Измерительная ячейка для исследования состава жидкостей Советский патент 1992 года по МПК G01N29/02 G01N29/18 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, а именно к устройствам определения концентрации веществ в жидкостях с помощью ультразвука, и может быть использовано для определения весовой доли жира и сухого обезжиренного остатка в молоке (СОМО).

Известно устройство для ультразвукового анализа многокомпонентных растворов, позволяющее в том числе определять процентное содержание жира и СОМО в молоке. Устройство содержит распределительную камеру, систему обработки и выдачи данных измерений и два измерительных канала, каждый из которых состоит из нагревателя для предварительного нагрева молока, к нагревателям подключен терморегулятор с датчиком, при этом нагреватель для предварительного нагрева подключен к измерительной ячейке через второй нагре- ватель, расположенный в термостате, который снабжен третьим нагревателем и терморегулятором с датчиком, измерительная ячейка соединена с электронной системой измерения скорости ультразвука в молоке и выход системы является выходом измерительного канала. В данном устройстве измерительная ячейка выполнена в виде измерительной камеры с ультразвуковыми преобразователями.

Недостатками известного устройства являются его сложность, высокая энергоемкость и повышенный расход молока, обусловленный ступенчатым нагревом пробы и необходимостью разделения пробы на рав- ные части.

Известны различные измерительные ячейки, предназначенные для анализа жидкостей с помощью ультразвука, например ультразвуковой детектор для анализа газо- вых и жидких сред. Детектор содержит измерительную камеру с преобразователями, один из которых укреплен на корпусе камеры, а второй соединен с компенсатором, выполненным в виде концентрических ци- линдров, причем внешний жестко связан с основанием корпуса, а внутренний - с преобразователем, В корпусе выполнены расточки, в которых установлены компенсационные пружины.

Недостатком известного технического решения является сложная конструкция компенсационных элементов, предназначенных для уменьшения температурной нестабильности, и в связи с этим невозможность быстрого изменения температуры пробы внутри измерительной камеры.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой измерительной ячейке является ультразвуковой датчик, включающий приемный и излучающий преобразователи, размещенные в герметичных корпусах на двух основаниях, скрепленных с помощью трубчатых стоек, выполненных в ви- де набора отдельных жестко соединенных между собой торцами мелких трубчатых элементов, имеющих одинаковые внутренние и различные внешние диаметры.

Недостатком данного технического ре- шения являются ограниченные функциональные возможности (данное устройство может быть использовано только для анализа однокомпонентных растворов и не может быть применено для анализа многокомпси

нентных растворов, так как не позволяет быстро изменять температуру пробы внутри измерительной камеры из-за сложности конструктивного выполнения герметичного корпуса).

Цель изобретения - обеспечение возможности определения процентного содержания жира и СОМО в молоке за счет быстрой перестройки по температуре и минимального температурного градиента внутри камеры.

Поставленная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее измерительную камеру с приемным и излучающим ультразвуковыми преобразователями, жестко закрепленными в ее торцах, дополнительно снабжено датчиком температуры, электроизоляционной прокладкой и нагревательным элементом, а измерительная камера выполнена в виде теплопроводной трубки малой теплоемкости с входным и выходным патрубками на концах, последний из которых установлен в процессе измерения в верхней части измерительной камеры, при этом датчик температуры расположен на поверхности измерительной камеры и через прокладку соединен с нагревательным элементом.

Кроме того, нагревательный элемент выполнен в виде спирали с низким удельным сопротивлением.

Трубка измерительной камеры имеет отношение диаметра к длине не менее 1:10.

На фиг,1 приведена измерительная ячейка; на фиг.2 - структурная схема устройства для измерения процентного содержания жира и СОМО с использованием предлагаемой измерительной ячейки.

Устройство для измерения процентного содержания жира и СОМО в молоке содержит измерительную ячейку (фиг.1), которая состоит из измерительной камеры 1, ось которой наклонена под. углом 10-40° к горизонтали, источника 2 и приемника 3 ультразвука, располженных в торцах измерительной камеры в специальных диэлектрических держателях из материала с хорошими акустическими характеристиками, датчика 4 температуры, расположенного на внешней поверхности по всей длине измерительной камеры 1, нагревательного элемента 5, между нагревательным элементом 5 и датчиком 4 температуры расположена теплопроводная электроизоляционная прокладка б, входного 7 и выходного 8 патрубков, при этом входной патрубок 7 расположен со стороны нижнего края, а выходной патрубок 8 расположен в верхней части измерительной камеры 1. Кроме того, устройство (фиг.2) содержит блок 9 термостатиро- вания и последовательно соединенные генератор 10, блок 11 обработки и управления, индикатор 12. Второй выход генератора 10 подключен к последователь- но соединенным источнику 2 ультразвука, измерительной камере 1. приемнику 3 ультразвука, выход которого соединен с первым входом генератора 10. Второй выход блока 11 обработки и управления соединен с вто- рым входом блока 9 термостатирования, первый выход которого подключен к вторым входам блока 11 обработки и управления и генератора 10, а второй выход блока 9 термостатирования соединен с входом нагре- вательного элемента 5. Нагревательный элемент 5 выполнен в виде спирали из провода с низким удельным сопротивлением, например, из меди. Измерительная камера 1 выполнена из тонкостенной латунной трубки диаметром 10 мм при толщине стенки 0,3 мм, такое соотношение размеров увеличивает площадь соприкосновения нагревательного элемента с пробой и способствует наиболее быстрому прогреву про- бы молока при минимальном температурном градиенте по объему.

Процесс измерения содержания жира и СОМО осуществляют следующим образом.

Пробу молока помещают в измеритель- ную камеру, нагревают до первого значения температуры (например, температура на поверхности измерительной камеры 41°С), после этого начинают контроль приращения скорости ультразвука в пробе. Определение скорости ультразвука в пробе осуществляют измерением частоты следования импульсов, изменяющейся пропорционально скорости распространения ультразвука. При достижении приращения частоты еле- дования импульсов заданного значения Д F фиксируют значение частоты FL Измерение скорости распространения ультразвука в пробе молока при достижении наперед заданного приращения скорости ультразвука AF обеспечивает однозначное определение температуры пробы молока и соответствующие ей однозначное значение скорости ультразвука в пробе. Далее пробу молока нагревают до значения температуры на по- верхности измерительной камеры, равного 65°С, а при достижении приращением частоты следования импульсов заданного значения A F фиксируют значение частоты Fa. По результатам измерений частот FI и Fa, используя данные предварительной калибровки, вычисляют массовые доли жира и СОМО по формулам

Сж - Fi Ki + F2 Ка + Кз;О)

Cco FiK4 + F2K5+K6,(2)

где Сж и Ссо - массовые доли жира и сухого обезжиренного остатка соответственно;

Ki, Ка, Кз. К4, Ks, Кб - эмпирические коэффициенты, определяемые при калибровке;

Fi, Fa - значения частот следования импульсов соответственно при температурах 41 и 65°С, измеренные в моменты времени, при которых приращение частоты следования импульсов достигает заданного значения AF, определяемого экспериментальным путем.

Перед измерением в блок 11 обработки и управления вводятся значения коэффициентов Ki-Ke (формулы 1, 2} и значение приращения скорости ультразвука AF, при котором будут регистрироваться значения скоростей. Проба молока через входной патрубок 7 закачивается в измерительную камеру 1. Сигналом с блока 11 обработки результатов и управления включается блок 9 термостатирования на нагрев до 41°С. Благодаря большой площади соприкосновения пробы с нагревательным элементом 5 осуществляется быстрый нагрев пробы. Лри этом газовые пузырьки, выделяющиеся при нагревании пробы, перемещаются вверх по измерительной камере 1 за счет наклона измерительной камеры под углом 10-40°, исключающего прилипание газовых пузырьков к торцовой поверхности измерительной камеры, и выводятся из нее через выходной патрубок 8. При достижении температуры 41 °С на поверхности измерительной камеры 1 (в зоне установки датчика 4 температуры, преобразующего температуру в электрический сигнал) в блоке 9 термостатирования формируется управляющий сигнал, который поступает в блок 11 обработки результатов и управления и на вход генератора 10, где формируется одиночный импульс и подается на источник 2 ультразвука, в котором происходит преобразование электрических колебаний в ультразвуковые. Ультразвуковая волна распространяется в пробе и, достигнув приемника 3, преобразуется в электрический импульс, поступающий на вход генератора 10. Частота импульсов на выходе генератора 10 будет определяться скоростью распространения ультразвука в пробе (температурой пробы в измерительной камере 1). По приходу сигнала с блока 9 термостатирования в блоке 11 обработки и управления осуществляется подсчет количества поступающих импульсов с генератора 10 и анализируется их приращение за определенный интервал времени. При значении приращения частоты Л F в блоке 11 запоминается значение частоты Ft Затем сигналом с блока 11 обработки и управления блок 9 термостатирова- ния переключается на нагрев 65°С. Учитывая, что латунная трубка измеритель- ной камеры 1, датчик 4 температуры и нагре- вательный элемент 5 обладают малой тепловой инерцией, перестройка по температуре осуществляется очень быстро. Ввиду малого диаметра измерительной камеры 1 и большой ее длины внутри камеры обеспечивается минимальный температурный градиент по объему пробы. Процесс измерения повторяется, т.е. при AF значения приращения частоты генератора 10 в блоке 11 обработки результатов и управления запоминается значение частоты F2 генератора 10. Массовые доли жира и СОМО в молоке определяют по формулам (1), (2). Результат вычисления выводится на цифровой инди- катор 12.

Формула изобретения 1. Измерительная ячейка для исследования состава жидкостей, содержащая измерительную камеру с приемным и излучающим ультразвуковым преобразователями, жестко закрепленными в ее торцах, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения возможности определения содержания жира и сухого обезжиренного остатка в молоке, она дополнительно снабжена датчиком температуры, электроизоляционной прокладкой и нагревательным элементом, а измерительная камера выполнена в виде теплопроводной трубки малой теплоемкости с входным и выходным патрубками на концах, последний из которых установлен в процессе измерения верхней части измерительной камеры, при этом датчик температуры расположен на поверхности измерительной камеры и через прокладку соединен с нагревательным элементом.

2.Ячейка по п. 1,отличающаяся тем, что нагревательный элемент выполнен в виде спирали из провода с низким удельным сопротивлением.

3.Ячейка по п.1,отличающаяся тем, что трубка измерительной камеры имеет соотношение диаметра к длине не менее 1:10.

Изобретение относится к устройствам определения концентрации веществ в жидкостях с помощью ультразвука. Цель изобретения - обеспечение возможности определения содержания жира и сухого обезжиренного остатка в молоке за счет быстрой перестройки по температуре и минимального температурного градиента внутри камеры. Измерительная ячейка содержит измерительную камеру 1, источник 2 и приемник 3 ультразвука, расположенные в тор- цах измерительной камеры в специальных диэлектрических держателях из материала с хорошими акустическими характеристиками, датчик 4 температуры, расположенный на внешней поверхности по всей длине измерительной камеры 1, нагревательный элемент 5. Между нагревательным элементом 5 и датчиком 4 температуры расположена теплопроводная электроизоляционная прокладка 6, входной 7 и выходной 8 патрубки. При этом входной патрубок 7 расположен со стороны нижнего края, а выходной патрубок 8 - в верхней части измерительной камеры 1. Процесс измерения происходит следую- щим образом, Проба молока через нижний входной патрубок 7 закачивается в измерительную камеру 1, далее пробу нагревают до первого значения, температуры, измеряют скорость ультразвука, затем пробу нагревают до второго значения температуры и вновь измеряют скорость ультразвука. Массовые доли жира и сухого обезжиренного остатка определяют решая систему уравнений. Предлагаемая конструкция измерительной камеры позволяет производить термостатирование пробы и ее нагрев непосредственно в измерительной камере, что в конечном итоге сокращает время измерения за счет более быстрой перестройки по температуре. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. Ј VJ О ел ел

фиг 1

Фиг 2