CS266724B1

CS266724B1 - Equipment for ultrasonic analysis in liquids

Info

Publication number: CS266724B1
Application number: CS87614A
Authority: CS
Inventors: Milos Janour; Josef Ing Kiefmann; Oldrich Ing Pekarek
Original assignee: Milos Janour; Josef Ing Kiefmann; Pekarek Oldrich
Priority date: 1987-01-30
Filing date: 1987-01-30
Publication date: 1990-01-12
Also published as: CS61487A1

Abstract

Řeší se zařízení pro ultrazvukovou analýzu v kapalinách, sestávající z vysílací ultrazvukové sondy, teplotního čidla, přijí mací ultrazvukové sondy, měrné nádoby, impulsního vysí lače, širokopásmové přijímače, časoměrných obvodů, mikroprocesorové řídicí jednotky, analogověČíslicového převodníku a obvodů zadává ní konstant, obvodů zobrazení výsledků a obvodů rozhraní. Zařízení pro ultrazvukovou analýzu v kapalinách umožňuje měřit přímo objemový podíl složek v binární směsi kapalin za předpokladu, že se jedná o směs s rozdílnou rychlostí šíření ultrazvuku v každé složce. Zařízeni je vhodné pro použití v systémech přímého číslicového řízení chemickotechnologických procesů.The device for ultrasonic analysis in liquids is designed, consisting of a transmitting ultrasonic probe, a temperature sensor, a receiving ultrasonic probe, a measuring vessel, a pulse transmitter, a broadband receiver, timing circuits, a microprocessor control unit, an analog-to-digital converter and constant input circuits, result display circuits and interface circuits. The device for ultrasonic analysis in liquids allows direct measurement of the volume fraction of components in a binary mixture of liquids, provided that it is a mixture with a different ultrasound propagation speed in each component. The device is suitable for use in direct digital control systems of chemical technological processes.

Description

Vynález se týká zařízení na ultrazvukové měření ve směsích dvou kapalin s rozdílnou rychlostí šíření ultrazvuku. Zařízení dovoluje měřit rychlost šíření s dostatečnou citlivostí ’ v širokém rozsahu kapalných směsí. Hodí se zejména pro měření objemového podílu složek ve směsi dvou kapalin s rozdílnou rychlostí šíření ultrazvukové vlny. Zařízení umožňuje provádět tuto analýzu v reálném čase a je možno jej využít jako čidla v přímém číslicovém řízení chemickotechnologických procesů. Typickým příkladem použití tohoto zařízení je automatické řízení extraktorů dle čs. AO 238 339 Způsob automatické regulace mechanicky promíchávaných extrakčních kolon a zařízení k provádění tohto způsobu.The invention relates to a device for ultrasonic measurement in mixtures of two liquids with different rates of ultrasound propagation. The device makes it possible to measure the rate of propagation with sufficient sensitivity in a wide range of liquid mixtures. It is particularly suitable for measuring the volume fraction of components in a mixture of two liquids with different rates of propagation of an ultrasonic wave. The device enables this analysis to be performed in real time and can be used as a sensor in the direct numerical control of chemical-technological processes. A typical example of the use of this device is the automatic control of extractors according to Czechoslovakia. AO 238 339 Method for automatic control of mechanically stirred extraction columns and device for carrying out this method.

Z dosud známých prostředků pro automatické stanovování složení kapalných směsí není známo takto problémově orientované zařízení vhodné pro začlenění do řídicích číslicových systémů technologických procesů, které by průběžně provádělo tuto analýzu s výsledky v odpovídajících fyzikálních jednotkách. K měření se zpravidla užívá metod a prostředků odpovídajících laboratorním potřebám a nesplňujících technologické provozní požadavky ani potřeby autoamtického řízení. Uvedené nevýhody jsou odstraněny zařízením dle vynálezu, jež umožňuje měřit pomocí ultrazvuku na vlastním průtočném technologickém systému, kde ku příkladu měrnou nádobu tvoří tělo chemické kolony nebo měrná nádoba s průběžným přečerpáváním analyzované směsi.From the hitherto known means for the automatic determination of the composition of liquid mixtures, such a problem-oriented device suitable for incorporation into digital control systems of technological processes is not known, which would continuously perform this analysis with results in the corresponding physical units. As a rule, methods and means corresponding to laboratory needs and not meeting technological operational requirements or the needs of automatic control are used for the measurement. Said disadvantages are eliminated by the device according to the invention, which makes it possible to measure by means of ultrasound on its own flow technological system, where for example the measuring vessel consists of a chemical column body or a measuring vessel with continuous pumping of the analyzed mixture.

Novost zařízení dle vynálezu spočívá v tom, že vhodným spojením známých prvků je vytvořen měřicí systém, umožňující stanovovat objemový podíl složek v binární směsi kapalin, přičemž tato nová vlastnost je dosažena tím, že zařízení měří s vysokou přesností čas průchodu ultrazvukové vlny po dráze mezi vysílací a přijímací sondou a současně měří i teplotu testované směsi. Vysílací a přijímací sonda jsou vybaveny elektroakustickými měniči, které je nutno je umístit proti sobě v předepsané osové vzdálenosti. Zavedením známých rychlostních konstant pro obě kapalné složky s příslušnými teplotními koeficienty umožňuje v reálném čase vyhodnocovat objemový podíl složek ve směsi pomocí známých vztahů, které jsou průběžně počítány mikroprocesorovou řídicí jednotkou a výsledek je k dispozici na výstupních svorkách zařízení ve zvolené formě a fyzikálních jednotkách.The novelty of the device according to the invention lies in the fact that a suitable combination of known elements creates a measuring system enabling to determine the volume fraction of components in a binary liquid mixture, this new feature being achieved by measuring with high accuracy and a receiving probe and at the same time measures the temperature of the test mixture. The transmitting and receiving probes are equipped with electroacoustic transducers, which must be placed against each other at the prescribed axial distance. By introducing known rate constants for both liquid components with respective temperature coefficients, it allows to evaluate in real time the volume fraction of components in the mixture using known relationships, which are continuously calculated by microprocessor control unit and the result is available at device output terminals in selected form and physical units.

Vedle uvedených předností zařízení umožňuje vytvářet tabulky rychlostí šíření ultrazvukového signálu pro dosud neznámé kapaliny včetně určování jejich teplotních koeficientů podle známých vztahů:In addition to the above advantages, the device allows the creation of tables of ultrasonic signal propagation rates for hitherto unknown liquids, including the determination of their temperature coefficients according to known relationships:

_ c₁c₂t - i.c₂ _ c ₁ c ₂ t - ic ₂

- i-(c₁- c₂>- i- (c ₁ - c ₂ >

kde C^, jsou rychlosti šíření ultrazvuku v homogenních složkách, je vzdálenost mezi vysílací a přijímací ultrazvukovou sondou, t je čas průchodu ultrazvukové vlny kapalinou,where C 1 is the velocity of ultrasound propagation in homogeneous components, is the distance between the transmitting and receiving ultrasound probe, t is the time of passage of the ultrasonic wave through the liquid,

X je objemový podíl složky s rychlostí šíření C£í ^C1 = ^C10 ^{+ b}l-^(T - ^To> ' ^C2 = ^C20 ^{+ b}2 <^T - ^To>X is the volume fraction of the component with the propagation rate C £ í ^C 1 = ^C 10 ^{+ b} l- ^(T - ^T o>' ^C 2 = ^C 20 ^{+ b} 2 < ^T - ^T o>

kde T je referenční teplota, C_ln, C_9n jsou rychlosti šíření ultrazvuku v homogenních složkách o ¹ 1U ZU ' při teplotě Τθ; b^, b₂ jsou absolutní teplotní součinitelé, T - teplota; Cp C₂ - rychlosti šíření ultrazvuku v homogenních složkách při· teplotě T.where T is the reference temperature, C _ln , C _9n are the rates of ultrasound propagation in homogeneous components of ¹ 1U ZU 'at temperature Τθ; b ^, b ₂ are absolute temperature coefficients, T - temperature; Cp C ₂ - velocities of ultrasound propagation in homogeneous components at · temperature T.

Zařízení rovněž umožňuje volit další pracovní režimy, kdy jsou data filtrována, počítány separátně rychlosti, časový interval mezi vysláním a přijetím měrného impulsu atp., kteréžto vlastnosti vyplývají z přítomnosti mikroprocesorové funkční jednotky.The device also allows to select other operating modes, where the data are filtered, speeds are calculated separately, the time interval between sending and receiving a specific pulse, etc., which properties result from the presence of a microprocessor functional unit.

Podstatou vynálezu je zařízení pro ultrazvukovou analýzu v kapalinách, ve kterém je testovaná kapalina v měrné nádobě, do níž jsou vnořeny elektroakustické měniče vysílací a přijímací sondy a teplotní čidlo. Přijímací sonda je spojena se vstupem širokopásmovéhoThe subject of the invention is a device for ultrasonic analysis in liquids, in which the test liquid is in a measuring vessel, into which the electroacoustic transducers of the transmitting and receiving probes and the temperature sensor are embedded. The receiving probe is connected to the broadband input

CS 266 724 Bl 3 přijímače s vysokým ziskem a výstup tohoto zesilovače je spojen s časoměrnými obvody, které ovládají impulsní vysílač a přes něj i buzení vysílacího elektroakustického měniče a současně odměřují časovou prodlevu mezi vysláním impulsů do vysílací sondy a jeho zachycením přijímačem. Tyto časoměrné obvody jsou ovládány mikroprocesorovou řídicí jednotkou a současně jsou i zdrojem dat pro vyhodnocení měření. Teplotní čidlo je spojeno rovněž s mikroprocesorovou řídicí jednotkou přes analogočíslicový převodník. Mikroprocesorová řídicí jednotka zpracovává údaje z časoměrných obvodů, teplotního čidla a z připojených vstupních obvodů pro zadávání konstant. Výsledky jsou zobrazeny na displeji a rovněž jsou k dispozici na výstupních svorkách obvodu rozhraní. Zadávají se tyto konstanty: referenční teploty, při kterých byly získány hodnoty rychlosti šíření ultrazvuku v homogenních kapalných složkách, rychlosti šíření v homogenních kapalných složkách, odpovídající teplotní koeficienty rychlostí šíření v homogenních kapalných složkách.CS 266 724 B1 3 high-gain receivers and the output of this amplifier is connected to timing circuits that control the pulse transmitter and through it the excitation of the transmitting electroacoustic transducer and at the same time measure the time delay between sending pulses to the transmitting probe and capturing it. These timing circuits are controlled by a microprocessor control unit and are also a source of data for evaluation of measurements. The temperature sensor is also connected to the microprocessor control unit via an analog-to-digital converter. The microprocessor control unit processes data from the timing circuits, the temperature sensor and from the connected input circuits for entering constants. The results are shown on the display and are also available at the output terminals of the interface circuit. The following constants are entered: reference temperatures at which the values of the speed of ultrasound propagation in homogeneous liquid components, values of propagation in homogeneous liquid components, corresponding temperature coefficients of propagation rates in homogeneous liquid components were obtained.

Podstata vynálezu je vysvětlena na připojených výkresech, kde představuje obr. 1 celkové blokové schéma obr. 2 přímé spojení zařízení s průtočným systémem obr. 3 zapojení s měrnou průtočnou nádobou. .The essence of the invention is explained in the accompanying drawings, where Fig. 1 represents the overall block diagram of Fig. 2 of the direct connection of the device to the flow system, Fig. 3 shows the connection with the specific flow vessel. .

Na obr. 1, na celkovém blokovém schématu, je vysílací sonda _1 propojena spojem 21 s impulsním vysílačem 2^ který je připojen spoji 25 a 52 na vstup a výstup časoměrných obvodů 5^, jejichž další vstup je připojen spojem 45 na výstup širokopásmového přijímače 4 a tento je pak spojen s ultrazvukovou přijímací sondou 2 spojem 34. Teplotní čidlo 2 jé připojeno spojem 87 na vstup analogověčíslicového převodníku 2, zatímco vstup tohoto je připojen spojem 76 na jeden ze vstupů bloku mikroprocesorové řídicí jednotky 6. Obvody zadávání referenční teploty a volby funkce zařízení 9. jsou připojeny spojem 96 na jeden ze vstupů mikroprocesorové řídicí jednotky 6; obvody zadávání rychlostní konstanty prvé složky a jí odpovídajícího teplotního koeficientu 10 jsou připojeny spojem 106 na jeden ze vstupů mikroprocesorové řídicí jednotky 6; obvody zadávání rychlostní konstanty druhé složky a jí odpovídajícího teplotního koeficientu 11 jsou připojeny spojem 116 na jeden ze vstupů mikroprocesorové řídicí jednotky 6. Obvody rozhraní 13 jsou spojeny spoji 136 a 613 s odpovídajícím vstupem a výstupem mikroprocesorové řídicí jednotky 67 obvody rozhraní 13 jsou rovněž spojeny s odpovídající vstupní a výstupní svorkou zařízení 131 a 132. Mikroprocesorová řídicí jednotka je spojena dvěma spoji 56, 65 s odpovídajícím vstupem a výstupem časoměrných obvodů 2· Displej 12 je spojen spojem 612 s odpovídajícím výstupem mikroprocesorové řídicí jednotky já. Ultrazvuková vysílací sonda JL, ultrazvuková přijímací sonda 2 ^a teplotní čidlo _8 jsou umístěny v měrné nádobě 14.FIG. and this is then connected to the ultrasonic receiving probe 2 by a connection 34. The temperature sensor 2 is connected by a connection 87 to the input of an analog-to-digital converter 2, while the input of this is connected by a connection 76 to one of the inputs of the microprocessor control unit block. the devices 9 are connected via a connection 96 to one of the inputs of the microprocessor control unit 6; the circuits for entering the rate constant of the first component and its corresponding temperature coefficient 10 are connected by a connection 106 to one of the inputs of the microprocessor control unit 6; the speed constant input circuits of the second component and its corresponding temperature coefficient 11 are connected by a connection 116 to one of the inputs of the microprocessor control unit 6. The interface circuits 13 are connected by connections 136 and 613 to the corresponding input and output of the microprocessor control unit 67. the corresponding input and output terminals of the devices 131 and 132. The microprocessor control unit is connected by two connections 56, 65 to the corresponding input and output of the timing circuits 2. The display 12 is connected by a connection 612 to the corresponding output of the microprocessor control unit i. The ultrasonic transmitting probe JL, the ultrasonic receiving probe 2 ^{and the} temperature sensor 8 are located in the measuring vessel 14.

Na obrázku 2 je zařízení dle vynálezu zapojeno na průtočný systém, kupř. protiproudý extraktor, kde do procesu vstupují dvě kapalné složky A a B. Vysílací sonda _1, přijímací sonda 2 a teplotní čidlo £ jsou umístěny v měrné nádobě 14, která je součástí těla průtočného technologického systému tak, aby elektroakustické měniče zaujímaly proti sobě předepsanou vzdálenost a byly v jedné ose. Sondy 1 a 3 a teplotní čidlo 2 jsou připojeny na blok elektronických obvodů 20 (obsahující přístroje značené vztahovými značkami £, 5, 2, 2* 10,In Figure 2, the device according to the invention is connected to a flow system, e.g. a countercurrent extractor, where two liquid components A and B enter the process. The transmitting probe 1, the receiving probe 2 and the temperature sensor 6 are placed in a measuring vessel 14 which is part of the body of the flow technology system so that the electroacoustic transducers occupy the prescribed distance against each other; were in one axis. The probes 1 and 3 and the temperature sensor 2 are connected to an electronic circuit block 20 (containing devices indicated by the reference numerals E, 5, 2, 2 * 10,

11, 12, 13 z obr. 1) a výsledky se objeví na displeji 12.11, 12, 13 of Fig. 1) and the results appear on the display 12.

Na obrázku 3 je zařízení dle vynálezu pracující s měrnou nádobou 14, která je plněna pomocí čerpadla C z vhodně zvoleného místa technologického systému. Měrná nádoba 14 zabezpečuje umístění vysílači a přijímací sondy 2 ^a 2 ^ta^/ aby byla dodržena předepsaná osová vzdálenost sond.Figure 3 shows a device according to the invention operating with a measuring vessel 14, which is filled by means of a pump C from a suitably selected location of the technological system. Measuring vessel 14 ensures location of transmitting and receiving transducers 2 ^and ^the 2 ^ / to the prescribed axial distance between probes.

Zařízení pro ultrazvukovou analýzu v kapalinách dle vynálezu umožňuje přímo měřit objemový podíl kapalných složek v binární směsi za předpokladu, že se jedná o směs s rozdílnou rychlostí šíření ultrazvukové vlny v každé složce. Zařízení dle vynálezu poskytuje výsledky měření v reálném čase, ve zvolené formě a ve zvolené fyzikální jednotce. Zařízení umožňuje pracovat i s neznámými kapalinami, kdy lze snadno pro ně před vstupem do směsiThe device for ultrasonic analysis in liquids according to the invention makes it possible to directly measure the volume fraction of liquid components in a binary mixture, provided that it is a mixture with a different rate of propagation of the ultrasonic wave in each component. The device according to the invention provides the results of measurements in real time, in a selected form and in a selected physical unit. The device allows you to work with unknown liquids, which can be easily for them before entering the mixture

CS 266 724 Bl tímto zařízením stanovit nutné konstanty rychlosti šíření a teplotní koeficienty bez účasti další měřicí techniky. Zařízení dle vynálezu nalezne široké uplatnění v automatických řídicích systémech, kde je nutno průběžně stanovovat objemovou zádrž v technologických procesech typu kapalina-kapalina jako je ku příkladu kapalinová extrakce.CS 266 724 B1 with this device to determine the necessary constants of propagation rate and temperature coefficients without the participation of other measuring techniques. The device according to the invention finds a wide application in automatic control systems, where it is necessary to continuously determine the volume retention in technological processes of the liquid-liquid type, such as liquid extraction.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

Equipment for ultrasonic analysis in liquids, consisting of transmitting ultrasonic probe, temperature sensor, receiving ultrasonic probe, measuring vessel, pulse transmitter, broadband receiver, timing circuits, microprocessor control unit, analog-to-digital converter and constant input circuits, display circuits and results display circuits in that the ultrasonic transmitter probe (1) is connected by a connection (21) to the output of a pulse transmitter (2), which is connected by a connection (25, 52) to the input and output of timing circuits (5), the further input of which is connected by a connection ( 45) to the output of the broadband receiver (4) and this is then connected to the ultrasonic receiving probe (3) by a connection (34), the temperature sensor (8) is connected by a connection (87) to the input of the analog-to-digital converter (7), while the output of this is connected a connection (76) to one of the inputs of the microprocessor control unit (6); the circuits for entering the reference temperature and selecting the function of the device (9) are connected to one of the inputs of the microprocessor control unit (6), the circuits for entering the rate constant of the first component and its corresponding temperature coefficient (10) are connected to one from the inputs of the microprocessor control unit (6), the circuits for inputting the speed constant of the second component and its corresponding temperature coefficient (11) are connected by a connection (116) to one of the inputs of the microprocessor control unit (6); the interface circuits of the device (13) are connected by connections (136, 613) to the corresponding input of the microprocessor control unit (6), the interface circuits (13) are also connected to the corresponding input and output terminals of the device (131, 132); the microprocessor control unit (6) is connected by two connections (56, 65) to the corresponding input and output of the timing circuits (5), the display (12) is connected by a connection (612) to the corresponding output of the microprocessor control unit (6), the ultrasonic transmission the probe (1) and the ultrasonic receiving probe (3) as well as the temperature sensor (8) are located in the measuring vessel (14).