Акустическое устройство для измерения параметров жидкостей под давлением Советский патент 1991 года по МПК G01N29/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения плотности и сдвиговой вязкости в компонентах расслаивающихся жидких систем под давлением.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей измерения не только сдвиговой вязкости, но и плотности жидкостей.

На фиг.1 представлена блок-схема акустического устройства для измерения параметров жидкостей под давлением; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Акустическое устройство для измерения свойств жидкостей под давлением содер-- жит камеру 1 высокого давления, вмонтированный в стенку камеры 1 приемный

пьезопреобразователь 2 и подключенный к выходу последнего усилитель 3, размещенный в камере 1 шарообразный элемент 4 из ферромагнитного материала, соленоид 5, установленный на внешней стенке камеры 1 высокого давления, генератор 6 запускающих импульсов, измеритель 7 интервалов времени, второй приемный пьезопреобразователь 8 и два излучающих пьезопреобра- зователя 9, 10, подключенный ко входам последних генератор 11 зондирующих импульсов, подключенные к выходу усилителя 3 последовательно соединенные детектор 12, блок 13 дифференцирования, компаратор 14 и вольтметр 15, подключенные к выходу второго приемного пьезопреобразо- вателя 8 последовательно соединенные второй усилитель 16, вторые детектор 17, блок

18 дифференцирования, компаратор 19 и вольтметр 20, третий и четвертый компараторы 21, 22, второй измеритель 23 интервалов времени, четырехканальный регистратор 24 и подключенные к выходу генератора б запускающих импульсов последовательно соединенные генератор 25 пилообразного напряжения и формирователь 26 импульсов, выход которого подключен ко входу запуска первого и второго измерителей 7, 23 интервалов времени, выходы первого л второго детекторов 12, 17 подключена ко входам соответственно третьего и четвертого компараторов 21, 22, а выходы последних - к информационным, входам соответственно первого и второго измерителей 7, 23 интервалов времени, выход генератора 25 пилообразного напряжения подключен к соленоиду 5 и ко входам запуска первого и второго вольтметров 15, 20, информационные выходы и выходы управления (выходы коней измерений) первого и второго вольтметров 15, 20 и первого и второго измерителей интервалов времени 7 и 23 подключены к соответствующим входам регистратора 24, излучающий и приемные пьезопреобразовзтели 9,10 л 2,8 установлены на боковых стенках камеры 1 высокого давления, образуя два электроакустических тракта, разнесенных по высоте камеры 1, а подвижный элемент 4 размещен в камере 1 с возможностью перемещения по оси камеры.

Кроме того, устройство содержит направляющую 27, которая может Быть установлена внутри камеры для обеспечения более точного перемещения подвижного элемента по оси камеры, пример выполнения два желобообразных ограничителя перемещений подвижного элемента, установленных с зазором, обеспечивающие возможность перемещения между ними подвижного элемента вдоль оси камеры; оси 28 и 29 электроакустических трактов. Камера 1 высокого давления может быть выполнена в виде системы поршень-цилиндр, в . которой функции цилиндра выполняют стенки камеры, а поршень 30 установлен в цилиндре через посредство уплотнителя 31. Для создания давления в камере прикладывают вертикальную сжимающую нагрузку к основанию камеры 1 и утолщению поршня 32.

Устройство работает следующим обра- зом.

Исследуемую расслаивающуюся смесь жидкостей заливают в камеру 1 высокого давления и создают требуемое давление, t например, с помощью поршня 30.0 величине достигнутого давления можно судить по

величине прикладываемой к основанию 32 поршня сжимающей силы. В исходном положении подвижный элемент 4 находится в крайнем нижнем положении.

С помощью генератора 6 вырабатывают

запускающий импульс (фиг.2а), по которому генератор 25 пилообразного напряжения вырабатывает возрастающее линейно со временем напряжение, поступающее на со0 леноид 5 и входы первого и второго вольтметров 15, 20. Подвижный элемент 4 под действием магнитного поля соленоида 5 перемещается в крайнее верхнее положение. Генератор 11 зондирующих импульсов

5 вырабатывает импульсные сигналы, которыми возбуждаются излучающие преобразователи 9,10. Излучаемые ими акустические сигналы проходят через исследуемую среду и принимаются соответственно приемными

0 пьезопреобразователями 2 и 8. Импульсные электрические сигналы с выходов последних усиливаются усилителями 3,16 и поступают на входы детекторов 12, 17. Постоянная интегрирования детекторов устанавли5 аается такой, чтобы обеспечить постоянный уровень сигнала на выходе детектора при наличии зондирующих акустических сигналов, проходящих через исследуемую среду (фиг.2 в,е).

0 При достижении подвижного элемента 4 оси 28 нижнего электроакустического тракта вследствие уменьшения акустического сигнала, принимаемого приемным пьезопреобразователем 2, сигнал на выхо5 де первого детектора 12 уменьшается, проходя через экстремум. В момент прохода черех экстремум на выходе первого блока дифференцирования получают нулевой потенциал, а на выходе первого компаратора

0 формируется короткий импульс, поступающий на вход запуска вольтметра 15. Текущее значение напряжения (фиг.26), поступающее в данный момент на соленоид 5, измеряется первым вольтметром 15. По

5 окончании измерения на его управляющем выходе формируется сигнал Конец измерения, по которому результат измерения регистрируется регистратором 24 по первому каналу или заносится в его буферный ре0 гистр для последующего вывода (в зависимости от конструкции используемого регистратора).

. С дальнейшим ростом напряжения, подаваемого на соленоид, подвижный эле5 мент 4 поднимается выше и перекрывает прохождение акустических импульсов по верхнему электроакустическому тракту 29, что приводит к уменьшению сигнала на выходе второго детектора 18; в момент достижения экстремума на выходе блока 18

дифференцирования получают нулевое значение потенциала и срабатывает второй компаратор нулевого уровня. На его выходе получают импульс (фиг.2е), по которому второй вольтметр 20 измеряет текущее значение напряжения на выходе генератора 25 пилообразного напряжения, которое поступает на второй канал регистратора 24 по команде Конец измерения с управляющего выхода второго вольтметра 20.

По завершении работы генератора 25 пилообразного напряжения по заднему фронту его сигнала срабатывает формирователь 26 импульсов, который запускает измерители 7 и 23 интервалов времени, которые переходят в режим готовности для измерений интервала времени по переднему и заднему фронтам импульса. Подвижный элемент 4 начинает свободное падение в исследуемой среде, пересекая последовательно оси электроакустических трактов 29 и 28. В моменты пересечений на выходах первого и второго детекторов 12 и 17 получают вторые выбросы потенциала в сторону уменьшения (фиг.2 в, г), длительность которых измеряется с помощью третьего и четвертого компараторов 21, 22 и первого и второго измерителей 7, 23 интервалов времени. Величины п и Т2 длительностей указанных сигналов, получаемые на выходах третьего и четвертого компараторов 21, 22 (фиг. 2 е, ж) регистрируются по третьему и четвертому каналам регистратора 24 (заносятся в соответствующие буферные регистры), после чего результаты всех измерений выводятся на цифропечатающее устройство регистратора 24 или на внешнее устройство (не показано) для дальнейшей обработки полученных данных.

Измеренные величины напряжений Ui и Ua и значений интервалов времени ъ и TZ определяют значения плотности и сдвиговой вязкости исследуемых компонент расслаивающейся смеси в нижней и верхней частях камеры высокого давления. Конкретная связь непосредственно измеряемых и искомых величин определяется предварительной градуировкой устройства с использованием среды с известной плотностью и сдвиговой вязкостью и их зависимости от давления.

Можно дать следующее краткое обоснование алгоритма работы устройства.

На подвижный сферический элемент 4, удерживаемый магнитным полем соленоида 31, действуют выталкивающая сила, пря-. мр пропорциональная плотности жидкости (искомый параметр), и сила тяжести элемента. В условиях равновесия подвижного элемента сумма всех сил равна нулю и имеется однозначная связь между искомой плотностью жидкости и силой, действующей на сферический элемент 4 со стороны солено- 5 ида 31, т.е. с напряжением, подаваемым в данный момент на соленоид. Конкретная взаимосвязь-указанных величин определяется градуировкой.

При падении сферического элемента

0 вниз скорость его падения однозначно определяется его диаметром, массой и иско- мой сдвиговой вязкостью жидкости, которая может быть определена по измеренной скорости падения элемента или вре5 мени пролета им фиксированного расстояния (сечения акустического тракта). Взаимосвязь измеряемого времени пролета ri, ti с вязкостью компонент расслаивающейся смеси определяется градуировкой,

0 Предлагаемое устройство обеспечивает возможность измерять плотность и сдвиговую вязкость как однородных жидких сред, так и отдельно в компонентах расслаивающейся жидкой смеси в зависимости от дав5 ления. Все измерения могут быть проведены за один цикл измерения, включающий подъем сферического элемента внутри камеры высокого давления вверх и его свободное падение в исследуемой жидкости.

0 В качестве измерителей интервалов времени могут быть использованы частотомеры 43-34 А, работающие в режиме измерения интервала времени с запуском от переднего и остановкой по заднему фронту

5 импульса, в качестве вольтметров - любой цифровой вольтметр с подходящим диапазоном измерений, в качестве регистратора 24 может использоваться, например, транскриптор Ф5033 с цифропечатающим уст0 ройством ЭУМ-23Д или любой другой регистратор с четырьмя буферными запоминающими блоками на входе. В качестве на- гружающего механизма, создающего усилие сжатия в камере высокого давления,

5 может использоваться пресс гидравлический, например типа ПГПР.

Формула изобретения Акустическое устройство для измерения параметров жидкостей под давлением,

0 содержащее камеру высокого давления, размещенный в ней шарообразный элемент из ферромагнитного материала, соленоид, установленный на внешней стенке камеры высокого давления, вмонтированный в

5 стенку камеры высокого давления первый приемный пьезопреобразователь, подключенный к его выходу первый усилитель, генератор запускающих импульсов и последовательно соединенные первый из- .меритель временных интервалов и регистратор, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения не только сдвиговой вязкости, но и плотности жидкостей, оно снабжено последовательно соединенными первым детектором, вход которого связан с выходом первого усилителя, блоком дифференцирования, компаратором и вольтметром, выход которого подключен к регистратору, последовательно соединенными вто- рыми приемным преобразователем, установленным в стенке камеры высокого давления на расстоянии вдоль ее оси от первого приемного пьезопреобразователя, усилителем, детектором, блоком дифферен- цирования, компаратором и вольтметром, выход которого подключен к регистратору, третьим компаратором, включенным между выходом первого детектора и входом первого измерителя временных интервалов, по-

следовательно соединенными четвертым компаратором, вход которого подключен к выходу второго детектора, и вторым измерителем временных интервалов, выход которого связан с регистратором, последовательно соединенными генератором пилообразного напряжения, вход которого под-, ключей к выходу генератора запускающих импульсов, и формирователем импульсов сброса, выход которого связан с управляющими входами измерителей временного интервала, генератором зондирующих импульсов и подключенными к нему двумя излучающими пьезопреобразователями, вмонтированными в стенку камеры высокого давления так, что акустические оси пье- зопреобразователей пересечены с осью камеры, а выход генератора пилообразного напряжения подключен к солеиноиду и информационным входам вольтметра.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения плотности и сдвиговой вязкости в компонентах расслаивающихся жидких систем под давлением Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения не только сдвиговой вязкости, но и плотности жидкостей Устройство снабжено двумя разнесенными по высоте камеры 1 высокого давления электроакустическими трактами и шарообразным элементом 4, размещенным внутри камеры 1 с возможностью перемещения с помощью соленоида 5, электронным блоком для измерения напряжения, подаваемого на соленоид 5 в моменты пересечения элементом 4 осей электроакустических трактов, и времен пролета элемента 4 через сечения акустических трактов при свободном падении По измеренным величинам судят о плотности контролируемой среды и ее сдвиговой вязкости в двух разнесенных по высоте областях расслаивающейся смеси жидкостей. 2 ил

X

3J.

Фиг.1

а

&

S

В

е ж

I

Ъ

фие.2