Opublikowano: 28.11.1973 67235 KI. 421,7/02 MKP GOln 11/16 [czytelnia UKD Urzedu P Wspóltwórcy wynalazku: Henryk Gawronski, Marceli Lewandowski, Tomasz Strzelecki Wlasciciel patentu: Polska Akademia Nauk (Zaklad Doswiadczalny Budowy Aparatury Naukowej UNIPAN), Warszawa (Polska) Ultradzwiekowy przetwornik magnetostrykcyjny do pomiaru lepkosci osrodków plynnych Przedmiotem wynalazku jest ultradzwiekowy prze¬ twornik sluzacy do pomiaru lepkosci osrodków plyn¬ nych metoda, pomiarów tlumienia drgan podluznych powalowego elementu niagnetostrykcyjnego zanurzone¬ go w badanym osrodku. Przetwornik przeznaczony jest do pracy w warunkach laboratoryjnych i przemyslo¬ wych w szerokim zakresie temperatur, a takze przy podwyzszonym cisnieniu.Znane przetworniki magnetostrykcyjne sluzace do po¬ miarów lepkosci osrodków plynnych budowane sa w ten sposób, ze element magnetostrykcyjny w formie cienkiego, podluznego paska wlutowany jest, w polowie swej dlugosci, w dno hermetycznej obudowy. Dno obu¬ dowy spelnia tu jednoczesnie role przepony. Wewnatrz obudowy, wspólosiowo z przetwornikiem osadzona jest cewka, której rdzeniem jest druga polowa elementu magnetostrykcyjnego.Praca przetwornika ma charakter cykliczny to zna¬ czy w pierwszym okresie — zwanym okresem pobudza¬ nia — przez cewke przeplywa krótki impuls pradowy, pod wplywem którego element magnetostrykcyjny zmie¬ nia swoje wymiary podluzne; w drugim okresie — zwa¬ nym okresem odbioru — element, w sposób silnie oscylacyjny, wraca do stanu równowagi. Drgania ele¬ mentu magnetoistrykcyjnego moduluja strumien magne¬ tyczny, który indukuje w cewce napiecie sinusoidalne zmiennego sygnalu elektrycznego. Predkosc zanikania drgan przetwornika zalezy od lepkosci osrodka w któ¬ rym zanurzona jest polowa elementu magnetostrkcyj- nego znajdujaca sie na zewnatrz obudowy. 10 15 20 25 30 Opisane, znane przetworniki obarczone byly jednakze powaznymi niedogodnosciami. Skladalo sie na to kilka przyczyn. Przede wszystkim, podczas dzialania impulsu pobudzajacego w metalowych elementach przetwornika indukowaly sie silne prady wirowe, których czas zani¬ kania przekraczal rzad kilku milisekund. Wówczas, w okresie odbioru, na sygnal uzyteczny nakladal sie syg¬ nal szkodliwy wywolany tymi pradami.Niezaleznie od tego podczas dzialania impulsu po¬ budzajacego, zaklócenie stanu równowagi elementu magnetostrykcyjnego przenosilo sie na przepone (do której element jest zamocowany) a dalej na obudowe.W konsekwencji, w okresie odbiorczym obok sygnalu oscylacyjnego oraz szkodliwego sygnalu wywolanego pradami wirowymi pojawil sie nowy, takze szkodliwy sygnal posiadajacy charakter silnie znieksztalconych przebiegów periodycznych.Oprócz powyzszych, niekorzystnych zjawisk, jezeli temperatura otoczenia istotnie róznila sie od tempera¬ tury mierzonego osrodka plynnego, warstwy cieczy sa¬ siadujace z elementem magnetostrykcyjmym wykazywa¬ ly odchylki od temperatury zadanej w termostacie, w kierunku temperatury otoczenia. Zjawisko to zacho¬ dzilo na skutek odprowadzania ciepla poprzez element magnetostrykcyjny do obudowy i otoczenia.W znanych rozwiazaniach wplyw na pomiar lepkosci dwóch pierwszych szkodliwych efektów eliminuje sie przez wprowadzenie dodatkowego kondensatora boczni¬ kujacego cewke przetwornika. Wartosc kondensatora dobierana jest na maksimum sygnalu, któremu odpo- 6723567235 wiada zrównanie -sie czestotliwosci rezonansowej obwo¬ du pobudzania i przetwornika. W (warunkach tych od¬ bierany sygnal pozbawiony jest znieksztalcen, albowiem wszystkie przebiegi o czestotliwosci rózniacej sie od czestotliwosci rezonansowej zostaja silnie stlumione.Metoda ta jednak znacznie ogranicza górna wartosc mierzonych lepkosci. Kiedy na iskutek silnego tlumienia przez ciecz o duzej lepkosci dobroc przetwornika spa¬ da ponizej okreslonej wartosci, zaczyna decydowac do¬ broc obwodu pobudzania. W konsekwencji górny za¬ kres prawidlowego pomiaru lepkosci ogranicza sie do okolo 5000 cP.Efekt wplywu temperatury otoczenia, w znanych roz¬ wiazaniach, eliminowany jest przez zastosowanie elek¬ tronicznych ukladów kompensacyjnych znacznie kom¬ plikujacych urzadzenie i {podwyzszajace jego koszt jak równiez nie zawsze, szczególnie przy cieczach niezna¬ nych, gwarantujacych calkowita poprawnosc pomiaru.Celem wynalazku jest wiec przetwornik -magneto¬ strykcyjny, który pozbawiony bylby opisanych wad oraz spelnial takie wymagania jak: szeroki zakres mierzo¬ nych lepkosci, praca w podwyzszonym cisnieniu, praca w szerokim zakresie temperatur, duza odpornosc na dzialanie czynników chemicznych.Wytyczony cel osiagniety zostal w niniejszym wyna¬ lazku, wedlug którego przetwornik ma obudowe, której czesci sa wzajemnie odizolowane termicznie i elek¬ trycznie za pomoca izolatora, w której to obudowie znajduje sie cewka umieszczona w ferrytowym kubku oraz ma oddzielna przepone z elementem magnetostryk- cyjnym polaczona z obudowa, a przestrzen miedzy dnem ferrytowego kubka ii przepona jest wypelniona warstwa o wlasnosciach tlumiacych drgania.Wedlug wynalazku najkorzystniejsza przy tym war¬ stwa jest warstwa znanego stopu galu, miedzi i cyny.Czesc obudowy oraz przepona sa najkorzystniej wyko¬ nane z mosiadzu. Trwale polaczenie elementu magne- tostrykcyjnego z przepona dokonane jest lutowiem be¬ dacym eutektoidalnym stopem miedzi i cynku.Korzyscia z zastosowania wynalazku jest uzyskanie prostego konstrukcyjnie i mozliwego do wykonania do¬ stepnymi metodami technologicznymi przetwornika do ciaglych pomiarów lepkosci z odczytem natychmiasto¬ wym bez koniecznosci stosowania dodatkowych urza¬ dzen i ukladów kompensujacych, gwarantujacego do¬ kladnosc pomiaru w róznych warunkach i w szerokim zakresie. Dodatkowa korzyscia jest mozliwosc stosowa¬ nia elementów magnetostrykcyjnych kilkakrotnie grub¬ szych w stosunku do znanych rozwiazan, dzieki czemu znacznie zwieksza sie jego odpornosc na uszkodzenia mechaniczne.Blizsze objasnienie wynalazku dokonane jest ponizej, a przykladowe jego wykonanie pokazane na rysunku, który przedstawia przetwornik magnetostrykcyjny w przekroju poosiowym.Przetwornik ma obudowe 6 i 7 stanowiaca wraz z pozostalymi elementami hermetycznie zamknieta i nie¬ rozbieralna calosc. Elementy obudowy 6 i 7 wykona¬ ne sa najkorzystniej z mosiadzu. .Stwierdzono tu bo¬ wiem, iz mosiadz wykazuje z posród innych metali naj¬ lepsze wlasnosci tlumiace drgania o czestotliwosci ultradzwiekowej i najmniejsza wsród materialów meta¬ licznych podatnosc na szkodliwy wplyw pradów wiro¬ wych przy stosunkowo duzej odpornosci chemicznej, która to odpornosc dodatkowo mozna, zwiekszyc przez nalozenie odpowiednich powlok ochronnych. Mosiadz wykazal równiez odpornosc na wplyw, w zadanym za¬ kresie, podwyzszonej temperatury. 5 Element magnetostrykcyjny 1 w formie cienkiego wy¬ dluzonego paska w polowie swojej dlugosci wlutowany jest w przepone 2 stanowiaca zakonczenie obudowy i ustalajaca wzajemne polozenie paska magnetostrykcyj- nego 1 i cewki 3. Element magnetostrykcyjny 1 i prze- 10 pona 2 polaczone sa spoina 9 bedaca eutoktoidalnym stopem miedzi i cynku. Stwierdzono, ze stop ten po¬ zwala na lutowanie elementów z mosiadzu o wyzszej zawartosci miedzi, a co za tym idzie i wyzszej tempe¬ raturze topnienia a jednoczesnie zapewnia optymalne 15 warunki wplywu pradów wirowych i zadawalajace od¬ nosnie wytrzymalosci mechanicznej, odpornosci che¬ micznej i temperaturowej. Cewka 3 przetwornika umie¬ szczona jest w ferrytowym kubku 4 eliminujacym wplyw i powstawanie pradów wirowych w obudowie oraz izo- 20 lujacych cewke 3 od zewnetrznych zmiennych pól mag¬ netycznych.Cewka 3 w ferrytowym kubku 4 ustalona jest w sto¬ sunku do przepony 2 i zwiazanego z nia elementu mag- netostrykcyjmego 1 za pomoca tulei 7. Pomiedzy prze- 25 pone 2 i dno ferrytowego kubka 4 wprowadzona jest warstwa 8 o wlasnosciach tlumiacych drgania czestotli¬ wosci ultradzwiekowej. Stwierdzono przy tym, ze naj¬ korzystniej jest stosowac tu znany stop galu, miedzi i cyny. Stop ten, po zestaleniu nie wykazuje szkodli- 30 wego wplywu pradów wirowych, przede wszystkim jed¬ nak wykazuje doskonale wlasnosci tlumienia drgan o czeistotliwoscii ultradzwiekowej. Jak wiec wynika stop ten jest dobrym tlumikiem dla szkodliwych drgan prze¬ pony 2 znieksztalcajacych podstawowy sygnal uzytecz¬ ny. Warstwa wykonana z opisanego stopu nie zmienia swoich Wlasnosci w pozadanym zakresie temperatur, czego nie mozna by uzyskac stosujac znane tworzywa sztuczne wykazujace podobne lub nawet lepsze wlasno¬ sci tlumiace.Czesc pomiarowa przetwornika odizolowana jest ter¬ micznie i elektrycznie od czesci 6 obudowy stanowia¬ cej jednoczesnie uchwyt przetwornika. Odizolowanie uzyskano przez zastosowanie izolatora 5 umieszczone¬ go pomiedzy czesciami 6 i 7 obudowy. Izolator 5 wy¬ konany moze byc na przyklad z ceramiki steatytowej, alundowej badz mekanitu. Izolator 5, przy stosowaniu odpowiednio glebokiego naczynia pomiarowego sku¬ tecznie eliminuje wplyw temperatury otoczenia na po¬ miar cieczy.Poslugiwanie sie przetwornikiem wedlug wynalazku nie odbiega od znanych sposobów poslugiwania sie te¬ go rodzaju przyrzadami. 40 45 50 55 PL