Przedmiotem wynalazku jest sposób i urzadze¬ nie do pomiaru stezenia mieszanin cieklych, opar¬ ty na zasadach zaleznosci dlugosci fal ultradzwie¬ kowych od predkosci ich propagacji oraz zaleznosci ugiecia fal swietlnych od dlugosci fal ultradzwie- s kowych w osrodku, w którym rozchodza sie te fale.Wynalazek dotyczy miernictwa, zwlaszcza mier¬ nictwa stezenia mieszanin cieklych.Znane i stosowane sposoby i urzadzenia do po- 10 miaru stezenia mieszanin cieklych oparte sa na zjawisku skrecenia plaszczyzny polaryzacji wiazki swiatla spolaryzowanego liniowo, przechodzacego przez ciecz, od stezenia mieszaniny — cieczy ba¬ danej. 15 Znane urzadzenie, sluzace pomiarom, to jest sa- charymetr, sklada sie ze zródla swiatla, kolimato- ra, polaryzatora wejsciowego, filtru optycznego, kuwety z badana mieszanina lub roztworem oraz z analizatora polaryzacyjnego. Pomiar stezenia ^ ze mieszaniny lub roztworu polega na tym, ze stru¬ mien swiatla, pochodzacy ze zródla swiatla jest uformowany w równolegla wiazke przez kolima- tor i spolaryzowany liniowo przez polaryzator wejsciowy. Po przejsciu przez filtr przechodzi on 25 przez kuwete z badana ciecza. Plaszczyzna pola¬ ryzacji swiatla ulega skreceniu w cieczy o kat, którego wartosc jest proporcjonalna do wartosci stezenia badanej cieczy. Kat ten mierzony jest za pomoca analizatora, zaopatrzonego w odpowiednia 30 skale. Odczyt nastepuje od razu w procentach stezenia roztworu cukru.Znany stezeniomierz posiada bardzo waski za¬ kres zastosowan, bowiem mozna go uzywac jedy¬ nie do pomiaru stezenia cieczy tak zwanych op¬ tycznie czynnych.Znany Jest tez inny sposób pomiaru i urzadze¬ nie do pomiaru, oparte na zasadzie zaleznosci przewodnosci galwanicznej mieszaniny cieczy od jej stezenia. Znany kondttfctometryczny miernik mieszanin cieklych zawiera kuwete pomiarowa, zaopatrzona w dwie elektrody pomiarowe oraz miernik przewodnosci galwanicznej, polaczony z tymi elektrodami. Znany slposób dzialania urza¬ dzenia, to jestt sposób pomiasru stezenia mieszaniny cieklej polega na tym, ze kuwete wypelnia sie ba¬ dana mieszanina lub roztworem i wlacza sie miernik przewodnosci, wyskalowany od irazu w procentach stezenia okreslonej mieszani¬ ny.Takze ten znany stezeniomierz znajduje zasto¬ sowanie jedynie tam, gdzie badana mieszanina lub roztwór wykazuja przewodnosc galwaniczna i prze¬ wodnosc ta jest funkcja stezenia. Przyrzad taki jest zupelnie nieprzydatny do pomiaru stezenia mieszanin róznych olei, alkoholi, estrów itp.Oba znane, opisane sposoby i urzadzenia do po¬ miaru stezen mieszanin cieklych wzglednie roz¬ tworów, znajduja zastosowanie przecfe wszystkim w pracach laboratoryjnych. Bezposrednie wyko- 113 215113 215 rzystanie wyników pomiarowych do kontroli i re¬ gulacji procesów technologicznych jest praktycz¬ nie niemozliwe. Dotychczas nie udalo sie zasto¬ sowac tych znanych sposobów i urzadzen do ste¬ rowania procesami przemyslowymi w ukladach automatycznej regulacji linii technologicznych.Znane sa zaleznosci dlugosci fal ultradzwieko¬ wych od predkosci ich propagacji w róznych osrodkach np. gazowych, cieklych i stalych oraz zaleznosci ugiecia fal swietlnych od dlugosci fal ultradzwiekowych. Dlugosc fali ultradzwiekowej jest wprost proporcjonalna do predkosci jej pro¬ pagacji, a zaleznosc miedzy ugieciem fal swietlnych a dlugoscia fal ultradzwiekowych jest równiez wprost proporcjonalna.Badania akusto-optyczne, a konkretnie badania oparte na wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji swiat¬ la na falach ultradzwiekowych w okreslonych osrodkach teoretycznie przewidziane przez Brillo- nina — „La diffraction de la lumiere pas de ultrasons", Paris 1933 — zostaly zrealizowane do¬ swiadczalnie w latach 30-tych przez Deby'ea i Searsa — Proc. Nat. Acad. JSei. USA 18, 409, (1932) oraz niezaleznie przez Sucasa i Biauarta — J. Phys. Rad., 3, 464 (1932). Obecnie badania wlas¬ nosci fizycznych cial stalych, cieczy i gazów me¬ todami ultradzwiekowymi stanowia rozlegla dzie¬ dzine. Metode ultradzwiekowa zastosowano glów¬ nie do pomiaru predkosci propagacji dzwieku w cieczach jednorodnych.Dotychczas metody pomiaru stezenia mieszanin cieklych oparte na wykorzystaniu zjawiska dy¬ frakcji swiatla na ultradzwiekach nie byly stoso¬ wane.Celem wynalazku jest sposób i urzadzenie do pomiaru stezen mieszanin cieklych, które moga byc stosowane do pomiaru cieczy nie tylko op¬ tycznie czynnych lub wykazujacych przewodnosc galwaniczna, ale równiez i do cieczy nie posiada¬ jacych tych wlasnosci fizycznych. Dalszym celem wynalazku jest takie rozwiazanie konstrukcji urzadzenia, które pozwala na prowadzenie pomia¬ rów ciaglych oraz bezposrednie wykorzystywanie wyników pomiarowych, do sterowania, regulacji i rejestracji w liniach technologicznych, w sposób samoczynny.Cel ten zostal osiagniety przez wykorzystanie zasad zaleznosci dlugosci fal ultradzwiekowych od predkosci propagacji oraz zaleznosci ugiecia fal swietlnych od dlugosci fal ultradzwiekowych w osrodku, w którypi rozchodza sie te fale. Istota sposobu wedlug wynalazku jest wprowadzanie do badanej cieklej mieszaniny biezacej fali ultra¬ dzwiekowej oraz prostopadle do tej fali, wprowa¬ dzenie równoleglej wiazki swiatla, korzystnie mo¬ nochromatycznego, którego dyfrakcje mierzy sie w znany sposób, przy czym zmierzona odleglosc miedzy prazkami rzedów +1 oraz —1 jest miara stezenia.Wedlug wynalazku wprowadzona do badanej cieczy biezaca fala ultradzwiekowa jest przy wej¬ sciu z badanej cieczy wytlumiana sposobem ab¬ sorpcji refleksyjnej. Czestotliwosc wprowadzanej fali ultradzwiekowej jest stala. Wprowadzana do badanej cieczy równolegla wiazka swiatla jest wstepnie monochromatyzowana, skupiona i ogra¬ niczona do mozliwie malej szerokosci, korzystnie zapewniajacej koherencje wiazki w obszarze ana- 5 lizowanym. Pomiar odleglosci prazków przeprowa¬ dza sie na drodze podzialu wzdluznego kazdego prazka, za pomoca ukladu pryzmatów, ustawio¬ nych tak, aby obie polowy prazka dawaly jedna¬ kowe oswietlenie fotorezystorów. Pryzmaty nada- io zaja za prazkami — stad pomiar odleglosci mie¬ dzy nimi.Urzadzenie do pomiaru stezenia mieszanin ciek¬ lych, wedlug wynalazku, zawiera komore pomia¬ rowa, optyczny uklad, a takze elektroniczny uklad 15 pomiarowy. Istota jego jest zastosowanie jako ko¬ mory pomiarowej deflektora ultradzwiekowego, wyposazonego w ultradzwiekowy przetwornik.Uklad optyczny ma na koncu usytuowana seg¬ mentowa przeslone dla eliminacji prazków wyz- 20 szych (poza +1 i —1) rzedów, za która z ko¬ lei usytuowane sa pelnoodbijajace pryzmaty i fo- torezystorami, polaczonymi z wejsciem torów elektronicznego ukladu pomiarowego orarz pedni¬ kami i silownikami ruchu pryzmatów a takze 25 pedniami ruchu rezystorów potencjometrycznych.Fotorezystory stanowia galaz mostka Wheastone'a, bedacego wejsciowym elementem ukladu elektro¬ nicznego. Deflektor jest na wyjsciu toru ultra¬ dzwiekowego wyposazony w absorber refleksyjny, wytlumiajacy fale ultradzwiekowa bez ech. Prze¬ suwnie zamocowane pryzmaty sa polaczone z wo- dzidlami i przekladniami zebatymi z dwufazowy¬ mi silnikami, do których doprowadzone jest na¬ piecie z mostka Wheastone'a poprzez wzmacniacze.Silniki sa polaczone z zasilajacym je generatorem pradu przemiennego podwyzszonej czastotliwosci.Z przekladniami zebatymi sa sprzezone mecha¬ nicznie takze wieloobrotowe rezystory potencjome- tryczne. Suwaki tych rezystorów potencjometrycz¬ nych, napiecie miedzy którymi stanowi wyjsciowa' róznice napiec, polaczone sa z zaciskami wejscio¬ wymi wskaznikowego ukladu.Przedmiot wynalazku, realizujac postawione ce- 45 le, wykazuje korzystne skutki techniczne i tech- niczno-uzytkowe. Zostala stworzona mozliwosc zarówno statycznego jak i dynamicznego pomiaru stezen mieszanin cieklych i roztworów, niezalez¬ nie od tego czy sa one optycznie czynne lub czy 5o wykazuja wlasciwosci przewodzenia galwaniczne¬ go, uzaleznionego funkcyjnie od stezenia, lub tez czy wykazuja inne szczególne wlasnosci fizyczne zalezne funkcyjnie od stezenia. Istotna zaleta techniczna wynalazku jest bardzo duza doklad- 96 nosc pomiarów. Sposób i urzadzenie umozliwiaja uzyskanie dokladnosci wyzszej niz lft. Jednoczes¬ nie czas pomiaru jest bardzo krótki, znacznie krótszy niz czasy pomiaru mozliwe do osiagniecia znanymi sposobami i urzadzeniami. Wynosi on za- 60 ledwie ulamek sekundy. Ta cecha pozwala na stosowanie rozwiazania wedlug wynalazku w ukla¬ dach wielokanalowych.Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykla¬ dowym wykonaniu na rysunku na którym fig. 1 65 przedstawia w sposób schematyczny uklad aku- 30 35 40113 215 6 styczny, fig. 2 — schemat urzadzenia, fig. 3 — deflektor akustooptyczny z tlumikiem refleksyj¬ nym w widoku z boku, a fig. 4 tenze deflektor, sluzacy do statycznego i dynamicznego pomiaru stezenia badanej cieczy, w widoku z góry. Uklad 5 optyczny zawiera lampe 1, monochromatyzujacy optyczny filtr 2, skupiajaca soczewke 3, szczelino¬ wa przeslone 4 i usytuowana za nia druga soczew¬ ke 5. Pomiarowa komore stanowi ultradzwiekowy deflektor 6, wyposazony w ultradzwiekowy prze- io twornik 7. Os ultraakustyczna komory to jest de- flektora 6, jak równiez kierunek emisji ultra¬ dzwieków przez przetwornik 7, jest prostopadla w stosunku do osi optycznej opisanego ukladu optycznego. Za komora pomiarowa jest usytuowa- 15 na kolejna skupiajaca soczewke 8, dajaca obraz szczeliny w plaszczyznie obrazowej 9 (Fig. 1).Przetwornik ultradzwiekowy 7 jest polaczony i za¬ silany z elektronicznego generatora 10. 20 Za skupiajaca soczewka 8 utworzona z zestawu optycznego (Fig. 2) umieszczona jest segmentowa przeslona 11, a za nia zestaw pelnoodbijajacych pryzmatów 14, których wodzidla sprzezone sa za posrednictwem zebatych przekladni 13 z para 25 dwufazowych silników 12. Pryzmaty 14 sa wypo¬ sazone w fotorezystory, stanowiace kazdy jedna z galezi mostka Wheastone'a 15. Z zebatymi prze¬ kladniami 13 sa równiez sprzezone mechanicznie wieloobrotowe rezystory potencjometryczne 18. Sil- 30 niki 12 sa polaczone i zasilane z elektronicznego generatora 16 pradu przemiennego o czestotliwosci 400 Hz. Caly uklad pomiarowy jest zasilany z re¬ gulowanego zasilacza stabilizowanego 17, dostar¬ czajacego do poszczególnych elementów ukladu 35 elektronicznego odpowiednie napiecie i prady. Za¬ ciski suwakowe rezystorów potencjometrycznych 18, stanowiace zaciski wyjsciowe ukladu pomiaro¬ wego sa polaczone z zaciskami wejsciowymi wskaznikowego ukladu 19 (Fig.2). 40 Deflektor ultradzwiekowy 6 (Fig. 1 i 2) sklada sie z nastepujacych elementów: pomiarowej komo¬ ry 20, tlumika 21, optycznego tubusu 22 oraz oslo¬ ny 23. Tlumik refleksyjny 21 jest polaczony z tu- busem 22 za pomoca kolnierza 24 z uszczelniajaca 45 przekladka 25. Os optycznego tubusa 22 jest pro¬ stopadla w stosunku do osi komory 20. Tubus 22 jest wyposazony w przezroczyste okienka 26 i 27 oraz koncówki 28 i 29 wlotu i wylotu badanej cieczy, jak równiez wspornik 30 mocujacy (Fig. 50 3 i 4).Sposób pomiaru stezenia mieszanin cieczy opar¬ ty jest na znanych zasadach zaleznosci dlugosci fal ultradzwiekowych rozchodzacych sie w cieczy od predkosci propagacji oraz zaleznosci ugiecia fal swietlnych od dlugosci fal ultradzwiekowych w osrodku (to jest w badanej cieczy), w którym rozchodza sie te fale.Rozproszenie swiatla w osrodku, w którym roz- 80 chodzi sie fala ultradzwiekowa, wynika z róznic gestosci osrodka w maksimach i minimach cisnie¬ nia tej fali, podobnie jak ina siatce dyfrakcyjnej.Zaleznosc kata ugiecia a odpowiadajaca prazkowi pierwszego rzedu, od dlugosci k fali swietlnej ** 55 i dlugosci A fali ultradzwiekowej, odgrywajacej tu role stalej siatki, podaje znany wzór sin a = -T- A który dla malych katów a, nie wiekszych od kil¬ ku sekund, mozna uproscic do postaci: X Okreslajac kat a z zaleznosci geometrycznych, wi¬ docznych na rysunku (Fig. 1), otrzymuje sie: d . ¦5 -tg a w którym d oznacza odleglosc miedzy sasiednimi prazkami dyfrakcji pierwszego rzedu, natomiast D to odleglosc od plaszczyzny glównej soczewki skupiajacej wyjsciowej do plaszczyzny obrazowej, stad przyjmujac takze uproszczenie, jak poprzed¬ nio d X stad odleglosc miedzy sasiednimi prazkami dyfrak¬ cji pierwszego rzedu: jest wprost proporcjonalna do dlugosci fali swie¬ tlnej X i odwrotnie proporcjonalna do dlugosci fali ultradzwiekowej. W przypadku stalej czestosci drgan f przetwornika ultradzwiekowego 7, przy predkosci c rozchodzenia sie fali ultradzwiekowej w cieczy, dlugosc A tej fali ultradzwiejkowej A-A Tak wiec odleglosc miedzy sasiednimi prazkami dyfrakcjii pierwszego rzedu wyraza sie wzorem d = — -D-f c Poniewaz jednak predkosc fali ultradzwiekowej c jest funkcja: stezenia mieszaniny, temperatury, cisnienia i scisliwosci, to dla stalych wartosci: temperatury, cisnienia i scisliwosci, odleglosc d jest funkcja stezenia mieszaniny, czyli rozchy¬ lenie prazków pierwszego rzedu jest jednoznaczna funkcja stezenia badanej mieszaniny lub roz¬ tworu.Sposób-pomiaru, oparty na opisanych zasadach i zaleznosciach jest nastepujacy. Swiatlo lampy 1, po przejsciu przez monochromatyzujacy filtr op¬ tyczny 2 jest skupione przez soczewke 3 tak, ze ognisko strumienia swietlnego pozostaje w szcze¬ linie przeslony szczelinowej 4. ^Po przejsciu przez szczeline strumien swiatla zostaje uformowany w wiazke równolegla za pomoca soczewki 5 tak, ze wypelnia aparature optyczna okienka 26 de- flektora ultradzwiekowego 6. Deflektor 6 zawiera badany roztwór lub mieszanine ciekla.W tej cieczy jest wzbudzona biezaca fala ultra¬ dzwiekowa przez przetwornik 7, zasilany z gene¬ ratora elektronicznego 10. W wyniku oddzialywa¬ nia fal swdetlnych i fali ultradzwiekowej w bada-113 215 nej cieczy swiatlo ulega dyfrakcji. Uklad socze¬ wek 8 tworzy w plaszczyznie obrazowej 9 obraz szczeliny 4. Na skutek dyfrakcji utworzone sa równolegle prazki (ma miejsce rozszczepienie swiatla). Segmentowa przeslona 11 wydziela tylko prazki +1 i —1 rzedu. Te prazki padaja na system dw6ch pryzmatów *pelnoodbijajacych 14 z fotorezytorami. Pryzmaty dziela kazdy z prazków równolegle do swych dluzszych krawedzi na dwie czesci. Kazda z nich^pada na oddzielny fotorezy- stor, stanowiacy jedna z galezi mostka Wheasto- ne'a 15.Sygnal z tego mostka 15, po wzmocnieniu, ste¬ ruje przesuwem ukladu ruchomych pryzmatów 14, za pomoca pary silników dwufazowych 12, sprze¬ zonych za posrednictwem przekladni zebatych 13 z wodzidlami pryzmatów 14. Silniki 12 sa zasilane pradem przemiennym 400 Hz z generatora 16, Wraz z zanikiem napiecia na przekatnej mostka 15, pryzmaty 14 dokladnie lokalizuja polozenie prazków — zanika równiez napiecie w jednej z faz uzwojen silników 12. Powoduje to wstrzy¬ manie przesuwu pryzmatów 14 czujnika fotorezy- storowego. Z przekladniami zebatymi 13 sa rów¬ niez mechanicznie sprzezone rezystory potencjome- trycznev wdeloobrotowe 18. Sygnal wyjsciowy, rów¬ ny róznicy napiec na zaciskach suwakowych tych rezystorów potencjometrycznych 18, zostaje dopro¬ wadzony na zaciski wejsciowe ukladu wskazniko¬ wego 19. W przykladach podano zastosowanie sposobu i urzadzenia wedlug wynalazku do doklad¬ nych pomiarów stezen mieszanin cieklych.Przyklad I. Pomiary stezenia wodnego roz¬ tworu soli kuchennej NaCl uzyskano dla nastepu¬ jacych odleglosci d miedzy sasiednimi prazkami dyfrakcji: 10 20 35 Dokladnosc pomiarów i w tym przypadku wyno¬ sila okolo 0,3%. Nalezy jednak zaznaczyc, ze urzadzenie musi byc homologowane dla kazdego rodzaju badanej cieczy. Poniewaz aparatura jest do tego przystosowana, zabieg nie jest ani czaso¬ chlonny ani trudny.Przedmiot wynalazku znajduje zastosowanie w gospodarce uspolecznionej w róznych jej dzie¬ dzinach.Zastrzezenia patentowe 1. Sposób pomiaru stezenia mieszanin cieklych, znamienny tym, ze do badanej mieszaniny cieklej wprowadza sie biezaca fale ultradzwiekowa oraz prostopadle do tej fali, wprowadza sie równoleg¬ la wiazke swiatla, korzystnie monochromatyczne¬ go, którego dyfrakcje mierzy sie w znany sposób, przy czym zmierzona odleglosc miedzy prazkami rzedów +1 i —1 jest miara stezenia. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze wprowadzona do badanej cieczy biezaca fala ultradzwiekowa jest przy wyjsciu z badanej cie¬ czy wytlumiana przez absorpcje refleksyjna. 3. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze czestotliwosc wprowadzonej fali ultradzwiekowej jest stala. 4. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze wprowadzona do badanej cieczy równolegla wiaz¬ ka swiatla jest wstepnie monochromatyzowana, skupiona i ograniczona do mozliwie malej szero¬ kosci, korzystnie zapewniajacej koherencje wiazki w obszarze analizowanym. 5. Urzadzenie do pomiaru stezenia mieszanki cieklych, zawierajace komore pomiarowa, uklad optyczny oraz elektroniczny uklad pomiarowy, d (mm) ^ stezenie w % 5,00 0 4,90 2 4,75 5 4,62 8 4,53 10 4,45 12 4,33 15 4,22 18 4,15 20 Pomiary zostaly przeprowadzone przy uzyciu ru¬ chomych pryzmatów 14 z dokladnoscia do 0,01 mm.Odpowiada to zmianie stezenia wynoszacej 0,2%, co stanowi w tym przypadku wartosc bledu po¬ miaru.Uzyskany ciag wyników wskazuje, ze ze wzros¬ tem stezenia soli kuchennej NaCl dlugosc fali ultradzwiekowej A w roztworze wzrasta, a zgod¬ nie z wzorami maleje d. Uzyskane wysiiki pokry¬ waja sie z danymi zaczerpnietymi z literatury naukowej (Bergmann L. „Der Ultraschell und sei- ne Anwendung in Wissenschaft und Technik", Zurich 1954, Kinsler L. R., Frey A. K. „Fundamen- tals of acoustics" J. Willey and Sons, New York 1962).Przyklad II. Podane pomiary przeprowadzo¬ no równiez dla mieszaniny alkoholu etylowego CjHcOH i wody H20.Uzyskano wyniki jak nastepuje: znamienne tym, ze komore pomiarowa stanowi deflektor ultradzwiekowy (6), wyposazony w ultra¬ dzwiekowy przetwornik (7), a uklad optyczny ma na koncu usytuowana segmentowa przeslone (11) dla eliminacji prazków wyzszych (poza +1 i —1) rzedów, iza która z kolei usytuowane sa pelnoodbijajace pryzmaty (14) z fotorezystora- mi, polaczonymi z wejsciami elektronicznymi ukla¬ dów pomiarowych oraz pednikami i silownikami ruchu pryzmatów (14), a takze pedniami ruchu rezystorów potencjometrycznych (18). 6. Urzadzenie wedlug zastrz. 5, znamienne tym, ze fotorezystory pryzmatów (14) stanowia jedna galaz mostka Wheastone'a (15), bedacego wejscio¬ wym elementem ukladu elektronicznego. • 7. Urzadzenie wedlug zastrz. 5, znamienne tym, ze deflektor (6) wyposazony jest na wyjsciu toru ultradzwiekowego w obsorber refleksyjny, wytlu¬ miajacy fale ultradzwiekowa bez ech. d (mm) stezenie (%) 5,00 0 4,93 2 4,83 5 4,73 8 4,67 10 4,61 12 4,52 15 4,43 v' 18 4,38 26 \113 215 9 3. Urzadzenie wedlug zastrz. 5, znamienne tym, ze przesuwnie zamocowane pryzmaty (14) pola¬ czone sa wodzidlami i przekladniami zebatymi (13) z dwufazowymi silnikami (12), do których dopro¬ wadzone jest napiecie z mostka Wheastone'a (15) poprzez wzmacniacze. 9. Urzadzenie wedlug zastrz. 8, znamienne tym, ze z przekladniami zebatymi (13) sprzezone sa mechanicznie wieloobrotowe rezystory potencjome- tryczne (18). 10 10. Urzadzenie wedlug zastrz. 8, znamienne tym, ze silniki (12) polaczone sa z zasilajacym je gene¬ ratorem pradu przemiennego podwyzszonej czesto¬ tliwosci (16). 11. Urzadzenie wedlug zastrz. 5, znamienne tym, ze suwaki rezystorów potencjometrycznych (1S), polaczone sa z zaciskami wejsciowymi wskazni¬ kowego ukladu (19).Figi Fig. 2113 215 30 \23 Fig.3 ^n ; <& ]25 \il \26\j0 fA4 ZGK 5, Btm. zam. 9159 — 105 egz.Cena 45 zl PL