Ультразвуковой плотномер Советский патент 1981 года по МПК G01N29/02 

1

Изобретение относится к ультразву-. koBon контрольно-измерительной техщке и может найти применение в химической, нефтяной и других отраслях промышленности.

Известен амплитудно-временной велосимметрический измеритель плотности среды, содержащий импульсный измеритель временного интервала распространения ультразвука в контролируемой среде, пиковый детектор и каскгщ умножения с индикатором Ш.

Недостаток устройства - низкая точность измерения плотности контролируемой среды, вызванная зависимостью результатов измерения от величины коэффициента поглощения ультразвука в исследуемой среде, т.е. резуль гаты измерения плотности зависят от частоты ультразвукового сигнала и расстояния между преобразователями.

Известен также ультразвуковой прибор для контроля физико-химических процессов в жидких средах, содержащий два пьезопреобразователя, генератор, усилитель и измерительный блок. В этом устройстве по значению скорости ультразвука определяют плотность контролируемой среды (2 .

Однако этот измеритель можно применять только для ограниченного числа контролируемых , для которых существует однозначная зависимость скорости ультразвука от контролируемой среды.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ультразвуковой плотномер жидких сред, содержащий два пьезопреобразователя, возбуждающий генератор, усилитель, времяизмерйтельный блок и регистратор. В измерителе импульс ультразвуковых колебаний распространяется по стенке резервуара со скоростью,величина которой зависит от плотности исследуемой среды з .

Однако неоднозначность зависимости скорости ультразвука от плотности среды сильно уменьшает точность и достоверность результатов измерения плотности данного плотномера.Кроме того, на точность измерения плотности среды оказывает влияние тип материалов стенки резервуара и преломляющих призм, размеры их и температурные изменения.

Цель изобретения - повышение точ30ности измерения плотности среды. Поставленная цель достигается тем что в ультразвуковой плотномер,содер жащий последовательно электроакустически соединенные возбуждающий генератор, два пьеэопреобразователя, усилитель, детектор и синхронизатор и времяизмерительный каскад, дополнительно введены решающее устройство и два коммутатора, один из которых включен между первым и вторым выхода ми возбуждающего генератора радиоимпульсов и пьезоизлучателем, а второй выход усилителя через детектор, второй коммутатор и измеритель отношения напряжений соединенс первым входом решающего устройства, причем второй выход генератора радиоимпульсов подключен к входу первого коммутатора через компенсирующую индуктив ность, выход времяизмерительного кас када соединен с вторым входом решающего устройства, а синхронизатор под ключен к управляющим входам первого и второго коммутатора, возбуждающего генератора, времяизмерительного каскада и решающего устройства. На чертеже изображена структурная схема предлагаемого ультразвукового плотномера. Плотномер содержит возбуждающий генератор 1 радиоимпульсов с компенсирующей индуктивностью L, времяизмерительный каскад 2, второй коммутатор 3, измеритель 4 отношения напряжений; первый коммутатор 5, усилитель б, детектор 7, решающее устройство 8, пьезоизлучатель 9, пьезоприемник 10, синхронизатор 11 и контролируемую среду 12. Устройство работает следующим об разом. Первый стартовый импульс с выхода синхронизатора 11 запускает генератор радиоимпульсов 1 на резонансной частоте пьезоизлучателя 9, и первый коммутатор 5 выход генератора 1 непосре 1ственно подключает к пьезоизлучателю 9. Коэффициент передачи K-j пьезоизлучателя 9 на резонансной час тоте при питании от генератора напря жения выражается -, L где е - пъезоэлектрическая постоянная) L - толщина пъезоизлучателя 9. Акустический импульс через контро лируемую среду 12 поступает на пъезо прие&ник 10. Принятый электрический сигнал амплитудой U через усилитель б поступает на времяизмерительный каскад 2, например триггер, а через детектор 7 и второй коммутатор 3 на первый вход измерителя 4 отношения электрических сигналов. Первый импульс синхронизатора 11 и принятый пъезоприемником 10 акустический сигнал на выходе времяизме рительного каскада 2 вырабатывает прямоугольный импульс длительностью (5/0 , где d - расстояние между пъезопреобразователями 9 и 10, с скорость ультразвука в контролируемой среде. Этот импульс поступает на второй вход устройства 8. Кроме того первый стартовый импульс синхронизатора 11 подготавливает решающее устройство 8 для вычисления плотности контролируемой среды 12. Второй стартовый импульс синхронизатора 11 запускает генератор 1 радиоимпульсов и подключает его выход с помощью первого коммутатора 5 через компенсирующую индуктивность к пъезоизлучателю 9. При подключении пъезопреобразователя 9 к генератору 1 через индуктивность L , величина которой подбирается исходя из условий oL-i uJ5T5 ПР полной компенсации емкости зажатой пьезопластинки CQ, коэффициент передачи пьезоизлучателя 9 выражается ejrv/i пьезопластинки, где п ffl, fg - резонансная частота пьезопластинки; коэффициентэлектроакустической связи kj 2./Zo, ZQ ; Z - удельные акустические сопротивления соответственно пьезопреобразователя и контролируемой .среды. Как известно ZQ Ро t а 2 р.с,где Сд, pQ - соответственно скорость ультразвука и плотность вещества пьезопреобразователя; с, р - скорость ультразвука и плотность контролируемой среды. Сигнал на выходе пьезоприемника ц этом случае соответствует коэффициенту передачи пьезоизлучателя со скомпенсированной емкостью зажатой пьезопластинки. Этот сигнал U( через детектор 7 и второй коммутатор 3 поступает на второй вход измерителя 4 отношения электрических сигналов. Необходимо отметить, что напряжение Uj на выходе измерителя отношения электрических сигналов 4 соответствует соотношению коэффициентов передачи пьезоизлучателя, т.е. Ui/U, УЗ Напряжение U поступает на первый вход решающего устройства 8. Из соотношения амплитудных значений, принятых в первом и во втором случаях сигналов и величины скорости ультразвука с в контролируемой среде, решающее устройство 8 вы исляет плотность ..кНоРо Ul lAUj/C, JC и Если в качестве пьезоизлучателя при .меняется кварц X среза, то константа А в этом случае равна А 4-78-Ю f-. На индикаторе решающего устройства 8 регистрируется окончательный результат, т.е. плотность контролируемой среды 12. Испьатания показали большую точность и, главное, независимость показаний от поглощения ультразвука в среде при измерении плотности жилко тей и смесей газов. Поэтому использование предлагаемого ультразвуково плотномера создает возможность иссл довать физико-химические свойства жидкостей или газов с высокой точностью как в лабораторных, так и в производственных условиях, а также в области высоких или низких температур и давлений, так как в акустическом канале отсутствуют механичес кие подвижные части. Устройство пригодно также и для суспензий, диаметр частиц которых много меньше длины волны ультразвука. Формула изобретения Ультразвуковой плотномер, содержа щий последовательно электроакустичес ки соединенные возбуждающий генераTOpj два пьезопреобразователя, усилитель, детектор и синхронизатор и времяизмерительный каскад, о т л и -. чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены решающее устройство и два коммутатора, один из которых включен между первым и вторым выходами возбуждающего генератора радиоимпульсов и пьезоизлучателем, а второй выход усилителя через детектор, второй коммутатор и измеритель отношения . напряжений соединен с первым входом решающего устройства, причем второй выход генератора радиоимпульсов подключен к входу первого коммутатора через компенсирующую индуктивность, выход времяизмерительного каскгода соединен с вторым входом решающего устройства, а синхронизатор подключен к управляющим входам первого и второго коммутаторов, возбуждающего генератора, времяизмерительного каскада и решающего устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Бражников Н.И. Ультразвуковые методы измерения плотности вещества. Приборы и системы управления, 1976 10, с. 17-21. 2.Авторское свидетельство СССР № 226924, кл. G 01 N 9/24, 1964. 3.Авторское свидетельство СССР 397814, кл. G 01 N 9/24, 1970 (прототип) .