PL223279B1 - Układ miernika do pomiaru lepkości akustycznej cieczy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ miernika do pomiaru lepkości akustycznej cieczy.

Lepkość akustyczna cieczy g_ak jest określona przez zależność:

hak = hd · P gdzie: h_ak - lepkość dynamiczna cieczy, p - gęstość cieczy.

W pomiarach lepkości cieczy najczęściej jest stosowany lepkościomierz Brookfield'a, gdzie le pkość cieczy określa się przez pomiar momentu siły niezbędnego do pokonania oporu cieczy przez obrotowy cylinder zanurzony w cieczy.

Z literatury znane są również sposoby pomiaru lepkości cieczy przy wykorzystaniu różnego rodzaju akustycznych fal wzbudzanych w podłożach piezoelektrycznych.

Z publikacji S.J. Martin, i in., Sensors and Actuators, 20(1989) 253-268, znane są metody pomiaru lepkości, w których czujnikiem lepkości jest linia opóźniająca generująca akustyczne mody płytowe, wykonana na podłożu kwarcu o orientacji ST w postaci dwóch przetworników międzypalczastych, wejściowego i wyjściowego. Przetwornik wejściowy zasilany sygnałem o określonej częstotliwości generuje akustyczne mody płytowe. Sygnał na przetworniku wyjściowym przy kontakcie czujn ika lepkości z cieczą, silnie zależy od lepkości cieczy. W publikacji przedstawiono dwie metody pomi aru: generacyjną i transmisyjną. W metodzie generacyjnej podzespół czujnikowy jest elementem układu generatora. Oddziaływanie cieczy na czujnik lepkości powoduje zmianę częstotliwości pracy akustycznego modu płytowego, a tym samym częstotliwości generatora rejestrowanej przez licznik częstotliwości. Zmiana częstotliwości jest miarą lepkości akustycznej cieczy. W metodzie transmisyjnej sygnał z generatora o stałej częstotliwości zasila czujnik lepkości poddany oddziaływaniu cieczy. O dpowiedź czujnika lepkości w postaci zmian tłumienności wtrąceniowej i fazy jest rejestrowana woltomierzem wektorowym.

Istotą wynalazku jest zastosowanie generatora z akustyczną falą powierzchniową połączonego łańcuchowo z czujnikiem lepkości cieczy i detektora, przy czym sygnał z generatora o częstotliwości pracy akustycznego modu płytowego po przejściu przez wtórnik emiterowy i czujnik lepkości jest przekształcony przez detektor na napięcie stałe.

Układ według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera czujnik lepkości cieczy, zasilany sygnałem połączonego z nim łańcuchowo generatora z akustyczną falą powierzchniową przez wtórnik emiterowy, oraz połączony z czujnikiem poprzez wzmacniacz i detektor przetwarzający sygnał zmienny na napięcie stałe. Wielkość tego napięcia jest zależna od lepkości cieczy oddziaływującej na czujnik lepkości.

Generator korzystnie stanowi filtr rezonatorowy z akustyczną falą powierzchniową o częstotliwości środkowej zgodnej z częstotliwością pracy wybranego akustycznego modu płytowego, wzmacniacz szerokopasmowy i regulowany przesuwnik fazy, połączone ze sobą w pętli sprzężenia zwrotnego. Filtr rezonatorowy z akustyczną falą powierzchniową określa częstotliwość generacji, zaś regulowany przesuwnik fazy umożliwia jej przestrajanie.

Filtr rezonatorowy ma korzystnie strukturę wykonaną na podłożu niobianu litu o orientacji 128°YX w postaci dwóch przetworników międzypalczastych o 37 elektrodach w każdym z nich oraz dwóch reflektorów o 200 elektrodach w każdym z nich i ekranu o 5 elektrodach. Elektrody wykonane są z aluminium.

Czujnik lepkości cieczy ma korzystnie strukturę złożoną z dwóch przetworników międzypalczastych o 300 aluminiowych elektrodach w każdym z nich, tworzących linię opóźniającą na podłożu ni obianu litu o orientacji YZ, generującą szereg akustycznych modów płytowych, z których jeden jest wykorzystywany w pomiarach lepkości cieczy. Mod ten charakteryzuje się najmniejszymi zmianami tłumienności wtrąceniowej przy obciążeniu czujnika lepkości wodą.

Korzystnie układ zawiera regulowany dzielnik napięcia stałego dla kompensacji napięcia mierzonego między nim a wyjściem detektora. Naniesienie wody dejonizowanej na czujnik lepkości i w yzerowanie napięcia między wyjściem detektora a regulowanym dzielnikiem umożliwia odniesienie pomiaru do lepkości wody, czyli do 1 mPa^s. Naniesienie cieczy o lepkości większej od 1 mPa^s powoduje wzrost różnicy napięcia stałego między wyjściem detektora a dzielnikiem napięcia. Wielkość tego napięcia jest miarą lepkości cieczy. Pomiar napięcia różnicowego przeprowadza się miliwoltomierzem.

PL 223 279 B1

Korzystnie układ zawiera czujnik temperatury zasilany z oddzielnego źródła napięcia, niż pozostała część układu. Napięcie stałe na wyjściu czujnika temperatury jest liniowo zależne od temperatury - wzrasta wraz z temperaturą przy stałym nachyleniu 10 mV/°C.

Układ według wynalazku umożliwia pomiar lepkości cieczy w szerokim zakresie od 1 do 1200 mP-s w stosunkowo prosty sposób.

Układ według wynalazku jest objaśniony w przykładzie wykonania odtworzonym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu miernika, fig. 2 - układ blokowy generatora z akustyczną falą powierzchniową, fig. 3 - strukturę filtru rezonatorowego z akustyczną falą powierzchniową, fig. 4 - strukturę linii opóźniającej będącą czujnikiem lepkości, fig. 5 - widmo akustycznych modów płytowych w niobianie litu o orientacji YZ, fig. 6 - charakterystykę akustycznego modu płytowego wykorzystywanego w pomiarach lepkości cieczy, zaś fig. 7 - podzespół czujnikowy w przekroju.

P r z y k ł a d. Układ miernika lepkości przedstawiony na rysunku jest złożony z generatora z akustyczną falą powierzchniową 1, wtórnika emiterowego 2, czujnika lepkości 4 i czujnika temperatury 5 umieszczonych w obudowie 3, wzmacniacza 6, detektora 7, regulowanego dzielnika napięcia 8, baterii 9, zasilacza prądu stałego 10, obudowy 11 oraz miliwoltomierza 12. Miliwoltomierz 12 służy do pomiaru napięcia różnicowego między wyjściem detektora 7 a dzielnikiem napięcia 8 oraz napięcia stałego na wyjściu czujnika temperatury 5.

Generator z akustyczną falą powierzchniową 1 jest utworzony ze wzmacniacza szerokopasmowego 13, filtru rezonatorowego z akustyczną falą powierzchniową 14 oraz z regulowanego przesuwnika fazy 15, połączonych ze sobą w pętli sprzężenia zwrotnego. Filtr 14 wyznacza częstotliwość generacji, zaś przesuwnik fazy 15 umożliwia przestrajanie częstotliwości generatora.

Struktura filtru 14 wykonana jest na podłożu N1 niobianu litu o orientacji 128°YX w postaci dwóch przetworników międzypalczastych P1 o 37 aluminiowych elektrodach w każdym z nich oraz dwóch reflektorów R o 200 aluminiowych elektrodach w każdym z nich i ekranu E o 5 aluminiowych elektrodach. Częstotliwość środkowa filtru 14 jest zgodna z częstotliwością pracy wybranego akustycznego modu płytowego.

Struktura czujnika lepkości cieczy 4 wykonana jest w postaci linii opóźniającej na podłożu N2 niobianu litu o orientacji YZ, utworzonej z dwóch przetworników międzypalczastych P2 o 300 aluminiowych elektrodach w każdym z nich. Dwa przetworniki P2 naniesione są po jednej stronie płytki N2, zaś druga jej strona jest w całości pokryta warstwą M ze złota.

Badaną ciecz C nanosi się na powierzchnię płytki N2 w całości metalizowaną. W pomiarach lepkości cieczy w zakresie 1-200 mPa-s różnica napięcia mierzonego między wyjściem detektora 7 a regulowanym dzielnikiem napięcia 8 mieści się w zakresie 0-1100 mV.

Lepkość cieczy jest silnie zależna od temperatury. Określenie temperatury pomiaru umożliwia czujnik temperatury 5, zasilany z oddzielnego niż pozostałe części układu źródła napięcia 9.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ miernika do pomiaru lepkości akustycznej cieczy, oparty na czujniku lepkości cieczy z akustycznym modem płytowym, znamienny tym, że zawiera czujnik lepkości cieczy (4), zasilany sygnałem połączonego z nim łańcuchowo generatora z akustyczną falą powierzchniową (1) przez wtórnik emiterowy (2), oraz połączony z czujnikiem (4) wzmacniacz (6) i detektor (7) przetwarzający sygnał zmienny na napięcie stałe.
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że generator (1) stanowi filtr rezonatorowy z akustyczną falą powierzchniową (14) o częstotliwości środkowej zgodnej z częstotliwością pracy wybranego akustycznego modu płytowego, wzmacniacz szerokopasmowy (13) i regulowany przesuwnik fazy (15), połączone ze sobą w pętli sprzężenia zwrotnego.
3. 3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że filtr rezonatorowy (14) ma strukturę wykonaną na podłożu niobianu litu (N1) o orientacji 128°YX w postaci dwóch przetworników międzypalczastych (P1) o 37 elektrodach w każdym z nich oraz dwóch reflektorów (R) o 200 elektrodach w każdym z nich i ekranu (E) o 5 elektrodach, przy czym elektrody są wykonane z aluminium.
4. 4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że czujnik lepkości cieczy (4) ma strukturę złożoną z dwóch przetworników międzypalczastych (P2) o 300 elektrodach aluminiowych w każdym z nich, tworzących linię opóźniającą na podłożu niobianu litu (N2) o orientacji YZ, generującą szereg akustycznych modów płytowych.

   PL 223 279 B1
5. 5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera regulowany dzielnik napięcia stałego (8) dla kompensacji napięcia między nim a wyjściem detektora (7).
6. 6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera czujnik temperatury (5) zasilany z oddzielnego, niż pozostałe części układu, źródła napięcia (9).