PL223306B1 - Czujnik do pomiaru lepkości akustycznej cieczy oparty na monolitycznym filtrze kwarcowym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest czujnik do pomiaru lepkości akustycznej cieczy oparty na monolitycznym filtrze kwarcowym.

Najczęściej w pomiarach lepkości cieczy stosowany jest lepkościomierz Brookfield'a, przy zastosowaniu którego lepkość cieczy określa się przez pomiar momentu siły niezbędnego do pokonania oporu przez obrotowy cylinder zanurzony w cieczy. Do pomiaru w ten sposób wymagana jest duża objętość próbki cieczy.

Z literatury znany jest również czujnik oparty na monolitycznym filtrze kwarcowym, czyli podzespole wykonanym na piezoelektrycznej płytce kwarcowej, utworzonym przez dwa sprzężone akustycznie rezonatory z akustyczną falą objętościową. Po jednej stronie płytki kwarcowej są dwie metalowe elektrody, a po drugiej - jedna metalowa elektroda.

Czujnik ten służy do pomiaru lepkości akustycznej cieczy ą_ak, określanej przez zależność: hak = hd · P, gdzie: ą_d - lepkość dynamiczna cieczy, ρ - gęstość cieczy.

Filtr funkcjonuje jako czujnik lepkości akustycznej po naniesieniu cieczy na t ą stronę płytki kwarcowej, gdzie jest jedna elektroda. Akus tyczne fale objętościowe oddziaływują na powierzchnię fazy ciało stałe-ciecz. Przy zmianie lepkości cieczy zmienia się rezystancja i indukcyjność dyn amiczna rezonatorów, zmienia się tłumienność wtrąceniowa filtru, co pozwala na pomiar lepkości cieczy. Tłumienność wtrąceniowa jest wprost proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z lepkości akustycznej.

Z publikacji M.G.Schwycr i in.. Proc. IEEE Intern. Freq. Contr. Symp., 1997, pp. 32-40, znany jest filtr monolityczny funkcjonujący jako czujnik lepkości, w którym dokładnie pod dwoma aluminiowymi elektrodami naniesionymi po jednej stronie okrągłej płytki kwarcowej usytuowana jest pojedyncza, aluminiowa elektroda po drugiej stronie płytki. Jednak filtr ten charakteryzuje się dużą tłumiennością wtrąceniową około 15 dB, co pozwala na pomiar lepkości w ograniczonym zakresie do około 55 mPa^s.

Z opisu patentowego WO 2005114138 znana jest metoda pomiaru gęstości i lepkości cieczy oparta na filtrze monolitycznym. Metoda ta wykorzystuje sygnały rezonansowych częstotliwości drgań symetrycznych i antysymetrycznych, które po przejściu przez odpowiednie układy elektroniczne są wykorzystane do określenia gęstości i lepkości cieczy. Ponadto w opisie omówiono różne sposoby wykonania pojedynczej elektrody pokrywającej w całości jedną z powierzchni płytki piezoelektrycznej.

Celem wynalazku było opracowanie takiej konstrukcji czujnika, która pozwala na osiągnięcie małej tłumienności wtrąceniowej, a tym samym umożliwia pomiar lepkości akustycznej cieczy w szerokim zakresie.

Czujnik według wynalazku, w którym filtr monolityczny ma dwie identyczne elektrody po jednej stronie płytki kwarcowej oraz jedną elektrodę pokrywającą całą powierzchnię jej drugiej strony, charakteryzuje się tym, że stosunek powierzchni płytki kwarcowej do powierzchni jednej z dwóch identycznych elektrod zawiera się w przedziale 10-30.

Wszystkie trzy elektrody po obu stronach płytki kwarcowej wykonane są korzystnie ze złota, przy czym grubość warstwy złota dwóch identycznych elektrod zawiera się najkorzystniej w przedziale 0,5-1,5 ąm. Grubość płytki kwarcowej zawarta jest korzystnie w przedziale 0,5-1 mm.

Elektroda pokrywająca w całości drugą stronę płytki jest połączona elektrycznie z masą układu pomiarowego korzystnie za pomocą silikonu przewodzącego prąd elektryczny. Impedancja wejściowa i wyjściowa filtru monolitycznego stanowiącego czujnik jest korzystnie dopasowana transformatorowo do impedancji układu pomiarowego.

Czujnik według wynalazku posiada charakterystykę amplitudową typowego filtru przepustowego o bardzo małej tłumienności wtrąceniowej poniżej 2 dB, co umożliwia pomiar lepkości w szerokim zakresie 1-1200 mP^s.

Konstrukcja czujnika według wynalazku pozwala na pomiar lepkości cieczy w układzie transm isyjnym przez określenie zależności tłumienności wtrąceniowej filtru w paśmie przepustowym filtru od lepkości cieczy.

Czujnik według wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania odtworzonym na rysunku, na którym fig. 1, fig. 2, fig. 3, fig. 4 i fig. 5 przedstawiają czujnik w konkretnym przypadku jego

PL 223 306 B1 wykonania omówionym w przykładzie, przy czym fig. 1 i fig. 2 przedstawiają płytkę kwarcową z naniesionymi elektrodami odpowiednio w widoku z góry i w widoku z boku, fig. 3 przedstawia konstrukcję czwórnika pomiarowego w widoku z boku, fig. 4 - płytką kwarcową umocowaną na pokrywie czwórnika pomiarowego w widoku z boku, zaś fig. 5 przedstawia schemat elektryczny czujnika z dopasowaniem transformatorowym impedancji filtru do impedancji układu pomiarowego.

P r z y k ł a d. Czujnik przedstawiony na rysunku, ma po jednej stronie prostokątnej płytki kwarcowej K o polu powierzchni S1 = 459 mm umieszczone dwie identyczne złote elektrody E1, każda o powierzchni S2 = 24,5 mm , zaś po drugiej stronie płytki K ma umieszczoną jedną złotą elektrodę E2 pokrywającą całą powierzchnię S1 płytki K. Stosunek powierzchni S1 płytki K do powierzchni S2 jednej z elektrod E1 wynosi około 19. Grubość warstwy złota elektrod E1 wynosi 1 μm, zaś elektrody E2 - 0,1 μm.

Płytka kwarcowa K o grubości 0,5 mm zamocowana jest na pokrywie P czwórnika pomiarowego C. Płytka K umieszczona jest stroną z elektrodą E2 na zewnątrz pokrywy P na uszczelce U z silikonu przewodzącego prąd elektryczny. Uszczelka U, wykonana w kształcie ramki, przylega do krawędzi płytki K, zapewniając kontakt elektryczny elektrody E2 z układem pomiarowym, jednocześnie zabezpieczając elektrody E1 przed zalaniem przy naniesieniu badanej cieczy na elektrodę E2. Płytka K jest dociskana do pokrywy P przez ramkę metalową D. Impedancja wejściowa i wyjściowa filtru jest dop asowana do impedancji układu pomiarowego przez zastosowanie transformatorów TR o przekładni zapewniającej uzyskanie tłumienności wtrąceniowej filtru mniejszej niż 2 dB. Czujnik funkcjonuje na częstotliwości około 3,6 MHz i umożliwia pomiar lepkości w zakresie 1+1200 mPa-s.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Czujnik do pomiaru lepkości akustycznej cieczy oparty na monolitycznym filtrze kwarcowym, który po jednej stronie prostokątnej płytki kwarcowej ma dwie identyczne elektrody oraz jedną elektrodę pokrywającą całą powierzchnię jej drugiej strony, znamienny tym, że stosunek powierzchni (S1) płytki kwarcowej (K) do powierzchni (S2) jednej z dwóch elektrod (E1) zawiera się w przedziale 10+30.
2. 2. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że ma obydwie elektrody (E1) i trzecią (E2) po drugiej stronie płytki (K) ze złota, przy czym grubość warstwy złota elektrod (E1) jest korzystnie zawarta w przedziale 0,5+1,5 μm.
3. 3. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość płytki kwarcowej (K) zawarta jest w przedziale 0,5+1 mm.
4. 4. Czujnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że elektroda (E2) jest połączona elektrycznie z układem pomiarowym za pomocą silikonu przewodzącego prąd elektryczny.
5. 5. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że impedancja wejściowa i wyjściowa filtru monolitycznego jest dopasowana do impedancji układu pomiarowego za pomocą transformatorów (TR).