автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование и разработка методов и средств контроля вязкости и плотности жидких сред с применением ультразвуковых нормальных волн

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ВЯЗКОСТИ И ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ НОРМАЛЬНЫХ ВОЛН

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой

степени доктора технических наук £ ^ ¿¡)'|5

Москва-2015

005562445

005562445

Работа выполнена в ООО Научно-Промышленная Компания «ЛУЧ», г. Москва

Научный консультант

Бобров Владимир Тимофеевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты

Щербинский Виктор Григорьевич

доктор технических наук, профессор, Научный руководитель ИНМИМ ГНЦ РФ АО «НПО «ЦНИИТМАШ», Заслуженный деятель науки РФ

Бабаджанов Леои Сергеевич

доктор технических наук, профессор. Главный научный сотрудник отдела №203 ФГУП «ВНИИМС»

Сазонов Юрий Иванович

доктор физико-математических наук, профессор, Профессор кафедры «Теплофизические приборы и аппараты» МГУПИ

Ведущая организация

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Защита состоится «03» февраля 2016 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 520.010.01 ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр» по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачёва, 35, строение 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР»

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, про

Н.Р. Кузелев

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность темы

Безопасность жизнедеятельности человека в современном индустриальном обществе в значительной степени зависит от качества функционирования в большинстве отраслей промышленности сложных технологических объектов: машин, механизмов, транспортных средств, работа которых сопряжена с использованием жидких сред. К ним, прежде всего, относятся технологические жидкости (топливо, смазочные материалы, различные масла, растворители и т.д.), качество которых характеризуется широкой номенклатурой параметров. Поскольку от состояния этих жидкостей зависит надежная работа машин и механизмов и, в первую очередь, обеспечение безопасной жизнедеятельности людей, их параметры подлежат контролю.

Состояние жидкой среды оценивается путем сравнения ее текущих физических, химических и других параметров с их заданными значениями. Несмотря на наличие разнообразных методов измерения этих параметров, требование сохранения работоспособности и метрологических характеристик средств измерений при их использовании непосредственно в технологическом процессе существенно сужает круг типов первичных преобразователей из-за необходимости выполнять автоматические измерения в условиях высоких температур, агрессивности и/или токсичности объектов контроля.

В частности, при эксплуатации атомных электростанций (при контроле жидких отходов), в военной и гражданской авиации и автомобильном транспорте (при контроле топлива и смазочных материалов), в пищевой промышленности (при контроле молока, сиропов и других жидкостей) применяют широкий комплекс методов и средств контроля вязкости и плотности жидких сред. К ним относятся различные виды вискозиметров (капиллярные, ротационные и вибрационные) и плотномеров (поплавковые, массовые, гидростатические и вибрационные, радиационные и ультразвуковые).

Капиллярные вискозиметры используются давно, и практически все численные значения вязкости, приводимые в справочниках, получены с их помощью. Однако их применение для автоматических измерений вязкости непосредственно в технологическом процессе сталкивается с большими трудностями в связи с громоздкостью вискозиметров и оборудования для заполнения их жидкостью и для мойки.

В ротационных вискозиметрах вращающаяся в жидкости система сильно усложняет конструкцию и требует специальных мер уплотнения места ввода оси с закрепленным телом.

Вибрационные вискозиметры отличаются простотой конструкции, что делает их удобным инструментом для выполнения автоматических измерений непосредственно в процессе производства. Однако к настоящему времени нашли ограниченное практическое применение только низкочастотные вибрационные вискозиметры (несколько десятков герц), что снижает точность и разрешающую способность измерений.

Измерение плотности осуществляется как для идентификации жидкостей, так и для целей контроля качества и управления технологическими процессами, а также для выполнения операций учета количества сырья, топлива, реагентов и готовой продукции.

Поплавковые, массовые и гидростатические плотномеры просты в эксплуатации, но практически не поддаются автоматизации.

Действие радиоизотопных плотномеров основано на определении ослабления пучка излучения в результате его поглощения или рассеяния слоем жидкости, которое связано с плотностью среды. Их достоинством является отсутствие контакта с исследуемой жидкостью, а недостатком - необходимость защиты персонала.

Как показывает многолетний опыт, во многих отраслях промышленности применение ультразвуковых преобразователей в качестве первичных датчиков контроля качества технических жидкостей оказывается достаточно эффективным. Физической основой промышленного применения ультразвуковых методов для измерения характеристик жидких

сред является функциональная зависимость параметров ультразвуковых волн, распространяющиеся в жидкостях (скорость распространения, коэффициент затухания, продольный и сдвиговый акустические импедансы), от свойств жидкости. В настоящее время применяются в основном измерения скорости звука. Технические сложности измерений сдвиговой вязкости и плотности с помощью существующих ультразвуковых методов вызваны очень малыми численными значениями сдвиговых и продольных импедансов жидкости по сравнению с твердыми телами, что приводит к большим погрешностям измерений.

При этом автоматические ультразвуковые измерения наиболее востребованных параметров жидкости - сдвиговой вязкости и плотности - связаны с решением целого ряда физико-технических проблем из-за того, что все параметры, характеризующие ультразвуковые волны в жидкости, зависят не от одной характеристики жидкости, а от нескольких.

Поэтому решение проблемы нахождения значений сдвиговой вязкости и плотности жидкости относится к многопараметровым, а автоматические приборы, предназначенные для измерения параметров жидкости, должны быть многоканальными. При этом выдвигаются дополнительные требования к электронной и акустической совместимости каждого канала. Кроме того, для успешного практического внедрения эти приборы должны обеспечивать измерения вязкости и плотности с погрешностями, не превышающими погрешности измерения этих параметров традиционными методами. Как будет показано ниже, весьма перспективным направлением ее решения является применение ультразвуковых нормальных волн. Для реализации этого направления автоматических измерений параметров технологических жидкостей непосредственно в производственном процессе и оценки их качества на основе ультразвуковых измерений необходим комплекс теоретических и экспериментальных исследований связи между вязкостью и плотностью жидкости и измеряемыми параметрами поверхностных и нормальных волн в тонких пластинах, исследование и разработка специальных конструкций волноводов для ультразвуковых вискозиметров и плотномеров с целью их оптимизации в зависимости от условий применения, исследование метрологических характеристик ультразвуковых вискозиметров и плотномеров.

Поэтому проблема исследования и разработки методов и средств контроля вязкости и плотности жидких сред с применением ультразвуковых нормальных волн является актуальной.

В диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора, выполненных в ООО Научно-промышленная компания «ЛУЧ» с 2005 г. по настоящее время.

1.2 Цель диссертационной работы

Целью настоящей диссертационной работы является решение проблемы повышения достоверности, разрешающей способности и точности автоматизированного контроля параметров жидких сред, обеспечивающего безаварийную эксплуатацию сложных технологических систем, машин, механизмов и транспортных средств, и безопасность людей.

1.3 Основные задачи диссертационной работы

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретически исследовать влияние вязкости жидкости на скорость и затухание поверхностной волны, распространяющейся вдоль границы твердое тело - вязкая жидкость;

- теоретически исследовать распространение нулевых мод симметричных и антисимметричных волн Лэмба и нулевых симметричных мод горизонтально поляризованных нормальных волн (ГПНВ) в тонкой пластине, погруженной в вязкую жидкость; получить и проверить экспериментально теоретические соотношения, связывающие коэффициенты затухания и скорости распространения этих волн со сдвиговой вязкостью и плотностью вязкой жидкости;

- разработать методики автоматических измерений коэффициента затухания и скорости распространения нулевых мод нормальных волн в тонких пластинах, погруженных в исследуемую жидкость;

- разработать алгоритмы вычислений сдвиговой вязкости и плотности для ньютоновских и неньютоновских жидкостей на основе измерений параметров нормальных волн;

- получить теоретические соотношения и рассчитать механические напряжения в произвольной точке на поверхности пластины и усредненные по длине приемника нормальных волн с учетом дифракционных явлений в случае возбуждения волн механическими напряжениями, пространственное распределение которых зависит от координат;

- теоретически и экспериментально исследовать особенности формирования и распространения волн Лэмба и ГПНВ в тонких пластинах в зависимости от способов их возбуждения и геометрии пластин;

- разработать концепцию построения, алгоритмы функционирования приборов для автоматических измерений вязкости и плотности жидкости (вископлотномеров), их акустического и электронного тракта;

- разработать основы метрологического обеспечения вископлотномеров;

- исследовать возможности ультразвуковых вископлотномеров при автоматизированных измерениях вязкости и плотности различных технологических жидкостей при вариации их параметров в широких пределах.

1.4 Научная новизна

1. Теоретически исследовано влияние вязкости жидкости на скорость и затухание поверхностной волны, распространяющейся вдоль границы твердое тело - вязкая жидкость.

2. Разработана теория распространения нулевых мод симметричных и антисимметричных волн Лэмба и нулевых симметричных мод ГПНВ в тонкой пластине, погруженной в вязкую жидкость; получены и подтверждены экспериментально теоретические соотношения, связывающие коэффициенты затухания и скорости распространения этих волн со сдвиговой вязкостью и плотностью вязкой жидкости.

3. Разработаны методики автоматических измерений коэффициента затухания и скорости распространения нулевых мод нормальных волн в тонких пластинах, погруженных в исследуемую жидкость.

4. Разработаны алгоритмы вычислений сдвиговой вязкости и плотности для ньютоновских и неньютоновских жидкостей на основе измерений параметров нормальных волн.

5. Получены теоретические соотношения и рассчитаны механические напряжения в произвольной точке на поверхности пластины и усредненные по длине приемника нормальных волн с учетом дифракционных явлений в случае возбуждения волн механическими напряжениями, пространственное распределение которых зависит от координат.

6. Теоретически и экспериментально исследованы особенности формирования и распространения волн Лэмба и ГПНВ в тонких пластинах в зависимости от способов их возбуждения и геометрии пластин.

7. Разработана новая методика экспериментального определения размеров пространственной области формирования волн Лэмба и ГПНВ в тонких пластинах.

8. Разработана концепция построения, алгоритмы функционирования приборов для автоматических измерений вязкости и плотности жидкости, их акустического и электронного тракта, и создан новый тип измерительных приборов - ультразвуковой вископлотномер.

9. Разработаны основы метрологического обеспечения вископлотномеров.

10. Исследованы возможности ультразвуковых вископлотномеров при автоматизированных измерениях вязкости и плотности различных технологических жидкостей при вариации их параметров в широких пределах.

1.5 Теоретическая и практическая значимость

Результаты теоретических исследований обеспечили углубление понимания природы взаимодействия с жидкостью ультразвуковых волн, распространяющихся вдоль границы или вблизи границы твердого тела, граничащей с этой жидкостью. В пионерских работах советских ученых И.А. Викторова и Л.Г. Меркулова, рассматривавших влияние контакта с жидкостью на распространяющиеся поверхностные волны и волны Лэмба, жидкость считалась идеальной, т.е.

5

принималось, что она обладает плотностью, но ее вязкость полагалась равной нулю. В настоящей работе расчеты параметров волны, взаимодействующей с жидкостью, — ее скорость и коэффициент затухания - выполнены для реальной жидкости, т.е. с учетом, как плотности, так и сдвиговой вязкости. Показано, что для волн Лэмба в очень вязких жидкостях влияние обоих параметров становится соизмеримым. В работе впервые рассмотрено не изучавшееся ранее взаимодействие с жидкостью нормальных симметричных и антисимметричных волн в тонких пластинах, погруженных жидкость, и получены формулы, связывающие коэффициент затухания волны с вязкостью и плотностью этой жидкости. Для проверки полученных формул расчета параметров жидкостей был разработан ряд новых экспериментальных методик, часть которых защищена патентами РФ.

Практическая значимость проведенных теоретических и экспериментальных исследований, в первую очередь, заключается в том, что они создают физико-техническую базу для разработки нового типа автоматических ультразвуковых измерителей плотности и вязкости (в дальнейшем вископлотномеры), обладающих высокими чувствительностью и точностью измерений (отношение изменений измеряемого параметра к изменению вязкости или плотности на 1...2 порядка выше по сравнению с другими ультразвуковыми измерителями плотности и вязкости жидкостей).

В работе теоретически обоснована и разработана простая и недорогая экспериментальная методика определения характера распространяющейся волны, основанная на теории взаимодействия нормальных волн с ньютоновскими жидкостями, реализована возможность измерения комплекса параметров жидкости (сдвиговая и объемная вязкости, плотность и сжимаемость) с использованием единого электронно-акустического блока, что существенно расширяет диагностические возможности контроля состояния жидкостей, упрощает и удешевляет его процесс.

В диссертации разработана концепция построения нового типа приборов для одновременного автоматического измерения вязкости и плотности жидкостей — ультразвукового вископлотномера. Разработаны и внедрены схемы аналоговых и цифровых блоков ультразвуковых вископлотномеров и дефектоскопов. На базе унифицированных узлов и блоков разработано и выпускается семейство ультразвуковых приборов - вископлотномер УВП-70, многоканальный дефектоскоп ПЕЛЕНГ-415 и модернизированный дефектоскоп УД2-70. Разработан блок контроля концентрации магнитной суспензии для установки магнитопорошкового контроля МДС-09.

1.6 Методология и методы исследования

Методологической основой исследований является совокупность теоретического анализа физических процессов, имеющих место при работе высокочастотного ультразвукового вископлотномера, измерений параметров жидкостей с помощью последнего и сравнение качественных и количественных результатов теории и эксперимента.

Теоретическое исследование физических процессов базировалось на теориях упругости, распространения волн, гидродинамики жидкостей, а также на известных реологических моделях течения жидкостей. Математическое моделирование проводилось на базе средств вычислительной техники с использованием математических пакетов МаЛСас! и Ма1ЬЬаЬ.

Метрологическое обеспечение базировалось на государственных и международных стандартах и нормативных документах, регламентирующих параметры специализированных пьезоэлектрических преобразователей, электронной аппаратуры, в качестве эталонов использовались государственные стандартные образцы вязкости. Измерения проводились с помощью цифровых осциллографов и ультразвуковых приборов, поверенных в установленном порядке.

Обработка результатов измерений велась статистическими методами с использованием средств вычислительной техники в соответствии с действующей в РФ нормативной базой.

Выводы и оценки, следующие из проведенного в работе теоретического рассмотрения, сравнивались с результатами экспериментов и сопоставительных испытаний.

1.7 Положения, выносимые на защиту:

- теория распространения нулевых мод симметричных и антисимметричных волн Лэмба и нулевых симметричных мод ГПНВ в тонкой пластине, погруженной в вязкую жидкость; теоретические соотношения, связывающие коэффициенты затухания и скорости распространения этих волн со сдвиговой вязкостью и плотностью вязкой жидкости;

- методики ультразвуковых измерений параметров жидкостей с применением нормальных волн, экспериментальные исследования и сравнение их результатов с выводами разработанной теории;

- алгоритмы вычислений сдвиговой вязкости и плотности для ньютоновских и неньютоновских жидкостей на основе измерений параметров нормальных волн;

- теоретический анализ механических напряжений в произвольной точке на поверхности пластины и усредненных по длине приемника нормальных волн с учетом дифракционных явлений в случае возбуждения волн напряжениями, пространственное распределение которых зависит от координат;

- результаты теоретического и экспериментального исследования особенностей формирования и распространения волн Лэмба и ГПНВ в тонких пластинах в зависимости от способов возбуждения волн и геометрии пластин; новая методика экспериментального определения размеров пространственной области формирования волн Лэмба и ГПНВ в тонких пластинах;

- концепция построения, алгоритмы функционирования приборов для автоматических измерений вязкости и плотности жидкости, их акустического и электронного тракта;

- исследование особенностей метрологических характеристик и метрологического обеспечения ультразвуковых вископлотномеров;

- результаты систематических измерений вязкости и плотности различных технологических жидкостей при вариации их параметров в широких пределах, демонстрирующих возможности ультразвуковых вископлотномеров.

1.8 Степень достоверности результатов работы

Достоверность результатов исследований, представленных в работе, подтверждается сравнением численных значений плотности и вязкости, измеренных вископлотномером в лабораторных условиях, с результатами измерений плотности и вязкости аттестованными приборами - плотномерами и капиллярными вискозиметрами. Такое сравнение является интегральным критерием достоверности полученных в работе результатов, так как включает в себя как достоверность измерений электрических величин, несущих информацию о параметрах жидкостей, так и достоверность принятых по результатам экспериментов моделей акустического тракта прибора.

Различия численных значений обоих параметров жидкостей, найденных в этих экспериментах, не превышало 3...5% для ньютоновских жидкостей. При специальных методах калибровки вископлотномера удается реализовать сопоставимые точности измерений и для неньютоновских жидкостей.

1.9 Личный вклад

Личный вклад автора состоит в выборе научно-технического направления работы, постановке задач исследования, анализе литературных источников, развитии теории и проведении экспериментов, интерпретации полученных результатов; разработке теории распространения нулевых мод симметричных и антисимметричных волн Лэмба и нулевых симметричных мод ГПНВ в тонкой пластине, погруженной в вязкую жидкость; разработке методик автоматических измерений коэффициента затухания и скорости распространения нулевых мод нормальных волн в тонких пластинах, погруженных в исследуемую жидкость; разработке методик расчета сдвиговой вязкости и плотности жидкостей из акустических измерений; разработке концепции построения и алгоритмов функционирования ультразвуковых вископлотномеров. В реализации программы исследований, обработке результатов экспериментов, обсуждении результатов и разработке оборудования принимали участие М. Б. Гитис, П. А. Шарин.

1.10 Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на XIX Всероссийской Конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (НК и ТД) (Самара, 2011); XVIII Всемирной конференции по НК (Южная Африка, Дурбан, 2012); XX Всероссийской научно-технической конференции по НК и ТД (Москва, 2014); Х1-ой Европейской конференции по НК (Чехия, Прага, 2014); Всероссийском форуме «Территория Ы1>Т — 2015» (Москва, 2015).

По материалам диссертации опубликовано 35 печатных работ, в том числе 1 монография, 13 статей в изданиях из списка ВАК (журналы «Акустический журнал», «Дефектоскопия», «Журнал технической физики», «Контроль. Диагностика», «Молочная промышленность»). На технические решения, реализованные в разработанных ультразвуковых вископлотномерах и дефектоскопах, получены 2 авторских свидетельства СССР, 3 патента РФ на изобретение и 4 патента РФ на полезную модель.

1.11 Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 6-и глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 171 наименование, и приложения.

Объем работы составляет 263 страницы, включая 24 таблицы и 98 иллюстраций.

2 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи исследований, отражена научная новизна и показана практическая ценность работы.

В первой главе проведен обзор современного состояния теоретических и экспериментальных исследований в области разработки принципов и средств автоматических измерений сдвиговой вязкости и плотности жидкостей с необходимой для практического применения точностью.

Рассмотрены особенности вязкостных свойств жидкостей различной природы, которые оказывают существенное влияние на выбор методов и разработку средств их измерения (вискозиметров).

Основное внимание уделяется анализу физических процессов, положенных в основу разнообразных вискозиметров. Действующая в настоящее время классификация базируется на ГОСТ 29226-91 «Вискозиметры жидкостей. Общие технические требования и методы испытаний». В нем предусмотрена классификация вискозиметров по назначению, по режиму работы и по принципу действия.

Отмечается, что, несмотря на разнообразие приборов для измерения сдвиговой вязкости, принципиально они основываются на том, что на какой-либо поверхности, разделяющей исследуемую жидкость и твердое тело, должно быть создано известное/измеряемое сдвиговое напряжение, и затем измерена либо скорость сдвиговой деформации жидкости, либо другая характеристика возникшего движения жидкости, позволяющая вычислить градиент скорости деформации.

Показано, что в вискозиметрах используется один из следующих видов относительного механического движения; поступательное, вращательное либо колебательное движение. К вискозиметрам, использующим относительное поступательное движение, относятся капиллярные и шариковые вискозиметры. Относительное вращательное движение соприкасающихся поверхностей твердого тела и жидкостей используется в широко применяемых ротационных вискозиметрах. В колебательных вискозиметрах характерным признаком является наличие колебательного движения граничащей с жидкостью поверхности твердого тела.

Приведено краткое описание принципов функционирования наиболее типичных представителей каждой из перечисленных выше трех групп вискозиметров и сопоставительный анализ их параметров. В качестве критериев сравнения различных типов вискозиметров были выбраны их чувствительность и точность измерений вязкости;

пригодность для проведения автоматических измерений вязкости, а также возможность и трудоемкость дополнения измерения вязкости измерениями плотности жидкости. Введение последнего критерия связано с тем, что в различных технических приложениях необходимо знание либо непосредственно сдвиговой вязкости, либо кинематической вязкости. Перечисленные критерии позволяют достаточно хорошо оценить пригодность разработанных к настоящему времени вискозиметров для решения поставленных задач.

Сравнительный анализ показал, что наиболее удовлетворяющими перечисленным критериям являются колебательные вискозиметры. В них использование того или другого способа создания колебательного движения на границе твердого тела с жидкостью позволяет перекрыть частотный диапазон от десятков герц до десятков мегагерц.

Приводится краткий литературный обзор методов и приборов для измерения плотности жидкости. Наиболее широко применяются методы, в которых для измерений плотности жидкости измеряют массу жидкости при заранее известном объеме. В другой группе методов для нахождения плотности измеряют тот или другой физический параметр жидкости, функционально связанный с плотностью.

Плотномеры по своему принципу действия подразделяются на поплавковые, массовые, гидростатические, вибрационные (ультразвуковые) и радиоактивные. Особый интерес в качестве перспективного направления разработки автоматических измерителей плотности представляют ультразвуковые плотномеры. Описанные в литературе технические решения направлены на повышение чувствительности и точности измерений. Все эти решения используют измерения продольного импеданса жидкостей и скорости распространения в них продольных волн с\. Как правило, в таких измерениях не удается реализовать высокую точность измерений плотности жидкости вследствие существенного различия продольного импеданса жидкостей и твердых тел.

Дан анализ перспективных направлений дальнейших разработок средств и методов контроля состояния жидкостей в технологическом процессе, предусматривающем одновременные высокоточные автоматические измерения сдвиговой вязкости, плотности, сжимаемости и объемной вязкости жидкости. Отмечено, что весьма перспективным направлением решения этой задачи является применение нормальных волн.

За последние несколько десятилетий появилось много работ, посвященных исследованию нормальных волн - условий их возбуждения, распространения и взаимодействия с жидкими средами. Это работы советских и российских ученых Л.М. Бреховских, И. А. Викторова, Л.Г. Меркулова, И.Н. Ермолова, В.Г. Щербинского, М Б. Гитиса, В.Т. Боброва и др., а также зарубежных ученых - ХУ.Р.Мэбоп, Н.1Мс5к1гшп, М.11е(1\уоо(1,1Ь.Ко5е, А.БсЬосЬ и др.

Так как ультразвуковые методы принципиально наиболее пригодны для автоматизации, в настоящей диссертации была поставлена и решена задача разработки необходимых физико-технических основ проектирования и оптимизации ультразвуковых приборов для совместных измерений с более высокой точностью сдвиговой вязкости и плотности жидкостей, а также включающая разработку теории ультразвуковых измерений с применением нормальных волн, ее экспериментальную проверку, разработку технологии и изготовление таких приборов, их опробование для измерения свойств и оценки состояния различных технологических жидкостей.

Во второй главе диссертации теоретически и экспериментально исследовано влияние контакта с жидкостью на распространение поверхностных и нормальных волн.

Исследовано изменение параметров поверхностной волны, симметричной и антисимметричной волн Лэмба и ГПНВ, распространяющихся либо в твердом теле вдоль границы с вязкой жидкостью, либо в пластине, погруженной в вязкую жидкость.

Влияние жидкости на параметры поверхностной волны проанализировано качественно, так как ее применение для практических измерений оказалось затруднительным.

Получены аналитические выражения для изменений коэффициента затухания и скорости симметричных и антисимметричных волн Лэмба и ГПНВ, распространяющихся в пластине, погруженной в вязкую жидкость, по сравнению со свободной пластиной. Как следует из

9

2 - г ЛА/

) 1 ) 2С< . у

X )

численных оценок, вследствие влияния жидкости коэффициент затухания заметно возрастает для всех мод, а скорость их распространения изменяется незначительно (доли процента).

Показано, что в случае волн Лэмба для измерения параметров жидкостей очевидными преимуществами перед другими модами обладает нулевая симметричная мода колебаний, возбуждаемая в тонкой длинной пластине, погруженной в жидкость. Во-первых, в тонких пластинах, когда выполняется условие к" <1 < 1 - толщина пластины, к*- волновой вектор сдвиговой волны в пластине), нулевая мода симметричной волны Лэмба практически не обладает частотной дисперсией. Скорость её распространения значительно отличается как от скорости продольной, так и сдвиговой волн, что позволяет легко отделять её при приеме от сопутствующих волн. Большая скорость распространения нулевой моды Лэмба также упрощает выбор призмы по сравнению с другими модами, когда для возбуждения и приема волны Лэмба применяется наклонный преобразователь.

Изменение коэффициента затухания нулевой симметричной моды волны Лэмба, распространяющейся в тонкой пластине (рисунок 1), при погружении последней в вязкую жидкость описывается соотношением

, ^ (к-г

л

ЛА/

Рис. 1. К расчету параметров распространения волны Лэмба 1 - твердое тело, 2 - жидкость.

(а1мтЬ )л*ог ~ {'

*Г((/02+(02) . к»

4 (СЛО^С»/с,*)'-«

((/»1)2+(02)2 . 1

]+

(1)

2 2(3(/?:,)2-«.)2)

]}/

г].

(С)2 (С)2(^:-)2+(02)

Здесь г,1 = р'с', - импеданс жвдкости для продольных волн, =^]тр1г15/2 - импеданс пластины для сдвиговых волн, = -(к*)2 , = ^¡(Р,^)1 ~(к" )\

=ш!с\, к* =а/с*, к*=а/с* - волновые числа продольной волны в жидкости, продольной и сдвиговой волн в пластине, - волновое число симметричной волны Лэмба в пластине, нагруженной жидкостью, р1 - плотность жидкости, р* - плотность пластины, а -круговая частота ультразвука, индекс «"» означает, что численные значения параметров берутся для свободной пластины.

Получены соотношения, описывающие влияние контакта с жидкостью на параметры антисимметричных мод волн Лэмба, для случая распространения нулевой антисимметричной моды в тонкой пластине.

Выполненные численные оценки показывают, что антисимметричные волны затухают значительно сильнее, чем симметричные - )Лпг * 10 • Расчет абсолютных

значений их коэффициентов затухания дает на частоте 2.5 МГц значение («¿2» )Лга. = 0.2 дБ/см для алюминиевого волновода толщиной 0.2 мм, погруженного в воду, в то время как =2.3 дБ/см. Рассчитанные и экспериментальные значения относительных

2 у 2. и

1 1 х 24

изменений скорости распространения обоих типов волн при погружении волновода в воду малы и составляют = (5... 10)10"1.

Другим типом нормальных волн, возможности которых для измерения параметров жидкостей рассмотрены в работе, являются ГПНВ, распространяющиеся в тонкой плоскопараллельной пластине, погруженной в жидкость. Эти волны имеют только одну компоненту смещений, лежащую в плоскости поверхности пластины вдоль оси у (рисунок 2). При распространении такой волны поверхность пластины приходит в движение относительно жидкости таким образом, что в результате при наличии вязкости возникают касательные механические напряжения, что ведет к поглощению энергии волны.

Пусть нулевая мода ГПНВ распространяется в свободной или в погруженной идеальную жидкость тонкой пластине (к" с1 <<\) с амплитудой Аш объемной сдвиговой волны с*

, о

(2)

Тогда дополнительный коэффициент затухания нулевой моды ГПНВ, обязанный сдвиговой вязкости жидкости описывается формулой (малым параметром разложения являлось отношение сдвиговых импедансов жидкости и волновода):

4, «„ (3)

Рис. 2. К расчету параметров распространен»! ГПНВ

1 - твердое тело, 2 - жидкость.

в направлении оси х со скоростью

^(-¡¡гХ-й)/).

с.

8 с!со г:

и г: 4<1 г"

Для большинства практически интересных задач в обоих разложениях (3) можно ограничиваться первым приближением по 2% 12*, если исследуются маловязкие жидкости. Например, для алюминиевой пластины, погруженной в воду, отношение импедансов на частоте 1 МГц равно я 10"'. Отсюда также видно, что предлагаемое применение нулевой моды ГПНВ для измерений параметров жидкостей позволяет при неизменном электронном тракте повысить точность измерений сдвиговых импедансов жидкости (соответственно, параметров жидкостей) на несколько порядков.

Показано что, если сдвиговый импеданс жидкости рассчитывается из относительного изменения амплитуды сдвиговой волны Л/)5 I А*, падающей нормально на границу раздела полубезграничное твердое тело - жидкость и зеркально отраженной к источнику, то

аг\ * " 21 •

В то же время изменение амплитуды нулевой моды ГПНВ, прошедшей в пластине толщиной 2ё, погруженной в жидкость на глубину / и отраженной зеркально к источнику, в том же приближении равно

л™ ~ а

что, например, для пластины толщиной 2(1 = 0.2 мм и длине погруженной в жидкость части 2/ =50 мм, дает увеличение чувствительности измерений изменений амплитуды по сравнению с объемной волной в 125 раз.

Полученные в работе теоретические соотношения были проверены экспериментально. В качестве объекта исследования были выбраны растворы глицерина и глюкозы в воде, так как

для численных значений плотностей и вязкостей обоих растворов при различных концентрациях имеются подробные таблицы. Эти растворы давали возможность варьировать вязкость и плотность в широких пределах.

Для экспериментальной проверки теории, учитывающей влияние сдвиговой вязкости и плотности жидкости на коэффициент затухания и скорость распространения нормальных волн, была разработана специальная методика измерений, реализация которой схематично представлена на рисунке 3. Нормальные волны возбуждались и принимались в волноводе 2 наклонными

пьезопреобразователями 1, углы призмы которых выбирались для оптимального возбуждения либо волны Лэмба, либо ГПНВ. При этом для возбуждения/приема волны Лэмба к призме преобразователя приклеивалась Х-пьезо пластина

(пьезопластина с толщинной поляризацией) на частоту 2.5 МГц, а для возбуждения/приема ГПНВ - Y-пьезопластины (пьезопластина со сдвиговой поляризацией) на частоты 1, 1.7 и 2.5 МГц. Волновод представлял собой алюминиевую пластину толщиной 0.2 мм, шириной 30 мм и длиной 250 мм. Процедура измерений состояла в следующем. Сосуд 3, заполняемый исследуемой жидкостью, и волновод 2, закреплённый в штативе 5, помещались на измерительный стол 6. Между основанием штатива и столом находился набор мерных плиток 4. Такая конструкция давала возможность, изменяя количество плиток, с высокой точностью (±20 мкм) менять длину области контакта волны с жидкостью.

На каждой частоте измерения изменений времени распространения и амплитуды волны за счет контакта с жидкостью проводились на двух глубинах погружения. Из измерений изменений времени распространения волны и амплитуды эхо-сигналов рассчитывались изменения скорости и коэффициента затухания волны. Главное достоинство этой методики состоит в практическом отсутствии необходимости учета дифракционных явлений, дающих обычно главный вклад в систематические погрешности измерений амплитуд. Обусловлено это тем, что геометрическая длина пути, проходимая эхо-сигналами во всех измерениях -постоянная, и влияние жидкости на скорость нормальной волны пренебрежимо мало.

Результаты, полученные при измерениях на нулевой моде симметричной волны Лэмба в водных растворах глицерина, представлены в правом столбце таблицы 1.

_Таблица 1

р^, г/см' cf, мм/мке ./ 1. , WW Р С, / р Cs rod -I «Zt.CM «iLr. см-1 «схр.СМ"'

0.9982 1.488 0.178 0.110 0.008 0.125

1.022 1.532 0.188 0.116 0.009 0.122

1.047 1.578 0.197 0.120 0.010 0.130

1.073 1.625 0.209 0.130 0.010 0.145

1.099 1.676 0.220 0.135 0.016 0.173

1.126 1.724 0.232 0.140 0.020 0.183

1.154 1.776 0.245 0.150 0.030 0.195

1.181 1.825 0.257 0.160 0.040 0.230

1.209 1.878 0.271 0.170 0.070 0.267

1.235 1.924 0.283 0.180 0.140 0.302

1.261 1.973 0.297 0.190 0.350 0.605

Теоретические значения влияния жидкости на коэффициент затухания волны Лэмба рассчитывались по формуле (1) и представлены в 4 и 5 столбцах таблицы 1.

Рис. 3. Схема установки 1 - преобразователь, 2 — волновод, 3 - сосуд с жадкостъю, 4 - набор мерных плкток, 5 - штатив, б — измерительный стол.

Из таблицы видно, что в соответствии с теорией дополнительные потери упругой энергии волны Лэмба, обязанные контакту поверхности пластины с жидкостью, связаны с двумя различными механизмами. Одна часть упругой энергии волны Лэмба излучается в окружающую пластину жидкость в виде продольной волны. Поэтому дополнительный коэффициент затухания - первое слагаемое в формуле (1) - пропорционален продольному импедансу жидкости. Это слагаемое представлено в таблице в четвертом столбце - а^ ■ Излучение продольной волны обуславливается нормальной к поверхности пластины компонентой смещения в волне.

Другая часть упругой энергии волны Лэмба теряется из-за наличия компоненты смещения, направленной вдоль волнового вектора волны Лэмба. Колебания поверхности в этом направлении вызывают вязкие волны и, соответственно, потери из-за трения поверхности о жидкость. Этот дополнительный вклад в коэффициент затухания волны пропорционален сдвиговому импедансу жидкости и описывается вторым и третьим слагаемыми формулы (1). Он представлен в таблице в пятом столбце - аЦ1т.

Наличие двух различных механизмов затухания волны Лэмба вследствие влияния жидкости хорошо видно на экспериментальной зависимости изменения ее скорости распространения при изменении концентрации глицерина, представленной на рисунке 4. В соответствии с предсказаниями теории для идеальной жидкости скорость волны Лэмба в пластине, погруженной в жидкость, увеличивается с ростом продольного импеданса жидкости. Затем, вследствие влияния вязкости (слагаемые в квадратных скобках в формуле (1)) скорость распространения с ростом вязкости уменьшается. Суммарным влиянием обоих процессов и объясняется ход экспериментальной кривой на рисунке 4 и порядок величин изменений скорости волны Лэмба.

Эксперименты, проведенные на ГПНВ для маловязких жидкостях (где повышение точности измерений наиболее существенно) показали хорошее соответствие теории эксперименту и по частотным зависимостям коэффициента затухания ГПНВ, и по его зависимостям от параметра ^р'г1! Кроме того, было отмечено хорошее согласие рассчитанных из ультразвуковых

измерений значений ^ рьг]5 со значениями, рассчитанными из справочных данных для плотности и сдвиговой вязкости. Это демонстрируется кривыми на рисунке 5.

Однако в проведенных экспериментах обнаружено, что, хотя в соответствии с теорией кривая зависимости от р'чб должна проходить через начало координат,

экспериментальные зависимости лучше аппроксимируются функцией вида

...... У^у

100 Содержание глицерина, %

Рис. 4. Зависимость изменения скорости волны Лэмба от концентрации глицерина

(«»Г

гЛр'си'

Рассмотрены причины этого отклонения от теории.

В жидкостях с большой сдвиговой вязкостью согласие между рассчитанными по формуле (3) значениями и справочными данными для сдвиговой вязкости ухудшается. Причиной такого результата является неадекватность описания свойств сильновязких жидкостей моделью Ньютона, которая применялась при выводе соотношения (3). В этих случаях рекомендована

калибровка измерительного устройства, процедура и эффективность которой рассмотрены для различных технологических жидкостей в последующих главах.

1-1.0 МГц, 2 - 1.7 МГц, 3-2.5 МГц.

Рис. 5. Зависимость роста коэффициента затухания ГПНВ от X = V/ VP '7ll ( р 0 и Г]£ - плотность и сдвиговая вязкость дистиллированной воды)

В третьей главе рассмотрено формирование нулевых мод симметричной волны Лэмба и ГПНВ в случае, когда они возбуждаются в тонкой пластине наклонным преобразователем, так как именно такая ситуация наиболее существенна для построения ультразвуковых вископлотномеров.

В случае тонких пластин (kl^^d «1, k"sd<< 1, Kjs " волновые числа нулевой

моды волны Лэмба/ГПНВ и продольной / сдвиговой волны в волноводе) оценки акустического поля и его характеристик были выполнены в рамках разработанной модели, полагающей, что нулевые моды волны Лэмба и ГПНВ формируются в непосредственной близости от наклонного преобразователя и что их распространение в таком волноводе может рассматриваться, как двумерное.

Случай пространственного формирования этих волн в тонких пластинах изучался экспериментально, для чего была разработана специальная методика измерений.

Принятая модель расчета акустического поля, формируемого нулевой модой волны Лэмба в тонких пластинах, обосновывается двумя обстоятельствами.

Если падающий на пластину ультразвуковой пучок с характерным поперечным размером а , таким, что kjfa» 1, разложить в ряд по плоским волнам, то его угловой спектр Ф(/?) оказывается достаточно узким (k*'sd - волновой вектор продольной или сдвиговой волны в призме пьезопреобразователя):

_ sin[(^g)(sin /?-sin p,s)] nk]"sda(sin jS -sin /}, s)

где pls- выбранный угол падения пучка продольной/сдвиговой волны, необходимый для возбуждения нулевой моды волны Лэмба, /? - угол падения одной из плоских волн разложения пучка.

Также, если выполняется условие k"Lambd«1, kfsd«1. то тот факт, что углы падения возникающих плоских волн мало отличаются от /?JS, позволяет из геометрических соображений считать разность фаз Ав между двумя волнами, одна из которых имеет некоторый угол падения /3, а другая ¡}, s малым, если толщина пластины мала:

1г"' к"'

___*чз

Д л , . , IX

-]

е,)

2 г 2

где (9, - угол преломления соответствующей объемной волны, с! - толщина пластины. Аналогичные оценки справедливы и для ГПНВ.

В рамках двумерной модели реальный излучатель/приемник нормальной волны может быть заменен линейным источником протяженностью а (рисунок 6).

Волновое уравнение решено в виде двумерного разложения по плоским волнам

ег(х,у) = )П(ку)ехрН(д*,(к,)-уАку)Щу,

к: +к~ = к

Рис. 6. Схема замены наклонного преобразователя нормальной волны линейным источником 1 - пьезопластина, 2 - призма,

3 - поверхность волновода, а - ширина линейного источника. А - произвольная точка наблюдения.

где кх и ку - проекции волнового вектора излученной волны к на направления осей х и у; бг(0,() описывает распределение механических напряжений вдоль линейного источника, которое было принято в виде <тДО,£) = тсоэ(/</;,), ¡1 введено для обозначения координаты у вдоль этой излучающей линии, ул - координата точки наблюдения, ¿4 - параметр, характеризующий неоднородность распределения механических напряжений, т - произвольная константа.

В окончательном виде механическое напряжение в некоторой точке (х, уА) волновода задается соотношением

, /иехр(-/£х+я74), . .,лу, л2х ^.„\х,ка .у.к л... 4 ак 2к{.а,,у V лк 2х х ак

1Ы 2х К д: (¡„ 2к(^У

Уж 2х х а.

. Гх~, ка .у,к л',,,, , ., лу. лгх .-..„[х^ .у,к л... V лк 2х х <4 2к(аь) Vж 2х х ак

I—(-—-(^

як 2х

ак 2к(с1„)

V лк 2х х а,,

(4)

„. I х , ка ,у,к я.,,,. техЫ-Иа+я/Л). , .лу. л х у ж 2х х аи 4 ал

(С(...), 8(...) - интегралы Френеля).

Численные расчеты показывают, что даже для не сильно выраженных неоднородностей в распределении механических напряжений амплитуда акустического поля наклонного преобразователя может существенно отличаться от однородного случая. В частности, это имеет место для точек пространства на оси и вблизи оси преобразователя в некоторой переходной области расстояний х,„ определяемых условием ка/2х1г, кул/хп < Величина Хпеаг =ка2/4ж, как и в случае объемных волн, может быть названа границей ближней зоны, поскольку при х>х„саг осцилляции в зависимостях акустических параметров от расстояния прекращаются.

Кроме того, как видно из формулы г=0.31

(4), хотя ч/г(х.ул)-*0 при х—>со, закон спада функции у/г. определяющей зависимость от расстояния механического напряжения, при больших значениях х оказывается зависимым от параметра,

характеризующего степень

неоднородности распределения

механических напряжений - у=а/^1,. При этом влияние даже небольших отклонений от равномерности распределения механических

напряжений оказывается достаточно г=0 6

существенным. Так, при у =0.16 уменьшение амплитуды

механических напряжений у края пьезоэлемента составляет ~ 10+15%, а при у =0.25 - соответственно ~25%.

Неравномерное распределение механических напряжений вдоль линейного источника волн влияет и на зависимости поля от поперечной координаты. Это иллюстрируется зависимостями у/,(/)), где р = 2у!а, рассчитанными для трех значений расстояний г = -¡[х^Тх и

представленными на рисунке 7.

Как видно из представленных графиков, наиболее сильно влияние качества склеивания преобразователя проявляется для значений |/?|<2, т.е. в пределах первого лепестка диаграммы направленности. С ростом расстояния это влияние уменьшается и в дальней зоне практически отсутствует.

Аналогичным образом может быть проанализировано влияние

технологических ошибок склеивания, которые ведут к уменьшению амплитуды механических

напряжений в центре по сравнению с

ее значениями у краев пьезоэлемента. В этом случае распределение амплитуд может быть аппроксимировано выражением

<т\ = /и(1-£С08(я-£/</,,)), £<1,

т-о —у-0.25;

Ш I | п

а

-Ла

0 5 1

Рис. 7. Влияние пространственного распределения напряжений на излучателе на зависимость его поля от поперечной координаты при г=сопл1

£ - константа, характеризующая неоднородность поляризации пьезоэлемента.

Амплитуда электрического отклика линейного однородного приемника (теневое прозвучивание) рассчитывалась как величина, пропорциональная усредненному по длине линейного однородного приемника механическому напряжению а(х,уА):

_ | Ь, 12

Ь, - длина линейного однородного приемника.

Вычисляя возникающие при усреднении интегралы вида ^р"С(р)ф и ^р"В(р)<1р последовательным интегрированием по частям и ограничиваясь первым приближением, для а(х) было получено следующее выражение (и=Ь,!а):

- = т ехр(-¡кх + х14+л2х/2к(с1к)2)

где /4(х) = [(А, + Л2)-1(Л, + Д,)], А1 =/[С(г),5(г)], где С(г),5(г) - интегралы Френеля.

Так как величина ц(х) является комплексной, в работе были рассчитаны зависимости и а^[/1(1/г)] для различных пространственных распределений механического напряжения на излучателе, а также различных соотношений геометрических размеров излучателя и приемника. Оказалось, что влияние неоднородного распределения механического напряжения на амплитуду отклика в случае усреднения по длине приемника заметно меньше, чем в случае точечного приемника. Наличие неравномерности распределения механических напряжений по поверхности излучателя не меняет характера рассмотренных зависимостей, однако вносит количественные изменения. Наиболее отчетливо это проявляется в области расстояний от преобразователя, составляющих несколько ближних зон, как в случае точечного, так и протяженного приемников.

Рассчитанные зависимости ширины основного максимума ультразвукового пучка, излученного однородным двумерным преобразователем, от пройденного волной пути, близки к аналогичным зависимостям для плоского преобразователя объемных волн, совершающего поршневые колебания, но уменьшение амплитуды волны вдали от преобразователя в двумерном случае происходит медленнее, чем в трехмерном. Амплитуда волны с ростом расстояния уменьшается к (1 /г) = ^х/хп,аг.

Как показывают расчеты (рисунок 7), существенной особенностью акустического поля двумерного ультразвукового пучка является большой уровень боковых лепестков. Так, высота второго максимума диаграммы направленности составляет 75% от высоты основного. Это обстоятельство оказывает существенное влияние на конструкцию волновода и алгоритм расчета параметров жидкостей из измеряемых коэффициентов затухания нормальных волн, так как с целью повышения точности измерений длину волновода желательно выбирать достаточно большой. Однако при большом пути распространения ультразвуковой пучок может стать настолько широким, что его размеры в поперечном направлении оказываются соизмеримыми с поперечными размерами волновода и последние начинают оказывать влияние на параметры распространяющейся волны.

Для исследования зависимостей изменения акустического поля нулевых мод симметричных волн Лэмба и ГПНВ от длины пройденного в пластине пути при постоянной ширине пластины была разработана следующая методика. В качестве волноводов были выбраны алюминиевые пластины толщиной 0.2 мм, длиной 500 мм и шириной 30 мм. К каждой пластине приклеивался наклонный преобразователь, возбуждавший соответствующую нормальную волну. Частота для волны Лэмба была 2.5 МГц и для ГПНВ - 1.7 МГц, что обеспечивало близкие значения и к*н<] . Все расстояния измерялись от среза призмы преобразователя до торца волновода.

Длина волновода последовательно укорачивалась с шагом 5 мм. При каждой текущей длине пластины измерялись время прихода и амплитуда эхо - сигнала А°" волны Лэмба или

ГПНВ, отраженного от противоположного преобразователю торца пластины, когда она находилась в воздухе. В результате были рассчитаны зависимости скорости распространения волн от длины волновода, и построена зависимость . Для обоих типов волн в пределах

погрешности измерений («(2...4)-1(Г5) зависимости скоростей распространения от длины волновода обнаружено не было, что, вероятно, свидетельствует, что при всех длинах волновода характер колебаний в распространяющейся волне не изменяется.

На зависимостях А°,г([.г), которые для обоих исследованных типов волн оказались весьма близкими, обнаружено три характерные области. В первой области (для ГПНВ до расстояния 60...70 мм, а для волны Лэмба до расстояний 90... 100 мм от передних граней призм) амплитуда эхо-сигналов уменьшается, качественно следуя поведению, предсказываемому изложенной выше дифракционной теорией для очень тонких волноводов. Во второй области (от конца первой области до 210 мм) амплитуда обоих типов волн практически остается постоянной, испытывая осцилляции. Для ГПНВ наблюдается заметная осцилляция амплитуды при расстоянии .г а (5... 6) -.„га,, а для волны Лэмба при х~Х1хто. Начало этой области примерно соответствует длине волновода, при которой ширина ультразвукового пучка становится примерно равной ширине волновода. Для третьей области характерно некоторое уменьшение амплитуды обеих исследованных волн в диапазоне расстояний 200...500 мм. Это уменьшение носит монотонный характер и по порядку величины соответствует поглощению ультразвука в алюминии. Такая зависимость амплитуды может указывать на то, что распространение волны на больших расстояниях от источника (третья область) носит выраженный волноводный характер.

Разработанная теория вычисления параметров ньютоновских жидкостей из измерений с применением нормальных волн построена для идеализированного акустического тракта. Пластина предполагалась бесконечно широкой и очень тонкой, а нормальная волна считалась сформированной сразу за срезом призмы. Для экспериментального определения пространственной протяженности области формирования нормальной волны из падающей на волновод объемной волны была разработана принципиально новая методика. Она включает последовательное погружение части волновода в ньютоновскую жидкость и измерение значений дополнительных коэффициентов затухания нормальной волны в функции от глубины погружения. Затем эти значения сравниваются друг с другом и с теоретическими величинами, рассчитанными по формулам для нормальных волн, используя справочные данные для вязкости и плотности жидкости. Длину пути, пройденного волной, начиная с которой измеренные значения дополнительных коэффициентов затухания волны отличаются друг от друга и от теоретических значений в пределах погрешности измерений, предложено считать началом области сформированной нормальной волны.

Для нахождения коэффициента затухания обеих волн после каждого укорачивания пластины и измерения амплитуд эхо-сигналов в воздухе А°" пластина погружалась поочередно в жидкость на некоторую глубину пц, и измерялись времена прихода и амплитуды Л,''' эхо -сигналов каждой из волн. Дополнительный коэффициент затухания волны вычислялся по формуле

1 А"1 (а^ьлн), = -— 1п -¡—.

2т. А?

На рисунке 8 приведены результаты измерений а(Ц) для ГПНВ при погружении волновода в жидкости с различными сдвиговыми вязкостями.

Кривая 1 представляет собой зависимость вклада в коэффициент затухания волны из-за контакта пластины с дистиллированной водой, а кривая 2 - увеличение по сравнению с водой коэффициента затухания волны при погружении волновода в 80%-й водный раствор глицерина. Как видно из графика, по мере приближения к преобразователю, начиная с

расстояний = 8 . 9 см до среза призмы, оба коэффициента затухания начинают уменьшаться. Для области расстояний, в которой а для ГПНВ не зависит от расстояния, была рассчитана вязкость в соответствии с изложенной выше теорией для ГПНВ. Оказалось, что рассчитанная таким образом вязкость дистиллированной воды и 80% водного раствора глицерина в пределах ошибок измерений согласуются д у

со справочными данными. Таким # ____- ^

образом, можно считать п й экспериментально доказанным, что при расстояниях,

превышающих 90... 100 мм, на частоте 1.7 МГц ГПНВ уже сформировалась.

Для изучения влияния ширины пластины на амплитуды информативных эхо-сигналов нормальных волн была разработана и реализована

другая методика. Исследования проводились на двух пластинах длиной 250 мм, шириной 60 мм и толщиной 0.2 мм. К одной из них приклеивался наклонный преобразователь, возбуждавший и принимавший в ней нулевую моду волны Лэмба на частоте 1.7 МГц, а к другой - наклонный преобразователь, возбуждавший и принимавший в ней нулевую моду ГПНВ на частоте 1.0 МГц. Затем вдоль всей длины пластины отрезалась полоска шириной 2.5 мм поочередно с каждой стороны.. Таким образом, амплитуды принимаемых эхо-импульсов при прочих равных условиях могут различаться до 6 дБ в зависимости от ширины пластины, что необходимо учитывать при разработке акустического тракта приборов (рисунок 9). При этом немонотонность зависимости амплитуд эхо-сигналов от ширины в случае ГПНВ проявляется сильнее.

5 10 15 20 £,мм

Рис. 8. Зависимость коэффициента затухания ГПНВ от длины волновода

1,0-•

0,5-•

А, отн.ед.

а

1,0--

0,5-■

—1—

30

—(— 40

—1—

50

60 Ь, мм

А, отн. ед.

20

30 40 50 60

а) нулевая мода волны Лэмба, б) нулевая мода ГПНВ.

Рис. 9. Зависимости амплитуды эхо - сигналов от ширины пластины

Ь, мм

Дополнительно для исследования влияния ширины пластины на коэффициент затухания нормальных волн, т.е. на численные значения измеряемых параметров жидкости, проведены эксперименты на алюминиевых пластинах толщиной 0.2 мм, длиной 250 мм, и шириной 30, 25 и 20 мм. Схема эксперимента изображена на рисунке 3. Использовались дистиллированная вода и водные растворы глицерина (10% и 60%). Такая постановка эксперимента обеспечивала условия, когда измерялся коэффициент затухания именно нормальной волны, так как область взаимодействия волны с жидкостью находилась на расстоянии, на котором нулевая мода волны Лэмба и ГПНВ уже сформировались. Эксперименты показали, что в пределах погрешности измерений вариация ширины пластин в диапазоне 30 ..20 мм для всех участвовавших жидкостей не оказывает влияния на измеряемую величину изменений за счет контакта с жидкостью коэффициента затухания нулевой моды как волны Лэмба, так и ГПНВ.

Исследовано влияние толщины пластины на формирование и распространение волны Лэмба и ГПНВ. С целью сравнения протяженности областей формирования нулевой моды

волны Лэмба и ГПНВ были исследованы две пластины одной длины - 250 мм, толщинами - 0.2 и 0.5мм. Как и в предыдущих экспериментах, каждая пластина погружалась сначала на 3...5 мм, а затем на 80...100 мм. В обоих случаях измерялись амплитуды эхо-сигналов, а затем рассчитывался дополнительный коэффициент затухания, обязанный влиянию жидкости

По сравнению с пластиной толщиной 0.2 мм, в пластине толщиной 0.5 мм измеренные дополнительные по сравнению со свободной пластиной коэффициенты затухания нулевых мод волны Лэмба и ГПНВ обладали целым рядом отличий. Во-первых, здесь наблюдалось существенное различие (20% и более) измеренных и рассчитанных из справочных данных для сдвиговой вязкости и плотности значений коэффициентов затухания волны. Во-вторых, наблюдались отклонения экспериментальных зависимостей Даж(л/р1'г\3 ) от

предсказываемой теорией пропорциональности (а$н к ^р^щ ). В-третьих, измеренные значения коэффициентов затухания оказываются различными в зависимости от длины контакта обеих нормальных волн с жидкостью (глубины погружения пластины. Полученные результаты, свидетельствуют о том, что с ростом толщины пластины формирование нормальных волн затягивается и требует больших расстояний. Поэтому при изготовлении волноводов для вископлотномеров целесообразно выбирать их толщину минимальной, согласующейся с механической прочностью пластины.

Рассмотрено влияние кривизны пластины на распространение нормальных волн. Для

достижения высокой чувствительности измерений вязкости маловязких жидкостей необходима большая длина волноводов. Это делает измерительную камеру достаточно громоздкой, что затрудняет интеграцию вископлотномеров в контролируемые

технологические процессы. Проблема решается путем использования изогнутых волноводов (патент РФ на полезную модель №143319). Изучено прохождение ГПНВ и волны Лэмба через единичные изгибы, разделенные небольшим плоским участком (рисунок 10а). Радиусы кривизны изгибов выбирались 2.5, 5.0 и 10 мм, а длина плоского участка около 50 мм. Чтобы оценить раздельно влияние кривизны изгибов на коэффициент прохождения нормальной волны и на величину колебательной скорости поверхности волновода, измерялись амплитуды эхо-сигналов, когда волновод находился либо в воздухе, либо в жидкостях с известными значениями параметров. В эксперименте использовались 20% и 60% растворы глицерина в воде. Установлено, что изменения амплитуд, обусловленные наличием изгибов с радиусами кривизны 10 и 5.0 мм (отношение Л| 2 /Я для ГПНВ равно 6 и 3 и для волн Лэмба 5 и 2.5), практически отсутствуют. Такие радиусы кривизны тонкой пластины не влияют на амплитуды эхо - сигналов обеих волн, что мало отличается от результатов исследований И. А. Викторова для поверхностных волн. Также, в соответствии с экспериментом, оказались нечувствительными к кривизне пластины при больших радиусах кривизны нормальная компонента колебательной скорости симметричной волны Лэмба и тангенциальная компонента колебательной скорости ГПНВ.

Влияние изгибов с радиусом кривизны 2.5 мм (К12 /Я= 1.5 и 1.25 для ГПНВ и волны Лэмба соответственно) на взаимодействие волн с жидкостью существенно больше. Особенно сильно это проявляется в случае волн Лэмба, распространяющихся в волноводе, погруженном в жидкость.

а)

-

1

- 50 мм \ т

Я2 Г 2

б)

ш

Рис. 10. Конфигурации волноводов 1 - преобразователь, 2 - волновод.

Поскольку наличие криволинейных участков с радиусом кривизны Л>5мм в волноводе в пределах погрешности измерений не влияет на амплитуду распространяющихся ГПНВ частотой 1.7 МГц в маловязких жидкостях, то для уменьшения геометрических размеров волновода при измерениях в таких жидкостях последний может быть выполнен в форме, показанной на рисунке 106. В случае волн Лэмба, чей коэффициент затухания, как правило, много больше, чем аш (за исключением сильновязких жидкостей), волновод имеет смысл выполнять таким образом, чтобы в жидкость погружался бы прямолинейный участок длиной Ь (рисунок 106).

Четвертая глав» посвящена вопросам оптимизации электроакустического тракта вископлотномеров. Для наклонного преобразователя рассматривается влияние условий на его электрической стороне на возбуждение/прием импульсов ГПНВ и волн Лэмба и возникновение в волноводах акустических помех.

В качестве источника электрических сигналов использовался генератор ударного возбуждения либо генератор пачки прямоугольных импульсов с варьируемым числом импульсов в пачке. Наблюдение и измерение амплитуд принимаемых эхо-сигналов осуществлялось цифровым осциллографом.

Проведенные эксперименты по возбуждению ГПНВ показали, что при использовании генератора ударного возбуждения и генератора пачки импульсов наблюдается зависимость сопутствующих сигналов от временных огибающих возбуждающих электрических сигналов из-за существенного различия в спектрах излученных сигналов разными генераторами. При возбуждении длинной пачкой спектр излученного сигнала близок к монохроматическому и группируется вокруг резонансной частоты преобразователя. При ударном возбуждении в спектре излученного сигнала появляются низкочастотные компоненты, которые вызывают большее расхождение излученного ультразвукового пучка, и в результате появляются дополнительные отражения распространяющегося импульса от боковой поверхности волновода.

Так как интерференция информативного сигнала с сопутствующими может явиться источником существенных ошибок при вычислениях сдвигового импеданса из измеренных значений амплитуд информативных сигналов, при выборе оптимальной схемы генератора большое значение приобретает возможность выявления наличия интерференции информативного и сопутствующих сигналов. Для этого предложено применять в качестве источника электрического напряжения генератор пачки, содержащий достаточное количество периодов в пачке N> (2...$^ (<2 - добротность преобразователя). В этом случае временная огибающая сигнала в отсутствие паразитной интерференции должна обладать плоской вершиной, плоскостность которой несложно контролировать

В отличие от ГНПВ в экспериментах по возбуждению нулевой моды симметричной волны Лэмба появление сопутствующих сигналов, стоящих в непосредственной близости от информативного сигнала, не обнаружено. Такой результат является следствием большой скорости распространения нулевой моды волны Лэмба ситЬ (с1<_6=5440 м/с). Поэтому волны любой природы, появляющиеся при отражениях волны Лэмба от боковых граней волновода и проходящие больший путь, чем исходная волна, приходят позже информативного сигнала.

Другое направление оптимизации параметров вископлотномеров связано с изучением возможностей расширения температурного диапазона измерений параметров жидкостей и автоматического контроля технического состояния электронно-акустического тракта прибора в процессе его эксплуатации. В качестве альтернативных наклонным преобразователям пьезоэлектрических методов возбуждения / приема нормальных волн в тонких пластинах исследованы способы создания на поверхности пластины пространственного распределения механических напряжений без использования трансформации падающих под углом к поверхности объемных волн в нормальные.

2т

- А-пьезопласгина

Наиболее простым способом создания равномерного распределения механических напряжений на участке поверхности пластины является приклейка к нему пьезопластины (рисунок 11). Соответственно, при возбуждении волновода сначала возникают колебания в его объеме непосредственно под областью возбуждения. Затем вследствие ненулевого значения коэффициента Пуассона упругие волны начинают распространяться в положительном и отрицательном направлениях оси х, постепенно превращаясь по мере удаления от области возбуждения в нормальные волны.

Хотя чувствительность такого способа заметно меньше по сравнению с наклонным преобразователем, он позволяет без труда получить в качестве опорного сигнала отражение от конца пластины, не находящегося в жидкости, а также расширить температурный диапазон измерений.

Экспериментально и теоретически

рассматривалось несколько вариантов приклейки пьезопластин к волноводу:

а) приклейка с одной стороны волновода X-пьезопластины (рисунок 11а);

б) приклейка с одной стороны волновода У-пьезопластины, направление колебаний которой совпадало с направлением распространения возбуждаемой волны (рисунок 116);

в) приклейка с одной стороны волновода У-пьезопластины, направление колебаний которой совпадало с направлением распространения возбуждаемой волны;

г) приклейка пары пластин, расположенных

симметрично с разных сторон волновода, создающих деформации на поверхностях включенных либо в фазе, либо в противофазе (рисунки 12а и 126).

Теоретический анализ возбуждения волн Лэмба в волноводе в виде тонкой пластины использует алгоритм, предложенный И.А. Викторовым для расчета вертикальной и горизонтальной компонент смещений,

создаваемых наклонным преобразователем на поверхности пластины/волновода.

Математически задача формулируется следующим образом. На некотором участке одной из поверхностей пластины толщиной 2с1 в направлении оси х создается механическое напряжение <т,4 в области протяженностью 2т (в

б — У-пьезопластина

Рис. 11. Возбуждение нормальных волн одной пьезопластиной 1- воздух, 2 - волновод. 3 — пьезопластина.

пьезопластина 1

с

пьезопластина 2

генератор _ -----1 1 ♦ волновод

1 1

пьезопластина 2

'¡к

этом месте приклеена пьезопластина). В направлении оси у пластина принимается безграничной (пунктир на рисунке 11а). Если пьезопластина излучает в направлении г продольные волны, то для верхней поверхности вида:

сг^ = <т0 ехр(-/е>/) при |х) < т: <г„ = О

Рис. 12. Схема возбуждения нормальных волн двумя пьезопластинами

г = И создается механическое напряжение

при

[х] > т; = 0 при |х| < °о.

и

На нижней грани, принимая, что пластина граничит с воздухом, в силу малости акустического импеданса воздуха вся поверхность пластины может рассматриваться как свободная от механических напряжений, т.е. при z = —d:

<Т„ =0; (7„ = 0 при |л|<оо.

Аналогично, если пьезопластина излучает в направлении —z сдвиговые волны со смещениями вдоль оси х (рис.7.б), то для верхней поверхности (: = d):

= а0 ехр(-70/) при |л| < т; (Т„ = 0, при |х| > m; <т= = 0 при |л| < ю; и для нижней поверхности (z = -d)- ст_ = 0;сгхг=0 при |д| <а>.

Основное допущение, предложенное И. А. Викторовым и использованное в расчете, состоит в том, что возмущение, создаваемое приклеенной пьезопластиной и распространяющееся вдоль длинной пластины, может быть представлено в виде суперпозиции волн Лэмба, каждая из которых, является решением волнового уравнения для свободной пластины. Однако в отличие от свободной длинной пластины эта суперпозиция должна удовлетворять сформулированным выше граничным условиям. Представляя скалярный <р и векторный цг потенциалы, удовлетворяющие волновым уравнениям в слое, в виде суммы симметричной и антисимметричной частей, неизвестные амплитуды парциальных волн определялись из требования равенства механических напряжений, создаваемых этими волнами, напряжениям, которые создает в области приклейки пьезопластина.

Горизонтальная U'2mJ и вертикальная компоненты смещений были получены в виде

_ <т0 у sin fon (s* -kA)sh(sd)ch(qd) y. sin fon (si-k4)sh(qd)ch(sd)

2кдА,/дк к ' 2 kdAJdk >£XP' '

w q(s2-k')sh(sd)sh(qd) | y sin km q(s1-k1)ch(qd)ch(sd)

Va h к ' BAJdk t% к ' SAJBk

Здесь q = -J(kf ~(k"')2 , s = ^¡(k'f ~(k" )2 , к - волновой вектор волны Лэмба, Д, = (к2 + s2f cHqd)sh(sd)-Ак1 sqcHsd)sh(qd), А,=(к2 + s1)1cHsd)sHqd)-Ак1 sqcHqd)sh(sd).

Аналогичный подход был применен для анализа возбуждения /приема ГПНВ с помощью приклеенной к волноводу У-пьезопластины, создающей на поверхности только смещения Uу в направлении ширины волновода (ось у, рисунок 116). На поверхности волновода горизонтальное смещение равно

fa ^jdcos(pd) £My2dsm(pd)

где p2 = k¡ -у2, у - волновое число ГПНВ. При этом значения Р для симметричных - р, и антисимметричных - Д, ГПНВ удовлетворяют одному из условий соответственно

P,d = r,л, г, =0;1;2;3....,¿ =k2s-(^)2 ,

а

p.d = (г.-V г. = i;23....,r; = k\-i^pny-. 2 d Как показали исследования, одним из наиболее просто реализуемых способов увеличения коэффициента трансформации объемных волн в волны Лэмба в тонких пластинах может явиться предложенная в работе приклейка к противоположной пьезопластине поверхности волновода дополнительной пьезопластины, симметрично первой (рисунок 12). На это техническое решение получен патент РФ на изобретение №2525473.

Рис. 13. Осциллограмма эхо-сигнала при возбуждении одной ЛГ-пьезопластиной на частоте 2.5 МГц 1 - эхо-сигнал антисимметричной волны Лэмба, 2 — эхо-сигнал симметричной волны Лэмба.

Так как U\z=d является четной функцией d, а - нечетной, то для возбуждения /

приема симметричной волны обе пластины целесообразно электрически включать параллельно (рисунок 12а), а для возбуждения / приема антисимметричной волны - антипараллельно (рисунок 12.6).

При проведении экспериментов к длинным пластинам из алюминия и из нержавеющей стали толщиной 0.2 и 0.5 мм приклеивались пьезопластины на частоты 1...2.5 МГц, поляризованные для возбуждения / приема либо продольных, либо сдвиговых волн.

Пьезопластины возбуждались генератором с----

перестраиваемыми частотами заполнения радиоимпульсов. Волны, отразившиеся от торцов длинной пластины, принимались и усиливались усилителем с полосой пропускания 0.5... 10 МГц. Поэтому экспериментально также исследовалась возможность возбуждения нормальных волн различной частоты одной и той же пьезо пластиной в пределах ее амплитудно-частотной характеристики.

Как показал эксперимент (рисунок 13), в соответствии с теорией одна пьезопластина возбуждает в волноводе нулевые моды симметричной и антисимметричной волны Лэмба, которые и наблюдались на экране осциллографа (kfd были меньше или порядка единицы). Наблюдавшееся эффективное возбуждение антисимметричной волны Лэмба может найти широкое применение, в частности в вископлотномерах, так как ее использование дает определенные преимущества по сравнению с измерениями на симметричных волнах Лэмба. Для алюминиевого волновода d = 0.2 мм на частоте/= 2.5 МГц расчетное отношение изменений коэффициентов затухания, обусловленных контактом с водой, нулевой моды антисимметричной волны к симметричной волне .

равно аЗ /а,™4 ~ 10, что указывает на возможность существенного уменьшения В размеров волновода при применении антисимметричных волн Лэмба. Наряду с возбуждением / приемом волн Лэмба, т.е. волн с вертикальной поляризацией, были проведены эксперименты по возбуждению / приему ГПНВ. Для этих целей использовалась У-пьезопластина на частоту 1 МГц, приклеенная к длинной алюминиевой пластине шириной 30 мм и толщиной 0.2 мм (по схеме рисунка 116). Измерения показали, что различия амплитуд ГПНВ, возбужденных и принятых Y-пьезопластиной и наклонным преобразователем различаются всего в два раза, но сопровождаются присутствием большого числа сигналов, мешающих измерению амплитуд информативных сигналов

Описаны эксперименты по излучению / приему волн Лэмба с помощью пары X-иьезопластин, симметрично приклеенным к обеим поверхностям волновода. Синфазное возбуждение пьезопластин для возбуждения симметричной волны Лэмба представлено на

Рис. 14. Осциллограмма эхо-сигнала при возбуждении симметричной волны Лэмба двумя пьезопластинами

Рис. 15. Осциллограмма эхо-сигнала при возбуждении антисимметричной волны Лэмба двумя пьезопластинами

рисунке 12а и противофазное возбуждение для возбуждения антисимметричной волны Лэмба -рисунок 126.

Как показали эксперименты (рисунки 14, 15), такое возбуждение / прием нулевых мод волн Лэмба ведет к практически раздельному возбуждению симметричных и антисимметричных волн Лэмба и дает существенный выигрыш в амплитудах принимаемых сигналов.

В пластине из нержавеющей стали применение двух приклеенных Х-пьезопластин дает выигрыш в принимаемой амплитуде симметричной волны в «5.5 раз, а антисимметричной волны - в ~2.5 раза по сравнению с одной приклеенной пьезопластиной. В алюминиевой пластине увеличение амплитуд обеих волн

составило к 3 раза. МЙВ^^^ННЙМ^НЬЙШИЙК

Возбуждение нормальных волн в длинных ^^^В пластинах приклеенными непосредственно к ним ^^^Н

пьезопластинами принципе открывает ^^^В нВВНВНЩ;

возможность одновременного возбуждения / , V 1

приема нормальных волн на нескольких частотах, ^^^В , . ,

что существенно повышает информативность ^^^В ' .

таких измерений при исследованиях физических Н|Н| . - —

свойств жидкостей. Такая возможность [^ТдаздИИШ^^^^^^^^^^К чрезвычайно важна для определения, является ли г

подлежащая контролю жидкость ньютоновской ЕЗк^Щ^^^^НШЙМН^нЯИС или нет. тз^вш^^^^^^ВЯЯНВВВЯВНЯ

Для установления типа волн, излучаемых приклеенными к волноводу пьезопластинами, применялась процедура измерения изменений коэффициентов затухания аЫткг1: исследуемой волны под влиянием контакта с жидкостью Для эксперимента были выбраны дистиллированная вода, 60% раствор глицерина в воде и чистый глицерин.

Сопоставление результатов измерений параметров жидкостей показывает, что при прочих равных условиях в случае измерений, требующих повышенной точности, наклонным преобразователям следует отдавать предпочтение, так как при таком способе возникает существенно меньше сопутствующих волн.

В пятой главе описана концепция построения автоматических ультразвуковых приборов для измерения с высокой точностью и чувствительностью основных параметров жидкостей (сдвиговая вязкость, плотность, а также опционально сжимаемость и объемная вязкость). Измерительную основу прибора составляют измерения дополнительного коэффициента затухания нулевых симметричных мод ГПНВ и волны Лэмба о1ап,ь в тонких пластинах, обусловленного погружением пластин в исследуемую жидкость, а также измерения скорости с, и коэффициента поглощения продольных волн а/ в жидкостях. В результате создается система уравнений относительно неизвестных плотности р1, сдвиговой

и объемной Г1В вязкостей и сжимаемости р1.

Рис. 16. Блок-схема цифровой платформы ультразвуковых дефектоскопов и вископлотномеров 1 - управляющий процессор, 2 - сигнальный процессор, 3 - программируемая логическая

интегральная схема, 4 - дисплей. 5 - клавиатура. 6 - память типа NAND Flash, 7.8 - память типа SDRAM, 9 - память типа SRAM,

АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, ГЗИ - генератор зондирующих импульсов.

Рис. 17. Общее устройство измерительной камеры ультразвукового вископлотномера 1 - камера с исследуемой жидкостью, 2, 3 — волноводы симметричной волны Лэмба и ГПНВ соответственно, 4 - отражатели продольных волн в жидкости, 5,6, 7 — преобразователи симметричной волны Лэмба, ГПНВ и продольной волны соответственно.

Это требует разработки электронно-акустического тракта, измеряющего с высокой точностью амплитуды импульсных сигналов и временные интервалы. Учитывая, что такие же задачи решают приборы ультразвукового неразрушающего контроля, в Научно-промышленной компании «ЛУЧ» (НПК «ЛУЧ») были разработаны принципиально новые аналоговый тракт и цифровая платформа, на которых производятся ультразвуковой вископлотномер УВП-70 и два ультразвуковых дефектоскопа: многоканальный ПЕЛЕНГ-415 и модернизированный УД2-70. Разработка и реализация этой научно-производственной задачи позволяет уменьшить как стоимость разработки, так и, в дальнейшем, стоимость выпускаемых приборов. На рисунке 16 приведена блок-схема цифровой платформы ультразвуковых дефектоскопов и вископлотномеров производства НПК «ЛУЧ». Вископлотномер поддерживает работу шестиканальной

измерительной камеры (рисунок 17).

Вископлотномер, в отличие от многоканального дефектоскопа, включает несколько дополнительных алгоритмов, позволяющих реализовать

специфичные для данного прибора измерения: высокоточные измерения коэффициента затухания нулевых симметричных мод волны Лэмба и ГПНВ, измерения скорости распространения и коэффициента поглощения продольных волн в исследуемой жидкости, а также измерения температуры. Все алгоритмы этих измерений идентичны: формирование электрических импульсов для возбуждения соответствующих преобразователей, излучение упругих импульсов, прием эхо-сигналов, их преобразование в электрические импульсы, измерения времен их прихода и амплитуд. С целью повышения точности измерений в данной реализации прибора для каждого канала применяются сравнительные измерения на двух базах прозвучивания различной длины. Затем рассчитываются скорости и коэффициенты затухания.

Измерения в каждом канале проводятся последовательно и завершаются записью в память измеренного параметра. Предварительно прибор калибруется, для чего производятся измерения и запоминание численных значений измеряемых параметров в одной или нескольких образцовых жидкостях, в которых эти параметры известны с требуемой точностью. По окончанию измерений во всех каналах в соответствии с разработанными алгоритмами вычисляются параметры контролируемой жидкости.

На рисунке 18 представлен общий алгоритм работы ультразвукового вископлотномера.

Каждая процедура измерения исходных параметров для расчета плотности и вязкости измеряемой жидкости работает по своему алгоритму.

Рис. 18. Алгоритм работы ультразвукового вископлотномера

Поскольку затухание симметричных волн Лэмба и ГПНВ измеряется идентичным образом, на рисунке 19 приведен алгоритм для обоих типов волн. Измерение скорости продольных волн

Рис. 19. Алгоритм процедуры измерения затухания симметричных волн Лэмба и ГПНВ в измеряемой жидкости

в жидкости связано с измерением интервалов времени, и поэтому для таких измерений разработан свой алгоритм (рисунок 20).

Рис. 20, Алгоритм процедуры измерения скорости продольных волн в жидкости

На рисунках 21, 22 приведены фотографии вископлотномера УВП-70 и дефектоскопов, разработанных НПК «ЛУЧ». Дефектоскопы также могут работать с измерительными камерами, однако их использование будет ограничено некоторыми частными случаями.

На рисунке 23 представлена камера для измерения вязкости реактивного топлива (снят защитный стакан).

Прибор имеет три режима работы: «НАСТРОЙКА», «КАЛИБРОВКА» и «ИЗМЕРЕНИЕ». Режим «НАСТРОЙКА» идентичен настройке ультразвукового дефектоскопа: установка усиления, диапазона контроля, измерительных стробов, уровней разбраковки и др. параметров для каждого канала. В режиме «КАЛИБРОВКА» в измерительную камеру заливается образцовая жидкость с известными плотностью и сдвиговой вязкостью. Прибор измеряет ее параметры и запоминает их. Далее он переключается в режим «ИЗМЕРЕНИЕ» и проводит

Рис. 22. Ультразвуковые дефектоскопы «ПЕЛЕНГ-415» (вверху) и «УД2-70»

Рис. 21. Ультразвуковой вископлогномер УВП-70

измерение параметров контролируемой жидкости. Вископлотномер индицирует значения сдвиговой вязкости и плотности для текущей температуры, а также пересчитывает их для заранее заданной температуры (например, для 20°С).

В приборе имеется возможность графической индикации изменений сдвиговой вязкости и плотности контролируемой жидкости за определённый период времени, который устанавливается при настройке прибора. Графическая индикация представляет собой два окна на дисплее прибора, в каждом из которых в виде непрерывной линии отображаются значения вязкости и плотности в функции времени (принцип самописца). В окнах можно установить уровни, соответствующие допустимым пределам изменения контролируемых величин. При выходе, например, вязкости за пределы допустимых значений, цвет текущего показания изменяется с зелёного на красный, и прибор подаёт сигнал оператору о возникшей проблеме либо подает команду на исполнительное устройство.

Эксперименты показали, что погрешность такого прибора в диапазоне сдвиговых вязкостен в пределах 1... 100 мПа-с и плотностей в диапазоне 0.7... 1.3 г/см3 не превышает 3 . 5%.

Рассмотрен вариант измерительной камеры, позволяющий сделать ее более компактной. В соответствии с теорией, вследствие взаимодействия с жидкостью дополнительный коэффициент затухания с погрешностью, не превышающей 2%, может быть представлен в виде:

где и Хг " коэффициенты, являющиеся функциями параметров волновода (скоростей распространения в нем продольной и сдвиговой волн, а также нулевой моды симметричной волны Лэмба), d - толщина волновода.

Эксперименты показали, что изменения скорости нулевой моды симметричной волны Лэмба за счет влияния контакта волновода с жидкостями не превышают 0.2%. Поэтому при

точности измерений в единицы процентов коэффициенты Х\ и Хг могут считаться постоянными и не зависящими от толщины волновода.

Численные значения этих коэффициентов можно найти с помощью калибровки, погружая последовательно в две жидкости с известными импедансами (2/0,, (2^),, )2.

Решая получающуюся систему уравнений, можно найти значения коэффициентов х1 и Хг Поэтому, если волноводы, находящиеся в камере, выполнить разной толщины и затем измерить в них коэффициенты затухания волны Лэмба, то из получившейся системы уравнений нетрудно рассчитать оба импеданса жидкости (патент РФ на изобретение №2529634).

Выполнено исследование и оптимизация алгоритмов автоматической самокалибровки ультразвукового вископлотномера в процессе измерений. Представлены результаты трех вариантов акустического тракта прибора, целью которых являлась замена абсолютных измерений относительными.

В первом варианте предусматривалась возможность обнаружения нарушений в работе электронно-акустического тракта и последующее введение поправок в измерение амплитуды информативного сигнала созданием на пути ультразвукового пучка в части пластины, погруженной в жидкость, отражателя в виде отверстия малого диаметра.

Второй вариант состоял в формировании двух сигналов, прошедших в пластине различные пути в контакте с жидкостью. Для этого в акустическом тракте для получения опорного сигнала использовалась ступенчатая форма торца пластины (патент РФ на полезную модель №153458).

В третьем эхо-импульсный метод измерений амплитуды информативных сигналов заменен на эхо - теневой (патент РФ на полезную модель №153622).

В качестве примера на рисунке 24 изображена осциллограмма эхо-сигнала, для ступенчатого волновода при длине ступеньки 60 мм и ширине волновода 30 мм. На осциллограмме видны также возникающие при отражении падающего импульса ГПНВ мешающие импульсы, но их амплитуда мала по сравнению с информативными сигналами.

Проверка разработанных алгоритмов измерений сдвигового импеданса жидкостей, подтвердившая работоспособность

предложенных методик, проводилась на пяти жидкостях, свойства которых измерены независимыми методами с высокой точностью: три стандартных образца вязкости ВЖ-ПА-1(2), ВЖ-ПА-1(5), ВЖ-ПА-ЦЮ) производства ООО «Петроаналитика» (Санкт-Петербург) и два вида реактивного топлива - ТС-1 и РТ, параметры которых были измерены Центром по сертификации авиационных горюче-смазочных материалов и специальных жидкостей Государственного Научно-исследовательского института гражданской авиации (ЦС авиаГСМ ГосНИИГА). Результаты сравнения приведены в таблице 2 и демонстрируют хорошее согласие (различия не превышают 5%) со значениями, полученными из измерений на капиллярном вискозиметре.

Рассмотрены особенности метрологического обеспечения ультразвуковых автоматических вископлотномеров. Прибор должен проходить первичную и периодическую поверку, а также калибровку в процессе работы. Однако его поверка имеет свои особенности,

29

Рис. 23. Камера для измерения вязкости реактивного топлива 1 - корпус, 2 - волноводы

Рис. 24. Осциллограмма эхо-импульсов ГПНВ 1 — от ступеньки, 2 — от торца волновода

которые обуславливаются как специфическими особенностями измерений вязкости, так и развитием теории жидкого состояния.

_Таблица 2

Жидкости 21 А/ а1, 1/см (<*')„, 1/см

ВЖ-ПА-1(2) 0.02210 0.0126 0.0126

ВЖ-ПА-1(5) 0.03710 0.0276 0.0271

ВЖ-ПА-1(10) 0.04660 0.0371 0.0372

ТС-1 0.02218 0.0127 0.0125

РТ 0.02244 0.0129 0.0125

Как уже отмечалось, общая схема измерения параметров жидкости ультразвуковыми методами состоит в измерениях параметров ультразвуковой волны, из которых затем вычисляются параметры жидкости, плотность и сдвиговая вязкость, т.е. она предполагает знание явного вида функциональной связи между измеряемыми параметрами ультразвуковой волны и параметрами жидкости. При таком описании все жидкости подразделяются на два больших класса - ньютоновские жидкости и неньютоновские жидкости. К первому классу отнесены жидкости, в которых, независимо от их физико-химической природы, сдвиговое механическое напряжение а, пропорционально скорости сдвиговой деформации у и коэффициентом пропорциональности является сдвиговая вязкость ц$. В неньютоновских жидкостях связь между сдвиговыми механическими напряжениями и скоростью сдвиговой деформации может зависеть как от времени, так и величины приложенной сдвиговой силы.

Для неньютоновских жидкостей необходима дополнительная калибровка прибора, целью которой является либо нахождение параметров реологической модели, либо нахождение поправочного коэффициента для пересчета значения вязкости, измеренной вископлотномером, к значениям вязкости, измеренным на капиллярном вискозиметре.

Из этого следует, что независимость вязкости от величины и времени действия сдвиговой силы в ньютоновских жидкостях чрезвычайно важна для контроля метрологических характеристик вископлотномеров, что делает ньютоновские жидкости наиболее подходящими для построения метрологических поверочных схем. Поэтому для поверки ультразвуковых вископлотномеров целесообразно использовать дистиллированную воду, которая является классической ньютоновской жидкостью и для которой все численные значения параметров воды, необходимые для проверки точности измерений ультразвуковых плотномеров, стандартизированы в документах.

Для калибровки ньютоновских жидкостей достаточно одной образцовой жидкости, в то время как для неньютоновских жидкостей для калибровки и проверки работоспособности ультразвуковых вископлотномеров в процессе эксплуатации необходимо, чтобы количество жидкостей было минимум три (см. ниже формулу (8)). При этом жидкости должны быть близки по свойствам к контролируемым, и их параметры предварительно должны быть измерены на образцовых вискозиметрах и плотномерах с точностью, превышающей точность вископлотномера в 3...5 раз. По результатам измерений строится градуировочная кривая и записывается в прибор.

В шестой главе рассмотрены примеры применения вископлотномера УВП-70 как для измерения сдвиговой вязкости и плотности, так и для контроля качества различных широко применяемых на практике жидкостей: авиационное топливо, автомобильные масла, молоко.

В условиях автоматических измерений должна проводиться предварительная проверка, является жидкость ньютоновской или нет. Предложен алгоритм такой проверки, который базируется на том факте, что, если жидкость ньютоновская, то численное значение сдвиговой вязкости, рассчитанное из измеренных параметров нормальных волн, не должно зависеть ни от амплитуды, ни от частоты механического напряжения, создаваемого этой волной на

поверхности жидкости. В противном случае рассчитанное значение вязкости должно изменяться при изменении параметров генератора ультразвуковых колебаний. В качестве примера указаны широко применяемые жидкости, относящиеся к псевдопластическим. В них зависимость вязкости от условий ее измерения описывается формулой Кросса

П-П. = 1 Чо-П, 1 +

Здесь Кп и т некоторые константы, которые подбираются для наилучшего согласования с экспериментальными зависимостями. Присутствие константы Кп делает измеренное значение вязкости г] зависящим от приложенной деформации и частоты. Параметры г]„ и соответствуют условиям со -» 0 и со -> да.

Другой подход, используемый для описания уменьшения измеряемой сдвиговой вязкости при росте скорости сдвиговой деформации, базируется на модели Максвелла (линейная вязкоупругость). В рамках такой модели присутствует только зависимость от частоты

__ Чо

Поэтому для экспериментальной проверки, является ли жидкость ньютоновской разработана следующая технология измерений. На трех одинаковых алюминиевых волноводах размещались наклонные преобразователи, возбуждавшие ГПНВ на частотах 1, 1.7 и 2.5 МГц. Измерение коэффициентов затухания ГПНВ при контакте волновода с жидкостью проводилось по методике, основанной на изменении длины контакта с жидкостью при погружении волноводов на разные глубины. Использовались дистиллированная вода, 60%, 90%-водные растворы глицерина и глицерин. Для каждой жидкости были рассчитаны значения вязкости, исходя из допущения, что все жидкости ньютоновские. Эти результаты отображены в таблице 3 первыми числами каждого столбца. Через дробь представлены значения, полученные капиллярным вискозиметром.

Как видно из таблицы 3, в жидкостях, вязкость которых превышает несколько десятых Па с, вычисленные из ультразвуковых измерений значения сдвиговой вязкости (для ее расчетов плотности жидкостей принимались равными справочным данным) существенно меньше справочных данных. Для глицерина существенное различие наблюдается на всех частотах. Для 90%-го раствора заниженные значения измеренной сдвиговой вязкости наблюдаются только на частотах 1.7 и 2.5 МГц.

_ _ Таблица 3

Жидкость ЩйШк^И, ЧчУПЬ^иЬ ЧиЯН: ¡ЧыЬ

мПа-с мПас мПас

60% глицерин 10.2/10.1 9.6/10.1 10.4/10.1

90% глицерин 196/190 146/190 167/190

100% глицерин 430/1186 506/1186 531/1186

Исследовалось влияние амплитуды ультразвуковых сдвиговых напряжений на измеряемые значения вязкости. Для этого амплитуда высокочастотного напряжения генератора, возбуждающего наклонный преобразователь, варьировалась в пределах 100...200 В. Рассчитанные вариации численных значений сдвиговой вязкости, вызванные изменениями электрического напряжения генератора, не превышали нескольких процентов. На основании проведенных экспериментов можно сделать вывод, что только 60% водный раствор глицерина представляет собой ньютоновскую жидкость.

При практических измерениях сдвиговой вязкости неизвестной жидкости (т.е., с априори неизвестной вязкостью) ультразвуковыми методами в мегагерцевом частотном диапазоне могут возникать существенные отклонения от значений, полученных капиллярным или ротационным методами, обусловленные спецификой реологических процессов. Поэтому

ультразвуковые вископлотномеры нуждаются в предварительной проверке является ли жидкость неньютоновской и если является, то необходима специальная калибровка прибора.

Приведен алгоритм калибровки вископлотномера для измерений сдвиговой вязкости неньютоновских жидкостей. В соответствии с этим алгоритмом формулы (1) и (3) могут быть записаны в виде

Предполагается, что коэффициенты дополнительного затухания нормальных волн, обусловленные погружением пластины в неньютоновскую жидкость, могут быть представлены в виде соотношений (8), в которых коэффициенты а%атЬ, ат должны быть

подобраны для достижения согласия со справочными данными для вязкости. Предполагается также, что отличия этих коэффициентов от значений, даваемых теорией для ньютоновских жидкостей, обусловлены особенностями физико-химических взаимодействий в них. Поэтому все жидкости, характеризующиеся близкими физико-химическими свойствами (например, моторные масла) обладают одними и теми же коэффициентами а1"™' (;=1;2;3) и а5Н . Тогда, выбрав три жидкости и измерив в каждой жидкости и аш, мы получаем систему

уравнений, решая которую, можно вычислить численные значения коэффициентов и

аш . Для коэффициента при этом получаются три численных значения, поэтому для него находится среднеарифметическое значение, которое используется в дальнейшем.

После такой калибровки прибора, найденные значения коэффициентов вносятся в его память, и прибор готов к измерениям в жидкости с неизвестными вязкостью и плотностью из этой группы или к измерениям влияния актуального технологического процесса на одну из жидкостей, участвовавшей в калибровке. Затем в исследуемой жидкости измеряются и

аш, и из получающейся системы уравнений при известных коэффициентах рассчитываются плотность и сдвиговая вязкость.

Разработанный алгоритм перехода от значений вязкости, измеренной ультразвуковым методом, к значениям сдвиговой вязкости, измеренным капиллярным вискозиметром, был апробирован на реактивных топливах ТС-1 и РТ, на автомобильных маслах (моторных БАЕ 0\У20, 1<Ш30, 5\У40, 10\¥40, 15\У40, 20\У50 и трансмиссионных 75Ш90, 80\У85, 80\У90) и на молоке различной жирности.

Так как сдвиговая вязкость реактивного топлива и молока весьма мала, то можно полагать, что они хорошо описываются ньютоновской реологической моделью жидкостей. Однако с целью исключения возможных неконтролируемых особенностей акустического поля в пластинах перед каждой группой измерений проводилась калибровка по одной жидкости (обычно дистиллированная вода).

Результаты измерений вязкости и плотности реактивного топлива с использованием алюминиевого волновода приведены в таблице 4. Скорости звука в обоих топливах в пределах погрешности измерений (0.3...0.5%) оказались одинаковыми и равными 1289 м/с.

Результаты измерений плотности и вязкости моторных масел ультразвуковыми методами сравнивались с результатами независимых измерений, полученными в аттестованной лаборатории ОАО «Криогенмаш» (г. Балашиха). Значения плотности и вязкости масел вычислялись из измерений коэффициентов дополнительного затухания ГПНВ и волн Лэмба,

°ЧатЬ ~

(8)

Таблица 4

Топливо (р.г/см5)^ (Î/j, мПас)^ (р.г/см')^ (f7s, мПа с)иЛ

ТС-1 0.78 0.99' 0.7896 1.1157

РТ 0.775 0.9171.122" 0.7852 1.144

(1,)сар. "Па е

- калибровочная жидкость - дистиллированная вода, - калибровочная жидкость — топливо ТС-1

обусловленных погружением волноводов в исследуемое моторное масло, на частоте 1.7 МГц.

При этом измерения выполнялись при двух температурах - 20°С и 40°С. Связано это с тем, что согласно стандартам разных стран контроль пригодности масла по вязкости для дальнейшего использования проводится при 40°С и 100°С. боо Поскольку реализация измерений плотности и вязкости с использованием обычной пьезокерамики при температуре 100°С весьма затруднительна, приведена расчетная схема экстраполяции «ю результатов измерений вязкости, полученных при низких температурах, на 100°С.

Установлены существенные различия между численными значениями сдвиговой вязкости, гоо полученные ультразвуковым прибором и капиллярным вискозиметром. Можно полагать, что основной причиной этих различий является введение модификаторов в чистые минеральные масла, так как до их введения значения вязкости, полученные по результатам ультразвуковых и капиллярных измерений, практически не различаются.

В этой группе экспериментов значения сдвиговой вязкости, рассчитывались

непосредственно без введения поправочного коэффициента а.

50

100 (1,)и».мПа-с

Рис. 25. Зависимость сдвиговой

вязкости, рассчитанной из ультразвуковых измерений, от сдвиговой вязкости, измеренной капиллярным вискозиметром

Вместо него строились графики (рисунок 25), описывающие зависимость сдвиговой вязкости, рассчитанной по результатам ультразвуковых измерений, от сдвиговой вязкости, измеренной капиллярным вискозиметром, для каждой температуры измерений: (ni")«, = (кривая 1) и

= F^T]™)^ (кривая 2) (верхние индексы указывают температуру измерений). Для исключения влияния на вычисляемые значения сдвиговой вязкости погрешностей ультразвуковых измерений плотности при вычислениях сдвиговых вязкостей использовались численные значения плотности, измеренные пикнометром.

Пользуясь одной из градуировочных кривых, можно на основании ультразвуковых измерений найти изменяющиеся значения вязкости, соответствующие показаниям капиллярного вискозиметра. Если тип моторного масла заранее не известен, то нахождение капиллярной вязкости при температурах 20°С или 40°С из ультразвуковых измерений с использованием градуировочной кривой сопровождается достаточно большими погрешностями-до 20% при 20°С идо 10... 12% при40°С.

Приведены также данные о зависимости измеренных значений вязкости, плотности, скорости звука и коэффициента поглощения продольных волн моторного масла от пробега автомобиля.

Рассмотрены технические задачи, целью которых является измерение параметров жидкостей, которые не могут быть отнесены к физическим свойствам последних. Сюда

относятся, например, измерения концентрации компонент многокомпонентных жидкостей, измерение численных значений тех или других показателей пищевых продуктов и т.д.

Описаны эксперименты по оценке возможностей измерения зависимостей импедансов молока в функции от его состава. Для этого были выбраны шесть образцов молока одного производителя (номинальная жирность на упаковке — 0.5, 1.5, 2.5, 3.2, 3.5, 6.0%), в которых спектральным анализатором \iilkoScan 1Т120 были измерены их основные параметры. Для измерения импедансов образцы молока поочередно заливались измерительную камеру с двумя алюминиевыми волноводами, и проводились измерения коэффициента затухания на ГПНВ и на волнах Лэмба. Частота ультразвуковых колебаний - 1.7 МГц, температура молока в камере - 20°С. Полагая, что молоко относится к ньютоновским жидкостям, из результатов ЖИР измерений рассчитывались сдвиговая вязкость и плотность молока. Полученные из ультразвуковых измерений численные значения сдвиговой вязкости хорошо коррелируют со значениями жирности молока (рисунок 26).

Исследована возможность применения виекоплотномеров для контроля состава суспензий. Разработанный способ основан на измерениях продольного или сдвигового импеданса суспензий, которые изменяются при выпадении взвешенных частиц в осадок. Проведенные эксперименты показали, что изменение концентрации магнитных частиц в пределах, представляющих для практики интерес (=10%), влияют на сдвиговый импеданс магнитной суспензии в несколько раз слабее, чем на ее продольный импеданс. Поэтому для контроля концентрации магнитных частиц применялась нулевая мода симметричной волны Лэмба в тонкой пластине, которая наиболее чувствительна к величине продольного импеданса суспензии (патент РФ на изобретение №2529634).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании анализа современного состояния проблемы исследования и разработки методов и средств контроля вязкости и плотности жидких сред выбрано научно-техническое направление и сформулированы задачи развития теории распространения нормальных волн и их взаимодействия с вязкой жидкостью, а также создания средств автоматизированного контроля вязкости и плотности с высокой точностью и разрешающей способностью.

1. Теоретически исследовано влияние вязкости жидкости на скорость и затухание поверхностной волны, распространяющейся вдоль границы твердое тело - вязкая жидкость.

2. Разработана теория распространения нулевых мод симметричных и антисимметричных волн Лэмба и нулевых симметричных мод ГПНВ в тонкой пластине, погруженной в вязкую жидкость; получены и подтверждены экспериментально теоретические соотношения, связывающие коэффициенты затухания и скорости распространения этих волн со сдвиговой вязкостью и плотностью вязкой жидкости.

3. Разработаны методики автоматических измерений коэффициента затухания и скорости распространения нулевых мод нормальных волн в тонких пластинах, погруженных в исследуемую жидкость.

4. Разработаны алгоритмы вычислений сдвиговой вязкости и плотности для ньютоновских и неньютоновских жидкостей на основе измерений параметров нормальных волн. Показано, что их применение существенно повышает чувствительность контроля сдвиговой вязкости (на 1...2 порядка) и плотности (в 6... 10 раз) маловязких жидкостей (вязкость до 50 мПа-с) по сравнению с использованием крутильных и объемных ультразвуковых волн.

Рис. 26. Зависимость между жирностью молока и его вязкостью

5. Получены теоретические соотношения и рассчитаны механические напряжения в произвольной точке на поверхности пластины и усредненные по длине приемника нормальных волн с учетом дифракционных явлений в случае возбуждения волн механическими напряжениями, пространственное распределение которых зависит от координат. Установлено, что даже небольшие неоднородности (например, непроклеи) в распределении механических напряжений могут оказать существенное влияние на акустическое поле в тонкой пластине.

6. Теоретически и экспериментально исследованы особенности формирования и распространения волн Лэмба и ГПНВ в тонких пластинах в зависимости от способов их возбуждения и геометрии пластин. На разработанный способ возбуждения и приема симметричных и антисимметричных волн Лэмба в тонких волноводах с помощью приклеенных пьезопластин получен патент РФ на изобретение №2525473.

7. Разработана новая методика экспериментального определения размеров пространственной области формирования волн Лэмба и ГПНВ в тонких пластинах. Показано, что формирование нулевых симметричных мод волны Лэмба и ГПНВ в тонких пластинах занимает пространственную область с характерными размерами в 60... 100 длин волн.

8. Разработана концепция построения, алгоритмы функционирования, акустический и электронный тракты приборов для автоматических измерений вязкости и плотности жидкости, защищенных патентами РФ на полезную модель №№35886, 143319, и создан новый тип измерительных приборов - ультразвуковой вископлотномер.

9. Исследованы различные реализации волноводов в виде тонких пластин, на основе которых разработаны конструкции измерительных камер для автоматических ультразвуковых вископлотномеров, защищенные патентами РФ на изобретение №2529634 и на полезную модель №№143319,153458,153622.

10. На базе предложенной концепции разработаны и внедрены схемы аналоговых и цифровых блоков для построения ультразвуковых вископлотномеров. На основе унифицированных узлов и блоков разработано и выпускается семейство ультразвуковых приборов — вископлотномер УВП-70, многоканальный дефектоскоп ПЕЛЕНГ-415 и модернизированный дефектоскоп УД2-70 (с 2014 года выпущено 102 прибора).

11. Разработаны основы метрологического обеспечения вископлотномеров. Разработаны методики калибровки и поверки вископлотномеров, обеспечивающие снижение систематических погрешностей и предусматривающие использование для поверки приборов дистиллированной воды.

12. Выполнены экспериментальные исследования плотности и сдвиговой вязкости различных технологических жидкостей (автомобильные моторные и трансмиссионные масла, реактивное топливо, молоко) На основе полученных результатов предложены методики оценки качества контролируемых жидкостей в процессе эксплуатации и направления их оптимизации. Разработанный способ контроля концентрации магнитной суспензии для магнитопорошкового контроля защищен патентом РФ на изобретение №2520166. Разработан блок контроля концентрации магнитной суспензии для установки магнитопорошкового контроля МДС-09.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии:

1. Чуприн, В. А. Контроль жидких сред с применением ультразвуковых нормальных волн / В.

A. Чуприн. -М.: Издательский дом «Спектр», 2015. -218 с.

В рецензируемых научных журналах из списка ВАК:

1. Чуприн, В. А. Применение ультразвуковых поверхностных и нормальных волн для измерений параметров технических жидкостей. 1. Измерение сдвиговой вязкости / М. Б. Гитис,

B. А. Чуприн//Журнал Технической Физики.-2012.-Т. 82, №. 5.-С. 93-99.

2. Чуприн, В. А. Применение ультразвуковых поверхностных и нормальных волн для измерений параметров технических жидкостей. II. Измерение плотности / М. Б. Гитис, В. А. Чуприн // Журнал Технической Физики. -2012. - Т. 82, №. 5. - С. 100-105.

3. Чуприн, В. А. Экспериментальное исследование характеристик акустического поля нулевых нормальных мод колебаний тонких пластин / В. А. Чуприн // Акустический журнал. - 2013. -Т. 59,№1.-С. 122-133.

4. Чуприн, В. А. Особенности акустического поля наклонных преобразователей поверхностных волн / В. А. Чуприн // Акустический журнал. -2013. - Т. 59, №5. - С. 657-664.

5. Чуприн, В.А. Разработка ультразвуковых приборов для диагностики состояния технологических жидкостей / В. А.Чуприн //Контроль. Диагностика. -2011. -№ 10. - С. 11-17.

6. Чуприн, В. А. Влияние жидкости на параметры нормальных волн в плоском волноводе, погруженном в жидкость / В. А.Чуприн // Контроль. Диагностика. -2013. — № 10. - С. 70-75.

7. Чуприн, В. А. Оптимизация параметров ультразвуковых измерителей вязкости смазочных жидкостей для непрерывной диагностики состояния машинного оборудования. 1. Проверка пригодности реологической модели / В. А. Чуприн // Контроль. Диагностика. - 2014. - № 2. -С. 15-23.

8. Чуприн, В. А. Оптимизация параметров ультразвуковых измерителей вязкости смазочных жидкостей для непрерывной диагностики состояния машинного оборудования. 2. Выбор оптимальной длины и формы волновода. / В. А. Чуприн // Контроль. Диагностика. - 2014. - № 6.-С. 9-14.

9. Чуприн, В. А. Оптимизация параметров ультразвуковых измерителей вязкости смазочных жидкостей для непрерывной диагностики состояния машинного оборудования. 3. Оптимизация возбуждения/приема нормальных волн в волноводе / В. А. Чуприн // Контроль. Диагностика. -2014.-№ 7.-С. 17-23.

10. Чуприн, В. А. Экспресс-диагностика качества прямых совмещенных преобразователей к ультразвуковым дефектоскопам / М. Б. Гитис, В. А. Чуприн // Дефектоскопия. - 1987. - № 11.-С. 69-75.

11. Чуприн, В. А. Автоматические измерения физических параметров реактивного авиатоплива ультразвуковым вископлотномером / В. А. Чуприн, С. П. Урявин, А. Н. Тимошенко, Ю. А. Миколайчук // Контроль. Диагностика. - 2015. - № 4. - С. 37-40.

12. Чуприн, В. А. Исследование возможности контроля показателей качества молока с помощью ультразвуковых волн в тонких пластинах / В. А. Чуприн // Молочная промышленность. -2015. -№ 4. - С. 19-20.

13. Чуприн, В. А. Исследование возможности автоматических измерений параметров моторных масел ультразвуковым вископлотномером / В. А. Чуприн // Контроль. Диагностика. -2015. -№ 5. -С. 26-31.

Патенты РФ:

1. Авторское свидетельство СССР №1668931 МПК7 G01N 29/04. Способ измерения угла ввода ультразвуковых колебаний наклонных преобразователей / М. Б. Гитис, В. А. Чуприн // 07.08.1991, Бюллетень № 29. - 2 с.

2. Авторское свидетельство СССР №1698750 МПК7 G01N 28. Способ измерения угла ввода ультразвуковых колебаний наклонных преобразователей / М. Б. Гитис, В. А. Чуприн // 15.12.1991, Бюллетень № 46. - 2 с.

3. Патент РФ на полезную модель №35886 МПК 7 G01D 3/00, G01N 3/38, 23/00, 25/00, 27/00, 29/00. Прибор для неразрушающего контроля и технической диагностики / В. А. Чуприн, А. Т. Ковпак // Опубликован 10.02.2004, Бюллетень № 4. - 9 с.

4. Патент РФ на полезную модель №143319 МПК G01N 29/00. Ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей / А. В. Чуприн, В. А. Чуприн, Т. Ф. Чуприна // Опубликован 20.07.2014, Бюллетень № 20. - 8 с.

5. Патент РФ на изобретение №2520166 МПК G01N 15/06. Ультразвуковой способ контроля концентрации магнитных суспензий / В. А. Чуприн, Т. Ф. Чуприна // Опубликован 20.06.2014, Бюллетень № 17. - 8 с.

6. Патент РФ на изобретение №2525473 МПК G01N 29/34, 29/36. Способ возбуждения и приема симметричных и антисимметричных волн в тонких волноводах / В. А. Чуприн, Т. Ф. Чуприна // Опубликован 20.08.2014, Бюллетень № 23. - 9 с.

36

7. Патент РФ на изобретение №2529634 МПК G01N 29/028, 15/06. Способ измерения продольного и сдвигового импеданса жидкостей / А. В. Чуприн, В. А. Чуприн, Т. Ф. Чуприна // Опубликован 27.09.2014, Бюллетень №27. - 6 с.

8. Патент РФ на полезную модель № 153458 МПК G01N 15/06. Ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей / А. В. Чуприн, В. А. Чуприн, Т. Ф. Чуприна // Опубликован 20.07.2015, Бюллетень №20. - 2 с.

9. Патент РФ на полезную модель № 153622 МПК G01N 15/06. Ультразвуковой прибор для измерения сдвиговой вязкости и плотности жидкостей / А. В. Чуприн, В. А. Чуприн // Опубликован 27.07.2015, Бюллетень №21. - 2 с.

В прочих изданиях:

1. Чуприн, В. А. Применение поверхностных и нормальных волн для измерения параметров технологических жидкостей / В. А. Чуприн // В сб. XIX Всероссийская Конференция по НК и ТД: тезисы докладов. Самара, 6-8 сентября 2011 г. -М.: Издательский дом «Спектр», 2011.- С. 220-223.

2. Chuprin, V. Measurements of the material properties of liquids using normal acoustic plate waves [Электронный ресурс] / V. Chuprin, M. Gitis // Proceedings 18th World NDT Conference. -Durban, 2012. - Режим доступа: http://www.ndt.net/article/wcndt2012/papers/163_wcndtfinal00163.pdf

3. Чуприн, В. А. О систематических погрешностях ультразвуковых приборов для автоматического измерения вязкости жидкостей / В. А. Чуприн // В сб. XX Всероссийская научно-техническая конференция по НК и ТД: тезисы докладов. Москва, 3-6 марта 2014 г. -М.: Издательский дом «Спектр», 2014. - С. 148-151.

4. Чуприн, В. А. Особенности акустического тракта ультразвуковых измерителей сдвиговой вязкости и плотности жидкостей / В. А. Чуприн // В сб. XX Всероссийская научно-техническая конференция по НК и ТД: тезисы докладов. Москва, 3-6 марта 2014 г. - М.: Издательский дом «Спектр», 2014.-С. 151-154.

5. Чуприн, В. А. К вопросу измерения параметров наклонных совмещенных пьезопреобразователей на частоту 10 МГц / В. А. Чуприн, А. П. Застава, В. А. Васильев // В сб. XX Всероссийская научно-техническая конференция по НК и ТД: тезисы докладов. Москва, 36 марта 2014 г. -М.: Издательский дом «Спектр», 2014. -С. 154-156.

6. Vladimir A. CHUPRIN. Ultrasonic Measurements of Kinematic Viscosity for Analize of Engine Oil Parameters. - 11th European NDT Conference. - Prague, 2014.

7. Чуприн, В. А. Устройство для магнитопорошкового контроля УНИ - 2000/4000 / Т. А. Сосницкая, В. Ю. Константинов, В. А. Чуприн, П. А. Шарин // В мире неразрушающего контроля.-2011.-№ 1(51).-С. 76-78.

8. Чуприн, В. А. Ультразвуковой контроль параметров технологических жидкостей / В. А. Чуприн, А. В. Чуприн, П. А. Шарин // Доклады сессии «Проблемы взаимодействия ВУЗов, НИИ и РАН по подготовке инженерных и научных кадров по неразрушающему контролю и технической диагностике». 4 марта 2015 г. Круглые столы форума «Территория NDT - 2015». 3 -6 марта 2015 г. М.: ИД «Спектр», 2015. -С. 153-162.

9. Чуприн, В. А. К расчету прямых совмещенных преобразователей ультразвуковых дефектоскопов. III. Влияние технологам изготовления на основной показатель качества / М. Б. Гитис, В. А. Чуприн//Дефектоскопия, - 1987.-№ 1.-С. 24-31.

10. Авторское свидетельство СССР №1343343 МПК7 G01N 29/04. Способ измерения частоты акустических колебаний пьезоэлектрического преобразователя / М. Б. Гитис, В. А. Чуприн // 07.10.1987, Бюллетень № 37.-2 с.

11. Авторское свидетельство СССР №1196760 МПК7 G01N 29/04. Способ измерения параметров пьезоэлектрических преобразователей / М. Б. Гитис, А. С. Парсаданян, Д. А. Ройф, В. А. Чуприн //07.12.1985, Бюллетень № 45.-2 с.

12. Авторское свидетельство СССР №1335865 МПК7 G01N 29/04. Способ контроля качества прямых пьезоэлектрических преобразователей / М. Б. Гитис, В. А. Чуприн, III. А. Сусленский, Г. Я. Грозман // 07.09.1987, Бюллетень № 33. - 5 с.

37