RU2451287C2 - Сенсор, система и метод для измерения свойств текучей среды с использованием многомодового квази - сдвигового - горизонтального резонатора - Google Patents

Abstract

Использование: для определения вязкости, модуля упругости и плотности текучих сред. Сущность: заключается в том, что при измерении, по крайней мере, двух свойств текучей среды, отобранных из плотности, вязкости и модуля упругости, когда третье из указанных свойств текучей среды известно, выполняют следующие шаги: предоставление Многомодового Квази Сдвигового Горизонтального Резонатора (MMQSHR), имеющего вход энергии и измерительную поверхность для контакта с указанной текучей средой; при этом указанная измерительная поверхность имеет по крайней мере первую зону и вторую зону и разделительную область, определенную между ними; возбуждение указанного MMQSHR энергией возбуждения через указанный вход на первой и второй частотах, выбранных для возбуждения первой и второй акустической моды соответственно, при этом каждая из указанных акустических мод вызывает компонент движения горизонтальной сдвиговой волны вышеупомянутой поверхности; при этом возбуждение на указанной первой частоте далее побуждает указанные зоны двигаться в фазе относительно друг друга; и возбуждение на указанной второй частоте побуждает указанные две зоны двигаться в разных фазах друг относительно друга, индуцируя вертикальное смещение в указанной разделительной области; измерение параметров, относящихся к энергии, на указанной первой моде и второй моде; вычисление двух указанных свойств текучей среды, используя указанные параметры, относящиеся к энергии, и информацию, относящуюся к указанному третьему свойству. Технический результат: обеспечение возможности определения двух или трех параметров (вязкости, плотности и модуля упругости), когда третий параметр известен. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 14 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится в основном к сенсорам, а точнее к сенсорам вязкости, модуля упругости и плотности текучих сред.

Предпосылки создания изобретения

[0002] Измерение свойств текучей среды имеет большое значение для многих промышленных и потребительских механизмов и процессов. Измерение свойств текучих сред, поскольку оно применяется во многих сферах, является предметом особого внимания для смазочного оборудования и оборудования для передачи энергии (мощности), основанного на нефтепродуктах и связанных с ними синтетических соединениях. Потеря функциональности этих текучих сред приводит к преждевременному старению связанного с ними оборудования, а иногда к внезапному и полному отказу.

[0003] В настоящее время определение параметров таких текучих сред, в основном, выполняется при помощи лабораторных анализов образцов таких текучих сред. Существует постоянно растущее желание установить сенсоры для осуществления беспрерывного мониторинга непосредственно в оборудование.

[0004] В патентах US 5,708,191, 5,886,250, 6,082,180 и 6,082,181, Гринвуда (Greenwood) и др. представлена группа конструкций сенсора денситометра, в которых используются входной и выходной преобразователи для измерения изменений силы отраженного сигнала акустических волн, так как они отражают почти критический угол падения. Эти вискозиметры измеряют либо вязкость-плотность продукта, либо упругость - плотность продукта, основываясь на отражении акустических волн от нагруженной жидкостью поверхности твердого материала, обеспечивающего преобразователем. Сенсоры измеряют коэффициенты отражения волны от твердых - жидких границ на нескольких отражениях импульсного или непрерывного волнового сигнала. Такие методы дают более низкую чувствительность и разрешающую способность для измеряемой величины, чем это делают резонансные, мультирефлективные устройства или устройства, генерирующие поверхностные акустические волны. Последние обладают более высокой чувствительностью из-за непрерывного взаимодействия их акустических волн с границей контакта твердой - жидкой сред. Дискретно-отражательные методы не обладают простотой производства или функционирования поверхности взаимодействия непрерывных акустических волн, равно как и не обеспечивают аналогичную чувствительность или разрешающую способность. Дискретно-отражательные методы предполагают фиксированные модули упругости (для более общей версии волны сжатия), или вязкости (для менее общей версии сдвиговой волны/ волны сдвига) с целью извлечения информации о плотности по измеренному отклику сенсора.

[0005] Измерение плотности-вязкости продукта производится путем погружения резонатора, изготовленного на пьезоэлектрической подложке и поддерживающего поперечный сдвиговый тип колебаний резонанса, обычно представляющего собой диск кварцевого кристалла с распилом AT (AT - после обработки) или лангасита, имеющего приблизительно Y - распил, в жидкость и измеряющего сдвиг на резонансной частоте или потерю мощности при резонансе. Дополнительно, известно применение двухпортовых устройств, основанных на многополюсных резонаторах, в которых используются акустическая волна сдвигового типа (поперечная волна), таких как SH-SAW (Сдвиговая Горизонтально-Поверхностная Акустическая Волна), SHAPM (Сдвиговая Горизонтальная Плоская Акустическая Волна), MPS (Монолитный Пьезоэлектрический Сенсор), например, как это описано в патенте 6,033,852, США, выданном 7-го марта 2000 г. Эндлу и др.

[0006] Патент 5,741,961, США и Патент 5,798,452, США, выданные Мартину и др., раскрывают метод, в котором два сенсора акустической волны, с разной обработкой поверхности демонстрируют по существу идентичную реакцию на составляющую вязкость-плотность продукта, но различающиеся отклики на плотность. Первый сенсор предоставляет данные о вязкости и плотности продукта, и в нем применяется гладкая поверхность. Второй сенсор имеет намеренно шероховатую поверхность, обычно с бороздками или ямками на своей поверхности для захватывания определенного объема текучей среды. Присоединенная масса создает ограниченный частотный сдвиг с небольшой потерей или без потери мощности в дополнение к потере мощности и сдвигу частоты вязкостью увлекаемой жидкости. Составляющая плотности-вязкости становится доступной через общий - модовый сдвиг частоты. Несмотря на то, что этот метод представляется привлекательным, он влечет за собой трудности в воспроизводимости сенсор - к - сенсору, особенно когда два сенсора изготовлены на разной подложке.

[0007] Добавление таких бороздок к одной из пары сенсоров сдвиговой горизонтальной поверхностной акустической волны (SH-SAW, известной также как волна Лава, поверхностная поперечная волна и т.п.), также раскрывается здесь (Herrmann и др., США, патент 6,543,274), и рассматривается распространение такого подхода на сенсоры SHAPM. Этот метод обеспечивает более высокую частоту, меньший размер и повышенную чувствительность за счет сложности производства и доступного динамического диапазона. Однако Геррманн все же находит необходимым использование двух полностью раздельных, но идентичных (иное чем рифление) сенсорных элементов для измерения обоих параметров, и, следовательно, это не преодолевает ограничений сенсор - к - сенсору в устройстве Мартина. Это также влечет за собой менее точное измерение вязкости из-за более высокой рабочей частоты, которая усиливает утончение сдвига и максвелловских вязкоупругих эмиссий, известных в области реологии.

[0008] В патенте 7,007,546, США, выданном 7-го марта 2006 г. под заголовком «Измерение, компенсация и контроль эквивалентного градиента скорости сдвига в сенсорах акустической волны» (который включен здесь в виде ссылок в его совместном владении), изобретатель настоящей заявки раскрывает метод для измерения вязкости и скорости сдвига, при котором замер осуществляется путем использования акустического волнового сенсора и вычисления градиента скорости сдвига в виде функции параметров скорости движения текучей среды в ответ на заданную мощность, переданную текучей среде и вязкости текучей среды. Акустическое волновое устройство обладает характерным взаимоотношением между входной мощностью, мощностью на выходе и амплитудой акустической волны в выбранной зоне между входным и выходным преобразователем. Акустическое волновое устройство соединено с измеряемой текучей средой. Заранее заданный уровень мощности P_in гармонического сигнала подают на входной преобразователь, чтобы передать акустическую волну в выбранной зоне. Уровень мощности на выходе P_out измеряется на выходном преобразователе. Используя характерные взаимоотношения, а также уровни входящей и выходящей мощности, вычисляется амплитуда средней акустической волны, переданной текучей среде. Измерение вязкости текучей среды для получения измеренной вязкости в выбранной зоне позволяет вычислить скорость сдвига текучей среды в выбранной зоне с помощью частоты, измерения вязкости и амплитуды акустической волны. Это изобретение может быть выгодно использовано в настоящем изобретении, как это поясняется ниже.

[0009] В заявке на патент №10/597,487, США, зарегистрированной 14-го февраля 2007 г. и опубликованной как заявка США - 2007-0144240-А1, заявитель описывает двухпортовый, двухполюсный связанный резонатор с текстурированным захватывающим слоем в контакте с текучей средой, подлежащей измерению, такой как жидкость или газ, который позволяет проводить измерение вязкости и плотности текучей среды. Однако изготовление текстурированного захватывающего слоя усложняет такое устройство. Несмотря на это, структуры и методы, раскрываемые в заявке 10/597,487, могут быть применены на практике в соединении с настоящим изобретением. Следует заметить, что включение текстурированной поверхности не является обязательным для воплощения особенностей настоящего изобретения.

[0010] Следовательно, имеется явное преимущество для сенсоров и методов проведения измерений, которое позволяет проводить измерение такого количества параметров текучей среды, какое только возможно, включенное в единичное устройство. Хотя такие устройства и рассматривались, они имели различные недостатки, такие как сложность в изготовлении, непредсказуемость, низкая точность и тому подобное. Цель настоящего изобретения создать сенсор, способный установить два или три параметра - вязкость, плотность и модуль упругости, когда третий параметр известен или допускается. Дальнейшая цель настоящего изобретения - создание системы и метода, которые осуществляют такие измерения с использованием сенсоров.

Краткое изложение сущности изобретения

[0011] Настоящее изобретение основывается преимущественно на взаимодействии устройства горизонтальной акустической сдвиговой волны («квази-сдвиговая - горизонтальная») с текучей средой, как это известно в определенной области техники для измерения вязкости. Точнее, это изобретение основывается на едва различимом различии во взаимодействии двух или более акустических резонансных состояний или волноводных видов колебаний (волноводных мод) многомодового резонатора или волновода. Наибольшим преимуществом воплощения данного изобретения является геометрия фильтра связанного резонатора двух видов колебания с одним резонансным видом колебаний, имеющим высокий уровень симметрии, и с другим, имеющим высокий уровень антисимметрии. Путем комбинирования дополнительной информации, полученной от многомодового функционирования, с возможностями, свойственными устройству горизонтально-квазиполяризованной - сдвиговой - горизонтальной акустической волны (AWD) для работы в текучей среде, мы получаем многомодовый квази-сдвиговый - горизонтальный (MMQSH/МРКСГ) резонатор.

[0012] Настоящее изобретение добивается обеспечения информацией о двух из трех переменных, о плотности (ρ), вязкости ((η) и модуле упругости (с), так, чтобы независимое знание об одной из переменных позволяло произвести измерение двух остающихся переменных при помощи единичного сенсора.

[0013] Таким образом, обеспечивается метод измерения, по крайней мере, двух свойств текучей среды, выбранных из плотности, вязкости и модуля упругости, когда третье из вышеупомянутых свойств текучей среды известно или допущено, и этот метод включает в себя шаги:

обеспечение Много Модового Квази Сдвигового Горизонтального Резонатора (MMQSHR), имеющего вход энергии и измерительную поверхность для контакта с вышеупомянутой текучей средой, при этом вышеупомянутая измерительная поверхность имеет, по крайней мере, первую зону и вторую зону, а также разделительную область, определенную между ними;

возбуждение вышеупомянутого MMQSHR энергией возбуждения через вышеупомянутый вход на первой и второй частотах, выбранных для возбуждения первого и второго акустических видов колебаний (акустических мод) соответственно, при этом каждый из упомянутых акустических мод взывает компонент горизонтального сдвигового волнового движения на вышеупомянутой поверхности,

причем возбуждение на вышеупомянутой первой частоте далее заставляет указанные зоны двигаться в фазе относительно друг друга;

и возбуждение на вышеупомянутой второй частоте приводит к движению вышеупомянутых зон не в фазе относительно друг друга, индуцируя вертикальное смещение в вышеупомянутой разделительной области измерение параметров, относящихся к энергии, при вышеупомянутой первой и второй моде;

вычисление двух из вышеупомянутых свойств текучей среды, с использованием вышеупомянутых параметров, относящихся к энергии, и информации, относящейся к вышеупомянутому третьему свойству текучей среды.

[0014] Зоны могут быть физически не отмечены в конструкции устройства, но предпочтительно могут быть определены акустическим энергетическим профилем устройства на каждой моде.

[0015] Параметры, относящиеся к энергии, могут быть выбраны, например, из вносимой потери, сдвига частоты, смещения фазы, амплитуды, изменения тока, эквивалентного последовательного сопротивления, любой комбинации вышеозначенного и тому подобного. В предпочтительном варианте воплощения изобретения MMQSHR включает в себя пьезоэлектрический кристалл, и ввод включает в себя входной преобразователь.

Наиболее предпочтительный вариант воплощения изобретения далее включает в себя выходной преобразователь, а также заземляющий электрод, к которому обращены входной и выходной преобразователи. Тем не менее, нон - пьезоэлектрические материалы и другие методы передачи энергии к MMQSHR также предусматриваются. Следует отметить, что для MMQSHR можно использовать любую подходящую конструкцию, такую как приведенный в качестве примера резонатор объемных акустических волн, планарный резонатор и резонатор на сдвиговой горизонтальной поверхностной акустической волне.

[0016] В определенных вариантах воплощения изобретения поверхность измерения может быть рифленой и метод далее включает в себя шаг вычисления плотности вышеупомянутой текучей среды, реагирующей на изменения в параметрах, относящихся к энергии, из-за удержания текучей среды в вышеупомянутых рифлениях.

[0017] Далее предусматривается система для измерения по крайней мере двух свойств текучей среды, выбранных из плотности, вязкости и модуля упругости, когда третье из вышеупомянутых свойств текучей среды известно или допущено, эта система включает в себя:

Много Модовый Квази Сдвиговый Горизонтальный Резонатор (MMQSHR), имеющий измерительную поверхность для контакта с вышеупомянутой текучей средой;

порт для входа энергии и порт для выхода энергии;

по крайней мере первую зону и вторую зону, а также разделительную область, определенную между ними;

схему возбуждения, соединенную, по крайней мере, с вышеупомянутым входом энергии и сконструированную с возможностью передачи двух акустических видов колебаний (двух акустических мод) резонансного движения к вышеупомянутой поверхности;

измерительную схему, сконструированную с возможностью измерения по крайней мере одного параметра энергии, введенной в MMQSHR резонатор или выведенной из него;

причем вышеупомянутые две акустические моды выбраны так, чтобы вызвать компонент горизонтального движения с отношениями разной полярности в разных зонах поверхности вышеупомянутой поверхности.

[0018] Далее система может быть оснащена оптическим и/или механическим монитором для мониторинга смещения разделительной области. Система далее может включать в себя калькулятор или компьютерные схемы для вычисления вышеупомянутых свойств текучей среды, используя информацию, полученную от вышеупомянутой измерительной схемы.

[0019] В предпочтительном варианте воплощения изобретения MMQSH включает в себя пьезоэлектрический монолитный кристаллический фильтр, но также возможны и другие конструкции, такие как пьезоэлектрический поперечно связанный резонаторный фильтр, а также электромагнитные акустические преобразователи.

[0020] В настоящем изобретении далее рассматривается обеспечение энергией возбуждения в комбинации с различающимися уровнями мощности, по крайней мере на двух частотах, с тем, чтобы вызвать вышеупомянутую поверхность к передаче сдвигов различной скорости текучей среде на каждой из вышеупомянутых частот, обеспечивая проведение измерений при варьируемой интенсивности сдвига.

[0021] В еще одной вспомогательной особенности изобретения предусматривается резонатор, содержащий зону присоединенной массы, определяемую как зона захваченной энергии, при этом вышеупомянутая зона захваченной энергии поддерживает множество сбоку удерживаемых (локализованных) мод, при этом вышеупомянутые моды взаимодействуют, по крайней мере, с одним преобразователем, указанный преобразователь обеспечивает электрический импеданс, относящийся к потере энергии в вышеупомянутом резонаторе захваченной энергии.

Краткое описание фигур

[0022] Краткое содержание, представленное выше, и следующее за ним подробное описание будут более понятными, принимая во внимание прилагаемые фигуры, которые описывают детали предпочтительного воплощения изобретения. Однако следует заметить, что изобретение не ограничивается точной компоновкой, показанной на фигурах, а также и то, что эти фигуры представлены просто в качестве примеров.

[0023] Фиг.1 изображает основное воплощение конструкции сенсора, изображая выбранные векторы движения при идеальных условиях.

[0024] Фиг.2 изображает в упрощенном виде распространение волн в боковой (поперечной) неограниченной плоскости.

[0025] Фиг.3 изображает в упрощенном виде распространение волн в заданной ширине.

[0026] Фиг.4 изображает в упрощенном виде распространение волны на нескольких модах возбуждения, отображая симметричную и антисимметричную конфигурацию волны.

[0027] Фиг.5 изображает вид сверху предпочтительного воплощения изобретения.

[0028] Фиг.6 изображает вид сбоку конструкции предпочтительного воплощения, изображенного на фигуре 5.

[0029] Фиг.7 изображает различие во вносимой потере между модами, при нагрузке и без нагрузки жидкостью в соответствии с предпочтительным воплощением.

[0030] Фиг.7b иллюстрирует дополнительное изменение в частоте, которое происходит из-за жидкости, захваченной дополнительными неровностями.

[0031] Фиг.8 изображает эквивалентную схему для двухпортового резонатора MMQSH.

[0032] Фиг.9 представляет собой упрощенную технологическую схему измерения вязкости и модуля упругости текучей среды с использованием сенсора MMQSH.

[0033] Фиг.10 представляет собой упрощенную технологическую схему измерения плотности и вязкости текучей среды с использованием сенсора MMQSH.

[0034] Фиг.11 представляет собой упрощенную технологическую схему измерения плотности и модуля упругости текучей среды с использованием сенсора MMQSH.

[0035] Фиг.12 представляет собой упрощенную блок-схему системы, использующей MMQSH для проведения измерений параметров текучей среды.

[0036] Фиг.13 изображает упрощенное схематическое изображение системы, использующей нон - пьезоэлектрический резонатор.

Подробное описание

[0037] В терминах неспециалистов в данной области техники предпочтительное воплощение предоставляет пьезоэлектрическую пластину, имеющую поверхность, которая содержит зону, в пределах которой локализована энергия акустической волны. Различные многократные резонансные виды колебаний (резонансные моды) акустического резонатора имеют вибрационное движение с взаимоотношениями различающейся полярности движения на различных местоположениях на вышеупомянутой поверхности. Все резонансные моды наилучшим образом извлекаются из ангармоник боковой захваченной энергии одной гармоники толщины одного типа акустической волны. Вообще, существует три типа объемной акустической волны и, по крайней мере, один тип поверхностной волны в устройствах любой заданной конфигурации. Одна из объемных волн является волной квази-сжатия, а две другие - квази-сдвиговыми волнами. В наиболее предпочтительном случае используется квази-сдвиговая волна с самой высокой из возможных, электромеханической связью в пьезоэлектрике и самой высокой из возможных степенью горизонтальной поляризации. Тем не менее, возможно применять изобретение на практике, используя фундаментальные ангармоники двух типов: квази-сдвиговой волны при, по крайней мере, двух модах резонанса.

[0038] В наиболее предпочтительном воплощении имеются, по крайней мере, две смежные зоны, в которых индуцируется тангенциальное (в плоскости) движение по отношению к поверхности. На первой резонансной частоте тангенсальное движение в двух зонах находится в фазе (0°) и вертикальное движение индуцируется в основном по внешним краям, т.е. в участках, удаленных от зон. На второй резонансной частоте тангенсальное движение в зонах находится не в фазе (180°), и участок между зонами испытывает вертикальное движение существенно более высокой амплитуды, чем при первой резонансной частоте. Как поясняется ниже, использование комбинации этих типов движения позволяет проводить измерения любых двух из трех измеренных характеристик текучей среды, - т.е. вязкости, модуля упругости и плотности, когда третья характеристика известна или допускается. Специалисты в данной области признают, что возбуждение резонатора на частоте, иной нежели собственные резонансные частоты различных поддерживаемых мод, приведет к распределению энергии с различными фазовыми соотношениями, что будет генерировать наложение акустических резонансов на близлежащих частотах, имеющих вариации распространения неплоского движения. Тогда как такое возбуждение на кратных частотах приведет к разной степени неплоского движения, преимущества возбуждения на собственных резонансных частотах или частотах, близких к ним, будут очевидны специалистам в данной области.

[0039] В данных детализациях термины вертикальное движение и вертикальное смещение относятся к неплоскому движению или смещению, т.е. движению, которое перпендикулярно к активной плоскости/поверхности пластины.

[0040] Фиг.1 представляет схематическое сечение упрощенного сенсора, содержащего пьезоэлектрическую пластину 1, образующую связанный резонатор в результате сдвигового горизонтального движения в зонах 2 и 3, относительно плоскости диска. Индуцирование такого движения хорошо известно из уровня техники и, например, может быть обеспечено преобразователем 5 и 6 соответственно. Фиг.1 далее изображает движение пластины в заданный момент времени, где зоны 2 и 3 движутся в фазе друг относительно друга, как показано горизонтальными стрелками 9 и 10. Следует заметить, что, тогда как разделяющее внутри - зональное пространство 4 между двумя зонами испытывает небольшое вертикальное движение, если таковое имеет место быть, края зон показывают вертикальное движение, изображенное стрелками 7 и 8, как результат «изгибного» движения поверхности пластины. Однако, когда зоны 2 и 3 пластины движутся в противофазах, как показано стрелками 9' и 10', разделяющее пространство 4 будет испытывать значительное вертикальное движение, в то время как края зоны будут испытывать вертикальное движение в противоположном направлении. Как это очевидно, эти два вида вибраций могут быть возбуждены единичным преобразователем подходящей конструкции, и фигуру не следует толковать как ограничивающую возможности.

[0041] Возбуждение почти чисто горизонтальной сдвиговой волны является наиболее предпочтительным воплощением изобретения; тем не менее, известны многочисленные подложки для «наклонной» сдвиговой волны с желательными свойствами. В качестве примера, не вносящего ограничений, кварц с разрезом SC предоставляет отличную вибрацию и нечувствительность к ускорению при наклонных квази-сдвиговых - горизонтальных видах колебаний. Следует отметить, что разрез SC обычно используется для одновременного возбуждения двух типов волны с различающимися неплоскими компонентами в применениях контроля частоты. Напоминаем читателю, что эти детализации концентрируются на чисто горизонтальной поляризации просто для целей иллюстрации и лучшего понимания изобретения, и что изобретение охватывает использование таких подложек, которые признаны специалистами в данной области техники, как производящие аналогичные функциональные возможности.

[0042] Изобретение использует известное различие между неограниченной плоской волной и волной захваченной энергии, имеющей ограниченную ширину луча. Упрощенный пример, изображенный схематически на фиг.2, показывает простую пластину толщиной t, вдоль оси Y со смещением волны U_X=A_Xsin(nπY/t). Пластина поддерживает резонансы при любом кратном n нечетном интеграле; однако на практике придерживаются n=1, как показано. Четные величины n требуют зависимости cos(nπY/t), но не связаны с толщиной области возбуждения без использования составных резонаторов, как раскрывается в заявке заявителя, по которой принято решение о выдаче патента 11/814,074, США. Таким образом, исследование бесконечной пластины материала толщиной t, вдоль оси Y, центрированной при Y=0, и содержащей пьезоэлектрический материал, так что электрическое поле вдоль оси Y, E_Y приводит к напряжению сдвига XY в объеме кристалла. Возникает резонансное условие, которое удовлетворяет условиям свободной от усилий границы, имея акустические смещения U_X(Y)=A_Xsin(nπY/t). Волна не имеет границ на оси Х или Z и имеет чистое сдвиговое смешение с тангенциальной (горизонтальной) поляризацией по отношению к планарной поверхности. Волна имеет волновой вектор, К_у=nπ/t. Условие сдвиговой волны, при котором скалярное произведение смещения и волнового вектора U•K будет равно нулю, удовлетворено. Устройство поддерживает группу гармоник nth кратной частоты каждого из трех типов объемной волны, которые электрически соединены с Y - направленным электрическим полем. Для более понятного объяснения принято, что это электрическое поле соединяется только с единичной квази-сдвиговой - горизонтальной объемной волной и что существует одиночная последовательность гармоник.

[0043] Такой идеальный резонатор не имел бы никаких взаимодействий с идеальной, невязкой текучей средой, так как не существовало бы никакого соединения между чистой сдвиговой модой подложки и волнами сжатия, которые могли бы существовать в идеальной (невязкой) текучей среде. Допуская Ньютоновскую вязкость, η, и плотность, р, в текучей среде, происходила бы передача энергии сдвиговой волны в текучую среду, где явление вязкости превращало бы энергию от когерентных акустических вибраций в тепло. Однако в случае идеального резонатора не происходило бы излучение волн сжатия.

[0044] Идеальный резонатор, ограниченный только в одном измерении, является непрактичным, а реально существующие резонаторы имеют конечные боковые измерения. Введя конечное измерение, w, вдоль оси Z, вводится боковое изменение в U_x(Y,Z), которое может быть упрощенно оценено, как, либо U_X(Y,Z)=A_Xsin(nπY/t)cos(mπZ/w), либо A_Xsin(nπY/t)sin(mπZ/w), где формула, использующая cos(), связана с нечетными величинами т, а формула, в которой используется sin(), с четными величинами m.

[0045] Фиг.3 показывает простую пластину толщиной t вдоль оси Y с захваченной энергией на ширину w вдоль Z и смещение волны U_X=A_Xsin(nπY/t)cos(mπZ/w). Пластина поддерживает резонансы для любого целого кратного n или m; однако, как показано, на практике придерживаются n=1. На практике захватывание не является идеальным, и поля вытекают за пределы ширины электрода w. В таких реально существующих резонаторах величина m слегка ниже каждого целого числа М-δ. Для ясности понимания электроды показаны как не имеющие длину в измерении X.

[0046] Волновой вектор усиливает компонент Z, K_z=mπ/w; однако условие сдвиговой волны, U•K=0 все еще удовлетворяется с чисто Х поляризованной волной (горизонтальный простой сдвиг). Простое сдвиговое решение имеет тангенциальную поляризацию во всех точках планарной границы.

[0047] Фиг.4 показывает простую пластину толщиной t вдоль Y и с конечной длиной 1, вдоль X. Профили 40 мод показаны со смещением волны для n=1 и j=1, так как U_X=A_Xsin(πY/t)cos(πX/l), и для n=1 и j=2, так как U_X=A_Xsin(πY/t)sin(2πX/l). На практике существует конечное протяжение волны за пределами электродов и j=j-δ. Показаны также соответствующие компоненты амплитуды, U_Y(X,Y)=(t/l)A_Xsin(πX/l)sin(πY/t) для j=1 и U_Y(X,Y)=(2t/l)A_Xcos(2πХ/l)sin(πY/t) для j=2.

[0048] При вводе конечного измерения в X вводится еще одно боковое (поперечное) изменение в U_x, которое может быть упрощенно оценено как U_X(X,Y,Z)=A_Xcos(jπX/l)sin(nπY/t)cos(mπZ/w) для длины, 1. Волновой вектор усиливает составляющую X, К_х=jπ/l. В этом случае условие сдвиговой волны U•К=0 больше не удовлетворяется, пока не появится дополнительная акустическая амплитуда, U_Y(X,Y,Z)=jt/nlA_Xsin(jπX/l)sin(nπY/t)cos(mπZ/w). Конечная протяженность вдоль направления вибрации приводит к сдвиговой вертикальной компоненте и решение простого сдвига больше не является тангенциально поляризованным на поверхности устройства. Это приводит к локальному вертикальному движению границы раздела между текучей средой и связанным излучением энергии, что приводит к излучению волн сжатия в текучую среду. В устройствах, применяемых на практике, этот эффект минимизируется путем отбора простой сдвиговой горизонтальной подложки, уменьшением числа мод, j, и применения электродов с малой толщиной по отношению к длине. Как таковая общепринятая доктрина предполагает использование большой электродной области, чтобы минимизировать излучение волны сжатия, ограниченное требуемым частотным разделением дополнительных ангармонических мод.

[0049] Следует заметить, что идеальный модовый профиль, ассоциирующийся с j=2, имеет ноль интегрированную амплитуду по длине электрода и будет иметь очень слабое соединение с традиционной QCM (Микробаланс Кристалла Кварца) конструкцией электрода. Следующая мода, j=3, имеет не нулевое соединение с твердым электродом и может быть использована для применения изобретения на практике в конструкции QCM, имеющей единичный преобразователь, как было предложено выше.

[0050] В воплощении изобретения, основанного на применении монолитного кристаллического фильтра (MCF), по крайней мере, одна поверхность имеет электрод, расщепленный на входной и выходной электроды, соотнесенный с заземляющим противоэлектродом. В таком устройстве с двумя преобразователями резонансы, связанные c j=1 и j=2, соединяются и образуют мультимодовую полосно-пропускающую характеристику фильтра. Конструкции связанных резонаторов, таких как этот, предлагаются в предпочтительном воплощении изобретения, так как они, в свою очередь, предлагают раздельный входной и выходной порт, через которые может быть определена функция передачи электричества, что упрощает приборное обеспечение конструкции такого устройства.

[0051] Таким образом, резюмируем следующее, небольшое движение, перпендикулярное плоскости, происходит во всех резонаторах конечного размера, как помечено на фиг.1 стрелками 7 и 8, которое может быть вычислено, как пропорциональное движению в плоскости 9 и 10, помноженному на константу k, где k пропорционально отношению толщины к длине (t/l) активной зоны пластины, а также пропорционально отношению числа колебаний, j/n. Из пояснения, приведенного выше, можно сделать вывод, что каждая мода индуцирует неплоское движение в выбранных зонах пластины, и что амплитуда неплоского движения будет пропорциональна j в любом исходном воплощении. Возрастающее неплоское движение, которое пропорционально числу колебаний j, увеличивает потерю энергии пропорционально j²

[0052] В воплощении, основанном на QCM, по крайней мере, две резонансных частоты, соответствующих одинаковым величинам n и m, но различающихся нечетными величинами j, используются для возбуждения QCM кристалла. Потери мощности, возникающие, первично по причине вязкости, будут почти идентичными, по крайней мере, для этих двух резонансных частот; однако потери мощности, связанные с вертикальными составляющими движения, будут различаться в пропорции к квадратам величин j. При анализах электрического кпд отдается предпочтение n=l, m=1 и величинам 1 и 3 для j, соответственно для двух резонансных частотных мод; однако существуют преимущества для использования дополнительных нечетных величин j, с тем, чтобы получить избыточные данные для минимизации ошибки в измерениях. Электрическое соединение мод более высокого порядка j, обычно уменьшены на 1/j, ограничивая число мод до практической величины.

[0053] В этих детализациях термин «мода/вид колебания» относится к образцу сохраненной акустической энергии, полученной от работы кристалла при, или почти при резонансной частоте. В практическом применении метка «антисимметричный» применяется только к четным величинам j и результатам, полученным от j=2, в большей части предпочтительных вариантов воплощения этого изобретения. В свете идей настоящего изобретения специалисты в данной области техники признают, что две моды, симметричные по центру устройства или нет, имеющих разные величины j, позволят использовать на практике это раскрытое изобретение, и более того, что более чем две моды могут быть задействованы, чтобы получить избыточные данные. В контексте выбора мод «симметричный» относится к моде, имеющей движение в плоскости (плоское движение) в одинаковом направлении в зонах к любой стороне упомянутой плоскости, а «антисимметричный» будет относиться к моде, имеющей движение в плоскости (плоское движение) в противоположных направлениях в вышеупомянутых зонах.

[0054] Предпочтительное воплощение изобретения, основанного на MCF, имеет расщепленный электрод и предлагает передачу энергии между входным электродом 10 и выходным электродом 11 относительно заземляющего электрода 13. В предпочтительном воплощении входной и выходной электроды объединяют две зоны, вместе содержащие большую часть захваченной энергии акустической волны. Далее, зоны, связанные с двумя электродами, имеют, по существу, равное боковое (поперечное) движение, по существу, параллельное оси, соединяющей зоны через промежуток между ними для одной выбранной моды, и имеют по существу равное, но противоположное боковое (поперечное) движение, параллельное вышеназванной оси для второй моды. Этот вид движения известен как колебание сдвига по толщине соединенного резонанса. В альтернативной конструкции задействованы так называемые крутильные колебания толщины, в которых ось бокового движения параллельна промежутку между электродами. Есть возможность выравнивать электроды и кристалл таким образом, что будут существовать условия, промежуточные этим двум условиям. Порядок, в которой ось движения перпендикулярна промежутку, определяет тот порядок, который позволяется демонстрировать эффект настоящего изобретения.

[0055] Еще одно предпочтительное воплощение многомодовой структуры использует поперечно-соединенный резонаторный фильтр, известный как TCRF, в основном реализуемый со сдвиговой горизонтальной поверхностно-направленной акустической волной. TCRF является полным аналогом MCF, однако волны могут быть захвачены к поверхности преобразователя, как это хорошо известно в отношении устройств поверхностной акустической волны (SAW) и иметь периодическое изменение в направлении Z, соотносящееся с периодом встречно-штыревого преобразователя (IDT), задействованного для генерирования волны. Сведущие специалисты оценят тот факт, что четные и нечетные моды квази-сдвиговой горизонтальной TCRF волноводной структуры аналогичны колебаниям с j=1 и j=2 MCF.

[0056] Фигуры 5 и 6 отображают простое воплощение изобретения. Фиг 5 представляет собой вид сверху, показывающий пьезоэлектрический диск 12, имеющий электроды 10 и 11, расположенные над ним. Предпочтительно заземляющий электрод 13 расположен на противоположной стороне пластины; однако в некоторых воплощениях он встроен в электрод или, в случае бокового возбуждения поля, не существует вообще. Фиг.6 представляет вид сбоку. Когда энергия Е подается к диску через электрод 10 и/или 11 на собственной резонансной частоте, F₁, для которой боковые движения под электродом 10 и электродом 11 находятся в фазе (0°), составляющая амплитуды волны, лежащей вне плоскости, или вертикальное движение, отображается кривой S. Когда энергия подается к электроду 10 и/или 11 на собственной резонансной частоте F₂, для которой боковые движения под электродом 10 и электродом 11 находятся не в фазе (180°, как обозначено стрелками 16 и 17), вертикальное движение обозначено кривой А. Вследствие этого очевидно, что вертикальное движение кромок зоны 14 и 14а существует как в симметрических, так и в антисимметрических модах, в то время как вертикальное движение 15 над межзоновым пространством 4 намного больше и возбуждается только на модах, для которых j>1. Число таких зон и их точное местоположение зависит от j и только для четных величин j есть такая зона вертикального движения, расположенная у центра устройства. Специалисты в данной области техники признают, что возбуждение входного электрода 10 на частоте, иной чем точная собственная резонансная частота, возможно, но существенное отклонение частоты приведет к другим фазовым соотношениям между боковым движением под электродами 10 и 11 через наложение двух собственных мод резонанса. В свете этого раскрытия сведущим специалистам будет далее понятно, что использование воспроизводимых и, в значительной мере, малых частот смещения приведет к воспроизводимым факторам, которые могут быть решены, чтобы получить желаемые свойства текучей среды. Поэтому описание F₁ и F₂ могут быть приняты, чтобы определить предпочтительное воплощение, а не точно ограничивающее условие. Специалисты в данной области технике признают далее, что резонансные характеристики структуры (конструкции) будут варьироваться с изменениями в нагрузке поверхности, температуре, давлении и другими влияниями окружающей среды. К тому же, в то время как описание предусматривает подачу энергии к электроду 10, следует заметить, что это представляет лишь один произвольный режим работы и принцип, представленный здесь, и изобретение распространяется и на эквивалентные режимы работы, такие как подача энергии к обоим электродам 10 и 11 относительно электрода заземления 13 и т.п.

[0057] Предпочтительное воплощение использует двухполюсное пьезоэлектрическое устройство. Входной и выходной резонаторы соединены друг с другом через подложку и взаимно сдвоены, т.е. возмущение, возникающее во входном резонаторе, достигает выходного резонатора и, наоборот, так что обеспечивается требуемая передаточная функция двухполюсной частоты. С целью достижения такой сильной связи расстояние между входным и выходным преобразователями может быть рассчитано или выражено приближенно методами, специфичными для геометрии конкретного резонатора и широко опубликованными в литературе.

В общем, в вычислениях вначале производится оценка протяженности рассеянных или краевых механических полей вне одного резонатора и в направлении другого резонатора, затем оценивают перекрытие краевых полей одного резонатора с полями другого резонатора, при этом вышеупомянутая степень взаимодействия представляет собой фактор (коэффициент) связи между вышеупомянутыми резонаторами. Предпочтительный метод вычисления - это рассматривать конструкцию в поперечном разрезе как многозональный, линейный (одномерный), волновод с граничными условиями между указанными зонами непрерывности механической амплитуды и непрерывности механического напряжения. Такой анализ граничной величины дает связанные дифференциальные уравнения, которые могут быть решены для симметрических и антисимметрических мод соединенной структуры и ассоциированных частот. Этот метод вычислений - просто один из многих, известных квалифицированным специалистам и любой традиционный метод также может быть использован. В то время как в предшествующем описании задействованы две полукруглые геометрии для упрощения производства, известны прямоугольные, круглые, эллиптические, гиперболические, параболические и другие формы резонатора, которые в равной степени применимы, и в некоторых случаях применения являются предпочтительными.

[0058] Таким образом, как изображено на Фиг.7, существует различие во внесенной потере между ненагруженным и нагруженным жидкостью режимами работы, как это измерено при, или почти при F₁ (ΔS) и F₂(ΔА). Рассеяние мощности на низшей частоте ΔS происходит первично из-за рассеяния энергии сдвиговой волны на границе между устройством и жидкостью, однако потеря мощности на высшей частоте ΔА состоит первично из потери на это внутреннее трение и дополнительной потери ΔР из-за энергии сжатия, излученной в текучую среду. Рассеяние мощности, как правило, характеризуется как внесенная потеря для двухпортового устройства, такого как MCF или TCRF. Для единичного порта AWD, такого как QCM или резонатора бокового поля, потеря энергии наблюдается, как резистивный термин в импедансе по отношению к функции частоты, и сопротивление нарастает, чтобы представлять более высокие потери и более низкое качество резонансного фактора. Двухпортовые внесенные потери могут быть превращены в величины эквивалентного сопротивления, как показано на Фиг.8, позволяющие общее основание анализа.

[0059] Фиг.8 описывает эквивалентную схему для двухпортового резонаторного сенсора MMQSH, приводящегося в действие в соответствии с предпочтительным воплощением изобретения. Эта феноменологическая модель предусматривает физические электродные емкости, чтобы заземлить два преобразователя и акустически соединить их механическими резонансами, имеющими 0° (резонансная последовательность при F₂) и 180° (резонансная последовательность при F₁) фазовых трансмиссий. Электродные емкости представляют собой физическую емкость (емкостное сопротивление) входных электродов и выходных электродов. Для параллельной пластины MCF возможно выразить С_о как εА/t для устройства с областью перекрытия электрода, А, толщиной, t, и диэлектрической константой, ε. Более полные формулы известны для встречно-штыревых преобразователей и для электродов боковых полей. Обычно коэффициент емкости, основанный на пьезоэлектрическом коэффициенте связи материала, k², вводится для того, чтобы получить динамическую емкость серии резонансных контуров, в терминах статической емкости. В качестве альтернативы можно определять электромеханический коэффициент преобразования эффективного преобразователя между акустическими и электрическими контурами относительно вышеупомянутого геометрического фактора и пьезоэлектрической константы, е₂₆, как

.

Используя эту пропорцию, мы имеем возможность соотнести динамическую емкость, C_mot, при гармонике N^th резонатора с эффективной упругой константой кристалла, С₆₆, как

.

Кинетическая индуктивность, L_m, может быть задана, чтобы получить желаемую собственную резонансную частоту, либо она может быть приблизительно соотнесена с плотностью кристалла, р, и толщиной, t, как

.

Ни C_mot, ни L_mot не вычисляют надлежащим образом конечные поперечные размеры или так называемые ангармонические числа, m или j. Поэтому лучше произвести оценку C_mot, а затем вычислить L_mot по измеренной собственной резонансной частоте. В любом случае эти параметры необходимы, только если нужно возбудить устройство с энергией на частоте, иной нежели собственная резонансная частота, так чтобы импеданс определялся множественностью элементов. Для устройства с узкими ширинами резонанса и умеренными потерями электрические свойства на резонансах будут определяться полностью ассоциированными внесенными сопротивлениями электромеханического преобразователя (пьезосопротивления), так как собственные частоты являются, по определению, частотами, при которых индуктивность и емкость устраняются через серию резонансов в ассоциированном канале передачи. Составляющая кристалла внесенного сопротивления электромеханического преобразователя почти не зависит от числа мод, m или j, и может быть записана через вязкость кристалла, η₆₆, как

.

Эти параметры описывают MCF при отсутствии нагрузки в виде текучей среды. Для типичного устройства на низком диапазоне частот MHz, C_mot выражается в фемтофарадах, L_mot в миллигернах, и R_mot в единичных омах. Наглядно удовлетворительно то, что фактор качества, полученного в результате последовательного резонанса, равен

,

что отражается в частотной составляющей Q кварцевых резонаторов. Эффекты вязкости при нагрузке в виде текучей среды были также вычислены Мартином и могут быть смоделированы нарастанием механической индуктивности и сопротивления. Эти условия могут быть записаны как

,

где η_F и ρ_f являются сдвиговой вязкостью и массовой плотностью текучей среды соответственно.

[0060] Существует дополнительное условие в сопротивлении, которое требует оценки при описании сопротивления излучения волны сжатия, которая грубо аппроксимирована как

Зависимость этого условия от числа мод, j, и легкость проведения измерения сопротивления на одной или более модах, различающихся величинами j, позволяет определить (ρ_Fη_F)^1/2 и (ρ_Fc_F)^1/2.

[0061] Разница между ΔS и ΔА относится к

. В частности, внесенные потери могут быть использованы для определения сопротивления на резонансе, ассоциированном c j=l до и после нагрузки в виде текучей среды, в случае чего ΔS, выраженное как изменение сопротивления, дает результат

и изменение сопротивления при резонансе, для которого j=2, в случае чего ΔА, выраженное как изменение сопротивления, дает результат

,

где К₂~4K₁, или для любой другой величины j,

,

где K_j~j²K₁ для j=1, 2, 3…, К_о приняты как независимые от j и ε представляет сумму других потерь, как вектор ошибок, принятый за ноль или неявно полученный через остающиеся рассуждения. В реальных устройствах Ко будет слегка зависеть от числа мод, и средняя величина будет использоваться аналитически. Фактор 4 относится к квадрату j=2. Принимая разницу, выраженную как изменение сопротивления, получаем

,как

и

как

.

Решение этой системы уравнений требует, чтобы одна из трех переменных была известна или допущена, что позволит устройству и методу его использования проводить измерения двух параметров текучей среды. Обратите внимание, в реальных устройствах величины j не являются абсолютно целыми числами и ассоциированная составляющая K_j может быть наилучшим образом получена путем калибровки сенсора.

[0062] Сделано примечание, что вышеупомянутые равенства являются всего лишь приблизительными и иллюстрирующими предпочтительное воплощение, и что в аналогичных равенствах и методах будут использоваться различные коэффициенты. Общим аспектом является то, что разница в потерях между двумя модами позволит получить информацию о составляющей плотности текучей среды и константе упругости, в то время как экстраполяция обратно к нулевому компрессионному излучению позволяет получить информацию о составляющей вязкости или плотности.

[0063] Сведущие специалисты признают, что метод включает подбор линейной кривой терминов потери к числу мод, в которых соответствующий наклон получает составляющую плотности текучей среды и константу упругости, в то время как экстраполирование обратно к нулевому числу мод будет давать информацию о составляющей вязкости и плотности. Отсюда очевидно, что больше чем две моды могут быть измерены, и что, по крайней мере, соответствующая квадратичная погрешность может быть успешно использована для получения неизвестных составляющих свойства текучей среды, ассоциированных с K_j вместо вышеприведенного прямого решения.

[0064] Следовательно, метод предоставлен для измерения вязкости (η_F) и модуля упругости (c_F) текучей среды при заданной измеренной или допущенной плотности (ρ_F). Метод изображен на Фиг.9 и включает в себя наличие MMQSH резонатора, обладающего множественностью собственных частот, соответствующих множественности степеней изменения амплитуды волны вдоль оси Х (модовым числам j_n). Возбуждение устройства для акустической волны (AWD) энергией Е при первой собственной резонансной частоте F₁, соответствующей числу мод j₁ и с угловым коэффициентом К₁, при котором две разные зоны движутся в фазе, и затем возбуждение AWD энергией Е при второй собственной резонансной частоте F₂, соответствующей числу мод j₂ и с угловым коэффициентом K₂, при котором две разные зоны движутся в противофазе 900 и 910 соответственно, и измерение симметричных и антисимметричных внесенных потерь 905 и 915 соответственно, и вычисление изменения в потере по известной потере без текучей среды. Обращаем внимание, что K₁ и К₂ здесь представляют два известных угловых коэффициента для первой и второй величины j и не обязательно ассоциированы с j=1 и j=2, как в ранее приведенном примере.

[0065] Обращается внимание на то, что в этих подробных описаниях симметрия и антисимметрия обозначают относительное движение двух зон, а не специфическую симметрию около геометрического центра устройства. В наиболее предпочтительном воплощении изобретения симметрия движения и геометрическая симметрия эквивалентны, однако существуют многочисленные альтернативные внедрения и осуществления.

[0066] Путем либо измерения, либо проведения оценки или допущения 920 плотности текучей среды (ρ_F) модуль упругости (c_F) может быть вычислен при помощи:

и плотность (η_F) может быть выведена при помощи

[0067] При использовании аналогичного сенсора метод также предусматривает измерение вязкости (η_F) и плотности (ρ_F) текучей среды, при заданном или допущенном модуле упругости (c_F). Метод отображен на Фиг.10 и включает в себя наличие пьезоэлектрического сенсора, обладающего множественностью собственных частот, соответствующих множественности степеней изменения амплитуды волны вдоль оси X, соответствующих величинам модовых чисел j_n. Возбуждают AWD энергией Е на первой собственной резонансной частоте F₁, при которой две разные зоны движутся в фазе, и затем возбуждают AWD энергией Е на второй собственной резонансной частоте, при которой две разные зоны движутся в противофазе 940 и 950 соответственно, и измеряют симметричные и антисимметричные внесенные потери 945 и 955 соответственно, и затем вычисляют изменения в потере по известной потере без текучей среды. Путем либо измерения, либо проведения оценки или допущения 1010 модуля упругости (c_F) плотность (ρ_F) может быть вычислена при помощи:

и вязкость (η_F) может быть выведена при помощи

[0068] Далее по аналогии, метод также предусматривает измерение плотности (ρ_F) и модуля упругости (c_F) текучей среды, при заданной или допущенной вязкости (η_F). Метод отображен на Фиг.11 и включает в себя наличие пьезоэлектрического сенсора, обладающего множественностью собственных частот, соответствующих множественности степеней изменения амплитуды волны вдоль оси X, соответствующих модовым числам j_n. Возбуждают AWD энергией Е на первой собственной резонансной частоте F₁, при которой две разные зоны движутся в фазе, и затем возбуждают AWD энергией Е на второй собственной резонансной частоте, при которой две разные зоны движутся в противофазе 970 и 980 соответственно, и измеряют симметричные и антисимметричные вносимые потери 975 и 985 соответственно, и затем вычисляют изменения в потере по известной потере без текучей среды. Путем либо измерения, проведения оценки или допущения 990 вязкости текучей среды (η_F), промежуточный член может быть вычислен при помощи:

и плотность (ρ_F) может быть вычислена, как

.

и модуль упругости (c_F) может быть вычислен путем возведения в квадрат промежуточной переменной и делением на плотность.

[0069] Как описывается выше, заявка на патент No. 10/597,487, США, выдвигает идею измерения плотности, используя гофрированную (волнистую) поверхность для захвата жидкости по существу над всей областью считывающей поверхности. Так как текстурированная поверхность может использоваться на практике с различными аспектами, раскрываемыми в настоящей заявке, без ущерба для них, использование идей настоящей заявки в комбинации с заявкой '487 далее рассматривается, где изобретение, описанное в заявке '487, используется для проведения оценки измеренной плотности текучей среды и позволяет вычислить три характерных параметра плотности, вязкости и модуля эластичности по измерениям, полученным единичным сенсором. Фигура 7b показывает, что дополнительное изменение в частоте, ΔF, происходит из-за жидкости, захваченной гофрами (волнистостью). Это изменение является дополнительным к другим изменениям, которые могут существовать по причине вязкости, как это известно высоко сведущим специалистам в данной области техники. Знание о сдвиге частоты предоставляет необходимую третью часть информации, позволяющую использовать измеренную плотность в анализе упругости и вязкости. Рассматривается, что потребностями, которые должны быть вычислены при объединении методов патента '487 с настоящим изобретением, являются тщательный отбор переменных частот, F_n, соответствующих числам мод, j_n, тщательное вычисление сдвигов инерционной нагрузки, ΔF_n, из-за плотности текучей среды, захваченной рифлениями.

[0070] Хотя предпочтительное воплощение использует внесенные потери в качестве измерительного параметра, сведущие специалисты признают, что последовательное эквивалентное сопротивление, резонанс Q и другие измерения будут изменяться подобным же образом из-за нагрузки в виде жидкости и могут быть равнозначно использованы способом, описанным для внесенных потерь или последовательного эквивалентного сопротивления. Исходя из этого, использование параметров, таких как внесенные потери, сопротивление, изменение в Q, и другие сенсорные параметры, с одинаковым эффектом, следует считать равноценно правомочным, и как пункты патентной формулы, так и описание распространяются на это.

[0071] Свойства и абсолютное значение излученной энергии зависят от модуля упругости текучей среды, c_F, и от плотности текучей среды, p_F, так же как значение квадрата амплитуды составляющей движения, перпендикулярного к поверхности, |U_Y|². Очевидно, что излученная энергия варьируется как j² и что номинально существует разница четыре к одному в этом термине между j=2 и j=1, и соотношение девять к одному между j=3 и j=1.

[0072] Далее, описание и чертежи отображают электрическое возбуждение через поля толщины; однако возбуждение бокового поля хорошо известно и равнозначно применимо. По сути, область изобретения не ограничивается тем, каким образом движение поверхности 1 диска возбуждается, и даже использование пьезоэлектрического материала не является центральным для сферы этого изобретения. Хорошо известны многочисленные другие средства, при помощи которых электронная схема может взаимодействовать с акустическими волнами, заключенными в твердом материале, находящемся в контакте с текучей средой. В качестве примера электромагнитный акустический преобразователь (ЕМАТ) является одной из таких альтернатив, как и использование токонесущих проводов, протянутых на подложке, взаимодействующих с магнитным полем смещения. Сведущие специалисты также признают, что область изобретения распространяется и на такие методы возбуждения. Для сведущих специалистов становится очевидным, что наличие по крайней мере одной поверхности твердого материала, поддерживающего волны с множественностью мод, происходящих от бокового ограничения вдоль оси квази-сдвигового - горизонтального смещения, дает право на осуществление главных положений изобретения. Захват энергии может произойти через инерционную нагрузку акустических резонаторов даже в непьезоэлектрических материалах. Сдвиговая волна может быть возбуждена на непьезоэлектрических материалах при использовании магнитного взаимодействия и других известных методов. Следовательно, распространяется на использование такого резонатора, где присоединенная масса определяет зону захваченной энергии, и зона поддерживает множественность латерально удерживаемых мод. Моды взаимодействуют, по крайней мере, с одним преобразователем, который обеспечивает электрический импеданс, относящийся к потере энергии в резонаторе латерально удерживаемой захваченной энергии.

[0073] По сути, определенные модификации изобретения не нуждаются в использовании традиционного объемного акустического волнового резонатора, и на практике могут применяться планарные резонаторы, основанные на акустических плоских модах, сдвиговых горизонтально поверхностных акустических волнах, и т.п., если могут быть получены условия для связанной волны, которые удовлетворяют требованиям, описанным выше для резонатора объемной акустической волны, а именно, когда первая и вторая мода имеют различные латеральные амплитудные профили вдоль оси, определенной поляризацией сдвиговых поверхностных амплитуд. Например, размещая структуры волноводов двух таких устройств с поверхностями, генерирующими акустические волны, в тесной близости, мы создаем поперечно-связанный резонаторный фильтр. Направления движений являются одинаковыми в обоих волноводах для одной связанной моды, и они антипараллельны друг другу.

[0074] Таким образом, в качестве примера еще одной дополнительной модификации изобретения, Фиг.13 показывает простое схематическое изображение системы, работающей с использованием такого металлического резонатора 1300 и магнитного поля смещения 1310. Контроллер, способный подавать ток на варьирующихся частотах и/или уровнях мощности, поставляет колебательную энергию к электромагнитным возбудителям 1320, 1330. Резонатор, такой как металлический диск 1300, по крайней мере, частично расположен в магнитном поле смещения и колебательном магнитном поле возбудителей 1320 и 1330. Резонатор 1300 имеет конструкцию, захватывающую энергию для удержания в боковых границах. Вихревые токи, вызванные колебательным полем, создают гармонические по времени силовые поля внутри металлического диска. С разумной поляризацией магнитного поля смещения и ориентацией проводников электромагнитов эти силы способствуют подъему квази-сдвиговых - горизонтальных акустических волн с числом собственных частот, соответствующим различным модам, допускаемым боковым ограничением. Сопротивление металлического резонатора движению по причине вязкости, плотности и упругости смежной текучей среды наблюдается, как изменение в потере передачи между витками или изменение в резистивных потерях в пределах единичного витка. Это происходит по причине взаимодействия связывающих механизмов между витками и резонатором. В качестве альтернативы детекторный механизм, такой как оптический передатчик 1340, и приемник 1350 отслеживают движение разделительной области, сформированной между зонами, и таким образом предоставляют информацию, которая затем используется при вычислениях требуемых параметров текучей среды. Хотя замечено, что нет никакой необходимости иметь зоны, возбужденные на одной моде, или разделительную зону между ними, то же на второй моде, предпочтительное воплощение предусматривает, чтобы такие зоны зарегистрировать с тем, чтобы упростить проведение вычислений и минимизировать эффекты неоднородности в резонаторе. Безоговорочно следует понимать, что Фиг.13 предоставлена просто как упрощенный, не вносящий ограничений пример, и что другие воплощения находятся в объеме изобретения и в объеме специалистов этой области техники с обычным ноу-хау. Не делается никаких попыток изобразить на фигуре практическую выверку смещающих и движущих полей.

[0075] В предпочтительной простейшей вспомогательной схеме для выведения параметров текучей среды, рассматриваемой в этих детализациях, используется сокращенный вариант блок-диаграммы Фигуры 2. Резонансная частота, F_A, отслеживается при помощи сенсорного элемента 510 в качестве элемента обратной связи усилителя с нулевой фазой 520. При нулевом резонансе F_A в этом замкнутом контуре возникают осцилляции, если коэффициент усиления усилителя превысит потери сенсорного элемента, и действительная фаза замкнутого контура будет практически нулевой или кратной 360°. Частота измеряется при помощи аппарата, считывающего частоту, такого как частотомер, 525.

[0076] Чтобы измерить вязкость, а также плотность, резонансная частота F_S отслеживается при помощи сенсорного элемента 510 в качестве элемента обратной связи усилителя 180°, 530, и схемы, считывающей частоту, такой как частотомер 535. Несмотря на то, что это не показано, сведущие специалисты поймут, что различные схемы в равной степени применимы для считывания сдвига частоты общей моды, такого как смешение частот и т.п. Используя методы, выдвинутые в опубликованной заявке на патент 2007-0144240-А1, США, в комбинации с формулами, представленными здесь, любые два параметра из группы, включающей в себя вязкость, плотность и модуль упругости, могут быть вычислены, если известен или допускается третий параметр, например, используя сумму и разницу уровней мощности P_INA и P_OUTA, или P_INS и P_OUTS соответственно, и используя также представленные выше формулы.

[0077] Таким образом, еще одна сторона изобретения распространяется на систему, включающую в себя пьезоэлектрический MMQSH резонатор, имеющий вход и выход, схему для возбуждения MMQSH резонатора, с тем, чтобы резонировать как минимум на двух модах, схему для измерения как минимум одного параметра энергии, введенной в MMQSH резонатор или выведенной из оного. Две моды выбраны для того, чтобы вызвать тангенциальное движение с разной полярностью в различных зонах поверхности MMQSH резонатора. Измеряемыми параметрами могут быть, в качестве примера, внесенная потеря, сдвиг/смещение частоты, смещение фазы, амплитуда и т.п.

[0078] Следует обратить внимание на то, что идеи патентов 7,181,957, США и 7,219,537, США, могут быть успешно использованы в настоящем изобретении и оба патента содержатся здесь в виде ссылок.

[0079] Наиболее предпочтительные воплощения изобретения имеют раздельные преобразователи для входных и выходных электрических портов, однако равноценно допустимо вводить и выводить электрические сигналы через общий порт, и такие устройства все равно будут обязательно иметь вход и выход. Также может быть желательной возможность электрически генерировать сигнал и оптически или механически проводить мониторинг его амплитуды, чтобы определить изменения в рассеянии мощности. Все эти модификации находятся в объеме измерений множественности потерь мощности или множественности многократных мод квази-сдвиговой горизонтальной AWD.

[0080] В предпочтительном воплощении задействовано множество мод, ассоциированных с типом единичной акустической волны, и наиболее предпочтительно с однозначной величиной номеров гармоники, n и m, наиболее предпочтительно используя квази-сдвиговый - горизонтальный тип волны для n=m=1. Моды высшего порядка в n и m применимы. Использование двух разных поляризаций сдвиговой волны (например, Х и Y поляризованных) в разрезе кристалла, который поддерживает возбуждение обоих типов волн, также допустимо. Для примера SC - кварц и аналогичные перекрестно-повернутые разрезы допускают возбуждение двух сдвиговых мод. Тот, кто сведущ в этой области техники, понимает, что эти две моды могут быть адаптированы с целью использования для возбуждения многократных мод с внесениями отличающихся потерь из-за генерирования волны сжатия, этим довершая фундаментальные идеи изобретения.

[0081] Следует понимать, что изобретение не ограничивается описанием, приведенным здесь выше в качестве простого примера. Хотя то, что здесь описано, в настоящее время рассматривается как предпочтительное воплощение изобретения, будет очевидно специалистам, сведущим в этой области техники, что различные другие осуществления, изменения и модификации могут быть сделаны в нем без отступления от духа и объема этого изобретения, и поэтому оно нацелено на охват всех таких изменений и модификаций, которые подпадают под истинный дух и объем этого изобретения, для которого заявлена патентная грамота.

Claims (23)

1. Способ измерения по крайней мере двух свойств текучей среды, отобранных из плотности, вязкости и модуля упругости, когда третье из указанных свойств текучей среды известно или допускается, способ содержит шаги:
предоставление Многомодового Квази Сдвигового Горизонтального Резонатора (MMQSHR), имеющего вход энергии и измерительную поверхность для контакта с указанной текучей средой; при этом указанная измерительная поверхность имеет по крайней мере первую зону и вторую зону и разделительную область, определенную между ними;
возбуждение указанного MMQSHR энергией возбуждения через указанный вход на первой и второй частотах, выбранных для возбуждения первой и второй акустической моды соответственно, при этом каждая из указанных акустических мод вызывает компонент движения горизонтальной сдвиговой волны вышеупомянутой поверхности;
при этом возбуждение на указанной первой частоте далее побуждает указанные зоны двигаться в фазе относительно друг друга;
и возбуждение на указанной второй частоте побуждает указанные две зоны двигаться в разных фазах относительно друг друга, индуцируя вертикальное смещение в указанной разделительной области;
измерение параметров, относящихся к энергии, на указанной первой моде и второй моде;
вычисление двух указанных свойств текучей среды, используя указанные параметры, относящиеся к энергии, и информацию, относящуюся к указанному третьему свойству.

2. Способ по п.1, в котором указанные параметры, относящиеся к энергии, выбраны из списка, содержащего вносимую потерю, смещение частоты, смещение фазы, амплитуду, изменение тока, эквивалентное последовательное сопротивление, или любую комбинацию этого.

3. Способ по п.1, в котором указанный MMQSHR содержит пьезоэлектрический кристалл, и в котором указанный вход содержит входной преобразователь.

4. Способ по п.1, в котором указанный шаг вычислений осуществляют отдельно для каждого из указанных вычисляемых свойств текучей среды.

5. Способ по п.3, далее содержит выходной преобразователь, и в котором указанный входной преобразователь и указанный выходной преобразователь обращены к заземляющему противоэлектроду.

6. Способ по п.3, в котором указанный MMQSHR использует конструкцию, отобранную из группы, содержащей резонатор объемной акустической волны, планарный резонатор и резонатор на сдвиговой горизонтальной поверхностной акустической волне.

7. Способ по п.1, в котором указанный модуль упругости вычисляется по формуле:

где ΔR_A - различие внесенного сопротивления антисимметричной моды при измерениях в жидкости и в воздухе;
ΔR_S - различие внесенного сопротивления симметричной моды при измерениях в жидкости и в воздухе;
K₁ и K₂ - константы, определенные экспериментально и/или вычислением.

8. Способ по п.1, в котором указанная вязкость вычисляется по формуле

где ΔR_S - различие внесенного сопротивления симметричной моды при измерениях в жидкости и в воздухе;
K₁ и K₀ - константы, определенные экспериментально и/или вычислением.

9. Способ по п.1, в котором указанная плотность вычисляется по одной из формул

или

где ΔR_A - различие внесенного сопротивления антисимметричной моды при измерениях в жидкости и в воздухе;
ΔR_S - различие внесенного сопротивления симметричной моды при измерениях в жидкости и в воздухе;
K₀, K₁ и K₂ - константы, определенные экспериментально и/или вычислением.

10. Способ по п.1, в котором указанная поверхность является гофрированной, при этом способ далее содержит шаг по вычислению указанной плотности текучей среды, реагирующей на изменения параметров, относящихся к энергии, из-за текучей среды, захваченной в вышеуказанных гофрах.

11. Способ по п.1, в котором указанный шаг возбуждения включает в себя обеспечение энергией возбуждения в сочетании с дополнительными частотами, так чтобы побудить указанную поверхность резонировать на больших частотах, чем указанные первая и вторая частоты.

12. Способ по п.1, в котором указанный пьезоэлектрический материал вырезан из кристалла, так чтобы сделать возможным множественность сдвиговых мод, реагирующих на указанное возбуждение.

13. Способ по п.1, в котором указанный MMQSHR содержит электропроводный материал, и в котором указанная энергия возбуждения является электромагнитной.

14. Способ по п.1, в котором указанный шаг возбуждения включает в себя обеспечение энергией возбуждения в комбинации с различающимися уровнями мощности по крайней мере на двух частотах, так чтобы побудить указанную поверхность передавать различные скорости сдвига текучей среде на каждой из указанных частот, позволяя проводить измерения при изменяющейся скорости сдвига.

15. Система для измерения, по крайней мере, двух свойств текучей среды, выбранных из плотности, вязкости и модуля упругости, когда третье из указанных свойств текучей среды известно или допускается, система содержит:
Многомодовый Квази Сдвиговый Горизонтальный (MMQSHR) резонатор, содержащий:
измерительную поверхность для контакта с указанной текучей средой;
порт входа энергии и порт выхода энергии;
по крайней мере первую зону и вторую зону, и разделительную область, заданную между ними;
схему возбуждения, соединенную с по крайней мере указанным входом энергии и выполненную так, чтобы передавать две акустические моды резонансного движения к указанной поверхности;
при этом указанные две акустические моды выбраны так, чтобы вызвать различающиеся амплитуды движения, нормального к указанной поверхности, когда возбуждены на резонансной частоте указанных различных акустических мод;
измерительную схему, выполненную с возможностью измерения по крайней мере одного параметра энергии, введенной в MMQSHR резонатор и/или выведенной из него; и
процессор вычисления параметра, соединенный с указанной измерительной схемой и выполненный с возможностью вычисления по крайней мере указанных двух свойств текучей среды, когда указанное третье свойство известно или допущено.

16. Система по п.15, в которой указанный вход энергии соединен с источником электрической энергии и далее содержит оптический или механический монитор для мониторинга смещения указанной разделительной области, при этом указанный монитор соединен с указанной измерительной схемой.

17. Система по п.15, далее содержит калькулятор или компьютерную схему для вычисления указанных свойств текучей среды, используя информацию, полученную от указанной измерительной схемы.

18. Система по п.15, в которой указанный MMQSHR содержит пьезоэлектрический монолитный кристаллический фильтр.

19. Система по п.15, в которой указанный MMQSHR содержит пьезоэлектрический поперечно связанный резонаторный фильтр.

20. Система по п.15, в которой указанный MMQSHR содержит электромагнитный акустический преобразователь.

21. Резонатор, содержащий зону добавленной массы, определяющую зону захваченной энергии, указанная зона захваченной энергии поддерживает множество боковых удерживаемых мод, указанные моды взаимодействуют с по крайней мере одним преобразователем, при этом указанный преобразователь обеспечивает электрический импеданс, относящийся к потере энергии в указанном резонаторе захваченной энергии.

22. Система измерения параметра текучей среды, содержащая:
магнитное поле смещения;
колебательное магнитное поле;
резонатор, содержащий:
по крайней мере зону проводящей поверхности;
структуру захвата энергии для размещения внутри указанных магнитных полей смещения и колебания, при этом указанное колебательное магнитное поле вызывает вихревые токи внутри зоны проводящей поверхности;
при этом указанные вихревые токи взаимодействуют с указанным магнитным полем смещения, создают гармоническое по времени силовое поле в указанном резонаторе;
и указанное силовое поле передает квази сдвиговые горизонтальные акустические волны на поверхность указанного резонатора, при этом акустическая волна имеет по крайней мере первую и вторую частоту соответственно, указанная первая частота выбрана так, чтобы побудить по крайней мере первую зону указанной поверхности и вторую зону указанной поверхности двигаться в фазе относительно друг друга, при этом указанные первая и вторая зоны имеют первую разделительную область, распределенную между ними;
при этом указанная вторая частота выбрана так, чтобы вызывать третью зону указанной поверхности и четвертую зону указанной поверхности двигаться не в фазе относительно друг друга, при этом указанные первая и вторая зоны имеют вторую разделительную область, распределенную между ними, при этом подают энергию так, что резонанс на указанной второй частоте индуцирует вертикальное смещение в указанной второй разделительной области.

23. Система по п.22, в которой указанная первая разделительная область находится в совмещении с вышеуказанной второй разделительной областью.

Images