RU2040789C1 - Способ измерения физических параметров веществ - Google Patents
Способ измерения физических параметров веществ Download PDFInfo
- Publication number
- RU2040789C1 RU2040789C1 SU5028665A RU2040789C1 RU 2040789 C1 RU2040789 C1 RU 2040789C1 SU 5028665 A SU5028665 A SU 5028665A RU 2040789 C1 RU2040789 C1 RU 2040789C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plate
- reflected
- transducer
- ultrasound
- amplitudes
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для непрерывного контроля плотности и вязкости жидких сред в химических технологических процессах. Сущность изобретения состоит в том, что с помощью преобразователя возбуждают и принимают ультразвуковые волны, прошедшие через пластину заданной толщины, контактирующую с исследуемой жидкостью, определяют амплитуды отраженных волн и рассчитывают скорость ультразвука, плотность и другие физические параметры, при этом преобразователь и плоскопараллельную пластину размещают соосно в исследуемой жидкости на заданном расстоянии h друг от друга. Расстояние h и толщину d пластины выбирают из условия (7-10)d/c1=h/c , измеряют время τ прохождения ультразвукового импульса от преобразователя до пластины и обратно, определяют амплитуды первого и второго импульсов, отраженных от ближней поверхности пластины, и импульса, отраженного от дальней поверхности, и рассчитывают скорость с, плотность r жидкости, коэффициент aж затухания и продольную вязкость η по формулам. 2 ил.
Description
Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для непрерывного измерения плотности и вязкости жидких сред в химических технологических процессах.
Известен ультразвуковой способ измерения физических параметров жидкостей, заключающийся в том, что с помощью двух преобразователей возбуждают и принимают ультразвуковые волны, прошедшие заданное расстояние в пластине, контактирующей с исследуемым веществом, и определяют скорость звука, по которой судят об одном из физических параметров жидкости, например концентрации [1]
Недостатком этого способа является невозможность контроля нескольких физических параметров жидкости при их одновременном измерении.
Недостатком этого способа является невозможность контроля нескольких физических параметров жидкости при их одновременном измерении.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является ультразвуковой способ измерения физических параметров вещества, заключающийся в том, что с помощью двух последовательно подключаемых преобразователей, один из которых размещают на плоскопараллельном участке пластины, другой на клиновидном ее участке, возбуждают и принимают ультразвуковые волны, прошедшие заданное расстояние в пластине, измеряют отношения величин соответствующих сигналов, принятых преобразователями в отсутствие контакта пластины с исследуемым веществом и при контактировании с ним, и по формулам определяют скорость звука в исследуемом веществе, его плотность и коэффициент адиабатической сжимаемости [2]
Этот способ измерения физических характеристик вещества обладает большими функциональными возможностями, так как измеряются не только значения скорости звука, но и величины, характеризующие отражение волн от границы раздела с известными (пластина) и контролируемыми параметрами. Поскольку отражение определяется значениями скорости звука в граничащих средах и их плотностями, то, выполняя измерения двумя преобразователями с различной ориентацией их относительно границы раздела сред и в состояниях контакта пластины с веществом и без контакта, удается по отдельности определить скорость звука в исследуемом веществе и его плотность. Зная эти параметры, рассчитывают производные от них, в частности коэффициент адиабатической сжимаемости.
Этот способ измерения физических характеристик вещества обладает большими функциональными возможностями, так как измеряются не только значения скорости звука, но и величины, характеризующие отражение волн от границы раздела с известными (пластина) и контролируемыми параметрами. Поскольку отражение определяется значениями скорости звука в граничащих средах и их плотностями, то, выполняя измерения двумя преобразователями с различной ориентацией их относительно границы раздела сред и в состояниях контакта пластины с веществом и без контакта, удается по отдельности определить скорость звука в исследуемом веществе и его плотность. Зная эти параметры, рассчитывают производные от них, в частности коэффициент адиабатической сжимаемости.
Однако плотность среды и скорость звука в ней на протяжении химического технологического процесса могут существенно не изменяться. Поэтому известный способ измерения физических параметров вещества не обеспечивает достаточной информативности о протекании технологического процесса переработки контролируемого вещества. Кроме того, цикл измерения физических параметров вещества предлагает два положения пластины с преобразователями: при контактировании поверхности пластины с исследуемым веществом и при отсутствии последнего. Обеспечить это для непрерывного продолжительного контроля технологического процесса достаточно сложно. К тому же необходимость перемещения пластины относительно жидкости снижает быстродействие способа измерения.
Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Сущность изобретения состоит в том, что в отличие от способа, в котором с помощью преобразователя возбуждают и принимают ультразвуковые волны, прошедшие через пластину заданной толщины, контактирующей с исследуемой жидкостью, определяют амплитуды отраженных волн и рассчитывают скорость ультразвука, плотность и другие физические параметры, преобразователь и плоскопараллельную пластину размещают соосно в исследуемой жидкости на заданном расстоянии h друг от друга, при этом расстояние h и толщину пластины d выбирают из условия (7-10)d/C1= h/C, измеряют время τ прохождения ультразвукового импульса от преобразователя до пластины и обратно, определяют амплитуды первого и второго импульсов, отраженных от ближней поверхности пластины, и импульса, отраженного от дальней поверхности, и рассчитывают скорость ультразвука С, плотность жидкости ρ, коэффициент затухания αж и продольную вязкость η по формулам
С 2h/τ (1)
αж= ln (2)
ρ (3)
η αж (4) где С1 и α соответственно скорость и коэффициент затухания продольного ультразвука в пластине;
Z1 и Z2 акустические импедансы соответственно пластины и преобразователя;
А1 0 и А2 0 амплитуды ультразвуковых импульсов, один раз и дважды отраженных от ближней поверхности пластины соответственно;
А1 1 амплитуда ультразвукового импульса, один раз отраженного от дальней поверхности пластины;
f частота ультразвука.
С 2h/τ (1)
αж= ln (2)
ρ (3)
η αж (4) где С1 и α соответственно скорость и коэффициент затухания продольного ультразвука в пластине;
Z1 и Z2 акустические импедансы соответственно пластины и преобразователя;
А1 0 и А2 0 амплитуды ультразвуковых импульсов, один раз и дважды отраженных от ближней поверхности пластины соответственно;
А1 1 амплитуда ультразвукового импульса, один раз отраженного от дальней поверхности пластины;
f частота ультразвука.
При выборе h и d из условия
(7-10)d/C1 h/C (5) достигается оптимальное распределение во времени импульсов, отраженных от границ раздела элементов устройства с исследуемой жидкостью. Это распределение таково, что позволяет идентифицировать импульсы, характеризующие отражение волн, и импульсы, характеризующие их затухание.
(7-10)d/C1 h/C (5) достигается оптимальное распределение во времени импульсов, отраженных от границ раздела элементов устройства с исследуемой жидкостью. Это распределение таково, что позволяет идентифицировать импульсы, характеризующие отражение волн, и импульсы, характеризующие их затухание.
Согласно законам акустики амплитуды А1 0, А2 0 и А1 1 можно выразить следующим образом через параметры исследуемой среды:
А1 0 А0R1(1 R2)exp(-2αжh), (6)
А2 0 А0R1 2R2(1 R2)exp(-4αжh), (7)
А1 1 А0R1(1 R1)2(1 R2)exp[-2(αжh + αd)] (8) где А0 амплитуда излучаемого преобразователем ультразвукового импульса;
R1 и R2 коэффициенты отражения ультразвука от границ раздела жидкость пластина и жидкость преобразователь соответственно.
А1 0 А0R1(1 R2)exp(-2αжh), (6)
А2 0 А0R1 2R2(1 R2)exp(-4αжh), (7)
А1 1 А0R1(1 R1)2(1 R2)exp[-2(αжh + αd)] (8) где А0 амплитуда излучаемого преобразователем ультразвукового импульса;
R1 и R2 коэффициенты отражения ультразвука от границ раздела жидкость пластина и жидкость преобразователь соответственно.
Из (6) и (8) имеем
R1= 1- exp(-αd)/ (9)
С другой стороны известно
R1 (ρC ρ1C1)/(ρC + ρ1C1), (10) где ρ1 плотность материала пластины.
R1= 1- exp(-αd)/ (9)
С другой стороны известно
R1 (ρC ρ1C1)/(ρC + ρ1C1), (10) где ρ1 плотность материала пластины.
Из (9) и (10) следует выражение (3) для определения плотности исследуемой среды, в котором С определяют по формуле (1). Из (6) и (7) имеем
R2= exp(2αжh)/R (11)
Однако известно, что
R2 (Z2 Z)/(Z2 + Z), (12) где Z акустический импеданс исследуемой среды.
R2= exp(2αжh)/R (11)
Однако известно, что
R2 (Z2 Z)/(Z2 + Z), (12) где Z акустический импеданс исследуемой среды.
Решая совместно (9), (11) и (12), получают выражение (2) для определения αж.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 осциллограмма принимаемых преобразователем импульсов за один период Т.
Устройство включает один приемно-излучающий преобразователь 1, который с помощью элементов 2 крепления жестко связан с пластиной 3 толщиной d, установленной соосно с ним. Для обеспечения стационарности измерений преобразователь 1 может крепиться к корпусу 4 резервуара. Рабочая поверхность преобразователя 1 и пластина 3 помещены в исследуемую среду на расстоянии h друг от друга.
Для осуществления предлагаемого способа преобразователь 1, питаемый от генератора импульсов, например ультразвукового дефектоскопа (не показан), периодически излучает в исследуемую среду короткие ультразвуковые импульсы с частотой заполнения f и периодом следования Т. При этом период следования Т выбирают много большим времени прохождения ультразвукового импульса от преобразователя до пластины.
Многократно отраженные импульсы от ближней и дальней по отношению к преобразователю границ раздела пластина исследуемая жидкость вплоть до их полного затухания принимают тем же преобразователем и визуализируют на экране дефектоскопа (не показан), идентифицируют импульсы, прошедшие один и два раза от преобразователя к ближней поверхности пластины и обратно и один раз к дальней поверхности пластины и обратно. Результаты идентификации импульсов видны на фиг. 2. Здесь символом Аm n обозначены амплитуды принятых преобразователем импульсов, причем индекс m указывает число проходов импульса от преобразователя до ближней поверхности пластины и обратно, а индекс n число проходов внутри пластины от ближней ее поверхности к дальней и обратно.
Как видно из фиг. 2, волны, возбуждаемые в пластине очередным импульсом, пришедшим от излучателя, вследствие потерь энергии на поглощение в пластине и отражение от границ раздела ее с жидкостью практически полностью затухают к моменту прихода к пластине следующего импульса, отраженного от преобразователя. Вследствие большой разницы между временем прохода импульсов через слой жидкости и через пластину эти импульсы легко идентифицируются на осциллограмме. Затем по формуле (4) определяют продольную вязкость η.
Поскольку акустические свойства пластины 3 заранее известны с достаточной точностью, увеличивается информативность измерений и их точность.
Преимуществом способа является возможность с помощью одного приемно-излучающего преобразователя, работающего на одной частоте заполнения ультразвуковых импульсов одновременно определять скорость распространения и коэффициент затухания ультразвуковых волн, плотность и продольную вязкость жидких материалов, а также использовать его для оперативного непрерывного контроля химических и иных технологических процессов, например синтеза и отверждения связующего композиционных материалов, так как способ не требует в процессе измерения перемещения элементов устройства, его реализующего, относительно контролируемого вещества.
Claims (1)
- СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВ, заключающийся в том, что с помощью преобразователя возбуждают и принимают ультразвуковые волны, прошедшие через пластину заданной толщины, контактирующую с исследуемой жидкостью, определяют амплитуды отраженных от границы раздела сред и рассчитывают скорость ультразвука, плотность и другие физические параметры, отличающийся тем, что преобразователь и плоскопараллельную пластину размещают соосно в исследуемой жидкости на заданном расстоянии друг от друга, при этом расстояние h и толщину d пластины выбирают из условия (7 10) d/C1 h/C, измеряют время τ прохождения ультразвукового импульса от преобразователя до пластины и обратно, амплитуды первого и второго импульсов, отраженных от ближней поверхности пластины, и первого импульса, отраженного от дальней поверхности пластины, и рассчитывают скорость ультразвука C, плотность жидкости r, коэффициент lж затухания и продольную вязкость η по формулам
C = 2h/τ ;
где C1, αж- соответственно скорость и коэффициент затухания продольного ультразвука в пластине;
Z1 и Z2 акустические импедансы соответственно пластины и преобразователя;
A
A
f частота ультразвука.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5028665 RU2040789C1 (ru) | 1992-02-25 | 1992-02-25 | Способ измерения физических параметров веществ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5028665 RU2040789C1 (ru) | 1992-02-25 | 1992-02-25 | Способ измерения физических параметров веществ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2040789C1 true RU2040789C1 (ru) | 1995-07-25 |
Family
ID=21597551
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5028665 RU2040789C1 (ru) | 1992-02-25 | 1992-02-25 | Способ измерения физических параметров веществ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2040789C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2712956C1 (ru) * | 2019-04-24 | 2020-02-03 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Способ ультразвукового контроля вязкости по муни полимеров |
-
1992
- 1992-02-25 RU SU5028665 patent/RU2040789C1/ru active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
1. Авторское свидетельство СССР N 425098, кл. G 01N 29/02, 1974. * |
2. Авторское свидетельство СССР N 1002901, кл. G 01N 9/24, 1983. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2712956C1 (ru) * | 2019-04-24 | 2020-02-03 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Способ ультразвукового контроля вязкости по муни полимеров |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4763525A (en) | Apparatus and method for determining the quantity of gas bubbles in a liquid | |
Adamowski et al. | Ultrasonic measurement of density of liquids | |
US5886250A (en) | Pitch-catch only ultrasonic fluid densitometer | |
Kwun et al. | Dispersion of longitudinal waves propagating in liquid-filled cylindrical shells | |
US3791200A (en) | Fluid pollution monitoring apparatus and method | |
US4614115A (en) | Ultrasonic process and apparatus for monitoring and measuring the evolution with time of physico-chemical, biological or bacteriological phenomena | |
US4413517A (en) | Apparatus and method for determining thickness | |
Graciet et al. | Simultaneous measurement of speed, attenuation, thickness and density with reflected ultrasonic waves in plates | |
RU2040789C1 (ru) | Способ измерения физических параметров веществ | |
Bjorndal et al. | A novel approach to acoustic liquid density measurements using a buffer rod based measuring cell | |
RU2661455C1 (ru) | Способ определения вязкоупругих свойств жидких и твёрдых сред и устройство для его реализации | |
Simonetti et al. | Ultrasonic interferometry for the measurement of shear velocity and attenuation in viscoelastic solids | |
RU2187102C2 (ru) | Способ ультразвукового контроля среднего размера зерна материала движущегося листового проката | |
Hagelberg et al. | A small pressurized vessel for measuring the acoustic properties of materials | |
Hesse et al. | A single probe spatial averaging technique for guided waves and its application to surface wave rail inspection | |
Bifulco et al. | Ultrasonic pulse spectroscopy of a solid inclusion in an elastic solid | |
van Deventer et al. | An ultrasonic density probe | |
RU2196982C2 (ru) | Способ определения физико-механических характеристик и состава полимерных композиционных материалов в конструкциях ультразвуковым методом | |
SU1379621A1 (ru) | Ультразвуковой способ измерени толщины полимерных покрытий | |
SU1408355A1 (ru) | Ультразвуковой концентратомер | |
SU822014A1 (ru) | Ультразвуковой измеритель плотностижидКиХ СРЕд | |
JPH09304357A (ja) | 超音波による充填物の充填状態の検査法 | |
SU1111095A1 (ru) | Способ измерени коэффициента затухани ультразвуковых колебаний | |
JPH06347449A (ja) | 金属薄板の結晶粒径評価法 | |
Geisler | Ultrasonic velocity profile measurements in experimental hydraulics |