FI102215B - Ultraäänitiheysmittari juoksevan aineen ominaistiheyden mittausta vart en - Google Patents

Description

102215

Ultraäanitiheysmittari juoksevan aineen ominaistiheyden mittausta varten -Ultraljudsdensitometer för mätning av den specifika tätheten hos en fluid

Esillä oleva keksintö koskee ultraäänitiheysmittaria juoksevan aineen ominaisti-5 heyden mittausta varten, jolloin tiheysmittari on toteutettu määritettävän nesteen nestekanavaan muotoiltuna mittakappaleena.

Nesteiden tiheyttä voidaan laboratorio-olosuhteissa määrittää paremmalla kuin ±1 prosentin tarkkuudella käyttämällä rinta-aallon ilmaisuperiaatetta. Tässä mittausmenetelmässä mitataan mittakappaleen/juoksevan aineen rajakerroksesta tuleva 10 heijastus ja määritetään ilman ollessa kosketusväliaineena heijastuskerroin R:= iref/i0 (iref·. heijastunut voimakkuus, i<>: emittoitu voimakkuus). Koska heijastavuus kohtisuorassa kohdistuksessa on riippuvainen vain suureista "tiheys" ja "äänen nopeudet", voidaan juoksevan aineen tiheys laskea kun tunnetaan mittakappaleen materiaaliparametrit. Kohtisuoran kohdistuksen edellytys täytetään pääasiassa vain ensim-15 mäisen aaltorintaman osalta. Mittausta varten voidaan siksi käyttää vain ensimmäisenä olevaa puolijaksoa.

Suureen i0 mittausta varten apumittaukset eivät käytännössä tule kysymykseen. Toisaalta suureen io rinnakkainen mittaus on välttämätön, jotta voitaisiin kompensoida ultraäänen säteilyn muutokset, esim. lämpötilan vaikutuksesta, ilman kosteudesta, 20 vanhenemisesta tai pietsokeramiikan depolaraation johdosta. Tätä varten välttämätön on-line-referenssimittaus voi tapahtua esim. pietsolevyn ja juokseva aineen välisen umpiaineen epähomogeenisuuden avulla. Jos umpiaineena käytetään jaloterästä, kuten teollisia tiheysmittauksia varten on määrätty, niin lisäheijastusten periaatteesta riippumatta syntyy harhakaikuja, jotka jonkin aikaa voivat häiritä. Tavoitteena on 25 siten oltava, että harhapulssien amplitudi, lukumäärä ja ajallinen kesto pidetään mahdollisimman pienenä.

Mittakappaleen geometrialla on suuri vaikutus siihen, miten lähetysteho jakautuu määritettäväksi ensimmäiseksi kaiuksi ja häiritseviksi harhakaiuiksi. Tätä varten on jo tutkittu kappaleita erilaisin poikki- ja pituusleikkauksin. Paras tähän saakka löy-30 detty geometria vastaa katkaistun kartion muotoa. Ero on merkittävä verrattaessa esim. sylinterin muotoon. Ensimmäinen lähetetty pulssi ei sylinterin muodolla koskaan ole se, jolla on suurin amplitudi. Lisäksi harhakaiut ovat erityisen selviä. Katkaistun kartion yhteydessä sitä vastoin ensimmäisellä pulssilla ei ole mitään ali-struktuuria. Kuitenkin jaloteräksen yhteydessä siitä huolimatta voidaan osoittaa har- 2 102215 hakaikujen vaikutusta. Tiheyden mittausta varten tehtävältä amplitudimittaukselta vaadittava tarkkuus on noin 0,2 %, niin että myös promilletasolla olevat harhakaiut häiritsevät tiheysmittausta. Koska saavutetuista parannuksista huolimatta ei ole mahdollista mittakappaleen pituutta kasvattamalla saattaa primäärisen signaalin kul-5 kuaikoja useamman kerran heijastuneen äänen vaimenemisaikojen suuruusluokkaa vastaavaksi, on referenssi- ja kosketusmittauksen impulssijonot ajallisesti lomitettava.

Referenssimittaukselta on vaadittava, että apuheijastimen heijastavuuden muutokset kaikissa käyttöoloissa ovat alle 0,1 %. Koska ylimenokohta mittakappale/ilma tarjo-10 aa tätä varten parhaimmat edellytykset, kysymykseen tulee teknisesti osittainen heijastus rakenteellisesti aiheutetusta epähomogeenisuudesta, jolla on kosketus ilmaan. Mahdollisia suoritusmuotoja tätä varten ovat esim. ulompi rengasura tai reikä, jolla on sylinterin muotoinen tai suorakaiteen muotoinen poikkileikkaus. Sellaisten osit-taisheijastimien muoto ja ulottuvuus tilassa on valittava siten, että referenssi- ja mit-15 tauspulssin amplitudit mittauksessa ilmaan ovat edullisessa suhteessa toisiinsa häiriöiden vaimentamista ja määritettävyyttä ajatellen.

Tämän menetelmän etuina ovat pelkästään ääriviivoiltaan tai poikkileikkaukseltaan muuttuneen mittakappaleen säilyvä rakennekorkeus sekä osittaisheijastimen käyttö-olosuhteista pääasiassa riippumaton heijastavuus. Kriittiseltä vaikuttaa sitä vastoin 20 referenssisignaalin riippuvuus tilan suhteen ahtaasti sijoitettuun apuheijastimeen kohdistuvan voimakkuuden paikallisesta jakautumisesta. Koska amplitudin mittaaminen vaatii määrätyn vähimmäistason, on vastaanotetun signaalin saatava värähdellä vähintään muutamia jaksoja. Aallonpituudesta riippuvat interferenssi-ilmiöt voivat siten johtaa voimakkuuden paikallisiin vaihteluihin, jotka vääristävät referenssi-25 signaalia. Tällöin on olemassa noin 20 dB vahvistettujen amplitudivirheiden vaikutus tiheysmittauksen tarkkuuteen.

Esillä olevan keksinnön tehtävänä on aikaansaada ultraääni-tiheysmittari, joka yksinkertaisella ja tilaa säästävällä rakenteella mahdollistaa ryöminnästä, lämpötilasta ja materiaalin vanhenemisesta riippumatta juoksevan aineen luotettavan tiheysmitta-30 uksen.

» Tämän tehtävän ratkaisemiseksi ehdotetaan alussa mainitun lajista ja patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista ultraäänitiheysmittaria, jolle keksinnön mukaisesti on tunnusomaista, että mittakappale sisältää yhden ainoan ultraääniaaltojen lähetys/vas-taanottomuuttajan pietsotaipumavärähtelijän muodossa, joka toimii ultraääniaaltojen 35 kehittämiseksi, jotka kohdistetaan määritettävän juoksevan aineen pintaan sekä refe- 102215 3 renssirajakerroksen pintaan, ja sekä referenssikaiun että hyötykaiun vastaanottamiseksi, että mittakappale muodostuu oleellisesti kahdesta katkaistun kartion muotoisesta osasta, jolloin pietsotaipumavärähtelijä ensimmäisellä pinnallaan on jäljestetty edullisesti kohtisuoraan mittakappaleen ensimmäisen osan pyörimisakselia kohti 5 olevaa ensimmäistä kartioleikkauspintaa vastaan ja toisella pinnallaan edullisesti kohtisuoraan mittakappaleen toisen osan pyörimisakselia kohti olevaa pienihalkaisi-jaista ensimmäistä kartioleikkauspintaa vastaan, että toisen osan edullisesti kohtisuoraan mittakappaleen pyörimisakselia kohti oleva suurihalkaisijainen toinen kar-tioleikkauspinta on suunnattu kohti määritettävää juoksevaa ainetta, että ensimmäi-10 sen osan edullisesti kohtisuoraan mittakappaleen pyörimisakselia kohti oleva suurihalkaisijainen toinen kartioleikkauspinta on suunnattu kohti ympäröivää ilmaa, että mittakappaleen ensimmäisen pituuden mittainen ensimmäinen osa on ensimmäistä materiaalia ja juokseva ainetta kohti oleva toisen pituuden mittainen toinen osa on toista materiaalia, että ensimmäisen materiaalin ja ympäröivän ilman välinen raja-15 kerros toimii referenssikaikujen kehittämiseksi ja että pituuksien suhde on valittu siten, että referenssikaiut ja hyötykaiut osuvat pietsotaipumavärähtelijän pintaan ajallisesti siten erillään, että ne ovat erotettavissa toisistaan määritystä varten.

Keksinnön edullisten muunnelmien tunnusmerkit on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

20 Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti kuvion avulla.

Kuvio esittää ultraääni-tiheysmittaria juokseva aineen ominaistiheyden mittausta varten, jolloin tiheysmittari on toteutettu määritettävän nesteen nestekanavaan muotoiltuna mittakappaleena. Mittakappale M sisältää yhden ainoan ultraääni-lähe-tys/vastaanottomuuntimen pietsotaipumavärähtelijän 1 muodossa, joka toimii ultra-25 ääniaaltolohkon kehittämiseksi, joka kohdistetaan määritettävän juokseva aineen pintaan sekä referenssirajakerroksen pintaan, ja sekä referenssikaiun että hyötykaiun vastaanottamiseksi. Mittakappale M muodostuu oleellisesti kahdesta katkaistun kartion muotoisesta osasta, jolloin pietsotaipumavärähtelijä 1 ensimmäisellä pinnallaan on järjestetty edullisesti kohtisuoraan mittakappaleen M ensimmäisen osan pyöri-30 misakselia kohti olevaa kartioleikkauspintaa 1/2 vastaan ja toisella pinnallaan edullisesti kohtisuoraan mittakappaleen M toisen osan 3 pyörimisakselia kohti olevaa pienihalkaisijaista ensimmäistä kartioleikkauspintaa 1/3 vastaan.

Toisen osan 3 edullisesti kohtisuoraan mittakappaleen M pyörimisakselia kohti oleva suurihalkaisijainen toinen kartioleikkauspinta 5 on suunnattu kohti määritettävää 35 juoksevaa ainetta. Ensimmäisen osan 2 edullisesti kohtisuoraan mittakappaleen M

4 102215 pyörimisakselia kohti oleva suurihalkaisijainen toinen kartioleikkauspinta 4 on suunnattu kohti ympäröivää ilmaa. Mittakappaleen M ensimmäisen pituuden LI mittainen ensimmäinen osa 2 on ensimmäistä materiaalia M1 ja juokseva ainetta kohti oleva toisen pituuden L2 mittainen toinen osa 3 on toista materiaalia M2. En-5 simmäisen materiaalin Ml ja ympäröivän ilman välinen rajakerros 4 toimii referens-sikaikujen iref kehittämiseksi. Pituuksien LI, L2 suhde on valittu siten, että referens-sikaiut iref ja hyötykaiut iflUjd osuvat pietsotaipumavärähtelijän pintaan ajallisesti siten erillään, että ne ovat erotettavissa toisistaan määritystä varten.

Kuvion mukaisella järjestelyllä M1-P-M2 voidaan mitata referenssikaiku ilmaa 10 vastaan. Referenssillä on se etu, että se on vakio ja tunnettu kaikissa olosuhteissa. Ilmaa vastaan tapahtuvaan osittaisheijastukseen verrattuna saadaan vielä se lisäetu, että apuheijastukset tapahtuvat koko poikkileikkauksella. Lähikentän vaihtelut voidaan siten saada referenssiheijastimen pinnan mukaisen ulottuvuuden ansiosta. Re-ferenssikaiun ja juoksevan aineen kaiun ajallinen lomittuminen määrää tosin sauvan 15 pituuden, mutta M1 :n sopivalla muodolla ja materiaalinvalinnalla voidaan kuitenkin säätää likimain yhtä suuret amplitudit referenssikaiulle ja juoksevan aineen kaiulle.

Pietsokeramiikka on kytkettävä Ml:een ja M2.een liimaamalla teollisuusliimalla. Ylimenoa P/Ml ja P/M2 varten ei tällön vaadita vakio-oloja, vaan ainoastaan mahdollisten vaihteluiden tasapuolisuus. Takapuolisen referenssimittauksen etuna on se, 20 että referenssi on vakio ja tunnettu, eikä erotuspinnalta vaadita vakiona pysymistä vaan heijastavuuden tasapuolinen muutos.

Ensimmäinen materiaali Ml voi olla vaimentavaa materiaalia, ja toinen materiaali M2 voi edullisesti olla jaloterästä. Mittakappaleen M katkaistun kartion muoto on suunniteltu mahdollisimman pientä häiriökaiun kehittämistä ajatellen.

Claims (6)

5 102215

1. Ultraäänitiheysmittari juoksevan aineen ominaistiheyden mittausta varten, jolloin tiheysmittari on toteutettu määritettävän nesteen nestekanavaan muotoiltuna mittakappaleena, tunnettu siitä, että mittakappale (M) sisältää yhden ainoan ultra- 5 ääniaaltojen lähetys/vastaanottomuuttajan pietsotaipumavärähtelijän (1) muodossa, joka toimii ultraääniaaltojen kehittämiseksi, jotka kohdistetaan määritettävän juoksevan aineen pintaan sekä referenssirajakerroksen pintaan, ja sekä referenssikaiun että hyötykaiun vastaanottamiseksi, että mittakappale (M) muodostuu oleellisesti kahdesta katkaistun kartion muotoisesta osasta, jolloin pietsotaipumavärähtelijä (1) en-10 simmäisellä pinnallaan on jäljestetty edullisesti kohtisuoraan mittakappaleen (M) ensimmäisen osan (2) pyörimisakselia kohti olevaa ensimmäistä kartioleikkauspin-taa (1/2) vastaan ja toisella pinnallaan edullisesti kohtisuoraan mittakappaleen (M) toisen osan (3) pyörimisakselia kohti olevaa pienihalkaisijaista ensimmäistä kartio-leikkauspintaa (1/3) vastaan, että toisen osan (3) edullisesti kohtisuoraan mittakap-15 paleen (M) pyörimisakselia kohti oleva suurihalkaisijainen toinen kartioleikkaus-pinta (5) on suunnattu kohti määritettävää juoksevaa ainetta, että ensimmäisen osan (2) edullisesti kohtisuoraan mittakappaleen (M) pyörimisakselia kohti oleva suurihalkaisijainen toinen kartioleikkauspinta (4) on suunnattu kohti ympäröivää ilmaa, että mittakappaleen (M) ensimmäisen pituuden (LI) mittainen ensimmäinen osa (2) 20 on ensimmäistä materiaalia (Ml) ja juoksevaa ainetta kohti oleva toisen pituuden (L2) mittainen toinen osa (3) on toista materiaalia (M2), että ensimmäisen materiaalin (Ml) ja ympäröivän ilman välinen rajakerros (4) toimii referenssikaikujen (iref) kehittämiseksi ja että pituuksien (LI, L2) suhde on valittu siten, että referenssikaiut (iref) ja hyötykaiut (inuid) osuvat pietsotaipumavärähtelijän (1) pintaan ajallisesti siten 25 erillään, että ne ovat erotettavissa toisistaan määritystä varten.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ultraäänitiheysmittari, tunnettu siitä, että ensimmäinen materiaali (Ml) on vaimentavaa materiaalia.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen ultraäänitiheysmittari, tunnettu siitä, että toinen materiaali (M2) on jaloterästä.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-3 mukainen ultraäänitiheysmittari, tun nettu siitä, että mittakappaleen (M) katkaistun kartion muoto on suunniteltu mahdollisimman pientä häiriökaiun kehittämistä ajatellen.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-3 mukainen ultraäänitiheysmittari, tunnettu siitä, että mittakappaleen (M) kolme elementtiä, nimittäin pietsotaipumavä-35 rähtelijä (1), ensimmäinen osa (2) ja toinen osa (3), kulloinkin on liitetty toisiinsa teollisuusliima-aineella.

6 102215