Преобразователь влажности газов Советский патент 1987 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения влажности га- зов и их смесей с помощью нормальных акустических волн в пластине.

Цель изобретения - сохранение метрологических характеристик преобразователя и снижение трудоемкости работ при замене сорбента.

На фиг. 1 изображен преобразователь влажности газов, вид сверху; на фиг. разрез А-А на фиг. 1.

Преобразователь влажности газов содержит два снабженных электродами 1 электроакустических преобразователя 2 сдвиговых колебаний по толщине выполненных из пьезоматериала и установленных с торцов ленточного влагонепроницаемого звукопровода 3 со слоем сорбента 4, помещенным в отверстие в звукопроводе. Поглощающее ультразвук покрытие 5 нанесено на боковые стороны ленточного звукопровода 3.

Толщина h ленточного звукопро- вода 3 выбирается из неравенства

IM,

(1)

длина сдвиговой волны

в лейточном звукопроводе при максимальной рабочей частоте электроакустических преобразователей сорбента В в отверстии из неравенства

8

(2)

где At.

- длина сдвиговой волны в материале сорбента при максимальной относите- тельной влажности и максимальной рабочей частоте электроакустических преобразователей. Оптимальная толщина ленточного звукопровода 3 должна удовлетворять вьшеприведенному неравенству и для того, чтобы в отверстии, заполненном сорбентом, не нарушалось выражение (2), так как скорость звука в звукопроводе и сорбенте может быть не одинаковой.

. Ленточный звукопровод 3 изготовлен из водонепроницаемого материла, например, никелевого сплава, кварца или ситалла, имеющего малый коэффициент линейного расширения от температуры. При использовании диэлект

5

0

5

рического материала необходимо торцы звукопровода металлизировать для того, чтобы обеспечить электрическое соединение с пьезоматериалом электроакустического преобразователя 2. Ширина ленточного звукопровода 3 выбирается такой, чтобы на нем разместилось отверстие с сорбентом 4 и погг лощающее ультразвук покрытие 5. Оптимальное расстояние между боковой кромкой ленточного звукопровода и отверстием составляет IS /i, и выбирается из условия создания необходимой механической прочности звукопровода и минимальной пшрины поглощающего ультразвук покрытия 5. При увеличении зто- го расстояния улучшаются характеристики устройства, но увеличиваются габариты преобразователя влажности. Ширина Н ленточного звукопровода, по которой распространяется ультразвук, составляет не менее 20, При использовании звукопровода меньшей ширины возможна дисперсия скорости ультразвука, что приводит к уменьшению точности измерений преобразователя влажности газов. I

Поглощающее ультразвук покрытие 5

0 предназначено для устранения паразитных отражений в звукопроводе 3 и для локализации ультразвука в отверстии с сорбентом 4, т.е. чтобы ультразвуковые колебания распростраг нялись только через материал сорбента 4 и не распространялись по огибающей отверстие части ленточного звукопровода 3. В преобразователе влажности газов поглощающее ультра0 звук покрытие 5 наносится на боковые стороны .ленточного звукопровода и оги- бают отверстие с сорбентом.Оптимальная толщина поглощающего ультразвук покрытия 5 составляет не более 5-/It,,

5 3. оптимальная ширина в углублении (по оси а - с на фиг. 1) составляет 5-/iti , а за пределами углубления - 30/, . Приведенные размеры поглощающего ультразвук покры0 тия 5 являются оптимальными при использовании звукопровода из никелевого сплава, а покрытия 5 из олова. Приведенные размеры зависят от поглощающих ультразвук свойств

5 покрытия 5 и плотности ленточного звукопровода. Поглощающее ультразвук покрытие 5 выполняется из влагонеп- проницаемого материала (например, олова, свинца, резины или полиэтилена с наполнителем из окиси хрома). Целесообразно внутреннюю кромку покрытия 5 (со стороны отверстия) сделать под уклоном 30 - 50° для того, чтобы устранить отражения ультразву- ка от покрытия 5.

Между поглощающим ультразвуком покрытием 5 и отверстием с сорбентом 4 имеется зазор, равный (5 - 10)« , которьй предназначен для то го, чтобы в процессе заполнения отверстия сорбентом 4 поглощающее покрытие 5 не препятствовало заполнению отверстия сорбентом 4. Отверстие в ленточном звукопроводе может быть заполнено сорбентом из раствора, расплава или приклеиванием пластинки сорбента соответствующей формы в отверстие звукопровода. Зазор между покрытием 5 и отверстием с сор- бентом 4 представляет собой изогнутую полоску, т.е. звукопровод искривлен и ультразвуковая волна не проходит через этот участок звукопровода. Это достигается тем, что отверстие с сорбентом 4 углублено в поглощающее ультразвук покрытие 5 не менее чем на 15 А., При больщем углублении отверстия в покрытие 5 качественные характеристики устройства возрастают, но возрастают и габариты устройства.

Возможен вариант устройства, в котором зазор между отверстием и поглощающим ультразвук покрытием 5 отсутствует. В этом случае необходимо покрытие 5 в окрестностях углубленного отверстия изготовить под уклоном 20 - 50 к плоскости отверстия с сорбентом 4 так, чтобы кромка звукопровода в месте соединения отверстия с покрытием 5 не увеличила свой размер.

Отверстие в ленточном звукопроводе может быть изготовлено в виде круга, эллипса или прямоугольника. При использовании эллиптического отверстия необходимо больщую ось эллипса расположить по оси а - б (фиг. 1). При использовании прямоу- угольного отверстия его стороны должны быть параллельны сторонам ленточного звукопровода. Форма отверстия выбирается в зависимости от цели использования преобразовате- ля влажности. При использовании преобразователя влаж1 ости газов по прямому назначению, т.е. для измерения относительной влажности газа, отверстие целесообразно изготовить круглым или эллиптическим для того, чтобы после заполнения отверстия сорбе том(из раствора или расплава) материал сорбента равномерно заполнял отверстие за счет сил поверхностного натяжения и, кроме того, при этой форме отверстия легче производить замену сорбента. При использовании преобразователя влажности в научных целях для выполнения точных измерений скорости ультразвука в материале сорбента или в другом веществе лучше использовать прямоугольную форму отверстия, так как при этом акусти- ческое поле, распространяющееся в материале сорбента, будет равномерны и не искаженным, что способствует повышению точности измерений устройства. Прямоугольная форма отверстия еще удобна тем, что для нее легче производить математические расчеты всего устройства и сопоставлять их с экспериментальным результатом. Для выполнения точных измерений скорости ультразвука в материале вещества целесообразно использовать материал ленточного звукопровода 3 с хорошими акустическими свойствами и, кроме того,материал звукопровода должен иметь близкую (или равную) к материалу исследуемого вещества плотность и скорость звука.

Высота отверстия(вдоль оси а - б, на фиг. 1) для круглого - диаметр, для эллиптического - большая ось эллипса, для прямоугольного - сторона прямоугольника вдоль оси а - ё составляет не менее 50-А, для того, чтобы края отверстия были углублены в поглощающее ультразвук покрытие 5 и распространяющаяся по ленточному звукопроводу ультразвуковая волна не огибала отверстие с сорбентом 4.

Приведенный размер отверстия выбран из условия, что ; А( ,3

при использовании материалов устройсва, когда у1(, to необходимо высоту отверстия выбирать равной не менее

50.А

ti

и все размеры устройства

привязывать к размеруД для того, чтобы ширина ультразвукового луча, входящего в отверстие с сорбентом, была не менее 20-А . При на- рущении этих соотношений возможна дисперсия скорости ультразвука, что снижает точность измерений уст ройства.

При использовании прямоугольного тверстия возможен вариант устройства, в котором высота отверстия .вы- бирается равной Н (фиг. 1) и не менее 20-,j , а боковые стороны прямоугольного отверстия, параллельные боковым сторонам ленточного звуко- провода, вплотную примыкали к поглотителю ультразвуковых колебаний 5.

Чувствительность преобразователя влажности газов зависит от длины (вдоль оси в - г на фиг. 1) отверстия, заполненного сорбентом. Для реализации наивысшей чувствительности необходимо, чтобы отношение длины отверстия к длине ленточного звуко- провода 3 имело максимальную величину. При реализации максимальной чувствительности расстояние между отверстиями и электроакустическим преобразователем 2 выбирается равным (5 - Ю) At, . Разрешающая ; способность зависит от времени задержки электрического сигнала в устройстве. Разрешающая способность преобразователя влажности газов возра;стает с увеличением времени задержки электрического сигнала в нем, так как разрешающая способность электрической измерительной схемы, подключаемой к преобразователю влажности, зависит от времени задержки электриеского сигнала в устройство. Для измерения влажности газа с помощью предлагаемого преобразователя может быть использована любая из известных измерительных схем, обладающая высокой точностью измерения изменений скорости ультразвука. Длина отверстия в ленточном звукопроводе выбирается такой,чтобы максимальное затухание электрического сигнала в устройстве при двойном электроакустическом преобразовании составляло не бо- лее 45 дБ. При большей величине затухания усложняется электрическая измерительная схема, подсоединяемая к устройству.

В другом варианте преобразователя влажности газов на ленточном зву- копроводе изготовлено несколько отверстий, расположенных на одной оси, совпадающей с центральной осью зву- копровода (ось в - г) и заполненных сорбентом. Это сделано для того, чтобы увеличить чувствительность преоб- разователя влажности. Этот же результат может быть получен и при увеличении длины стороны прямоугольного отверстия, однако, если длина отверстия будет превосходить его высоту, то ухудшается механическая прочность

преобразователя влажности при его деформации, возникающей в момент установки преобразователя в измерительную схему (прибор). Поэтому, с целью увеличения механической прочности,

уменьшения размеров и улучшения условий нанесения сорбента, а также с целью увеличения чувствительности преобразователя влажности, вдоль ленточного звукопровода изготовлено несколько отверстий, заполненных сорбентом. Оптимальное количество отверстий составляет 3 - 5 и зависит от степени затухания ультразвука в материале сорбента. Практически удобно выполнять электрические измерения, когда затухание электрического сигнала в преобразователе влажности составляет не более 45 дБ. Этой величиной предельного затухания

(при максимальной относительной влажности) ограничивается оптимальное чисую отверстий в ленточном звукопроводе. Оптимальное расстояние между отверстиями составляет 2-5 мм

и выбирается из условия необходимой

механической прочности ленточного звукопровода, а также с учетом того, чтобы в ленточном звукопроводе не образовались стоячие ультразвуковые волны.

I- .

Оптимальная рабочая частота преобразователя влажности газов составляет 4-6 МГц и обусловлена технологичностью устройства. Рабочая частота зависит от толщины ленточного звукопровода и рабочей частоты электроакустических преобразователей сдвиговых колебаний. Электрод 1

электроакустического преобразова- теля целесообразно изготовить из коррозионно стойкого металла (например, из никеля толщиной не более Дх ) 3 второй электрод (при

использовании диэлектрического звукопровода) изготовляется аналогичным электроду 1 и наносится на торец ленточного звукопровода и частично на примыкающую к торцу боковую поверхность звукопровода (шириной - V-/lt, ) для того, чтобы электрически соединить пьезоматериал (2) с электрической измерительной схемой посредством гфоводников 6. Длина пьезо712901

материала (вдоль оси а - б на фиг. 1) выбирается меньше размера Н. Следует отметить, что от длины пьезоматериа- ла (2) зависит входное электрическое

.

сопротивление электроакустического 5

преобразователя. Для оптимального

электрического согласования с 75омным кабелем длину пьезоматериала

2 следует .взять равной 15-Д,

(при использовании пьезокерамики 0

ЦТС-19, ЦТС-23).

Преобразователь влажности газов

работает следующим образом.

Преобразователь влажности газов помещают в замкнутый объем, через который продувается влажный газ. К излучающему ультразвук электроакустическому преобразователю (на фиг.1 слева) от внешнего генератора высокой частоты подается электрический 20 сигнал, который преобразуется в сдвиговые ультразвуковые колебания, распространяющиеся по ленточному звуко- проводу. Так как на ленточном зву- копроводе находится отверстие, заполненное сорбентом, то ультразвуковые колебания распространяются по сорбенту и пройдя через него, попадают в ленточный звукопровод, а затем в приемный электроакустический преобразо- ватель .(на-фиг. 1 справа), где ульт- развук преобраз уется в электрический сигнал, в атмосфере влажного газа сорбент 4 поглощает влагу, и вследствие чего изменяется скорость 35 ультразвуковых волн в сорбенте. Так как сорбент акустически связан с ленточным звукопроводом, то изменение скорости звука в сорбенте приводит к изменению фазы электрического сиг- 40 нала на выходных клеммах (проводникак) 6 преобразователя влажности газов. Таким образом, измеряя фазу (или время задержки) электрического сигнала на выходе преобразователя 45 влажности газов, получают информацию о влажности газа в контролируемой среде.

При использовании преобразователя влажности газов в научных иссле- 50

25

0 5 0

5

0

5

548

дованиях, в преобразователе влаж- носи газов могут быть использованы продольные ультразвуковые колебания. Для реализации этого необходимо в электроакустических преобразователях использовать пьезоматериал с такой поляризацией, чтобы под действием электрического тока в нем возникали продольные упругие смещения. Конструкция преобразователя влажности при этом сохраняется прежней. Продольное колебание дисперсионно, поэтому необходимо 1 работать в области с малой дисперрией скорости, т.е. использовать тонкий звукопровод .

Чувствительность преобразователя влажности гааов при использовании продольных колебаний будет меньше, чем при использовании в нем сдвиговых упругих колебаний.

Термокомпенсация преобразователя влажности газов может быть осуществлена подбором ленточного звукопрово- да и сорбента, т. е. выбирается материал звукопровода с противоположным по знаку температурным коэффициентом скорости в отношении материала сорбента и подбирается длина звукопровода так, чтобы суммарное время задержки электрического сигнала в устройстве не изменялось при изменении температуры окружающей среды.

Формула изобретения

Преобразователь влажности газов, содержащий два электроакустических преобразователя сдвиговых колебаний по толщине, установленных с торцов ленточного снабженного поглощающим ультразвук покрытием влагонепроницаемого звукопровода со слоем сорбента, отличающийся тем, что, с целью сохранения метрологических характеристик преобразователя и снижения трудоемкости работ при замене сорбента, в центре ленточного звукопровода выполнено отверстие для сорбента.

фиг.1

cfKjs.Z

Область применения изобретения - измерительная техника. Цель - сохранение метрологических характеристик при замене сорбента (С), для чего в преобразователе влажности газов, содержащем электроакустические преобразователи сдвиговых колебаний по толщине, ленточный звукопровод (ЛЗ) снабжен отверстием для С.Толщина h ЛЗ выбирается из неравенства: h 1/2у Ц , где At,- длина сдвиговой волны в ЛЗ при максимальной рабочей частоте. Толщина &С в отверстии выбирается из неравенства 5 1/2/1 t ,j , где ; t,, - длина сдвиговой волны в материале С при максимальной относительной влажности и максимальной рабочей частоте. 2 ил. с « СП 4