Способ определения скорости ультразвука в жидких средах Российский патент 2023 года по МПК G01H5/00 

Известны фазовые способы измерения скорости ультразвуковых волн (УЗВ), основанные на измерении набега фаз при изменении частот зондирующего сигнала или измерении набега фаз при изменении расстояния между датчиками. Предлагаемое изобретение основано на измерении набега фаз на поверхности приемного пьезодатчика при изменении угла наклона ультразвукового луча.

Известен фазовый способ определения скорости ультразвуковых колебаний [1], заключающийся в том, что в среду вводят сложные ультразвуковые колебания, спектр которых содержит две составляющие частоты ω₁ и ω₂, причем ω₁=ω₀-Ω, ω₂=ω₀+Ω, где ω₀ - заданная частота, и определяют Δϕ - разность фаз спектральных составляющих принятых ультразвуковых колебаний, а о скорости звука судят по отношению , где Ω - разносная частота, Δϕ - приращение фаз спектральных составляющих, - база прозвучивания. Разность частот ω₁-ω₂=2Ω выбирают равной единице измерения частоты, а частоту ω₀ задают из условия ω₀<ω_г-Ω, где ω_г - граничная частота полосы акустической прозрачности материала. Общими с предлагаемым изобретением признаками являются введение в среду ультразвуковых колебаний определенной частоты ω, прием сигнала после его прохождения зоны контроля, определение разности фаз Δϕ. Однако известный способ имеет ограничение по частоте и не позволяет проводить оперативный контроль физико-технических свойств материала, т.к. включает в себя много измерительных операций: введение в среду сложных ультразвуковых колебаний, определение разности фаз его спектральных составляющих, для чего сигнал, поступающий с выхода усилителя детектируют, фильтруют и после еще нескольких промежуточных операций, с помощью фазовращателя определяют Δϕ.

Известен способ определения скорости распространения акустических колебаний [2], заключающийся в измерении сдвига фаз между приемниками, которые располагают от излучателя на разных расстояниях от излучателя и по полученному значению сдвига фаз между ними и значению сдвига фаз между одним из приемников и излучателем определяют скорость распространения акустических колебаний.

Общими признаками с предлагаемым изобретением являются введение в среду ультразвуковых колебаний, прием сигнала после его прохождения зоны контроля, нахождения сдвига фаз. Однако известный способ имеет большую погрешность измерений из-за неоднозначности в определении сдвига фаз, наличия вторичных отражений, создаваемых в зоне контроля при зонировании непрерывным сигналом.

Известен способ измерения скорости звука в высокотемпературных потоках [3], в котором на заданном расстоянии располагают друг против друга излучатель и приемник акустических колебаний, рабочие поверхности которых параллельны направлению потока, возбуждают импульс акустических колебаний, принимают его, излучатель перед перемещением приемника поворачивают рабочей поверхностью до получения максимальной амплитуды сигнала. Общими признаками известного способа с предлагаемым изобретением являются импульсное облучение зоны контроля, первоначальное расположение друг против друга пьезодатчиков, рабочие поверхности которых параллельны друг другу, поворот приемника до получения максимального сигнала. Недостатком известного способа является неоднозначность определения перемещения и поворота приемника, что приводит к невысокой точности измерений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения скорости ультразвуковых волн (УЗВ) в жидких средах [4]. В выбранном прототипе пьезопреобразователем излучается и принимается от отражателя импульс УЗВ, длина которого меньше расстояния между датчиком и отражателем. Определяют набег фаз отраженного сигнала относительно опорного, проводят перестройку частоты от F₀ до F_к так, чтобы набег фаз за шаг перестройки не превышал π, вычисляют полный набег фаз и вычисляют скорость УЗВ по формуле:

где L - расстояние между датчиком и отражателем, ΔL - изменение расстояния L в зависимости от температуры жидкой среды, Δϕ - полный набег фазы, F₀ - минимальная частота, F_к - максимальная частота.

Недостатком прототипа является большая времяемкость и трудоемкость из-за многоповторяемости измерений последовательности набега фаз при изменении частоты перестройки от F₀ до F_к.

Заявленное изобретение лишено этих недостатков. Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение и сокращение времени измерений (уменьшение времяемкости), повышение оперативности и экономичности определения скорости УЗВ при изменении параметров исследуемой среды: температуры, концентрации и т.д.

Указанный технический результат достигается тем, что излучаемый пьезодатчиком импульс, длина которого меньше длины зондируемой среды, проходит через исследуемую среду и принимается приемным пьезодатчиком. Датчики находятся во взаимных прожекторных зонах. Набег фаз Δϕ определяют по изменению величины давления при изменении угла падения ультразвукового луча θ на поверхности приемного кварца от максимального давления P_max при θ равным нулю, когда Δϕ равно нулю, до P_min при θ_min, когда Δϕ=2π и по формуле определяют скорость ультразвука:

где ν - частота, R - радиус приемника, β - аргумент функции Бесселя, соответствующий θ_min.

Известно, что на поверхности пьезокварца под действием акустических волн возникают электрические заряды.

Эффективная разность потенциалов на приемном кварце определяется:

где P_r - давление акустической волны в произвольной точке приемника, D - размерная величина, связывающая потенциал с эффективным давлением, зависящая от коэффициента электромеханической связи [6, 7].

В экспериментальной практике обычно применяют дискообразные датчики, размеры которых R>>λ [8], поэтому задачу нахождения эффективного давления решают в сферической системе координат. Разность хода лучей, приходящих в разные точки приемника в сферической системе координат, будет определяться следующим образом:

Отношение эффективного давления к падающему при θ=0° находится с помощью следующего соотношения:

Используя соотношение из теории специальных функций [9]:

Где I₀ - функция Бесселя, преобразуем (1) к виду:

Решив которое, получим:

где β=kRsinθ.

По экспериментальным кривым ln(P_θ/Р₀) от θ определяются значения углов, при которых наблюдается первый интерференционный минимум θ_min, где Р_θ - величина давления акустической волны. И учитывая, что k=2πν/c, находим выражение для определения скорости звука с помощью выражения (3),

где ν - частота ультразвуковой волны, R - радиус пьезокварцевого приемника, размер которого гораздо больше длины волны, β - аргумент функции Бесселя, при котором функция принимает экстремальное значение. Значения sinθ_min и аргумента функции Бесселя β определяются из таблиц [9, 10].

Предлагаемый способ был реализован в устройстве, схема которого представлена на Фиг. 1, которое содержит 1 - акустическую ячейку, 2, 3 - пьезодатчики, 4 - генератор УЗВ, 5 - приемник УЗВ, 6 - аттенюатор, 7 - осциллограф, 8 - анализатор импульсов, 9 - таймер, 10 - термостат, 11 - термометр.

В кювету (1), заполненную исследуемой средой, опускали герметизированные пьезодатчики (2, 3) на любую технологически требуемую глубину. Центры датчиков находились на одной оси, плоскости которых устанавливались параллельно друг другу. Высота амплитуды первого прошедшего импульса фиксировалась на осциллографе, отмечались показания аттенюатора. Затем приемный кварц начинали вращать вокруг оси, лежащей в плоскости и делящей ее площадь S/2. При вращении приемника, его площадь начинает попадать в разнофазовые плоскости УЗВ, возникает набег фаз. Возникает соответствующие изменения высоты импульса. Высоту импульса на экране осциллографа, с помощью аттенюатора, подстраивают до первоначальной величины. По градуировочной кривой аттенюатора находились логарифмические значения величин давлений импульсов при повороте приемного кварца, при соответствующих углах θ. Строился график: по оси абсцисс наносились углы поворота приемника, по оси ординат соответствующие логарифмические значения величин давлений импульсов, выбирался шаг угла поворота приемника, позволяющий надежно фиксировать угол θ_min, при котором появляется первый минимум и по формуле (4):

получали величину скорости УЗВ.

Заявленное изобретение опробовано на лабораторной базе СПбГУ в режиме реального времени при многочисленных экспериментальных исследованиях, проведенных на образцах (средах) в воде, хладоне, глицерине, физиологическом растворе при Т=21°С, р=760 мм.рт.ст., ν=3 МГц, размер пьезодатчика R=0,0075 м. Результаты исследований представлены соответствующими графиками (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5) и соответствующими им таблицами (Таблица 1, Таблица 2, Таблица 3, Таблица 4).

На Фиг. 2 представлена зависимость ln(Р_θ/Р₀) от θ в дистиллированной воде, данные логарифмических значений величин давлений импульсов при соответствующих углах θ и скорость ультразвука, рассчитанная по формуле (4) при θ_min приведены в Таблице 1.

На Фиг. 3 представлена зависимость ln(Р_θ/Р₀) от θ в хладоне, данные логарифмических значений величин давлений импульсов при соответствующих углах θ и скорость ультразвука, рассчитанная по формуле (4) при θ_min приведены в Таблице 2.

На Фиг. 4 представлена зависимость ln(Р_θ/Р₀) от θ в глицерине, данные логарифмических значений величин давлений импульсов при соответствующих углах θ и скорость ультразвука, рассчитанная по формуле (4) при θ_min приведены в Таблице 3.

На Фиг. 5 представлена зависимость ln(Р_θ/Р₀) от θ в физиологическом растворе, данные логарифмических значений величин давлений импульсов при соответствующих углах θ и скорость ультразвука, рассчитанная по формуле (4) при θ_min приведены в Таблице 4.

Предлагаемый фазовый акустоэлектронный способ определения скорости ультразвука в жидких средах безынерционно реагирует на изменение параметров исследуемой среды и может быть использован для автоматизации контроля процессов полимеризации полимеров, концентрационной зависимости растворов и т.д. в различных отраслях науки и техники.

Заявленный ультразвуковой способ фазового акустоэлектронного метода определения скорости УЗВ может быть применен в процессе микрокапсулирования в фармацевтической промышленности при капсулировании лекарственных препаратов, в противопожарной технологии при изготовлении огнетушащих, капсулированных материалов, например, хладона 114 в 2. Достоинство заявленного способа состоит в том, что можно вести непосредственный контроль процесса желатинизации материала при создании оболочек микрокапсул. В настоящее время в процессе микрокапсулирования берется некоторое стандартное время, заведомо большее времени растворения желатина при конкретной температуре.

Применение способа определения скорости ультразвука в жидких средах непосредственно в технологическом процессе капсулирования позволит повысить производительность установок, за счет сокращения времени отводимого на этап растворения желатина к удешевлению продукции на 15-20%.

Заявленный способ может быть успешно реализован в пищевой промышленности, особенно при выборе режима кристаллизации лактозы в сгущенных молочных и молокосодержащих продуктах. В настоящее время о динамике кристаллизации лактозы судят косвенно по плотности, коэффициенту динамической вязкости, коэффициенту однородности проб, отобранных в разные технологические этапы.

Применение фазового акустоэлектронного метода определения скорости УЗВ дисперсных сред непосредственно в технологичном процессе позволит сократить время получения оперативной, непосредственной информации о динамике кристаллизации лактозы и приведет к предположительному экономическому эффекту, порядка 10-20%.

Источники используемой информации

1. Патент 731370. Опубл.30.04.80. Бюл.№16. Жуков С.В. Фазовый способ определения скорости ультразвуковых колебаний

2. Патент 785656. Опубл. 07.12.80. Бюл.№45. Пьянов В.М., Добровольский В.Д. Способ определения скорости распространения акустических колебаний

3. SU Патент 1155931. Опубл. 15.05.85.Бюл. №18. Буткус И.Ю., Милюс П.Б. Способ измерения скорости звука в высокотемпературных потоках

4. RU Патент 2436050 С1. Опубл. 10.12.2011. Бюл.№34. (прототип). Жогликов В.А., Лебедев Е.В., Ванягин А.В., Дерябин М.С. Способ определения скорости звука в жидких средах

5. Гуляев Ю.В., Хикернелл Ф.С. Акустоэлектроника: история, современное состояние и новые идеи для новой эры. Акустический журнал, 2005, том 51, №1, с. 101-110

6. Кольцова И.С. Распространение ультразвуковых волн в гетерогенных средах // Спб: СПбГУ. 2007. С. 245.

7. Кольцова И.С., Михайлов И.Г., Журбенко В.П. Исследование акустического фона приемником конечных размеров // Вестник ЛГУ, 1981, №16.

8. Баршаускас К., Илгунас В., Кубилюнене О. Измерение дисперсии скорости ультразвука в жидкостях интерферометрическим методом // Акустический журнал, 1964, том 10, №1, с. 25-29.

9. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции // Л.; М.; 1977, 342 с.

10. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов // Учебное пособие. СПб.: Из-во «Лань», 2010, 608 с.

Изобретение относится к метрологии. Способ определения скорости ультразвука в жидких средах заключается в импульсном зондировании исследуемой среды импульсом, длина которого меньше длины зондируемой среды, определении набега фаз. При этом набег фаз ϕ определяют по изменению величины давления при изменении угла падения ультразвукового луча θ на поверхности приемного кварца от максимального давления p_max при θ равном нулю, когда ϕ равно нулю, до p_min при θ_min, когда ϕ=π/2, и по формуле определяют скорость ультразвука , где ν - частота ультразвуковой волны, R - радиус пьезокварцевого приемника, размер которого гораздо больше длины волны, β - аргумент функции Бесселя, соответствующий θ_min. Технический результат - уменьшение времени на измерения и оперативность измерения скорости звука в жидкости. 5 ил., 4 табл.

Способ определения скорости ультразвука в жидких средах, включающий импульсное зондирование исследуемой среды импульсом, длина которого меньше длины зондируемой среды, определение набега фаз, отличающийся тем, что набег фаз Δϕ определяют по изменению величины давления при изменении угла падения ультразвукового луча θ на поверхности приемного кварца от максимального давления P_max при θ равном нулю, когда Δϕ равно нулю, до P_min при θ_min, когда Δϕ=2π, и по формуле определяют скорость ультразвука

,

где ν - частота ультразвуковой волны,

R - радиус пьезокварцевого приемника, размер которого гораздо больше длины волны,

β - аргумент функции Бесселя, соответствующий θ_min.