Выбор метода измерений

Быстрое распространение ультразвуковых методов связано с появлением новых средств излучения и приема акустических волн. Таким образом, обеспечивается возможность повышения мощности УЗ излучения и увеличение чувствительности при приеме слабых сигналов, а также расширение верхней границы диапазона излучаемых и принимаемых волн в область гиперзвуковых частот.

Для выбора метода измерения плотности сравним некоторые виды плотномеров, которые достаточно часто применяются в различных отраслях промышленности.

Как было сказано выше, в автоциркуляционном плотномере производится вычисление частоты ∆ƒ, как разности между частотой автоциркуляции и частотой опорных импульсов. В двухканальном исполнении такого плотномера увеличивается сложность исполнения, и как следствие снижается надежность, а также процесс измерения будет происходить с большим временем преобразования информативных величин.

Плотномер с акустическим фильтром сложен в реализации, как и интерферометрический, в котором использован эффект изменения спектра УЗ импульса при распространении его в контролируемой жидкости.

Если использовать импедансный плотномер, возникают трудности в определении зависимости импеданса и плотности вещества.

В связи с этим, наиболее приемлемым является использование косвенного метода, основанного на измерении времени распространения УЗ волн в контролируемой среде в зависимости от плотности среды. Этот метод прост в реализации, практически безинерционен, время распространения акустического сигнала мало, а также нет необходимости нарушения целостности сосудов с контролируемой жидкостью, что позволяет определять плотность жидкости практически в любом сосуде.

При измерении плотности биологических жидкостей применяется высокие частоты акустических колебаний (0,1–10 МГц). Для ввода акустических колебаний в сосуд и для приема их на выходе из сосуда необходим излучатель и приемник колебаний. С этой целью будем использовать раздельно-совмещенный преобразователь. Таким образом, часть сигнала, пройдя через контролируемую среду, будет отражаться от внутренней поверхности сосуда, и поступать на приемник. Этот способ позволит увеличить путь прохождения УЗ в среде в два раза и исключает необходимость точной юстировки пьезоэлементов.

При контроле чистых жидкостей (без твердых включений) целесообразно работать на высокой частоте и поэтому следует использовать тонкие пьезоэлектрические пластины.

Часто в УЗ устройствах применяют ударное возбуждение пьезоэлектрических преобразователей, которое вполне приемлемо для исследуемого устройства.

Исследование зависимости скорости звука от плотности исследуемой жидкости

В жидкостях звук распространяется в виде объемных волн разряжения-сжатия (продольные волны), причем процесс этот обычно адиабатический, т.е. изменение температуры в УЗ волне не успевает выравниваться.

Скорость распространения УЗ волн в жидкостях выражается следующим уравнением:

,

где: – коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости.

Следовательно, измеряя тем или иным способом скорость распространения УЗ волны в данной среде и считая коэффициент адиабатической сжимаемости постоянным, можно легко определить плотность среды. Однако коэффициент адиабатической сжимаемости достаточно сложно вычислить.

Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ волны по мере ее распространения в заданном направлении, т.е. затухание звука, обуславливается, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука, которое характеризуется коэффициентом поглощения .

Интенсивность УЗ при прохождении расстояния L убывает по экспоненциальному закону и описывается формулой, которая имеет следующий вид:

I = I ₀ ·exp(-2·α·L),

где: I ₀ – начальная интенсивность, Вт/м².

В жидкостях скорость звука, как правило, уменьшается с ростом температуры. Исключением из этого правила является вода, в которой скорость звука при увеличении температуры растет.

Имеется аналогия и в измерении плотности газообразных и твердых веществ. Плотность уменьшается с ростом температуры (вследствие температурного расширения и увеличивается с ростом давления). Исключение составляет вода – ее плотность имеет максимум при 4°С и уменьшается как с повышением, так и понижением температуры.

Время прохождения импульса определяется по следующим формулам:

∆t = T = 1/F _Г , (3.3)

где: F _Г =40 МГц – частота генератора.

t = N·∆t (3.4)

Общее время, которое понадобится УЗ импульсу для прохождения через сосуд, выражается следующей формулой:

t _общ = 2·( t _ж+ t _тр+ t _пр),

где: t _ж – время, затрачиваемое на прохождение УЗ импульса через жидкость; t _тр – время, затрачиваемое на прохождение УЗ импульса через стенку сосуда; t _пр – время, затрачиваемое на прохождение УЗ импульса через протектор.

Скорость распространения ультразвука в исследуемой среде будет определяться из выражения:

,

где L – расстояние между стенками сосуда.

В лабораторной работе проводится определение плотности растворов состоящих из:

• воды и этилового спирта;

• воды и сахара;

• воды и поваренной соли.