Реферат ультразвуковой вискозиметр

3. Практическая часть

Задачей данной работы является повышение точности оперативного контроля вязкости жидких сред, повышение надежности работы и уменьшение габаритов устройства.

Задача решается за счет того, что предлагаемый способ оперативного контроля вязкости жидких сред, включающий погружение магнитострикционного элемента в контролируемую жидкую среду, создание в зоне размещения магнитострикционного элемента постоянного подмагничивающего поля и переменного магнитного поля, возбуждающего продольные колебания магнитострикционного элемента, отключение переменного магнитного поля, определение резонансной частоты сигнала, генерированного в катушке магнитострикционным элементом, вычисление вязкости жидкой среды, дополнен новой совокупностью операций, которая заключается в том, что осуществляют контроль температуры магнитострикционного элемента и проводят компенсацию температурной зависимости частоты собственных колебаний магнитострикционного элемента перед вычислением вязкости жидкой среды.
Для осуществления предложенного способа предлагается устройство, включающее датчик, в корпусе которого установлены магнитострикционный элемент, закрепленный в его узловой точке, и электромагнитная катушка, витки которой охватывают магнитострикционный элемент, и электронный блок, соединенный электрическим кабелем с датчиком, согласно изобретению в корпусе дополнительно вмонтирован измеритель температуры, а магнитострикционный элемент закреплен в корпусе датчика через демпфирующий узел, при этом корпус имеет отверстия для протекания жидкой среды к измерителю температуры и магнитострикционному элементу, причем электромагнитная катушка намотана на внешней поверхности корпуса симметрично относительно концов магнитострикционного элемента.
Для защиты магнитострикционного элемента от механического повреждения и повышения надежности работы устройства на погружаемом в жидкую среду торце корпуса установлена защитная сетка.
Причем предпочтительное расположение электромагнитной катушки в кольцевой канавке внешней поверхности корпуса, охватывающей магнитострикционный элемент в его центральной части, позволяет зафиксировать положение витков катушки, что повышает надежность конструкции устройства.
При этом магнитострикционный элемент выполнен из относительно дешевого аморфного металлического сплава, в частности из аморфного металлического стекла Metglas 2826 MB состава , который имеет высокий коэффициент магнитомеханической связи (эффективность преобразования магнитной энергии в упругую) - 0,98, в то время как наиболее широко используемые никелевые магнитострикционные сплавы имеют коэффициент около 0,4. Использование такого материала позволяет уменьшить размер электромагнитной катушки, а, следовательно, и устройства в целом [7].
Указанная новая совокупность операций и последовательность их выполнения, а также дополнительные конструктивные элементы, методы закрепления конструктивных элементов, их взаимное расположение и материал, из которого изготовлены детали устройства, позволяют повысить точность оперативного контроля вязкости жидких сред, повысить надежность работы устройства и уменьшить его габариты.
На рисунке 8 приведена конструкция, встроенного в бак с жидкой средой, предлагаемого устройства для осуществления предложенного способа оперативного контроля вязкости жидких сред.
Основные узлы устройства, реализующего способ оперативного контроля вязкости жидких сред, показаны на рисунке 8.

Рисунок 8 - Ультразвуковой вискозиметр.

Устройство состоит из датчика 1 и электронного блока 2. Датчик с помощью резьбового соединения 9 и уплотнительного кольца 8 устанавливается в бак с контролируемой жидкостью или в трубу, по которой прокачивается жидкость. Датчик содержит корпус 3, в котором закреплен через демпфирующий узел 5 магнитострикционный элемент 4 в его узловой точке.

Магнитострикционный элемент представляет собой тонкую пластинку размером 37 мм × 6 мм × 0,03 мм, выполненную из аморфного металлического стекла Metglas 2826 MB.
На внешней поверхности корпуса 3 (в кольцевой канавке, охватывающей магнитострикционный элемент в его центральной части) намотана электромагнитная катушка 6 симметрично относительно концов магнитострикционного элемента 4, при этом витки катушки охватывают магнитострикционный элемент.
В корпусе 3 также вмонтирован измеритель температуры 7 на расстоянии h=1 мм (не более 3 мм) от магнитострикционного элемента 4. Измеритель температуры представляет собой термометр сопротивления, в частности термометр платиновый (тип MR518G, фирмы Heraeus) с диаметром 1,8 мм и длиной 5 мм, который обеспечивает точность измерения .
Корпус имеет отверстия для протекания жидкой среды к измерителю температуры 7 и магнитострикционному элементу 4. Торец корпуса закрыт защитной сеткой 13. Датчик 1 соединен с электронным блоком 2 электрическим кабелем 10.
Последовательность выполнения операций измерения вязкости поясняется на рисунке 9.



Рисунок 9 - Последовательность выполнения операций измерения вязкости.

(А) - датчик 1 с помощью резьбового соединения 9 и уплотнительного кольца 8 устанавливается в бак с контролируемой жидкостью или в трубу, по которой прокачивается жидкость.

Жидкость через отверстия в корпусе 3 заполняет его внутреннюю полость, в которой размещены измеритель температуры 7 и магнитострикционный элемент 4.
(Б) - через витки электромагнитной катушки 6 пропускается постоянный ток, создающий постоянное магнитное поле, которое подмагничивает магнитострикционный элемента 4, создавая условия эффективной работы магнитострикционный элемента, т.е. максимального значения магнитострикции насыщения.
Одновременно через витки катушки 6 пропускается переменный ток с начальной частотой , который создает переменное магнитное поле, возбуждающее продольные упругие колебания магнитострикционного элемента 4.
Значение начальной частоты выбирается таким образом, чтобы при измерении максимального значения из диапазона контролируемой вязкости длина магнитострикционного элемента соответствовала длине возбуждаемой стоячей волны. При этом реализуется крепление магнитострикционного элемента в его узловой точке в корпусе 3 через демпфирующий узел 5.
(В) - отключается переменный ток, а магнитострикционный элемент 4 продолжает колебаться на собственной частоте, зависящей от вязкости жидкой среды, в которую помещен магнитострикционный элемент. Упругие колебания магнитострикционного элемента 4 генерируют в катушке 6 переменный ток, частота которого определяется частотой колебаний элемента 4.
(Г) - для определения частоты изменяется частота возбуждающего переменного тока в диапазоне ( определяется минимальным значением измеряемой вязкости ), и регистрируется частота , на которой наблюдается резонанс, т.е. совпадение .
(Д) - вычисление акустической вязкости u (произведение динамической вязкости на плотность жидкой среды), по формуле:

где B - постоянная, определяемая свойствами магнитострикционного элемента;

Зная плотность жидкости, вычисляется кинематическая v и динамическая вязкость, согласно формулам:

(Е) - на дисплей электронного блока выводится вязкость жидкой среды.

Резонансная частота определяется по максимальной потребляемой мощности при работе под нагрузкой при неизменном значении выходного напряжения генератора. Применение цифровых частотомеров наиболее рационально. Они существенно упрощают процесс определения частоты и обмера резонансных кривых колебательной системы, поскольку дают непосредственное и точное значение частоты на световом цифровом индикаторе.
Ее необходимо определять при постоянном значении напряжения или тока на преобразователе по максимуму активной мощности.
Рассмотрим уход резонансной частоты преобразователя при введении ультразвука в расплавы металлов.
Концентраторы рассчитывают на резонансную частоту магнитострикционного преобразователя, измеренную опытным путем.
Смещение резонансной частоты преобразователя существенным образом зависит от толщины и материала переходного слоя. Подобные зависимости удобно использовать для оценки эффективной толщины переходного слоя по измеренному значению резонансной частоты. Нами была подтверждена возможность контроля эффективной толщины переходного слоя по частотному положению максимума первого отраженного эха при работе в импульсном режиме.
Следует, однако, отметить, что реальная резонансная частота преобразователя оказывается несколько ниже. Объясняется это тем, что в накладках возникают не только продольные, но и поперечные колебания, что соответствует изменению скорости продольной волны. Поэтому при расчете размеров преобразователей резонансные частоты следует несколько завышать, а именно на 5% для частот до 25 кГц и на 10% для частот от 25 до 50 кГц.
При изменении уровня изменяется длина линии, что ведет к изменению резонансной частоты преобразователя. Например, при заполнении преобразователя уменьшается его длина и увеличивается резонансная частота. Эта зависимость является нелинейной.
В этом случае расчет преобразователя упрощается, так как отсутствует сдвиг резонансной частоты преобразователя относительно частоты возбуждающего генератора.
Для увеличения мощности сигнала датчик выполняется резонансным. При достаточных размерах датчика сигнал, снимаемый с него, может быть увеличен настолько, что отпадает необходимость применения каскада предварительного усиления и могут быть использованы генераторы с самовозбуждением.
Резонансные частоты преобразователей находятся в пределах 5 - 30 МГц
В схемах автоматического поиска резонанса применяются генераторы с качающейся частотой, в которых последняя фиксируется в момент совпадения с резонансной частотой преобразователя. В качестве сигнала при этом используется сдвиг фаз на электрической стороне или сигнал, полученный путем измерения амплитуды смещения преобразователя.
Эти схемы работоспособны, но достаточно сложны, так как требуют введения целого ряда дополнительных элементов для выделения сигнала и его усиления.
Указанные соотношения между электрическими и механическими физическими величинами можно сравнительно просто использовать в случае статического или квазистатического режима работы, когда частота колебаний существенно меньше низшей резонансной частоты преобразователя / 0 и, следовательно, неоднородностью электрического и упругого полей в колеблющемся элементе можно пренебречь.
Желательно, особенно в электроакустических системах с острым резонансом, иметь большую стабильность или высокую точность слежения частоты, так как чем ближе частота генератора к резонансной частоте преобразователя, тем больше амплитуда механических колебаний и, следовательно, выше акустическая мощность.
Роль передающего тракта понятна: она состоит в ударном возбуждении преобразователя - обычно скачком напряжения с достаточно крутым фронтом, чтобы большая часть энергии попадала в полосу резонансных частот преобразователя.
Автоподстройка частоты должна обеспечивать поддержание максимального значения амплитуды колебаний рабочей поверхности преобразователя, или, точнее, колебательной скорости, за счет автоматического сближения частоты генератора с резонансной частотой преобразователя.
Режим работы ультразвуковых технологических устройств определяется частотой колебаний, размерами и конфигурацией излучающей поверхности и амплитудой смещения рабочей поверхности излучателя. Знание величины амплитуды смещения позволяет производить расчеты звукового давления, удельной мощности излучения и является показателем, с помощью которого можно определять резонансную частоту преобразователя и настраивать его на резонанс.
Чтобы обеспечить нормальную работу установки, в ряде случаев требуется система, автоматически подстраивающая частоту, генерируемую ультразвуковым генератором, к изменяющейся резонансной частоте преобразователя.
Удачный выбор схемы автоматической подстройки частоты зависит от того, насколько правильно выбран параметр, изменение которого соответствует изменению резонансной частоты преобразователя.
В качестве таких параметров можно использовать ток и напряжение преобразователя, максимальные и минимальные значения которых близки к резонансной частоте преобразователя. Пригодны и неэлектрические параметры, например смещение, скорость и ускорение свободного конца преобразователя или присоединенного к нему волновода [6,7].