Способ определения плотности жидкой биологической среды

;,И глрц ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.Г.Данилов и М.Л.В.Пау14.07 (088.8 )ивилис С.С. Плотномерыя, 1980, с. 230-234. адеий инсишаус сиене ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖЩ -ОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ(57) Изобретение относится к биологии и предназначено для определенияплотности биологических жидких .сред.Цель изобретения - повьппение точности определения. Для этого в исследуемой среде возбуждают коротким электрическим импульсом два акустическихимпульса от лицевой и тыльной поверхностей недемпфированного излучаю.щего пьезоэлектрического преобразователя. Широкополосным приемным пьезоэлектрическим преобразователем измеряют амплитудные значения импульсов волны колебательной скорости в исследу емой среде, излучаемых лицевой и тыльной поверхностями пьезоэлемента недемпфированного пьезоэлектрического преобразователя. С целью исключения интерференции, исключения комплексных величин из "амплитудных значений - А и А - принятых импульсов, время нарастания фронта возбуждающих импульсов и период их следования выбирают из условия Ф ( 7 ц= (пй/С)(Т, где ,- время нарастания фронта возбуждающего импульса и время прохождения акустическим импульсом толщины Й пьезоэлемента излучающего преобразователя, С - скорость ультразвука в пьезосреде, Т - периодМ следования возбуждающих импульсов. Расчет плотности исследуемой среды по измеренным величинам ведут по формуле: я= (Еа. ф) (2 А 7 ис:А 1 -7 ), где Е- акустическое сопротивление пьезосреды, 7 - время прохождения акустическим импульсом через исследуемую среду расстояния 1 между приемным и излучающим пьезопреобразователями, 1 ил, Э табл.Изобретение относится к биологии в частности к способам определения плотности биологических жидких сред,Целью изобретения является повышение точности определения, 5Поставленная цель достигаетсятем, что, в жидкой биологическойсреде возбуждают коротким электрическим импульсом два акустических импульса от лицевой и тыльной поверх ностей недемпфированного излучающего пьезоэлектрического преобразователя, причем время нарастания фронта и период следования возбуждающих импульсов устанавливают по формуле 15сф.ип = (ий/С) ( Т,где ф , ьп - время, соответственно, нарастания фронта возбуждающего им-, 20 пульса и прохождения акустическим импульсом толщины д пьезоэлемента излучающего преобразователя;п - число отражений акустического импульса от внутренних граней пьезоэлемента излучающего преобразователя;С- - скорость ультразвука в пьезо 1 реде;Т - период следования возбуждающих импульсов. 3 ОПрием прошедших исследуемую среду двух акустических импульсов проводят посредством широкополосного пьезоэлектрического преобразователя, а расчет плотности исследуемой среды по измеренным величинам осуществляют по формуле40 где р - плотность исследуемой среды;7. - акустическое сопротивление пьезосреды;ц - время прохождения акустичЕским импульсом через исследуемую сре ду расстояния 1 между приемным и излу. чающим преобразователями;А, А- амплитудные значения импульсов волны колебательной скорости в исследуемой среде излученных, со ответственно, лицевой и тыльной проверхностям пьезоэлемента излучающего преобразователя.Сущность предложенного способаопределения плотности жидкой биологи. 55 ческой среды заключается в том, что в исследуемой среде возбуждают коротким электрическим импульсом два акустических импульса от лицевой и тыльной поверхностей недемпфированного излучающего пьезоэлектрического преобразователя. 1 Цирокополосным приемным пьезоэлектрическим преобразователем измеряют амплитудные значения импульсов волны колебательной скорости в исследуемой среде, излучаемых лице. вой и тыльной поверхностями пьезоэлемента недемпфированного пьезоэлектрического преобразователя. С целью исключения интерференции, исключения комплексных величин из амплитудных значений А и А принятых импульсов время нарастания фронта возбуждающих импульсов и период их следования выбирают из условия , Д =: Гид/С)гт.Кроме того, измерение значения времени ьспрохождения фиксированного расстояния импульсом волны коле - бательной скорости в исследуемой среде и амплитуд А, А.принятых импульсов этой же волны колебательной скорости, излучаемых соответственно лицевой и тыльной поверхностями пье эоэлемента, связаны с акустическим сопротивлением исследуемой среды, Плотность рассматривают по формуле 2 и/ 2 АисисНа чертеже представлена блок-схема, поясняющая реализацию способа определения плотности жидкости биологической среды.В схему входят излучающий недемпфированный пьезоэлектрический преобразователь 1 приемный широкополосный пьезоэлектрический преобразова- тель 2, расположенные на фиксированном расстоянии 0 и помещенные в кювету 3 с исследуемой жидкой биологической средой 4, генератор 5, приемник 6, времяизмерительный блок 7, устройство 8 сравнения, содержащее длительное устройство и выходной преобразователь.В качестве генератора 5 используется наносекундный генератор типа Г 5-47, приемника 6 - широкополосный усилитель УЗ-ЗЗ, времяизмерительного блока 7 - частотомер Ч 4-34 А, устройства сравнения 8 - осциллограф С 1-92 вычислительного устройства 9 - вычислительное устройство Т 3-29, регистрирующего устройства 1 О - цифропечатающее устройство Консул".Лля определения плотности жидкой биологической среды недемпфированныйАмплитуда импульса волны колебательной скорости в исследуемой среде 4, излученного лицевой поверхностью преобразователя 1, определяется выражением сЕ(1) ЗО 1Ек+ Ео где А - амплитуда импульса, излученного лицевой поверхностью преобразователя 1;- пьезоэлектрическая постоянная, 35 Е - электрическое поле;2 - акустическое сопротивлениекисследуемой биологической среды 4;Е - акустическое сопротивление пьезосреды излучающего преобразоватеО ля 1.Время прохождения колебательной волной расстояния И в исследуемой среде 4 между лчцевой поверхностью излучающего преобразователя 1 иприемным преобразователем 2 определяется выраже- нием р 1гиск(2) где С - время прохождения колебательной волной расстояния 3 в исследуемой среде 4;р - плотность исследуемой среды 4.Амплитуда импульса волны колебатель ной скорости в исследуемой среде 4, излученного тыльной поверхностью преобразователя 1, определяется выраже- нием 3 13124 излучающий 1 и широкополосный приемный 2 пьезоэлектрические преобразователи, расположенные на фиксированном расстоянии 2, помещают в исследуемую жидкую биологическую среду 4 в кювете 3. Излучающий пьезоэлектрический преобразователь 1 возбуждают от генератора 5 коротким электрическим импульсом, причем время Сф нарастания фронта возбуждающих импульсов 1 О и период Т их следования выбирает из условия Тф(с= (пй/Сд)(Т. Это обеспечивает исключение интерференции. Реакция лицевой и тыльной поверхностей недемпфированного излуча ющего пьезоэлектрического преобразователя 1 в виде импульсов волны колебательной скорости в исследуемой биологической среде 4 принимают широкополосным приемным пьезоэлектричес ким преобразователем 2, преобразующим их в электрические сигналы,83(3)еЕЭдА=Е+ Ергде А - амплитуда импульса, излученного тыльной поверхностью преобразователя 1;,Э= 22/(Е+ Еп) - коэффициентпрохождения акустическим импульсомграницы пьезосреда - исследуемая среда.С широкополосного приемного пьезоэлектрического преобразователя 2 импульс А, усиленный в приемнике 6,поступает на стоповый вход времяиэмерительного блока 7 и на первый входустройства 8 сравнения. Импульс Атакже усиленный в приемнике 6 поступает с обратной 1 полярностью на второй вход устройства 8 сравнения. Одновременно с возбуждением излучающего преобразователя 1 электрическийимпульс с генератора 5 подается настартовый вход времяизмерительногоблока 7. После появления на стоповомвходе времяизмерительного блока 7импульса А, вырабатывается прямоугольный импульс длительностью ц =Г/С, где С = Е/р - скорость ультразвука в исследуемой среде 4. Этотимпульс подается на первый вход вычислительного устройства 9. В устройстве 8 сравнения амплитудные значения А и А сравниваются, а отношение сравниваемых величин А 1/А поступает, на второй вход вычислительногоустройства 9. В вычислительном устройстве 9 программируется постоянныйкоэффициент Е /1,Иэ отношения амплитуд А, к А импульсов волны колебательной скоростив исследуемой среде 4, согласно выражений (1) н (3), находят(4)А Е+2Поскольку2 АЕп - А 22 п , 1 (5)к с ЪАг "исто из выражения (5 ) следует, что вычислительное устройство 9 реализует алгоритм, описываемый выражениемЕп 2 А ис( ---- ". ) (6)Р Р А исПри этом в конце цикла измерения осуществляют вывод измеренной величины Мрс выхода вычислительного устройства 9 на регистрирующий прибор 10.1312483 6и толщиной 5 мм. Волновое сопротивлего ние пьезокерамики Е = 30,6 10 кГ/мс,2 Я Рассстояние между излучающим и приемным широкополосным пьезокерамическими преобразователями составляет ти мм. Данные для измерения плотностикрови клинически здоровых коров 10 представлены в табл,1.В табл,2 и 3 представлены данныедля измерения плотности цельного молока клинически здоровых и больныхмаститом коров.15Формула изобретения Таблица 1мА, В К У А, В 5Для измерения плотности, в качестве излучающего недемпфированно пьезоэлектрического преобразовател используют пьезокерамический диск из материала ЦТСдиаметром Р =18 мм, толщиной= 5 мм. :Акус ческое сопротивление пьезокерамики Е = 30,6 10 кГ/м с, Расстояние между излучающим и приемным широкополосным пьезоэлектрическими преобразователями составляло= 50 мм. В качестве исследуемой среды используют воду. Нирокополосный приемный пьезоэлектрический преобразователь имеет полосу пропускания ат 1 до 18,5 МГц. При возбуждении недемпфированного пьезоэлектрического преобразователя коротким электрическим импульсом напряжения сф=10 нс и периодом следования импульсов Т=250 мкс выполняется 20 условие 7 фстр= пй/С) Т. При и =10, Сц, = 11,8 10 Ь мкс. На вьгсоде широкополосного приемного преобразователя получают амплитудные значения импульсов напряжения А= 0,2 В, А = 0,32 В. Время прохождения акустическим импульсом расстояния 250 мм в исследуемой среде дс=33,33 10 Ь мкс. Измеренная плотность исследуемой среды. составляет 30= 0,9996 .10 кГ/м 1 . При этом относительная погрешность измерения, по. сравнению с базовым объектом, уменьшилась в 37 раз.П р и м е р, Исследуемую среду по мещают в специальную кювету, в качестве излучающего недемпфираванного пьезоэлектрического преобразователя используют пьезакерамический диск нз материала ЦТСдиаметром 18 мм40 Способ определения плотности жидкой биологической среды путем помещения в нее излучающего и приемного датчиков, воздействия на среду ультразвуковым сигналом и снятие показаний, о т л и ч а ю щ и й с я тем, чта, с целью повышения точности определения, излучающий датчик помещают внутрь исследуемой среды параллельно приемному датчику, при этом излучающий датчик недемпфирован и имеет две излучающие поверхности, затем создают ультразвуковой сигнал коротким электрическим импульсом, время нарастания франта которого меньше времени прохождения ультразвуковой волной толщины излучающего датчика, а,плотности определяют по времени прохождения акустическим импульсом через исследуемую среду и двум амплитудным значениям импульсов волны колебательной скорости, излученных обеими поверхностями излучающего датчика.312483 8Таблица 2 1,1915 30,6 10 32,83 10 1523 0,05 1034,77 1 ф 1915 1033 ю 61 111915 1033 ь 00 30 в 61 О . 321891 О 1520 Ою 05 30,6 10 32,90 10 30,610 .33,06 10 1,1915 1030,54 30,6 10 33 ь 09 10ь 1915 1029 ф 98 Таблица 3 2, 7, нс С, м/с Р, м А В А ,В К(аС) 3217910-6 1525 Оэ 05 1 э 550 2 з 474 11915 1033,33 33 22,10-С 1505 0 05 1 500 Оэ 05 1 ь 477 2 э 3621 э 91 5 101 2 э 36 33,33 1033,35 1 О 30,6 1 О 498 Оэ 05 1 в 465 2 э 343 э 915 1011 ъ 23 30,6 10 33,35 10 1490 Оэ 05 1 э 457 2 э 331 э 915 1009 ф 95 Составитель Е.КолмаковРедактор Г.Волкова Техред Л.Сердюкова Корректор А,Обруч Тираж 777 ВНИИПИ Государственного к по делам изобретений и 113035, Москва, И, Раущск