Способ определения плотности жидкой биологической среды Советский патент 1987 года по МПК G01N33/48 

1

Изобретение относится к биологии

}

В частности к способам определения плотности биологических жидких сред.

Целью изобретения является повы- шение точности определения.

Поставленная цель достигается тем, что, в жидкой биологической среде возбуждают коротким электрическим импульсом два акустических импульса от лицевой и тыльной поверхностей недемпфированного излучающего пьезоэлектрического преобразователя, причем время нарастания фронта и период следования возбуждающих импульсов устанавливают по формуле

Ч

ип

(nd/C) Т

где ьф , с-ип время, соответств-енно, нарастания фронта возбуждающего им-, пульса и прохождения акустическим импульсом толщины d пьезоэлемента излучающего преобразователя;

п - число отражений акустического импульса от внутренних граней пьезоэлемента излучающего преобразователя

Cf, - скорость ультразвука в пьезо- йреде;

Т - период следования возбуждающих импульсов.

Прием прошедших исследуемую среду двух акустических импульсов проводят посредством широкополосного пьезоэлектрического преобразователя, а расчет плотности исследуемой среды по измеренным величинам осуществляют по формуле

о- 0. /--1- - Б А.

- ИС

).

где

В схему входят излучающий недемпфированный пьезоэлектрический преобразователь 1, приемный широкополосный пьезоэлектрический преобразователь 2, расположенные на фиксированном расстоянии Е и помещенные в кювету 3 с исследуемой жидкой биологической средой 4, генератор 5, приемник 6j времяизмерительный блок 7,

А

А амплитудные значения имJ - плотность исследуемой среды; акустическое сопротивление пьезосреды;

- время прохождения акустическим импульсом через исследуемую ере- 5 устройство 8 сравнения, содержащее ду расстояния Е между приемным и излу- длительное устройство и выходной пре- чающим преобразователями;образователь.

В качестве генератора 5 используется наносекундный генератор типа 50 , приемника 6 - широкополосный усилитель УЗ-33, времяизмерительного блока 7 - частотомер Ч4-34А, устройства сравнения В - осциллограф С1-92 вычислительного устройства 9 - выопределения плотности жидкой биологи- 55 числительное устройство ТЗ-29, ре- ческой среды заключается в том, что гистрирующего устройства 10 - цифро-- в исследуемой среде возбуждают корот- печатающее устройство Консул. КИМ электрическим импульсом два акус- Для определения плотности жидкой тических импульса от лицевой и тыль- биологической среды недемпфированный

пульсов волны колебательной скорости в исследуемой среде излученных, соответственно, лицевой и тыльной про- верхностям пьезоэлемента излучающего преобразователя.

Сущность предложенного способа

1312483

ной поверхностей недемпфированного излучающего пьезоэлектрического преобразователя. Широкополосным приемным пьезоэлектрическим преобразователем измеряют амплитудные значения импульсов волны колебательной скорости в исследуемой среде, излучаемых лице- вой и тьшьной поверхностями пьезоэлемента недемпфированного пьезоэлектрического преобразователя. С целью исключения интерференции,.исключения комплекснь х величин из амплитудных значений А и Ад принятых импульсов время нарастания фронта возбуждающих импульсов и период их , следования выбирают из условия (nd/Cf,)T.

Кроме того, измерение значения

времени

,прохождения фиксированно

го расстояния импульсом волны коле- бательной скорости в исследуемой среде и амплитуд А.,, А2-принятых импульсов этой же волны колебательной. скорости, излучаемых соответственно лицевой и тыльной поверхностями пье зоэлемента, связаны с акустическим сопротивлением исследуемой среды. Плотность рассматривают по формуле

р Zo/ZAi-r p I Р j V Аг

На чертеже представлена блок-схема , поясняющая реализацию способа определения плотности жидкости биологической среды.

В схему входят излучающий недемпфированный пьезоэлектрический преобразователь 1, приемный широкополосный пьезоэлектрический преобразователь 2, расположенные на фиксированном расстоянии Е и помещенные в кювету 3 с исследуемой жидкой биологической средой 4, генератор 5, приемник 6j времяизмерительный блок 7,

устройство 8 сравнения, содержащее лительное устройство и выходной пре- образователь.

излучающий 1 и широкополосный приемный 2 пьезоэлектрические преобразователи, расположенные на фиксированном расстоянии J, помещают в исследуемую жидкую биологическую среду 4 в кювете 3. Излучающий пьезоэлектрический преобразователь 1 возбуждают от генератора 5 коротким электрическим импульсом, причем время Т нарастания фронта возбуждающих импульсов и период Т их следования выбирает из условия , {nd/Cn)T, Это обеспечивает исключение интерференции. Реакция лицевой и тыльной поверхностей недемпфированного излуча- ющего пьезоэлектрического преобразователя 1 в виде импульсов волны колебательной скорости в исследуемой биологической среде 4 принимают широкополосным приемным пьезоэлектричес- КИМ преобразователем 2, преобразующим их в электрические сигналы.

Амплитуда импульса волны колебательной скорости в исследуемой среде 4, излученного лицевой поверхностью преобразователя Г, определяется выражением

сЕ

где А - амплитуда импульса, излученного лицевой поверхностью преобразователя 1 ;

Р - пьезоэлектрическая постоянная, эг Е - электрическое поле;

Z - акустическое сопротивление исследуемой биологической среды 4;

Z - акустическое сопротивление пьезосреды излучающего преобразовате-40 ля 1 .

Время прохождения колебательной волной расстояния Е в исследуемой среде 4 между лицевой поверхностью излучающего преобразователя 1 и приемным образователем 2 определяется выражением

V- i;. (2)

где Cj,- время прохождения кoлeбaтeль- ной волной расстояния 2 в исследуемой среде 4;

р - пло тность исследуемой среды 4. Амплитуда импульса волны колебатель ной скорости в исследуемой среде 4, излученного тьшьной поверхностью преобразователя 1, определяется выражением

, с10J52025

30

, эг

40

гЕБп(3)

где А2 - амплитуда импульса, излу- че.нного тыльной поверхностью преобразователя 1;

БП 2Zn/( ZQ} - коэффициент прохождения акустическим импульсом границы пьезосреда - исследуемая среда.

С щирокополосного приемного пьезоэлектрического преобразователя 2 импульс А, усиленный в приемнике 6, поступает на стоповый вход времяизме- рительного блока 7 и на первый вход устройства 8 сравнения. Импульс А2 также усиленный в приемнике 6 поступает с обратной (Полярностью на второй вход устройства 8 сравнения. Одновременно с возбуждением излучающего преобразователя 1 электрический импульс с генератора 5 подается на. стартовый вход времяизмерительного блока 7. После появления на стоповом входе времяизмерительного блока 7 импульса А, вырабатьгоается прямоугольный импульс длительностью Г цр Е/С, где С - скорость ультразвука в исследуемой среде 4. Этот импульс подается на первый вход вычислительного устройства 9. В устройстве 8 сравнения амплитудные значения А и А, сравниваются, а отношение сравниваемых величин поступает на второй вход вычислительного устройства 9. В вычислительном устройстве 9 программируется постоянный коэффициент ,

Из отношения амплитуд А к Aj импульсов волны колебательной скорости в исследуемой среде 4, согласно выражений (1) и (3), находят

AI ZK

Aj

(4)

Поскольку

fl

T-

ИС

(5)

2AnZn - AzZn Z,

TO из выражения (5/ следует, что вычислительное устройство 9 реализует алгоритм, описываемый выражением

М о - (2А, :„с V ((,)

f 1 А

При этом в конце цикла измерения осуществляют вывод измеренной величины с выхода вычислительного устройства 9 на регистрирующий прибор 10.

5.13

Для измерения плотности, в качестве излучающего недемпфированного пьезоэлектрического преобразователя используют пьезокерамический диск из материала ЦТС-19 диаметром D 18 мм, толщиной L 5 мм. -Акустическое сопротивление пьезокерамики г„ 30,6-Ю кГ/м.с. Расстояние между излучающим и приемным широкополосным пьезоэлектрическими преобразователями составляло 50 мм. В качестве исследуемой среды используют воду. 1иирокополосный приемный пьезоэлектрический преобразователь имеет полосу пропускания от до «8,5 МГц. При возбуждении недемпфи- рованного пьезоэлектрического преобразователя коротким электрическим импульсом напряжения с гф 10нси периодом еле дования импульсов мкс выполняется условие 1:ф« у|Т (nd/Cn) Т. При п

10, С-у,

11,8-10 МКС. На вько- де широкополосного приемного преобразователя получают амплитудные значения импульсов напряжения А 0,2 В, Aij 0,32 В. Время прохождения акустическим импульсом расстояния 2 50 мм в исследуемой среде 33,33-10 МКС. Измеренная плотность исследуемой среды.составляет

f О,9996-10 кГ/м. При этом относительная погрешность измерения, по. сравнению с базовым объектом, уменьшилась в 37 раз.

Пример. Исследуемую среду помещают в специальную кювету, в качестве излучающего недемпфированного пьезоэлектрического преобразователя используют пьезокерамический диск из материала ЦТС-19 диаметром 18 мм

24836

и толщиной 5 мм. Волновое сопротивление пьезокерамики Z 30, кГ/м-с Рассстояние между излучающим и приемным широкополосным пьезокерамичес5 кими преобразователями составляет 50 мм.

Данные для измерения плотности крови клинически здоровых коров 10 представлены в табл.1.

В табл.2 и 3 представлены данные для измерения плотности цельного молока ,клинически здоровых и больных маститом коров.

Формула и з обретения

Способ определения плотности жид- кой биологической среды путем поме20 щения в нее излучающего и приемного датчиков, воздействия на среду ультразвуковым сигналом и снятие показаний, отличающийся тем, что, с целью повышения точности опре25 деления, излучающий датчик помещают внутрь исследуемой среды параллельно приемному датчику, при этом излучающий датчик недемпфирован и имеет две излучающие поверхности, затем создаю

30 ультразвуковой сигнал коро хким электрическим импульсом, время нарастания фронта которого меньше времени прохождения ультразвуковой волной толщины излучающего датчика, а ллотнос35 ти определяют по времени прохождения акустическим импульсом через иссле дуемую среду и двум амплитудным значениям импульсов волны колебательной скорости, излученных обеими поверх40 ностями излучающего датчика.

Таблица 1

ZHI t, НСI С, м/с I г, м I А,,В I АЗ,В I K(oL) 1 f

г„ Г , НС 1 с, м/с I г, м ГА,, BJA.B J к(о) I р

Таблица 2

Таблица 3

Изобретение относи гся к биологии и предназначено для определения плотности биологических жидких сред. Цель изобретения - повышение точности определения. Для этого в исследуемой среде возбуждают коротким элект- ричеЬким импульсом два акустических импульса от лицевой и тыльной поверхностей недемпфированного щего ш езоэлектрического преобразователя. Широкополосным приемным пьезоэлектрическим преобразователем изме ряют амплитудные значения импульсов волны колебательной скорости в исследу - емой среде, излучаемых лицевой и тьшь- ной поверхностями пьезоэлемента недемпфированного пьезоэлектрического преобразователя. С целью исключения интерференции, исключения комплексных величин из амплитудных значений - А и Aj - ПРИНЯТЫХ импульсов, время нарастания фронта возбуждающих импульсов и период их следования выбирают из условия T jf Tun (nd/Cp)T, где Тф , t, - время нарастания фронта возбуждающего импульса и время прохождения акустическим импульсом толщины d пьезоэлемента излучающего преобразователя, С - скорость ультразвука в пвезосреде, Т - период следования возбуждающих импульсов. Расчет плотиости исследуемой среды по измеренным величинам ведут по формуле: f ( ) - (2А, т„с:А., - ), где акустическое сопротивление пьезосреды, время прохождения акустическим импульсом через исследуемую среду расстояния t между приемным и излучающим пьезопреобразо вателями. 1 ил. 3 табл. (Л