экспериментально полученных калибрационных зависимостей отклика моды от: а) вязкости жидкости; б) температуры (кривая 1 - без жидкости, кривая 2 - H₂O 1200 мкл, кривая 3 - глицерин 490 мкл); в) электропроводности (А - концентрация NaCl в H₂O). Использовалась акустическая мода колебаний с частотой f=38,5 МГц, распространяющаяся в пластине LiNbO₃ 64° - повернутого у-среза толщиной h/λ=0,74. Аппроксимация экспериментальных значений (точки) непрерывными функциями (линии) дает:

Δφ(η)=26,5·exp{-η/1744};

Δφ(σ)=18,94·ехр{-А/0,126} и

Δφ(t, η)=(-9,1·t) без жидкости, (-7,3·t) для воды и (-8,3·t) для глицерина.

При концентрации А=0,3% NaCl в Н₂О проводимость раствора составляет σ=0,048 Сим/м.

Фиг.7,б наглядно демонстрирует, что при введении в кювету 16 в качестве тестируемых жидкостей 18 воды и глицерина, вязкости которых отличаются, чувствительность одной и той же моды к температуре меняется, что, как уже упоминалось выше в уровне техники, в описанных способах не принималось во внимание.

Кювета 16 во всех вышеупомянутых модификациях устройства может иметь площадь порядка 20×20 мм², при этом глубина проникновения акустических колебаний МГц-диапазона в тестируемую жидкость составляет ~100 нм для воды и ~3000 нм для глицерина.

Устройство работает следующим образом. Тестируемую или эталонную жидкости 18 вводят в кювету 16 и посредством коммутаторов 24, активированных посредством блока 32, возбуждают один из акустических каналов, регистрируют приемником 28 выходной сигнал с преобразователя 22 и измеряют численное значение изменения фазы в принятом сигнале (отклик канала) (фиг.1). В варианте, приведенном на фиг.2, обеспечивается режим автогенерации и при этом фиксируется изменение частоты сигнала (отклик) частотомером 38. Блок 32 управления и компьютер 34 обеспечивают последовательную коммутацию каналов, регистрацию измеренных откликов и вычисление искомых величин, характеризующих физические свойства жидкости, в соответствии с системой уравнений (1)-(5).

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ

Перед началом собственно процесса измерений производится калибровка каждого из акустических каналов по отношению к искомым параметрам жидкости с использованием эталонных жидкостей по методике R.C.Weast, ed. "Chemical Rubber Company Handbook of Chemistry and Physics", 66^th ed. (Chemical Rubber, Boca Raton, FL, 1985), p.D232, а также Y.Hu, L.A.French Jr., K.Radecsky "A lateral field excited liquid acoustic wave sensor", in IEEE Ultrason. Symp., 2003, pp.46-51). Например, при изменении концентрации глицерина в водном растворе варьируется величина вязкости жидкости в диапазоне η=1,003-1491 сПуаз при незначительном изменении плотности

ρ=1-1,26 г/см³ и постоянных проводимости σ=0 и диэлектрической проницаемости. Это позволяет получить калибрационную кривую Δφ_n ^ref(η) (фиг.7, а). При изменении концентрации NaCl в воде величина проводимости варьируется в диапазоне σ=0-1 Сим/м при почти неизменных вязкости, плотности и диэлектрической проницаемости раствора. Это позволяет получить калибрационную кривую Δφ_n ^ref(σ) (фиг.7, с) и т.д. По завершении калибровки определяются реальные чувствительности каждого используемого акустического канала к отдельным параметрам жидкости - то есть фазовые отклики Δφ_n ^ref(ρ), Δφ_n ^ref(η), Δφ_n ^ref(σ), Δφ_n ^ref(ε), Δφ_n ^ref(t, η), которые аппроксимируются непрерывными функциями с конкретными численными коэффициентами, после чего составляется уникальная система уравнений:

где: Δφ₁ ^test, Δφ₂ ^test, Δφ₃ ^test, Δφ₄ ^test, Δφ₅ ^test - фазовые отклики акустических мод n=1, 2, 3, 4, 5 при наличии тестируемой жидкости; Δφ_n ^ref(ρ), Δφ_n ^ref(η), Δφ_n ^ref(σ), Δφ_n ^ref(ε), Δφ_n ^ref(t, η) - фазовые отклики тех же мод, измеренные при наличии эталонных жидкостей и аппроксимированные непрерывными функциями своих переменных; φ₀₁, φ₀₂, φ₀₃, φ₀₄, φ₀₅ - фазовые отклики акустических мод в отсутствии жидкости.

Система уравнений (1)-(5) запоминается в блоках 32 и 34, которые и позволяют численными методами определять искомые значения плотности ρ, вязкости η, электропроводности σ, диэлектрической проницаемости ε и температуры t тестируемой жидкости. Примеры экспериментальных калибрационных кривых приведены на фиг.7. Калибрационные кривые измерены для акустической моды частотой f=38 МГц в пластине 64°yx+90°-LiNbO₃ толщиной h/λ=0,74.

Задача значительно упрощается, когда по меньшей мере одна из упомянутых мод акустических колебаний обладает пренебрежимо малой чувствительностью по меньшей мере к одному из искомых параметров жидкости. В этом случае соответствующими членами в уравнениях (1)-(5) можно пренебречь, и точность определения искомых параметров жидкости повышается.

Система уравнений (1)-(5) упрощается при определении трех параметров жидкости - плотности ρ, вязкости η и температуры t. В этом случае влияние электрических характеристик σ и ε жидкости на акустические моды колебаний исключается присутствием слоя металла на поверхности звукопровода, служащего дном кюветы. Искомые параметры определяются с помощью любых трех акустических мод колебаний и соответствующих им трех уравнений упомянутой системы, например, мод 1, 2, 3 и уравнений:

;

;

при .

Таким образом, группа изобретений позволяет провести одновременное измерение физических электрических и механических характеристик пробы жидкости в одном и том же ее объеме. Экспериментальные результаты, полученные с использованием различных водных растворов глицерина и хлористого натрия показывают, что патентуемыми способом и устройством могут быть определены основные физические характеристики микродоз жидкости объемом ~100 мкл с точностью: для плотности - ±5%, для вязкости - ±1 сПуаз в диапазоне η<10 сПуаз; ±10 сПуаз в диапазоне 10 сПуаз< η<100 сПуаз и ±50 сПуаз в диапазоне 100 сПуаз<η<1500 сПуаз; для диэлектрической проницаемости - ±2%; для электропроводности - ±2% в диапазоне σ<0,05 Сим/м и температуры - ±0,1°С в диапазоне t=(0-100)°С.

Устройство может быть реализовано на основе широкого спектра пьезоэлектрических монокристаллов, таких как Ba₂NaNbO₁₅, Li₂BO₇, TeO₂, AlPO₄ GaPO₄, SiO₂, La₃Ga₅SiO₁₄, La₃Ga_5,5Nb_0,5O₁₄, La₃Ga_5,5Ta_0.5O₁₄, LiTaO₃.

Использование: для определения характеристик жидкости. Сущность заключается в том, что возбуждают в пластинчатом звукопроводе из кристаллического пьезоэлектрика акустические пластинчатые моды колебаний, приводят указанный звукопровод в контакт с тестируемой жидкостью и регистрируют параметры колебаний, при этом пластинчатый звукопровод выполнен с возможностью возбуждения в нем по меньшей мере пяти мод колебаний, каждая из которых характеризуется индивидуальной чувствительностью к плотности ρ, вязкости η, электропроводности σ, диэлектрической проницаемости ε и температуре t жидкости, а в качестве параметров колебаний регистрируют фазовые отклики акустических мод при наличии тестируемой и эталонной жидкостей, а также в их отсутствии, после чего значения независимых друг от друга значений плотности, вязкости, электропроводности, диэлектрической проницаемости и температуры тестируемой жидкости определяют численными методами согласно определенной системе уравнений. Технический результат: повышение информативности анализа жидких сред, снижение минимальной массы тестируемой пробы, уменьшение искажения пробы со стороны измерительного устройства, а также обеспечение возможности проведения измерений в одном и том же месте тестируемого объема. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ определения характеристик жидкости, состоящий в возбуждении в пластинчатом звукопроводе из кристаллического пьезоэлектрика акустических пластинчатых мод колебаний, приведении указанного звукопровода в контакт с тестируемой жидкостью и регистрации параметров колебаний, отличающийся тем, что
пластинчатый звукопровод выполнен с возможностью возбуждения в нем, по меньшей мере, пяти мод колебаний, каждая из которых характеризуется индивидуальной чувствительностью к плотности ρ, вязкости η, электропроводности σ, диэлектрической проницаемости ε и температуре t жидкости,
в качестве параметров колебаний регистрируют фазовые отклики акустических мод при наличии тестируемой и эталонной жидкостей, а также в их отсутствии,
а значения независимых друг от друга значений плотности, вязкости, электропроводности, диэлектрической проницаемости и температуры тестируемой жидкости определяют численными методами из системы уравнений:
Δφ₁ ^test=φ₀₁+Δφ₁ ^ref(ρ)+Δφ₁ ^ref(η)+Δφ₁ ^ref(σ)+Δφ₁ ^ref(ε)+Δφ₁ ^ref(t, η);
Δφ₂ ^test=φ₀₂+Δφ₂ ^ref(ρ)+Δφ₂ ^ref(η)+Δφ₂ ^ref(σ)+Δφ₂ ^ref(ε)+Δφ₂ ^ref(t, η);
Δφ₃ ^test=φ₀₃+Δφ₃ ^ref(ρ)+Δφ₃ ^ref(η)+Δφ₃ ^ref(σ)+Δφ₃ ^ref(ε)+Δφ₃ ^ref(t, η);
Δφ₄ ^test=φ₀₄+Δφ₄ ^ref(ρ)+Δφ₄ ^ref(η)+Δφ₄ ^ref(σ)+Δφ₄ ^ref(ε)+Δφ₄ ^ref(t, η);
Δφ₅ ^test=φ₀₅+Δφ₅ ^ref(ρ)+Δφ₅ ^ref(η)+Δφ₅ ^ref(σ)+Δφ₅ ^ref(ε)+Δφ₅ ^ref(t, η),
где: Δφ₁ ^test, Δφ₂ ^test, Δφ₃ ^test, Δφ₄ ^test, Δφ₅ ^test - фазовые отклики акустических мод n=1, 2, 3, 4, 5 при наличии тестируемой жидкости; Δφ_n ^ref(ρ), Δφ_n ^ref(η), Δφ_n ^ref(σ), Δφ_n ^ref(ε), Δφ_n ^ref(t, η) - фазовые отклики, измеренные при наличии эталонных жидкостей и аппроксимированные непрерывными функциями своих переменных; φ₀₁, φ₀₂, φ₀₃, φ₀₄ φ₀₅ - фазовые отклики акустических мод в отсутствии жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что звукопровод выполняют в виде плоскопараллельной пластины монокристалла LiNbO₃ 128° - повернутого у-среза с относительной толщиной h/λ=1,67, где h - толщина, λ - длина волны, при этом средства возбуждения мод колебаний размещены на поверхности, противолежащей контактирующей с жидкостью.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что звукопровод выполняют в виде плоскопараллельной пластины монокристалла LiNbO₃ 128° - повернутого у-среза с относительной толщиной h/λ=1,0, где h - толщина, λ - длина волны, при этом средства возбуждения мод колебаний размещены на поверхности, противолежащей контактирующей с жидкостью.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что звукопровод выполняют в виде плоскопараллельной пластины монокристалла LiNbO₃ 64° - повернутого у-среза с относительной толщиной h/λ=0,74, где h - толщина, λ - длина волны, при этом средства возбуждения мод колебаний размещены на поверхности, противолежащей контактирующей с жидкостью, и направлены по оси x и перпендикулярно ей.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что траектории распространения в пластинчатом звукопроводе, по меньшей мере, трех мод колебаний пересекаются.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что контакт звукопровода с тестируемой жидкостью ограничен кюветой, дном которой является звукопровод.

7. Устройство для определения характеристик жидкости, содержащее пластинчатый звукопровод из пьезоэлектрика в форме плоскопараллельной пластины, на одной поверхности которой размещена кювета для жидкости, дном которой является звукопровод, а на другой - электроакустические преобразователи для возбуждения и приема в звукопроводе акустических пластинчатых мод колебаний, подключенные к блоку генерации-приема колебаний, вычислитель, отличающееся тем, что
платинчатый звукопровод выполнен с возможностью возбуждения в нем, по меньшей мере, пяти мод колебаний, каждая из которых характеризуется индивидуальной чувствительностью к плотности ρ, вязкости η, электропроводности σ, диэлектрической проницаемости ε и температуре t жидкости в кювете,
электроакустические преобразователи представляют собой, по меньшей мере, одну пару встречно-штыревых преобразователей, штыри в которых параллельны, образующих, по меньшей мере, один акустический канал, при этом
блок генерации-приема колебаний подключен к вычислителю для определения искомых значений плотности, вязкости, электропроводности, диэлектрической проницаемости и температуры жидкости.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что пластинчатый звукопровод выполнен из пьезоэлектрического монокристалла, при этом отношение его толщины h к длине λ волны находится в диапазоне h/λ=0,1-5,0.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что пластинчатый звукопровод выполнен из монокристалла LiNbO₃, 128° - повернутого у-среза с относительной толщиной, выбранной из ряда h/λ=0,875; 1,0; 1,67; 2,5; 3,5 или 5,0.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что пластинчатый звукопровод выполнен из монокристалла LiNbO₃ 64° - повернутого у-среза с относительной толщиной выбранной из ряда h/λ=0,74; 0,88; 1,77 или 3,5.

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что блок генерации-приема колебаний включает высокочастотный генератор для возбуждения одного встречно-штыревого преобразователя и фазометр для регистрации изменения фазы сигнала принятого другим встречно-штыревым преобразователем, образующими акустический канал, причем выход фазоизмерительного устройства подключен к вычислителю.

12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что блок генерации-приема колебаний включает по меньшей мере один усилитель, обеспечивающий режим автогенерации на упомянутых модах колебаний, подключенный к встречно-штыревым преобразователям, образующим акустический канал, и к частотомеру, выход которого подключен к вычислителю.

13. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что содержит единственный акустический канал с возможностью последовательного возбуждения упомянутых мод колебаний на пяти разных частотах.

14. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что часть поверхности звукопровода в области, образующей дно кюветы, покрыта слоем металла, толщина которого выбрана из условия экранирования пьезополей упомянутых мод колебаний, а встречно-штыревые преобразователи образуют два непересекающихся акустических канала, один из которых размещен под упомянутым слоем металла.

15. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что часть поверхности звукопровода в области, образующей дно кюветы, покрыта слоем металла, толщина которого выбрана из условия экранирования пьезополей упомянутых мод колебаний,
встречно-штыревые преобразователи образуют пять акустических каналов, составляющих независимые первую и вторую группы, расположенные раздельно друг от друга,
причем первая группа содержит три канала, оси которых пересекаются в одной точке, а вторая - два канала, оси которых пересекаются в другой точке, при этом первая группа каналов размещена под упомянутым слоем металла.

16. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что встречно-штыревые преобразователи образуют группу из пяти акустических каналов, причем оси каналов пересекаются в одной точке.