RU2661455C1 - Method for determining the viscoelastic properties of liquid and solid media and the device for its implementation - Google Patents

Method for determining the viscoelastic properties of liquid and solid media and the device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2661455C1
RU2661455C1 RU2017141517A RU2017141517A RU2661455C1 RU 2661455 C1 RU2661455 C1 RU 2661455C1 RU 2017141517 A RU2017141517 A RU 2017141517A RU 2017141517 A RU2017141517 A RU 2017141517A RU 2661455 C1 RU2661455 C1 RU 2661455C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transducers
measuring device
measuring
pipe
torsional vibrations
Prior art date
Application number
RU2017141517A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Владимирович Мышкин
Original Assignee
Юрий Владимирович Мышкин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юрий Владимирович Мышкин filed Critical Юрий Владимирович Мышкин
Priority to RU2017141517A priority Critical patent/RU2661455C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2661455C1 publication Critical patent/RU2661455C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02Analysing fluids
    • G01N29/036Analysing fluids by measuring frequency or resonance of acoustic waves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: usage for measuring the viscoelastic properties of liquid and solid media. Summary of the Invention is that the excitation of torsional oscillations in the measuring device is carried out by the transducers that are located on its surface, where the excitation of the torsional oscillations is performed by means of applying a pulse signal to the emitting transducers, which are located on the surface of the measuring device, whose geometric parameters allow to excite torsional vibrations in it, record the signal using the receiving transducers, determine the attenuation coefficient of a series of echo pulses of multiple reflections of torsional oscillations in the unloaded measuring device and in the measuring device that is loaded with the studied medium, the attenuation coefficient of a series of echo pulses of multiple reflections of torsional oscillations is calculated taking into account the reflection coefficient at the "converter-pipe" boundary, and the viscosity and shear modulus, taking into account the known density of the studied medium, the calculated attenuation coefficient of the torsional oscillations and the fundamental frequency in the signal spectrum are determined according to the nomograms.
EFFECT: expanded functionality in terms of measuring the viscosity of liquid media, as well as the shear modulus and velocity of propagation of transverse waves in solid media, increased accuracy of measuring the viscoelastic properties of liquid and solid media at the relative simplicity of the device manufacturing.
13 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и может быть использовано для измерения сдвиговой вязкости, модуля сдвига, плотности жидких, твердых, сыпучих и грунтовых сред.The invention relates to the field of ultrasonic non-destructive testing and can be used to measure shear viscosity, shear modulus, density of liquid, solid, granular and soil media.

Из уровня техники известен способ и устройство измерения вязкости жидкостей, основанный на измерении времени прохождения продольной и поперечной волны, расчете их скоростей и коэффициента отражения на границе «твердое тело - жидкость» [Patent US 5365778 А]. Известно также комплексное устройство измерения расхода, плотности и вязкости нефтепродуктов, основанное на измерении времени прохода импульса акустической волны в одном и обратном направлении и расчете скорости распространения волны. С использованием известной скорости производится расчет затухания и вязкости исследуемой среды [Патент РФ ПМ №66029].The prior art method and device for measuring the viscosity of liquids based on measuring the propagation time of a longitudinal and transverse waves, calculating their velocities and reflection coefficient at the boundary "solid body - liquid" [Patent US 5365778 A]. Also known is a comprehensive device for measuring the flow rate, density and viscosity of petroleum products, based on measuring the transit time of an acoustic wave pulse in one and the opposite direction and calculating the wave propagation velocity. Using a known speed, the attenuation and viscosity of the test medium are calculated [RF Patent PM No. 66029].

Недостатками известных способов и устройств являются:The disadvantages of the known methods and devices are:

- измерение вязкости только жидких сред;- measuring the viscosity of only liquid media;

- низкая точность измерений, обусловленная расчетом скорости распространения ультразвуковой волны на однократном ее прохождении через измеряемую среду и ее возбуждении в среде с неизвестными параметрами.- low measurement accuracy due to the calculation of the speed of propagation of an ultrasonic wave on a single passage through the measured medium and its excitation in a medium with unknown parameters.

Известен ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей, основанный на измерении амплитуды и времени прихода эхо-сигналов акустической волны по двум плоским волноводам, к которым приклеены наклонные пьезоэлектрические преобразователи, возбуждающие волны Лэмба в пластинах [Патент РФ ПМ №143319]. Прибор имеет несколько модификаций, целью которых является повышение надежности и точности измерения вязкости и плотности жидкостей в процессе непрерывных автоматических измерений в течение длительного времени [Патент РФ ПМ №153458, Патент РФ ПМ №153622].A known ultrasonic device for measuring the shear viscosity and density of liquids, based on measuring the amplitude and time of arrival of the echo signals of an acoustic wave along two flat waveguides, to which are inclined piezoelectric transducers, exciting Lamb waves in the plates [RF Patent PM No. 143319]. The device has several modifications, the purpose of which is to increase the reliability and accuracy of measuring the viscosity and density of liquids during continuous automatic measurements for a long time [RF Patent PM No. 153458, RF Patent PM No. 153622].

Недостатками известных устройств являются:The disadvantages of the known devices are:

- измерение вязкости только жидких сред;- measuring the viscosity of only liquid media;

- зависимость результатов измерения за счет использования дисперсионных мод продольной и изгибной волны Лэмба;- the dependence of the measurement results through the use of dispersion modes of the longitudinal and flexural Lamb waves;

- влияние изменения толщины пластины на результат измерений.- the effect of changes in plate thickness on the measurement result.

Известен способ и устройство измерения вязкости жидкостей, основанные на резонансном акустическом методе, реализованном на вычислении разности между первой резонансной частотой, полученной в эталонной среде, и второй резонансной частотой, полученной в измеряемой среде, а также сравнении ширины их спектральных составляющих [Patent US 4862384].A known method and device for measuring the viscosity of liquids based on a resonant acoustic method, implemented by calculating the difference between the first resonant frequency obtained in the reference medium and the second resonant frequency obtained in the measured medium, as well as comparing the width of their spectral components [Patent US 4862384] .

Недостатками известного способа и устройства являются:The disadvantages of the known method and device are:

- измерение вязкости и действительной части модуля сдвига только жидких сред;- measurement of the viscosity and the real part of the shear modulus of only liquid media;

- влияние геометрических параметров пьезокерамики, сосуда с жидкостью и резонирующего устройства на результат измерений;- the influence of the geometric parameters of piezoceramics, a vessel with a liquid and a resonating device on the measurement result;

- возможность появления мешающих резонансов, влияющих на точность измерений. Наиболее близким к заявленному является способ и устройство измерения параметров вязкоупругих жидких сред, основанные на сравнении амплитудно-частотных характеристик полого резонансного устройства с осевой симметрией и заполненного исследуемой средой, расчете изменения затухания и вязкости [Патент РФ ИЗ №2411500].- the possibility of the appearance of interfering resonances affecting the accuracy of measurements. Closest to the claimed is a method and device for measuring the parameters of viscoelastic liquid media, based on a comparison of the amplitude-frequency characteristics of a hollow resonant device with axial symmetry and filled with the test medium, calculation of changes in attenuation and viscosity [RF Patent FR No. 2411500].

Устройству-прототипу присущи недостатки предыдущего технического решения.The prototype device has the disadvantages of the previous technical solution.

Техническим результатом и решаемой задачей является расширение функциональных возможностей в плане измерения вязкости жидких сред, а также модуля сдвига и скорости распространения поперечных волн в твердых средах.The technical result and the problem to be solved is the expansion of functionality in terms of measuring the viscosity of liquid media, as well as shear modulus and shear wave propagation velocity in solid media.

Дополнительным техническим результатом является повышение точности измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред при относительной простоте изготовления устройства.An additional technical result is to increase the accuracy of measuring the viscoelastic properties of liquid and solid media with the relative ease of manufacture of the device.

Указанный технический результат достигается за счет возбуждения крутильных колебаний в измерительном устройстве, расположенными на его поверхности преобразователями, при этом возбуждение крутильных колебаний производят путем подачи импульсного сигнала на излучающие преобразователи, расположенные на поверхности измерительного устройства. Далее проводят регистрацию сигнала с помощью принимающих преобразователей и обрабатывают многоканальным аналогово-цифровым преобразователем. По принятым эхограммам определяют коэффициент затухания серии эхо-импульсов многократных отражений крутильных колебаний в ненагруженном и нагруженном исследуемой средой измерительном устройстве. Затем производят вычисление коэффициента затухания серии эхо-импульсов многократных отражений крутильных колебаний с учетом коэффициента отражения на границе «преобразователь - труба», а вязкость и модуль сдвига, с учетом известной плотности исследуемой среды, вычисленного коэффициента затухания крутильных колебаний и основной частоты в импульсе сигнала, определяют по номограммам. С использованием вычисленного модуля сдвига находят скорость распространения поперечных волн в исследуемой среде.The specified technical result is achieved due to the excitation of torsional vibrations in the measuring device located on its surface by transducers, while the excitation of torsional vibrations is produced by applying a pulse signal to radiating transducers located on the surface of the measuring device. Next, the signal is recorded using the receiving transducers and processed with a multi-channel analog-to-digital converter. Accepted echograms determine the attenuation coefficient of a series of echo pulses of multiple reflections of torsional vibrations in a measuring device that is not loaded and loaded with the medium being studied. Then, the attenuation coefficient of a series of echo pulses of multiple reflections of torsional vibrations is calculated taking into account the reflection coefficient at the “transducer-pipe” interface, and the viscosity and shear modulus, taking into account the known density of the medium under study, the calculated damping coefficient of torsional vibrations and the fundamental frequency in the signal pulse, determined by nomograms. Using the calculated shear modulus, the propagation velocity of transverse waves in the medium under study is found.

Указанный технический результат также достигается за счет нагружения измеряемой средой на любую площадь измерительного устройства, а также возможностью нагружения как с внешней, так и внутренней стороны измерительного устройства. При этом в качестве излучающего и принимающего может быть использован один преобразователь, а в качестве измерительного устройства может быть использована труба любого диаметра с любой толщиной стенки. Излучающие и принимающие преобразователи могут быть равномерно распределены на поверхности измерительного устройства, при этом принимающие преобразователи для повышения амплитуды подключают к многоканальному аналогово-цифровому преобразователю через усилитель сигнала.The specified technical result is also achieved by loading the measured medium on any area of the measuring device, as well as the possibility of loading from both the external and internal sides of the measuring device. In this case, one transducer can be used as a radiating and receiving one, and a pipe of any diameter with any wall thickness can be used as a measuring device. Emitting and receiving transducers can be evenly distributed on the surface of the measuring device, while receiving transducers to increase the amplitude connected to a multi-channel analog-to-digital Converter through a signal amplifier.

Дополнительный технический результат, направленный на повышение точности измерений, реализуется за счет возбуждения крутильных колебаний путем подачи импульсного сигнала с различной основной частотой в спектре сигнала, тем самым вязкость и модуль сдвига рассчитываются на различной частоте, что делает результат более достоверным.An additional technical result aimed at improving the accuracy of measurements is realized by exciting torsional vibrations by applying a pulsed signal with a different fundamental frequency in the signal spectrum, thereby the viscosity and shear modulus are calculated at different frequencies, which makes the result more reliable.

Заявленный технический результат достигается также за счет реализации устройства для измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред, содержащее излучающие и принимающие преобразователи, расположенные на внешней поверхности измерительного устройства, вычислительное устройство и многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, входы которого соединены с принимающими преобразователями, блок генератора и усилителя, блок электроакустических преобразователей, состоящим из излучающих и принимающих преобразователей, причем излучающие преобразователи соединены с выходом генератора, а вычислительное устройство связано с блоком генератора и усилителя и многоканальным аналогово-цифровым преобразователем, и измерительное устройство, геометрические параметры которого позволяют возбуждать в нем крутильные колебания и регистрировать серию эхо-импульсов многократных отражений.The claimed technical result is also achieved through the implementation of a device for measuring the viscoelastic properties of liquid and solid media, containing emitting and receiving transducers located on the outer surface of the measuring device, a computing device and a multi-channel analog-to-digital converter, the inputs of which are connected to the receiving transducers, the generator unit and amplifier, a block of electro-acoustic transducers, consisting of emitting and receiving transducers, moreover, from uchayuschie inverters connected to the generator output and the computing device is associated with the generator unit and multi-channel amplifier and analog-to-digital converter, and a measuring device, the geometrical parameters which allow to excite the torsional vibrations in it and record a series of pulse-echo multiple reflections.

В заявленном устройстве в качестве измерительного устройства может быть использована труба любого диаметра с любой толщиной стенки.In the claimed device, as a measuring device, a pipe of any diameter with any wall thickness can be used.

Принимающий преобразователь может быть соединен с аналого-цифровым преобразователем через усилитель сигнала.The receiving converter may be connected to the analog-to-digital converter through a signal amplifier.

В качестве излучающего и принимающего может быть использован один и тот же преобразователь.The same transmitter can be used as the transmitter and receiver.

Преобразователи могут быть равномерно распределены по периметру трубы. При погружении трубы в среду ее внутренняя полость может быть заполнена измеряемой средой или воздухом, в последнем случае торцы трубы герметизируются. Заявленное изобретение поясняется следующими чертежами.Converters can be evenly distributed around the perimeter of the pipe. When a pipe is immersed in a medium, its internal cavity can be filled with a measured medium or air, in the latter case, the ends of the pipe are sealed. The claimed invention is illustrated by the following drawings.

Фиг. 1 - Структурная схема устройства определения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред,FIG. 1 - Block diagram of a device for determining the viscoelastic properties of liquid and solid media,

Фиг. 2 - Схема электроакустических преобразователей и распространения ультразвуковой волны в трубе,FIG. 2 - Scheme of electro-acoustic transducers and the propagation of ultrasonic waves in a pipe,

Фиг. 3 - Эхограмма многократных отражений крутильной волны от торцов ненагруженной трубы диаметром 32 мм, толщиной стенки 4,3 мм и длиной 950 мм,FIG. 3 - Echogram of multiple torsion wave reflections from the ends of an unloaded pipe with a diameter of 32 mm, a wall thickness of 4.3 mm and a length of 950 mm,

Фиг. 4 - Эхограмма многократных отражений крутильной волны от торцов трубы, нагруженной песком, диаметром 32 мм, толщиной стенки 4,3 мм и длиной 950 мм,FIG. 4 - An echogram of multiple torsional wave reflections from the ends of a pipe loaded with sand, 32 mm in diameter, 4.3 mm in wall thickness and 950 mm in length,

Фиг. 5 - Номограмма для определения модуля сдвига с помощью стальной трубы диаметром 32 мм и толщиной стенки 4,3 мм,FIG. 5 - Nomogram for determining the shear modulus using a steel pipe with a diameter of 32 mm and a wall thickness of 4.3 mm,

Фиг. 6 - Номограмма для определения вязкости с помощью стальной трубки диаметром 2 мм и толщиной стенки 0,2 мм.FIG. 6 - Nomogram for determining viscosity using a steel tube with a diameter of 2 mm and a wall thickness of 0.2 mm.

В основу большинства способов и устройств входит теоретическая модель Максвелла, основанная на времени релаксации жидкости, модель Фойгта, модель Зенера или степенная модель, в теоретических подходах которых для описания распространения акустической волны используется уравнение Навье с теорией Стокса-Кирхгофа, описывающей вязкоупругие свойства жидкостей на основе сдвиговой вязкости и комплексного модуля сдвига. В общем случае модель сводится к поиску решения влияния на затухание акустических волн ньютоновских жидкостей, обладающих только вязкой составляющей [И.Г. Михайлов, С.Б. Гуревич. Поглощение ультразвуковых волн в жидкостях. Успехи физических наук].Most methods and devices are based on the Maxwell theoretical model based on liquid relaxation time, the Voigt model, the Zener model, or the power-law model, the theoretical approaches of which use the Navier equation with the Stokes-Kirchhoff theory to describe the viscoelastic properties of liquids based on shear viscosity and complex shear modulus. In the general case, the model reduces to finding a solution to the effect on the attenuation of acoustic waves of Newtonian fluids with only a viscous component [I.G. Mikhailov, S.B. Gurevich. Absorption of ultrasonic waves in liquids. Advances in Physical Sciences].

Разработанный способ относится к одному из разновидностей импульсного метода измерения вязкости и основан на измерении затухания серии эхо-импульсов крутильной волны, многократно переотраженной от торцов трубы.The developed method relates to one of the varieties of the pulsed viscosity measurement method and is based on measuring the attenuation of a series of echo pulses of a torsion wave repeatedly reflected from the ends of the pipe.

Расчет вязкости производится согласно модели, описанной в [О.В. Муравьева, С.В. Леньков, Ю.В. Мышкин. Факторы, влияющие на ослабление крутильных волн в трубах в условиях нагружения на контактные вязкоупругие среды // Дефектоскопия. - №9. - 2016. - С. 3-10], где вычисляются смещения в крутильной волне, распространяющейся вдоль бесконечной трубы. Смещения находятся по формуле:The calculation of viscosity is carried out according to the model described in [O.V. Muravyova, S.V. Lenkov, Yu.V. Myshkin. Factors affecting the attenuation of torsional waves in pipes under loading on contact viscoelastic media // Defectoscopy. - No. 9. - 2016. - S. 3-10], where displacements in a torsion wave propagating along an infinite tube are calculated. Displacements are found by the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где r, z, ω - координаты в цилиндрической системе координат,where r, z, ω are the coordinates in a cylindrical coordinate system,

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

k - параметр преобразования, J1(rβ1) - функция Бесселя первого рода первого порядка, Y1(rβ1) - функция Бесселя второго рода первого порядка,k is the transformation parameter, J 1 (rβ 1 ) is the first-order first-order Bessel function, Y 1 (rβ 1 ) is the second-order first-order Bessel function,

Figure 00000004
Figure 00000004

i - мнимая единица, Ф1*(k) - Фурье преобразование по z от функции ƒ1(z), ƒ1(z) - непрерывная функция, описывающая распределение напряжений по оси z, определенная при - ∞<z<∞, такая что

Figure 00000005
, а - внешний радиус трубы, b - внутренний радиус трубы, μn - модуль сдвига, ηn - динамическая вязкость, ρn - плотность среды, n=1, 2, 3 - индекс, относящиеся к трубе, внешней и внутренней средам соответственно, J2(rβn) - функция Бесселя первого рода второго порядка, Y2(rβn) - функция Бесселя второго рода второго порядка, K1(rβn) - модифицированная функция Бесселя второго рода первого порядка, K2(rβn) - модифицированная функция Бесселя второго рода второго порядка, ω -круговая частота,i is an imaginary unit, Ф 1 * (k) is the Fourier transform in z of the function ƒ 1 (z), ƒ 1 (z) is a continuous function describing the stress distribution along the z axis, defined for - ∞ <z <∞, such what
Figure 00000005
, a is the outer radius of the pipe, b is the inner radius of the pipe, μ n is the shear modulus, η n is the dynamic viscosity, ρ n is the density of the medium, n = 1, 2, 3 is the index related to the pipe, external and internal environments, respectively , J 2 (rβ n ) is the second-order Bessel function of the second order, Y 2 (rβ n ) is the second-order Bessel function of the second order, K 1 (rβ n ) is the modified second-order Bessel function of the first order, K 2 (rβ n ) is the modified second-order second-order Bessel function, ω is the circular frequency,

Figure 00000006
Figure 00000006

α12 и α13 - коэффициенты скольжения на границах трубы с внешней и внутренней средой соответственно.α 12 and α 13 - slip coefficients at the boundaries of the pipe with the external and internal environment, respectively.

Коэффициент скольжения позволяет описать «нежесткую» склейку двух тел и оценить отступление от условий «жесткого» контакта (α12,13=1), либо «скользящего» соединения (α12,13=0), приводящего к нарушению передачи упругих компонент смещений и напряжений через границу раздела сред [Аббакумов К.Е., Коновалов Р.С. Влияние нарушения акустического контакта на распространение волн Стоунли вблизи границы твердых полупространств // Дефектоскопия. - 2008. - №3. - С. 52-58]. Для жидких невязких и газообразных сред в случаях с крутильной волной данный коэффициент очень мал и обычно принимается равным нулю, поскольку крутильная волна имеет только поперечные горизонтально поляризованные смещения. Для жидких вязких, сыпучих и грунтовых сред значения коэффициента скольжения могут варьировать в пределах от 0 до 0,05 (например, для супеси - 0,018, глины - 0,032). Для твердых сред данный коэффициент изменяется в широких пределах от 0 до 1 (например, для битумной изоляции - 0,066, бетона - 0,203). При расчетах зависимостей для номограмм полагается, что коэффициент скольжения равен отношению акустических импедансов материала контактной среды и материала трубы, а площадь контакта описывается весовым коэффициентом при коэффициенте скольжения.The slip coefficient allows one to describe the “nonrigid” gluing of two bodies and evaluate the deviation from the conditions of “hard” contact (α 12.13 = 1), or of a “sliding” joint (α 12.13 = 0), which leads to a violation of the transmission of elastic components of displacements and stresses across the interface [Abbakumov KE, Konovalov RS Effect of disturbance of acoustic contact on the propagation of Stoneley waves near the boundary of solid half-spaces // Defectoscopy. - 2008. - No. 3. - S. 52-58]. For liquid inviscid and gaseous media in cases with a torsion wave, this coefficient is very small and is usually taken equal to zero, since the torsion wave has only transverse horizontally polarized displacements. For viscous, loose, and ground media, the values of the slip coefficient can vary from 0 to 0.05 (for example, for sandy loam - 0.018, clay - 0.032). For solid media, this coefficient varies widely from 0 to 1 (for example, for bitumen insulation - 0.066, concrete - 0.203). When calculating the dependences for nomograms, it is assumed that the slip coefficient is equal to the ratio of the acoustic impedances of the contact medium material and the pipe material, and the contact area is described by the weight coefficient at the slip coefficient.

Для реализации предложенного способа измерения вязкости была использована экспериментальная установка.To implement the proposed method for measuring viscosity, an experimental setup was used.

Устройство (фиг. 1) для измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред 1 содержит трубу 2, блок 3 электроакустических преобразователей, устанавливаемый вблизи торца трубы 2, блок 4 генератора и усилителя, системный блок персонального компьютера 5 с платой аналого-цифрового преобразования 6 для ввода акустических сигналов в компьютер 5. В качестве примера на фиг. 2 приведен блок электроакустических преобразователей 3, используемый в эксперименте и состоящий, из двух излучающих преобразователей 7 и одного принимающего преобразователя 8, которые устанавливаются на цилиндрическую поверхность трубы 2 вблизи ее торца. Большее количество преобразователей обеспечивают возбуждение и прием крутильных колебаний с меньшим по количеству и амплитуде посторонних мешающих типов колебаний. При этом конструкция с одним преобразователем обеспечивает простоту в изготовлении устройства с уменьшением ее стоимости.The device (Fig. 1) for measuring the viscoelastic properties of liquid and solid media 1 contains a pipe 2, a block 3 of electro-acoustic transducers installed near the end of the pipe 2, a block 4 of a generator and an amplifier, a system unit of a personal computer 5 with an analog-to-digital conversion board 6 for input acoustic signals to computer 5. As an example, in FIG. 2 shows the block of electro-acoustic transducers 3 used in the experiment and consisting of two emitting transducers 7 and one receiving transducer 8, which are installed on the cylindrical surface of the pipe 2 near its end. A larger number of transducers provide the excitation and reception of torsional vibrations with a smaller number and amplitude of extraneous interfering types of vibrations. Moreover, the design with one transducer provides simplicity in the manufacture of the device with a decrease in its cost.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. На цилиндрическую поверхность вблизи торца трубы 2 устанавливается блок электроакустических преобразователей 3 (фиг. 1). Электрический импульс с генератора 4 подается на блок 3 электроакустических преобразователей, где излучающие преобразователи 7 (фиг. 2) возбуждают крутильные колебания, которые создают крутильную волну, распространяющуюся вдоль трубы 2. Многократно переотраженный от торцов трубы 2, регистрируемый, по крайней мере, одним принимающим преобразователем 8 и преобразованный из акустического электрический сигнал усиливается в блоке 3 и поступает на плату аналого-цифрового преобразования 6 (фиг. 1), где обрабатывается и выводится на экран персонального компьютера 5. Излучение крутильной волны обеспечивается за счет ориентации преобразователей 7 на поверхности трубы 2, создающих касательные напряжения поперек оси трубы 2 в азимутальном направлении.The proposed device operates as follows. On the cylindrical surface near the end of the pipe 2, a block of electro-acoustic transducers 3 is installed (Fig. 1). An electric pulse from the generator 4 is fed to the block 3 of electro-acoustic transducers, where the emitting transducers 7 (Fig. 2) excite torsional vibrations that create a torsional wave propagating along the pipe 2. Repeatedly reflected from the ends of the pipe 2, recorded by at least one receiving transducer 8 and the electrical signal converted from the acoustic signal is amplified in block 3 and fed to the analog-to-digital conversion board 6 (Fig. 1), where personnel are processed and displayed computer 5. Radiation of a torsional wave is provided due to the orientation of the transducers 7 on the surface of the pipe 2, creating shear stresses across the axis of the pipe 2 in the azimuthal direction.

Результатом измерений являются осциллограммы серий эхо-импульсов многократных отражений акустической волны по длине трубы (фиг. 3). Каждый импульс на осциллограмме формируется в результате суперпозиции волн, излученных каждой точкой соприкосновения излучающих преобразователей с цилиндрической поверхностью трубы, отразившимися от противоположных торцов трубы и принятых этими же точками или точками соприкосновения принимающих преобразователей и далее многократно переотраженных. Положение n-го импульса на оси времени соответствует расстоянию, пройденному волной n раз по длине трубы. В случае нагружения трубы вязкоупругой средой (фиг. 4) растет затухание серии эхо-импульсов многократных отражений и уменьшается амплитуда акустических шумов.The measurement result is an oscillogram of a series of echo pulses of multiple reflections of an acoustic wave along the length of the pipe (Fig. 3). Each pulse on the waveform is formed as a result of a superposition of waves emitted by each point of contact of the emitting transducers with the cylindrical surface of the pipe, reflected from opposite ends of the pipe and received by the same points or contact points of the receiving transducers and then repeatedly reflected. The position of the nth pulse on the time axis corresponds to the distance traveled by the wave n times along the length of the pipe. In the case of loading the pipe with a viscoelastic medium (Fig. 4), the attenuation of a series of echo pulses of multiple reflections increases and the amplitude of the acoustic noise decreases.

С помощью полученных осциллограмм по известным формулам рассчитывается затухание волны с учетом потерь энергии акустической волны на переотражениях от торцов трубы и границе контакта с преобразователем [Муравьева О.В., Злобин Д.В. Акустический тракт метода многократных отражений при дефектоскопии линейно-протяженных объектов // Дефектоскопия. - 2013. - №2. - С. 43-51]:Using the obtained oscillograms, the attenuation of the wave is calculated using well-known formulas taking into account the energy losses of the acoustic wave due to reflections from the ends of the pipe and the boundary of contact with the transducer [Muravyova OV, Zlobin DV The acoustic path of the multiple reflection method for defectoscopy of linearly extended objects // Defectoscopy. - 2013. - No. 2. - S. 43-51]:

Figure 00000007
Figure 00000007

где Un - амплитуда эхо-импульса от торца объекта контроля на n-ом отражении, U0 - амплитуда зондирующего импульса, Re - коэффициент отражения на границе «труба - преобразователь», δ - коэффициент затухания акустической волны, xn=2⋅L⋅n+х0 - позиция n-ого отражения на шкале по расстоянию, 2⋅L⋅n - расстояние, проходимое акустической волной на n-ом отражении, x0 - позиция зондирующего импульса на шкале по расстоянию, L=C⋅t - длина объекта контроля, С - скорость распространения акустической волны, t - время прохождения акустической волной расстояния равного длине трубы.where U n is the amplitude of the echo pulse from the end face of the test object at the nth reflection, U 0 is the amplitude of the probe pulse, R e is the reflection coefficient at the “tube – transducer” interface, δ is the acoustic wave attenuation coefficient, x n = 2⋅ L⋅n + х 0 - position of the nth reflection on the scale by distance, 2⋅L⋅n - distance traveled by the acoustic wave on the nth reflection, x 0 - position of the probe pulse on the scale by distance, L = C⋅t is the length of the control object, C is the propagation velocity of the acoustic wave, t is the acoustic wave propagation time of a distance equal to the length of the pipe.

Из формулы (6) выражается коэффициент затухания:From the formula (6) the attenuation coefficient is expressed:

Figure 00000008
Figure 00000008

где Um - амплитуда эхо-импульса от торца объекта контроля на m-ом отражении, m - порядковый номер отражения такой, что m>n.where U m is the amplitude of the echo pulse from the end face of the test object at the mth reflection, m is the serial number of the reflection such that m> n.

Далее определяется основная частота эхо-импульсов крутильной волны, многократно отраженной от торцов трубы, с использованием инструментов программного обеспечения, либо с помощью разложения сигнала в спектр. Зная затухание волны, плотность среды и частоту импульса определяют вязкость жидких сред или модуль сдвига твердых сред. По известному модулю сдвига рассчитывается скорость поперечной волны по формуле:Next, the main frequency of the echo pulses of the torsion wave, repeatedly reflected from the ends of the pipe, is determined using software tools, or by decomposing the signal into a spectrum. Knowing the wave attenuation, the density of the medium and the pulse frequency determine the viscosity of liquid media or the shear modulus of solid media. According to the known shear modulus, the shear wave velocity is calculated by the formula:

Figure 00000009
Figure 00000009

где μ - модуль сдвига, ρ - плотность исследуемой среды.where μ is the shear modulus, ρ is the density of the medium under study.

Определение измеряемых величин (вязкости или модуля сдвига) производится по номограммам, типичный вид которых представлен на фиг. 5, 6. Например, в трубе диаметром 32 мм с толщиной стенки 4,3 мм и длиной 950 мм при нагружении ее песком на 80% площади поверхности и плотностью 1500 кг/м3 (фиг. 5) ослабление крутильной волны на частоте 25 кГц составляет 2 дБ/м, что соответствует значению модуля сдвига 1,3 ГПа, при этом скорость поперечной волны составит 930 м/с. При помещении трубы диаметром 2 мм с толщиной стенки 0,2 мм и длиной 250 мм в декстрин с плотностью 890 кг/м3 на 80% площади поверхности (фиг. 6) ослабление крутильной волны на частоте 100 кГц составит 20 дБ/м, что соответствует значению вязкости 1,3 Па⋅с.The determination of the measured values (viscosity or shear modulus) is made from nomograms, a typical view of which is presented in FIG. 5, 6. For example, in a pipe with a diameter of 32 mm and a wall thickness of 4.3 mm and a length of 950 mm when loading it with sand at 80% of the surface area and a density of 1500 kg / m 3 (Fig. 5) weakening the torsion wave at a frequency of 25 kHz is 2 dB / m, which corresponds to a shear modulus of 1.3 GPa, while the shear wave velocity will be 930 m / s. When placing a pipe with a diameter of 2 mm with a wall thickness of 0.2 mm and a length of 250 mm in dextrin with a density of 890 kg / m 3 for 80% of the surface area (Fig. 6), the attenuation of the torsion wave at a frequency of 100 kHz will be 20 dB / m, which corresponds to a viscosity value of 1.3 Pa · s.

Предлагаемый способ измерения может быть использован для измерения вязкоупругих свойств жидких, сыпучих, грунтовых и твердых сред в строительной, нефтегазовой, пищевой и транспортной промышленности.The proposed measurement method can be used to measure the viscoelastic properties of liquid, bulk, soil and solid media in the construction, oil and gas, food and transport industries.

Claims (13)

1. Способ измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред, включающий возбуждение крутильных колебаний в измерительном устройстве расположенными на его поверхности преобразователями, отличающийся тем, что возбуждение крутильных колебаний производят путем подачи импульсного сигнала на излучающие преобразователи, расположенные на поверхности измерительного устройства, геометрические параметры которого позволяют возбуждать в нем крутильные колебания, регистрируют сигнал принимающими преобразователями, определяют коэффициент затухания серии эхо-импульсов многократных отражений крутильных колебаний в ненагруженном и нагруженном исследуемой средой измерительном устройстве, вычисляют коэффициент затухания серии эхо-импульсов многократных отражений крутильных колебаний с учетом коэффициента отражения на границе «преобразователь - труба», а вязкость и модуль сдвига с учетом известной плотности исследуемой среды, вычисленного коэффициента затухания крутильных колебаний и основной частоты в спектре сигнала определяют по номограммам.1. The method of measuring the viscoelastic properties of liquid and solid media, including the excitation of torsional vibrations in the measuring device by transducers located on its surface, characterized in that the excitation of torsional vibrations is performed by applying a pulse signal to radiating transducers located on the surface of the measuring device, the geometric parameters of which allow excite torsional vibrations in it, register the signal with receiving transducers, determine the coefficient the attenuation of a series of echo pulses of multiple reflections of torsional vibrations in a measuring device not loaded and loaded with the medium studied, the attenuation coefficient of a series of echo pulses of multiple reflections of torsional vibrations is calculated taking into account the reflection coefficient at the "transducer - pipe" interface, and the viscosity and shear modulus taking into account the known density the medium under study, the calculated damping coefficient of torsional vibrations and the fundamental frequency in the spectrum of the signal is determined by nomograms. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве излучающего и принимающего используют один и тот же преобразователь.2. The method according to p. 1, characterized in that as the emitting and receiving use the same Converter. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве измерительного устройства используют трубу произвольного диаметра с произвольной толщиной стенки.3. The method according to p. 1, characterized in that as a measuring device using a pipe of arbitrary diameter with an arbitrary wall thickness. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагружение измеряемой средой осуществляют на любую площадь измерительного устройства.4. The method according to p. 1, characterized in that the loading of the measured medium is carried out on any area of the measuring device. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагружение измеряемой средой осуществляют с внешней и внутренней сторон измерительного устройства.5. The method according to p. 1, characterized in that the loading of the measured medium is carried out from the external and internal sides of the measuring device. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразователи устанавливают вблизи торца цилиндрического измерительного устройства.6. The method according to p. 1, characterized in that the transducers are installed near the end of the cylindrical measuring device. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что возбуждение крутильных колебаний производят путем подачи импульсного сигнала с различной основной частотой в спектре сигнала.7. The method according to p. 1, characterized in that the excitation of torsional vibrations is produced by applying a pulse signal with a different fundamental frequency in the spectrum of the signal. 8. Устройство для измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред, содержащее излучающие и принимающие преобразователи, расположенные на внешней поверхности измерительного устройства, вычислительное устройство и многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, входы которого соединены с принимающими преобразователями, отличающееся тем, что устройство снабжено блоком генератора и усилителя, блоком электроакустических преобразователей, состоящим из излучающих и принимающих преобразователей, причем излучающие преобразователи соединены с выходом генератора, а вычислительное устройство связано с блоком генератора и усилителя и многоканальным аналогово-цифровым преобразователем и измерительным устройством, геометрические параметры которого позволяют возбуждать в нем крутильные колебания и регистрировать серию эхо-импульсов многократных отражений.8. A device for measuring the viscoelastic properties of liquid and solid media, containing emitting and receiving transducers located on the outer surface of the measuring device, a computing device and a multi-channel analog-to-digital converter, the inputs of which are connected to the receiving transducers, characterized in that the device is equipped with a generator unit and amplifier, a block of electro-acoustic transducers, consisting of radiating and receiving transducers, moreover, radiating transducers and connected to the generator output, and a computing device connected to the generator unit and multi-channel amplifier and analog-to-digital converter and a measuring device, which allow the geometrical parameters excite torsional oscillations therein and record a series of pulse-echo multiple reflections. 9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что в качестве измерительного устройства используют трубу произвольного диаметра с произвольной толщиной стенки.9. The device according to p. 8, characterized in that as a measuring device using a pipe of arbitrary diameter with an arbitrary wall thickness. 10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что принимающий преобразователь соединен с аналого-цифровым преобразователем через усилитель сигнала.10. The device according to p. 8, characterized in that the receiving Converter is connected to an analog-to-digital Converter through a signal amplifier. 11. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что в качестве излучающего и принимающего преобразователя используется один и тот же преобразователь.11. The device according to p. 8, characterized in that the same transducer is used as the emitting and receiving transducer. 12. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что преобразователи равномерно распределены по периметру трубы.12. The device according to p. 8, characterized in that the transducers are evenly distributed around the perimeter of the pipe. 13. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что преобразователи расположены вблизи торца цилиндрического измерительного устройства.13. The device according to p. 8, characterized in that the transducers are located near the end of the cylindrical measuring device.
RU2017141517A 2017-11-28 2017-11-28 Method for determining the viscoelastic properties of liquid and solid media and the device for its implementation RU2661455C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017141517A RU2661455C1 (en) 2017-11-28 2017-11-28 Method for determining the viscoelastic properties of liquid and solid media and the device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017141517A RU2661455C1 (en) 2017-11-28 2017-11-28 Method for determining the viscoelastic properties of liquid and solid media and the device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2661455C1 true RU2661455C1 (en) 2018-07-16

Family

ID=62917289

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017141517A RU2661455C1 (en) 2017-11-28 2017-11-28 Method for determining the viscoelastic properties of liquid and solid media and the device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2661455C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109870389A (en) * 2019-04-12 2019-06-11 长春工程学院 Based on magnetostrictive displacement sensor irrigation water coefficient of viscosity detection device and method
CN113740434A (en) * 2021-09-23 2021-12-03 南京尚华电力科技有限公司 Method for detecting lead seal corrosion of high-voltage cable based on ultrasonic guided wave technology

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5301540A (en) * 1993-05-17 1994-04-12 Wlodzimierz Pilacinski Probe for measuring the viscosity of liquids
US5365778A (en) * 1994-01-28 1994-11-22 The University Of Chicago Method for measuring liquid viscosity and ultrasonic viscometer
RU2386948C2 (en) * 2008-04-07 2010-04-20 Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет-УПИ" Method for detection of attenuation decrement in contactless measurement of viscosity of high-temperature metal melts
RU96660U1 (en) * 2010-02-01 2010-08-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" DEVICE FOR STUDYING KINEMATIC MELT VISCOSITY
RU101192U1 (en) * 2010-08-16 2011-01-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" DEVICE FOR MEASURING KINEMATIC MELT VISCOSITY
RU2411500C1 (en) * 2009-11-16 2011-02-10 Шлюмберже Текнолоджи Б.В. Method of measurement of parametres of viscoelastic fluid mediums and device for its realisation

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5301540A (en) * 1993-05-17 1994-04-12 Wlodzimierz Pilacinski Probe for measuring the viscosity of liquids
US5365778A (en) * 1994-01-28 1994-11-22 The University Of Chicago Method for measuring liquid viscosity and ultrasonic viscometer
RU2386948C2 (en) * 2008-04-07 2010-04-20 Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет-УПИ" Method for detection of attenuation decrement in contactless measurement of viscosity of high-temperature metal melts
RU2411500C1 (en) * 2009-11-16 2011-02-10 Шлюмберже Текнолоджи Б.В. Method of measurement of parametres of viscoelastic fluid mediums and device for its realisation
RU96660U1 (en) * 2010-02-01 2010-08-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" DEVICE FOR STUDYING KINEMATIC MELT VISCOSITY
RU101192U1 (en) * 2010-08-16 2011-01-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" DEVICE FOR MEASURING KINEMATIC MELT VISCOSITY

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109870389A (en) * 2019-04-12 2019-06-11 长春工程学院 Based on magnetostrictive displacement sensor irrigation water coefficient of viscosity detection device and method
CN113740434A (en) * 2021-09-23 2021-12-03 南京尚华电力科技有限公司 Method for detecting lead seal corrosion of high-voltage cable based on ultrasonic guided wave technology

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6438957B2 (en) System and method for monitoring defects
Tang et al. Detecting localized plastic strain by a scanning collinear wave mixing method
US8820147B2 (en) Multiphase fluid characterization system
Ta et al. Identification and analysis of multimode guided waves in tibia cortical bone
Goujon et al. Behaviour of acoustic emission sensors using broadband calibration techniques
US20210293947A1 (en) Continuous wave ultrasound or acoustic non-destructive testing
RU2661455C1 (en) Method for determining the viscoelastic properties of liquid and solid media and the device for its implementation
Bakar et al. Ultrasonic guided wave measurement in a wooden rod using shear transducer arrays
Greenhall et al. Noninvasive acoustic measurements in cylindrical shell containers
Papadakis Absolute measurements of ultrasonic attenuation using damped nondestructive testing transducers
Pal Pulse-echo method cannot measure wave attenuation accurately
US20100305870A1 (en) Detection of gas voids in pipe using guided wave
Bjorndal et al. A novel approach to acoustic liquid density measurements using a buffer rod based measuring cell
Zhang et al. Parameter measurement of thin elastic layers using low-frequency multi-mode ultrasonic lamb waves
Chillara et al. A Physics-Based Signal Processing Approach for Noninvasive Ultrasonic Characterization of Multiphase Oil–Water–Gas Flows in a Pipe
Simonetti et al. Ultrasonic interferometry for the measurement of shear velocity and attenuation in viscoelastic solids
Vogelaar et al. Dispersion and attenuation by transmission, reflection, and mode conversion in welded pipes
Pal Fourier transform ultrasound spectroscopy for the determination of wave propagation parameters
Chati et al. Longitudinal mode L (0, 4) used for the determination of the deposit width on the wall of a pipe
US9518959B2 (en) Structural health monitoring system and method
Zhu et al. Stress evaluation using ultrasonic interference spectrum of leaky lamb waves
Royer et al. A liquid level sensor using the absorption of guided acoustic waves
RU2375682C1 (en) Ultrasonic flowmetre sensor
Chen et al. Parameter measurement of the cylindrically curved thin layer using low-frequency circumferential Lamb waves
Wang et al. Differentiate low impedance media in closed steel tank using ultrasonic wave tunneling