DK144044B - Ultralydmaaleprobe til brug ved akustisk maaling af vaeskers massefylde - Google Patents

Description

Den foreliggende opfindelse angår en ultralydmåleprobe til brug ved akustisk måling af væskers massefylde, med en transducer, hvormed ultralydbølger kan udsendes i den pågældende væske for bestemmelse ved hjælp af et elektronisk 5 kredsløb af væskens akustiske impedans og udbredelseshastigheden for lyd i væsken, hvor transduceren er anbragt i en rørformet holder, der også indeholder et referencelegeme og et reflektorlegeme, der er beliggende i nogen afstand fra transduceren.

10 En væskes akustiske impedans er produktet af væskens massefylde og udbredelseshastigheden for en lydbølge i væsken.

Denne sammenhæng udnyttes til massefyldebestemmelse i apparater, hvor man med en transducer, eksempelvis en piezoelek-trisk keramikskive, udsender en ultralydimpuls over en kendt 15 vejlængde gennem væsken.

I kendte måleapparater udgøres denne vejlængde af afstanden mellem to vægge i et målekammer eller det dobbelte af denne afstand, hvis samme transducer benyttes som både sender og modtager for ultralydimpulserne. Sådanne apparater, der ken-20 des eksempelvis fra beskrivelserne til USA-patenterne 3.028.749 og 2.926.522 kræver en forholdsvis kompliceret og fast måleopstilling.

Det er endvidere kendt fra tysk fremlæggelsesskrift 1.498.291, U4044 2 tysk fremlæggelsesskrift 2.635.982 samt tysk offentliggørelsesskrift 2.726.400 og USA-patent 3.587.300 at forsyne ultralydtransducere med indbyggede referencer i form af udsparinger eller reflektorlegemer, men ved disse i den kendte 5 teknik nævnte transducere er det ikke muligt på en enkel og let måde at bestemme væskers massefylde.

Ifølge den foreliggende opfindelse foreslås en ultralydprobe af den i indledningen til krav 1 angivne art, som er ejendommelig ved, at referencelegemet er anbragt i den rørformede 10 holder i umiddelbar nærhed af transduceren, og at reflektorlegemet er anbragt i nogen afstand fra referencelegemet samt at den rørformede holder er opslidset således, at der fremkommer mindst en åbning i rørvæggen mellem referencelegemet og reflektorlegemet, og at der i referencelegemet findes mindst 15 en rundtgående indskæring, hvis mod transduceren vendte begrænsningsflade er parallel med grænsefladen mellem transduceren og referencelegemet.

Ved denne udformning opnås en enkel og mekanisk stabil måle-probe, der er let at transportere, idet måleproben kan være 20 på størrelse med en sædvanlig kuglepen. Ved hjælp af det elektroniske kredsløb kan massefylden af en væske i rummet mellem referencelegemet og reflektionsskiven bestemmes ved måling af amplitudeværdien af reflektionen fra overgangen mellem referencelegemet og væsken og udbredelsestiden for 25 lydbølgen i væsken.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere i forbindelse med tegningen, der viser et snit gennem en måleprobe ifølge opfindelsen til akustisk måling af væskers massefylde.

Den viste probe omfatter en piezoelektrisk keramikskive 1, 30 et referencelegeme 2 og en reflektionsskive 3, der er anbragt i en rørformet holder 4. Mellem referencelegemet 2 og reflektionsskiven 3 er den rørformede holder 4 opslidset således, at der findes mindst en åbning 5 i rørvæggen.

U4044 3

Keramikskiven 1 er forbundet til et ikke vist elektronisk kredsløb, der kan påtrykke skiven elektriske impulser. Herved udsendes gennem det tilgrænsende referencelegeme 2 ultralydbølger, der passerer gennem det åbne rum mellem lege-5 met 2 og reflektionsskiven 3, kastes tilbage og atter rammer keramikskiven. De reflekterede lydsignaler omsættes her til elektriske signaler, der påtrykkes det elektroniske kredsløb.

Keramikskiven 1 anvendes altså såvel som sender og som modtager af lydimpulser.

10 I referencelegemet 2 findes en rundtgående indskæring, hvis mod keramikskiven 1 vendte begrænsningsflade 6 er parallel med grænsefladen mellem skiven 1 og legemet 2, altså vinkelret på lydens udbredelsesretning i legemet 2.

Når keramikskiven 1 påtrykkes en kortvarig elektrisk impuls, 15 udsendes en ultralydbølge, der udbredes gennem referencematerialet. En del af lyden totalreflekteres ved begrænsningsfladen 6, hvis det forudsættes, at der på den anden side af fladen 6 findes et materiale, eksempelvis luft, hvis akustiske impedans er væsentligt mindre end den akustiske impedans 20 af referencematerialet, der eksempelvis kan være glas, aluminium eller rustfri stål. Amplituden Aq af det reflekterede ekko vil være proportional med den udsendte lydbølges amplitude. Resten af den udsendte lydbølge fortsætter gennem referencelegemet 2 og det medium, der gennem åbningen 5 er 25 trængt ind mellem legemet 2 og reflektionsskiven 3. Er måleproben nedsænket i en væske, er det således denne væske, der grænser op mod referencelegemets 2 endeflade.

Fra denne endeflade reflekteres en lydbølge, hvis amplitude kan udtrykkes ved: 30 A = A 1 ?rer ~ ?v°v) (1) 1 1 < ?rcr + ?vcv> 4 144044 hvor Ai er amplituden af den indkommende lydbølge, (p^ og er massefylden for referencelegemet og væsken og cr og cv de tilsvarende lydhastigheder.

Af ovenstående udtryk (1) kan væskens massefylde bereg-5 nes, idet (A. - A ) 9v = zr ^·+Α,).··ον· (2)

hvor Zr er referencelegemets 2 kendte akustiske impedans ?rV

Den del af lydbølgen, som ikke reflekteres ved overgangen 10 mellem referencelegemet 2 og væsken, udbredes i denne og kastes fra reflektionsskiven tilbage til keramikskiven 1. Udbredelseshastigheden i væsken cv kan bestemmes af c = ^ - i (3)

Cv T ^ 1 v hvor 1 er afstanden mellem referencelegemet 2 og reflekti-15 onsskiven 3 og T udbredelsestiden, der bestemmes som tidsafstanden mellem de reflekterede lydbølger.

Ved hjælp af amplituden Aq af den lyd, der reflekteres fra grænsefladen 6, kan det elektroniske kredsløb regulere sendeamplituden således, at A^ bliver konstant uanset varia-20 tioner i den piezoelektriske keramikskives 1 temperaturafhængige data. Af udtrykkene (2) og (3) kan derefter væskens massefylde bestemmes ved måling af amplitudeværdien A^ eller den hermed proportionale spænding og udbredelsestiden Tv, idet Z T (E - E.) 25 % " 2.1 (El V El) ’ hVOr Ei - k°nSt· ' Λ1 (4>

Da det elektronisk kan være vanskeligt at opnå stor nøjagtighed ved analog multiplikation og division af spændinger, kan ovennævnte udtryk (4) omskrives til

U40U

5 q Tv _ +Tv (Zr + W f vSg Ei-E1> ...

Jv 2.1 * nor + 2.1 * (E± + ^ hvor Z er den akustiske impedans af en normalvæske, hennor sigtsmæssigt vand ved 20°C. Anbringes proben i vand, vil andet led i dette udtryk (5) være nul, og massefylden bestem-5 mes ved en tidsmåling. Da de fleste væskers akustiske impedans er af samme størrelsesorden som vands, vil sidste led i udtrykket (5) kun indgå med en mindre del i massefyldebestemmelsen. Betydningen af usikkerheden på udregningen af dette led er derved ringe.