RU166341U1 - Измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости - Google Patents

Измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости Download PDF

Info

Publication number
RU166341U1
RU166341U1 RU2014154503/28U RU2014154503U RU166341U1 RU 166341 U1 RU166341 U1 RU 166341U1 RU 2014154503/28 U RU2014154503/28 U RU 2014154503/28U RU 2014154503 U RU2014154503 U RU 2014154503U RU 166341 U1 RU166341 U1 RU 166341U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piezoelectric transducer
meter
output
input
pulse
Prior art date
Application number
RU2014154503/28U
Other languages
English (en)
Inventor
Вячеслав Николаевич Вервейко
Евгений Борисович Болецкий
Никита Сергеевич Чебров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Курский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Курский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Курский государственный университет"
Priority to RU2014154503/28U priority Critical patent/RU166341U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU166341U1 publication Critical patent/RU166341U1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02Analysing fluids

Abstract

Измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости, содержащий ЭВМ, измерительный автоклав с акустическим пьезометром и электровводом высокого давления, систему термостатирования, измерения и контроля температуры, схему управления температурным режимом термостата, систему создания и измерения давления, два омметра, отличающийся тем, что в измеритель включен электронный блок генерации, приема и обработки сигналов на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), возбуждающей пьезопреобразователь пакетами синусоидальных импульсов на частотах, кратных собственной частоте пьезопреобразователя.

Description

Полезная модель относится к акустическим и теплофизическим измерениям, может быть использовано для определения скорости ультразвука в жидкостях и их плотности в зависимости от температуры и давления.
Проведение инженерных и научных расчетов при создании научных и промышленных установок, в технологических процессах требуют высокой точности и надежности экспериментальных данных о физико-химических и теплофизических свойствах веществ. Скорость ультразвука, наряду с плотностью и изобарной теплоемкостью, является одним из самых информативных параметров вещества.
Широкое распространение получил импульсно-фазовый метод исследования акустических свойств вещества. Суть метода заключается в измерении времени задержки ультразвуковых сигналов в исследуемой среде для определения скорости ультразвука и отношения амплитуд исходного и прошедшего через среду сигналов для определения поглощения ультразвука.
В последнее время благодаря высокому уровню развития современной электронно-вычислительной техники и измерительных систем создаются автоматизированные ультразвуковые установки.
Известно устройство для измерения скорости ультразвуковых колебаний в образцах (А.с. №402734, 1973), содержащее синхронизатор, возбуждающий генератор, регулируемую линию задержки, пьезоизлучатель, пьезоприемник, усилитель, измерительный триггер, преобразователь временных интервалов в амплитуду, селектор первого полупериода ультразвукового импульса, амплитудный дискриминатор, схему запоминания, индикатор и самописец.
Недостатками устройства являются отсутствие автоматизации измерений, невозможность измерений на различных частотах ультразвука и при высоких давлениях, невозможность одновременного измерения скорости ультразвука и плотности вещества, возбуждение пьезопреобразователя ударным прямоугольным импульсом, что может привести к искажению сигнала, излучаемого пьезопреобразователем, использование громоздкой аппаратуры с низкой точностью, стабильностью и информативностью.
Известно также ультразвуковое устройство для одновременного измерения скорости и поглощения ультразвука, плотности и вязкости жидкостей (А.с. №1797038, 1993), содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор колебаний, пьезопреобразователь с отражателем, амплитудный детектор, усилитель низкой частоты, формирователь прямоугольных импульсов и счетчик, первый частотомер, подключенный к выходу генератора колебаний, второй частотомер, подключенный к выходу формирователя прямоугольных импульсов, цилиндр, в котором расположены пьезоизлучатель с отражателем, размещенный вокруг цилиндра соленоид, последовательно соединенные одновибратор, источник линейно меняющегося напряжения, цифровой амперметр, коммутатор и трехканальный усилитель, последовательно соединенные формирователь прямоугольных импульсов, вход которого подключен к выходу усилителя низкой частоты, формирователь импульсов по фронту и срезу и кольцевой счетчик, последовательно соединенный с пиковым детектором, вход которого подключен к выходу усилителя низкой частоты, интерфейс микропроцессора и программный счетчик, входом подключенный к выходу формирователя прямоугольных импульсов, выход одновибратора подключен к входам сброса счетчика импульсов, интерфейса микропроцессора, пикового детектора и программного счетчика и к пусковому входу первого частотомера, информационные выходы частотомеров, цифрового амперметра, счетчика импульсов и пикового детектора подключены к интерфейсу микропроцессора, первый выход кольцевого счетчика связан со вторыми входами цифрового амперметра и источника линейно изменяющегося напряжения и с входом пуска пикового детектора, второй выход кольцевого счетчика подключен ко второму входу коммутатора, третьему входу источника линейно изменяющегося напряжения и пусковым входам счетчика импульсов и программного счетчика, третий выход кольцевого счетчика связан с третьим входом цифрового амперметра и с четвертым входом источника линейно изменяющегося напряжения, четвертый выход кольцевого счетчика связан с входом остановки счетчика импульсов, выход окончания измерений которого подключен к интерфейсу микропроцессора, выход окончания измерения цифрового амперметра подключен к третьему входу коммутатора и интерфейсу микропроцессора, а соленоид выполнен из трех секций, подключенных к соответствующим выходам трехканального усилителя.
Недостатками устройства являются ограниченный диапазон частот, невозможность измерений при высоких давлениях, возбуждение пьезопреобразователя непрерывным высокочастотным сигналом, в результате чего пьезопреобразователь работает не в режиме свободных колебаний, а в режиме вынужденных колебаний, большое количество функциональных блоков для генерации, приема и обработки сигналов, расчет скорости ультразвука не по времени прохождения сигнала, а по числу импульсов, соответствующих максимумам акустической стоячей волны на известной длине хода поршня отражателя, двигающегося под воздействием магнитного поля соленоида, расчет плотности с помощью регистрации моментов нарушения флотационного равновесия поршня-отражателя в крайних нижнем и верхнем положениях. Все это приводит к дополнительным погрешностям.
Известен измеритель скорости звука повышенной точности (А.с. №2152596,2000), содержащий последовательно соединенные интегратор, управляемый генератор, формирователь импульсов, счетчиковый делитель и регистратор, входом подключенный к выходу формирователя импульсов, распределитель импульсов, последовательно соединенные генератор возбуждающих импульсов, входом соединенный с первым выходом распределителя, электроакустический преобразователь с отражателем, ограничитель импульсов, входом соединенный с выходом генератора возбуждающих импульсов, компаратор, первым входом соединенный с выходом ограничителя импульсов, а вторым - с первым выходом распределителя, дискриминатор длительности, первый вход которого соединен со вторым выходом распределителя импульсов, а второй - с выходом компаратора, ключевой элемент, первый и второй входы которого соответственно соединены с первым и вторым выходами дискриминатора длительности, а выход - с входом интегратора, частотный детектор, вход которого соединен со вторым выходом дискриминатора длительности, и одновибратор регулируемой длительности, первый вход которого соединен с выходом частотного детектора, второй вход - с выходом компаратора, а выход соединен с третьим входом ключевого элемента.
Недостатками измерителя являются отсутствие автоматизации измерений, ограниченный диапазон частот, невозможность измерений при высоких давлениях, невозможность одновременного измерения скорости ультразвука и плотности вещества, возбуждение пьезопреобразователя ударным прямоугольным импульсом, значительная временная задержка сигналов в большом количестве функциональных блоков для генерации, приема и обработки сигналов.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости (Мелихов Ю.Ф., Вервейко В.Н., Вервейко М.В. Экспериментальные методы исследования свойств органических жидкостей под давлением // Наука и технологии. Избранные труды Российской школы «К 70-летию Г.П. Вяткина». М.:РАН, 2005. С. 175-185), взятый нами в качестве прототипа. Измеритель содержит ЭВМ, двухканальный формирователь прямоугольных импульсов и задержек, схему управления температурным режимом термостата, адаптер канала общего пользования, который служит для связи системной шины ЭВМ с нестандартными интерфейсами приборов, имеющих цифровой выход: двух омметров Щ-34 и частотомера Ч3-64, двухканальный усилитель, осциллограф, схему развязки и согласования, измерительный автоклав с акустическим пьезометром и электровводом высокого давления, систему термостатирования, измерения и контроля температуры, систему создания и измерения давления.
Недостатками измерителя являются возбуждение пьезопреобразователя ударным прямоугольным импульсом, что приводит к искажению сигнала, излучаемого пьезопреобразователем, так как короткое время возбуждения пьезопреобразователя ударным одиночным прямоугольным импульсом не позволяет ему колебаться на собственной резонансной частоте с максимально возможной амплитудой, и не дает возможности возбуждать пьезопреобразователь на частотах, кратных собственной частоте пьезопреобразователя в целях расширения рабочего диапазона частот; использование громоздкой аппаратуры, необходимость второго импульса задержки для создания метки времени, визуального контроля метки времени на осциллографе, что вносит дополнительные погрешности в измерения и не дает возможности полной автоматизации процесса измерений.
Технической задачей полезной модели является упрощение конструкции и уменьшение габаритов измерителя скорости ультразвука и плотности жидкостей, возможность полной автоматизации измерителя, повышение быстродействия, точности и надежности измерений скорости распространения ультразвука в жидкостях импульсно-фазовым методом в диапазоне частот 1-50 МГц и плотности жидкостей методом сильфонного пьезометра.
Технический результат достигается тем, что в известный измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости, содержащий ЭВМ, измерительный автоклав с акустическим пьезометром и электровводом высокого давления, систему термостатирования, измерения и контроля температуры, схему управления температурным режимом термостата, систему создания и измерения давления, два омметра, согласно изобретению, включен электронный блок генерации, приема и обработки сигналов на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), возбуждающей пьезопреобразователь пакетами синусоидальных импульсов на частотах, кратных собственной частоте пьезопреобразователя.
В предлагаемом измерителе вместо громоздких приборов: частотомера, двухканального усилителя, осциллографа, а также двухканального формирователя прямоугольных импульсов и схемы развязки и согласования включен электронный блок генерации, приема и обработки сигналов на основе ПЛИС ЦОС-310-2К, чем достигается упрощение конструкции и уменьшение габаритов измерителя, возможность полной автоматизации измерителя.
Повышение быстродействия, точности и надежности измерений, а также расширение диапазона рабочих частот достигается использованием современных быстродействующих электронных компонентов, возбуждением пьезопреобразователя пакетами синусоидальных импульсов, что позволяет ему колебаться на собственной резонансной частоте с максимально возможной амплитудой без искажения сигнала, и дает возможность возбуждать пьезопреобразователь на частотах, кратных собственной частоте пьезопреобразователя; кроме того отпадает необходимость в использовании второго импульса, задержанного относительно первого импульса, возбуждающего пьезопреобразователь, для создания метки времени и визуального контроля за меткой времени на осциллографе, что также приводит к снижению погрешности измерений. При этом сохраняется возможность визуального наблюдения и контроля за сигналами на ЭВМ.
Техническая сущность заявляемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая блок схема измерителя скорости ультразвука и плотности жидкости, на фиг. 2 - электронный блок генерации, приема и обработки сигналов, на фиг. 3 - ПЛИС, на фиг. 4 - измерительная камера - акустический пьезометр (АП).
Измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости, представленный на фиг. 1, состоит из ЭВМ 1, служащей для визуального наблюдения, программного управления работой установки и вычисления искомых физических величин; электронного блока генерации, приема и обработки сигналов 2; АП 3; системы термостатирования и измерения температуры 4; системы создания и измерения давления 5. Электронный блок генерации, приема и обработки сигналов 2, представленный на фиг. 2, включает в себя ПЛИС 6, выполняющую функции управления, связи с ЭВМ 1 посредством интерфейса USB 7, генерации и приема сигналов; цифро-аналоговый (ЦАП) 8 и аналогово-цифровой (АЦП) 9 преобразователи, осуществляющие преобразование сигналов из цифровой в аналоговую форму при излучении и из аналоговой в цифровую форму при приеме соответственно; коммутатор сигналов 10, осуществляющий переключение выходного и входного трактов и защищающий приемный тракт схемы при излучении; программируемые усилители выходного 11 и входного 12 сигналов; генератор тактовых импульсов 13, осуществляющий общую синхронизацию системы; внешнее оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 14 для временного хранения цифрового образа принятого сигнала перед передачей в ЭВМ 1.
ПЛИС 6, схема которой представлена на фиг. 3, состоит из контроллера интерфейса USB 15, декодера команд 16, блока синхронизации и управления 17, контроллеров ЦАП 18, АЦП 19, внутреннего ОЗУ 20 и внешнего ОЗУ 21.
Основными элементами АП 3, представленного на фиг. 4, являются пьезопреобразователь 22, исследуемая жидкость 23, диафрагма 24, рефлектор 25, калиброванная стойка 26, платиновый термометр сопротивления (ПТС) 27 и манганиновый манометр (ММ) 28.
Измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости работает следующим образом. ЭВМ 1 формирует необходимые параметры генератора сигналов на основе ПЛИС 6, передавая информацию на ПЛИС 6 через блок USB 7. По команде запуска измерения сигнал, генерируемый ПЛИС 6 (имеющий необходимые фазово-частотные характеристики и состоящий из пакетов синусоидальных импульсов), подается на ЦАП 8, осуществляющий конвертацию сигналов из цифровой в аналоговую форму. Одновременно с этим ПЛИС 6 осуществляет управление коммутатором сигналов 10 и коэффициентом усиления программируемых усилителей выходного 11 и входного 12 сигналов. При этом во время генерации сигнала коммутатор 10 осуществляет подключение входа-выхода ПЛИС 6 к усилителю выходного сигнала 11, а при приеме сигнала - к усилителю входного сигнала 12.
С коммутатора 10 во время генерации сигнала аналоговый сигнал подается на пьезопреобразователь 22 из ниобата лития Х-среза, являющийся попеременно и излучателем и приемником ультразвуковых волн. Сигнал, посылаемый излучателем 22, проходит через исследуемую жидкость 23 и отражается от диафрагмы 24 и рефлектора 25. Полученные после отражения сигналы поступают на пьезоприемник 22 и через коммутатор 10 на усилитель входного сигнала 12. Усиленный входной сигнал подается на АЦП 9 для конвертации из аналоговой в цифровую форму, после чего поступает на вход ПЛИС 6 и на внешнее ОЗУ 14 для временного хранения цифрового образа принятого сигнала. С внешнего ОЗУ 14 сформированный пакет импульсов посредством управления ПЛИС 6 передается через интерфейс USB 7 в ЭВМ 1.
Частоту сигнала можно изменять, используя как преобразователи с различной собственной частотой, так и используя возбуждение пьезопреобразователя на частотах, кратных собственной частоте.
Скорость ультразвука определяется по известной длине калиброванной стойки 26 (двойному расстоянию между излучателем 22 и диафрагмой 24) и измеренному времени прохождения этого расстояния выделенным ПЛИС 6 первым импульсом сигнала по его максимуму.
Плотность жидкости определяется по известной скорости ультразвука в жидкости, известной начальной плотности при атмосферном давлении и данной температуре, измеренному времени прохождения сигнала от излучателя 22 до рефлектора 25 и обратно.
На основе известных термодинамических соотношений рассчитываются теплофизические величины.
Таким образом, достигается возможность автоматического измерения и расчета акустических и теплофизических параметров жидкостей с высокой точностью в широком интервале температур, давлений и частот ультразвука.
Перед началом измерений в ЭВМ 1 вводится информация о начальной длине калиброванной стойки 26, термическом и барическом коэффициентах материала АП 3, градуировках ПТС 27 и ММ 28, эффективных сечениях АП 3 при различных давлениях и температурах, плотностях исследуемой жидкости при атмосферном давлении в зависимости от температуры.
Плотность при атмосферном давлении измеряется кварцевым пикнометром постоянного объема.

Claims (1)

  1. Измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости, содержащий ЭВМ, измерительный автоклав с акустическим пьезометром и электровводом высокого давления, систему термостатирования, измерения и контроля температуры, схему управления температурным режимом термостата, систему создания и измерения давления, два омметра, отличающийся тем, что в измеритель включен электронный блок генерации, приема и обработки сигналов на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), возбуждающей пьезопреобразователь пакетами синусоидальных импульсов на частотах, кратных собственной частоте пьезопреобразователя.
    Figure 00000001
RU2014154503/28U 2014-12-30 2014-12-30 Измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости RU166341U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014154503/28U RU166341U1 (ru) 2014-12-30 2014-12-30 Измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014154503/28U RU166341U1 (ru) 2014-12-30 2014-12-30 Измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU166341U1 true RU166341U1 (ru) 2016-11-20

Family

ID=57792794

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014154503/28U RU166341U1 (ru) 2014-12-30 2014-12-30 Измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU166341U1 (ru)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2016016818A1 (en) Improved signal travel time flow meter
RU166341U1 (ru) Измеритель скорости ультразвука и плотности жидкости
Koturbash et al. New instrument for measuring the velocity of sound in gases and quantitative characterization of binary gas mixtures
CN205785491U (zh) 一种基于tof技术的声速剖面仪
US2745278A (en) Apparatus for measuring density or pressure
RU2436050C1 (ru) Способ определения скорости звука в жидких средах
RU68148U1 (ru) Ультразвуковой расходомер
Dubey et al. Real-time implementation of Kalman filter to improve accuracy in the measurement of time of flight in an ultrasonic pulse-echo setup
RU2568993C1 (ru) Способ поверки ультразвуковых анемометров и портативные устройства для его осуществления
RU2600503C2 (ru) Ультразвуковой расходомер
RU2688883C2 (ru) Акустический детектор текучей среды и способ его применения
CN104122170A (zh) 液体密度仪
Roy et al. LabVIEW implementation of liquid density measurement using ultrasonic transducers
RU88460U1 (ru) Ультразвуковой расходомер (варианты)
CN105823548A (zh) 一种基于tof技术的声速剖面仪
RU177147U1 (ru) Ультразвуковой расходомер
Smith et al. Measuring the level of liquid in a partially-filled pipe via the ultrasonic pulse-echo method using acoustic modeling
CN108303462B (zh) 用于确定多气体中的各个气体的浓度和压强的方法
Fitch Jr New methods for measuring ultrasonic attenuation
RU176116U1 (ru) Устройство для обнаружения и контроля неоднородностей твердых материалов
CN207232088U (zh) 一种容器腐蚀检测装置
RU153458U1 (ru) Ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей
Umchid Measurements of the ultrasound propagation velocity in different materials
Vyaghra et al. Design of microcontroller based multi-frequency ultrasonic pulser receiver
RU2195635C1 (ru) Способ измерения уровня жидких и сыпучих сред

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20201231