RU2052774C1

RU2052774C1 - Ultrasonic device for measurement of physical properties of liquid media

Info

Publication number: RU2052774C1
Application number: RU93017153A
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Шадрин; Геннадий Иванович Зайцев; Виктор Петрович Бервено
Original assignee: Александр Васильевич Шадрин; Геннадий Иванович Зайцев; Виктор Петрович Бервено
Priority date: 1993-04-02
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 1996-01-20

Abstract

FIELD: ultrasonic equipment. SUBSTANCE: device for measurement of physical properties of liquid media, using a cylindrical thermostatted vessel with inlet pipe unions, accommodating in a spaced relation a measuring chamber, piezoelectric transducer and deflector, is furnished with an acoustic delay line in the form of a body of revolution with ribbed side surface, installed on two supports between the piezoelectric transducer and one end of the measuring chamber, guides with springs and adjusting screws, kinematically coupling the acoustic delay line and deflector installed at the other end of the measuring chamber; the deflector is a cylindrical plate with plane-parallel end surfaces, and the measuring chamber is a bellows. The additional delay line is provided with a heat-abstracting radiator. When the device is used in conjunction with one single-channel ultrasonic flaw detector, continuous measurement of density and viscosity of liquid reaction media of production processes at high temperatures is possible. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для непрерывного измерения плотности и вязкости жидких сред при высоких температурах в химических технологических процессах. The invention relates to ultrasound equipment and can be used for continuous measurement of the density and viscosity of liquid media at high temperatures in chemical processes.

Известен ультразвуковой преобразователь для исследования жидкости, содержащий пьезопреобразователь и линию задержки в виде тела вращения с ребристой боковой поверхностью и двумя гладкими торцовыми поверхностями, с одной из которых акустически связан пьезопреобразователь. В центре другой торцовой поверхности выполнено осесимметрическое углубление для размещения исследуемой жидкости [1]
Устройство характеризуется точностью и надежностью при исследовании малых объемов жидкости. Однако оно непригодно для измерения нескольких характеристик жидкости, так как из-за простоты конструкции имеет ограниченные функциональные возможности.Known ultrasonic transducer for researching a fluid containing a piezoelectric transducer and a delay line in the form of a body of revolution with a ribbed side surface and two smooth end surfaces, one of which is acoustically connected to the piezoelectric transducer. An axisymmetric recess is made in the center of the other end surface to accommodate the test fluid [1]
The device is characterized by accuracy and reliability in the study of small volumes of liquid. However, it is unsuitable for measuring several characteristics of a liquid, since it has limited functionality due to the simplicity of the design.

Известен ультразвуковой измеритель плотности жидкости, содержащий резервуар с исследуемой жидкостью, акустический измерительный преобразователь, выполненный в виде излучающего и приемного преобразователей, вмонтированных в противоположные стенки резервуара, и электронный блок формирования излучаемых и принимаемых электрических импульсов и их обработки для определения плотности и скорости ультразвука в ней [2]
Устройство характеризуется точностью измерения и может работать при повышенных температурах.A known ultrasonic liquid density meter containing a reservoir with a test liquid, an acoustic measuring transducer made in the form of emitting and receiving transducers mounted in opposite walls of the reservoir, and an electronic unit for generating emitted and received electric pulses and their processing to determine the density and speed of ultrasound in it [2]
The device is characterized by measuring accuracy and can operate at elevated temperatures.

Недостатком его является невозможность измерять вязкость жидкости. Its disadvantage is the inability to measure the viscosity of the liquid.

Известно устройство, позволяющее одновременно контролировать несколько физических параметров, основанное на измерении таких характеристик, как скорость ультразвука и коэффициент его отражения от границы раздела контролируемых жидких сред с твердым материалом [3]
Устройство включает два пьезопреобразователя, размещенных на плоскопараллельном и клиновидном участках пластины, контактирующей с исследуемым веществом.A device is known that allows you to simultaneously control several physical parameters based on the measurement of such characteristics as the speed of ultrasound and its reflection coefficient from the interface of controlled liquid media with solid material [3]
The device includes two piezoelectric transducers placed on plane-parallel and wedge-shaped sections of the plate in contact with the test substance.

Недостатком устройства являются периодичность работы, так как измерение производится дважды: при контактировании поверхности пластины с исследуемым веществом и при отсутствии последнего; наличие двух пьезопреобразователей, усложняющих его работу. Кроме того, практически отсутствует возможность измерения параметров жидкости при высоких температурах, так как температура жидкости ограничена температурой Кюри пьезопреобразователя. Это устройство также не предназначено для измерения вязкости, являющейся наиболее информативным показателем продукта технологического процесса. The disadvantage of this device is the frequency of operation, since the measurement is performed twice: when the surface of the plate is in contact with the test substance and in the absence of the latter; the presence of two piezoelectric transducers complicating its work. In addition, there is practically no possibility of measuring the parameters of the liquid at high temperatures, since the temperature of the liquid is limited by the Curie temperature of the piezoelectric transducer. This device is also not intended for measuring viscosity, which is the most informative indicator of a product of a technological process.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения нескольких физических параметров жидких сред, в том числе коэффициента динамической вязкости и плотности, освоенное на сочетании ультразвукового и электромеханического методов измерения. Устройство содержит цилиндрический термостатируемый сосуд с входными штуцерами, внутри которого установлен с зазором измерительный цилиндр с пьезопреобразователем и поршнем-отражателем. Для обеспечения возможности определения плотности жидкости, а также повышения точности измерения и производительности устройство снабжено установленным на цилиндрическом термостатируемом сосуде соленоидом [4]
Недостатками устройства являются недостаточная надежность работы и точность измерения из-за наличия подвижного отражателя, невысокая рабочая температура контролируемой среды.Closest to the proposed is a device for measuring several physical parameters of liquid media, including the coefficient of dynamic viscosity and density, mastered by a combination of ultrasonic and electromechanical measurement methods. The device comprises a cylindrical thermostatically controlled vessel with inlet fittings, inside which a measuring cylinder with a piezoelectric transducer and a reflector piston is installed with a gap. To ensure the possibility of determining the density of the liquid, as well as improving the accuracy of measurement and performance, the device is equipped with a solenoid mounted on a cylindrical thermostatic vessel [4]
The disadvantages of the device are insufficient reliability and measurement accuracy due to the presence of a movable reflector, low operating temperature of the controlled environment.

Цель изобретения создание надежного и простого в эксплуатации устройства, обеспечивающего при наличии одного пьезопреобразователя непрерывное измерение вязкости и плотности жидких реакционных сред технологических процессов, протекающих при температурах, превышающих рабочую температуру пьезопреобразователей, применяемых в устройствах аналогичного назначения. Вязкость и плотность являются наиболее информативными параметрами жидких веществ. Измерение вязкости в определенных технологических процессах имеет большое значение, так как ее изменения могут быть более сильными по сравнению с изменениями других физических параметров жидких сред, измеряемых известными ультразвуковыми устройствами. The purpose of the invention is the creation of a reliable and easy-to-use device that provides, in the presence of one piezoelectric transducer, a continuous measurement of the viscosity and density of liquid reaction media of technological processes occurring at temperatures exceeding the operating temperature of the piezoelectric transducers used in devices of a similar purpose. Viscosity and density are the most informative parameters of liquid substances. The measurement of viscosity in certain technological processes is of great importance, since its changes can be stronger compared with changes in other physical parameters of liquid media, measured by known ultrasonic devices.

Положительный эффект, который может быть достигнут при использовании предлагаемого устройства, заключается в том, что с помощью одного одноканального ультразвукового дефектоскопа, например типа УД2-12, можно практически непрерывно измерять скорость распространения и коэффициент поглощения ультразвуковых волн плотность и продольную вязкость жидких сред в широком диапазоне температур, в том числе и значительно превышающих температуру Кюри, широко используемых пьезопреобразователей на базе пьезокерамики. The positive effect that can be achieved using the proposed device is that using a single-channel ultrasonic flaw detector, for example, type UD2-12, one can practically continuously measure the propagation velocity and absorption coefficient of ultrasonic waves, the density and longitudinal viscosity of liquid media in a wide range temperatures, including significantly exceeding the Curie temperature, of widely used piezoelectric transducers based on piezoceramics.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство для измерения физических параметров жидких сред, содержащее цилиндрический термостатируемый сосуд с входными штуцерами, внутри которого установлена с зазором измерительная камера, пьезопреобразователь и отражатель, снабжено акустической линией задержки в виде тела вращения с ребристой боковой поверхностью, установленной на двух опорах между пьезопреобразователем и одним торцом измерительной камеры, направляющих с пружинными и регулировочными винтами, установленных на другом торце измерительной камеры, при этом отражатель выполнен в виде цилиндрической пластины с плоскопараллельными торцовыми поверхностями, а измерительная камера в виде сильфона. Дополнительно линия задержки снабжена теплоотводящим радиатором, например, воздушного охлаждения. The essence of the invention lies in the fact that the device for measuring the physical parameters of liquid media, containing a cylindrical thermostatic vessel with inlet fittings, inside which a measuring chamber, a piezoelectric transducer and a reflector are installed with a gap, is equipped with an acoustic delay line in the form of a body of revolution with a ribbed side surface mounted on two supports between the piezoelectric transducer and one end of the measuring chamber, guides with spring and adjusting screws mounted on the other end measuring chamber, while the reflector is made in the form of a cylindrical plate with plane-parallel end surfaces, and the measuring chamber in the form of a bellows. Additionally, the delay line is equipped with a heat sink, for example, air cooling.

На чертеже изображено устройство для измерения физических параметров жидких сред. The drawing shows a device for measuring the physical parameters of liquid media.

Устройство содержит цилиндрический термостатируемый сосуд 1 с входными штуцерами 2 через которые подается и извлекается исследуемая жидкость в измерительную камеру 3, теплоизолирующее покрытие 4, термопару 5. Цилиндрический термостатируемый сосуд 1 и измерительная камера 3 крепятся на отражатель 6 и акустическую линию 7 задержки, которая установлена на опорах 8. На боковой поверхности акустической линии 7 задержки размещен теплоотводящий радиатор 9, а на торцовой поверхности пьезопреобразователь 10, входящий в состав датчика 11 ультразвукового дефектоскопа (не показан). Гайка 12 обеспечивает постоянство акустического контакта датчика 11 акустической линией 7 задержки, а направляющие 13, пружины 14 и регулировочные винты 15 служат для обеспечения плоскопараллельности торцовых поверхностей акустической линии 7 задержки и отражателя 6 и необходимого расстояния между ними. Хомутики 16 обеспечивают герметизацию внутренней полости измерительной камеры 3. The device contains a cylindrical thermostatic vessel 1 with inlet fittings 2 through which the test liquid is fed and extracted into the measuring chamber 3, heat-insulating coating 4, thermocouple 5. The cylindrical thermostatic vessel 1 and measuring chamber 3 are mounted on a reflector 6 and an acoustic delay line 7, which is installed on supports 8. On the lateral surface of the acoustic delay line 7 a heat sink is placed 9, and on the end surface of the piezoelectric transducer 10, which is part of the ultrasonic transducer 11 of flaw (not shown). The nut 12 ensures the constant acoustic contact of the sensor 11 with an acoustic delay line 7, and the guides 13, springs 14 and adjusting screws 15 serve to ensure the plane parallelism of the end surfaces of the acoustic delay line 7 and the reflector 6 and the required distance between them. The clamps 16 provide sealing of the internal cavity of the measuring chamber 3.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

На пьезопреобразователь 10 подаются определенной частоты радиоимпульсы, которые преобразуются в ультразвуковые колебания. Эти колебания распространяются вдоль акустической линии 7 задержки. Колебания зондируют контролируемую жидкую среду, далее проникают в отражатель 6, отражаются от его плоскопараллельных поверхностей, вновь проходят через контролируемую жидкую среду, акустическую линию 7 задержки до пьезопреобразователя 10 и обратно вплоть до полного затухания. Пьезопреобразователь 10 преобразует их в электрические сигналы, которые подаются на радиоизмерительную аппаратуру дефектоскопа (не показана). On the piezoelectric transducer 10 serves a certain frequency of radio pulses, which are converted into ultrasonic vibrations. These vibrations propagate along the acoustic delay line 7. The oscillations probe the controlled liquid medium, then penetrate into the reflector 6, are reflected from its plane-parallel surfaces, again pass through the controlled liquid medium, the acoustic delay line 7 to the piezoelectric transducer 10, and vice versa until complete attenuation. The piezoelectric transducer 10 converts them into electrical signals that are supplied to the flaw detector’s radio measuring equipment (not shown).

Скорость распространения ультразвуковых колебаний определяют по времени их распространения по контролируемой жидкой среде. Коэффициенты поглощения ультразвука в контролируемой жидкой среде и отражения его от границы раздела контролируемая жидкая среда отражатель 6 определяют по изменениям амплитуды ультразвуковых колебаний при двухкратном прохождении их через контролируемую жидкую среду. Зная скорость ультразвука в жидкости и коэффициент отражения его от границы раздела с отражателем, плотность материала и скорость продольного звука для которого известны, рассчитывают плотность контролируемой жидкой среды. По значениям плотности, скорости распространения ультразвука и коэффициента его поглощения определяют продольную вязкость контролируемой жидкой среды. The propagation velocity of ultrasonic vibrations is determined by the time of their propagation in a controlled liquid medium. The absorption coefficients of ultrasound in a controlled liquid medium and its reflection from the interface of the controlled liquid medium, the reflector 6 is determined by changes in the amplitude of ultrasonic vibrations when they pass twice through the controlled liquid medium. Knowing the speed of ultrasound in a liquid and its reflection coefficient from the interface with the reflector, for which the density of the material and the speed of longitudinal sound are known, the density of the controlled liquid medium is calculated. The values of the density, propagation velocity of ultrasound and its absorption coefficient determine the longitudinal viscosity of the controlled fluid.

Для подавления отражений от боковой поверхности акустической линии задержки она выполнена ребристой. Теплоотводящий радиатор 9 служит для снижения температуры акустической линии 7 задержки пьезопреобразователя до величины, меньшей температуры Кюри. To suppress reflections from the lateral surface of the acoustic delay line, it is made ribbed. The heat sink radiator 9 serves to lower the temperature of the acoustic line 7 delay the piezoelectric transducer to a value lower than the Curie temperature.

Claims

1. ULTRASONIC DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL PARAMETERS OF LIQUID MEDIA, containing a cylindrical thermostatically controlled vessel with inlet fittings, inside which a measuring chamber, a piezoelectric transducer and a reflector are installed with a gap, characterized in that it is equipped with an acoustic delay line with supports made in the form of a body a lateral surface, while the delay line is installed on two supports between the piezoelectric transducer and one end of the measuring chamber, and the spring-loaded guides, on the ends of which are set with adjusting screws mechanically linking the acoustic delay line and a reflector mounted on the other end of the measuring chamber, the reflector being made in the form of a cylindrical plate with plane-parallel end surfaces, and the measuring chamber in the form of a bellows.

2. The device according to claim 1, characterized in that the delay line is equipped with a heat sink.