4.2. Чутливі елементи ультразвукових термометрів.

4.2.1. Імпульсні термометри.

Конструкції чутливих елементів можуть відрізнятись великим різновидом

(дивитись рис.3.1.3 та 4.2.1.1), що пов’язано з вибором виду коливань, особливості об’єкта вимірювання кількістю і т.п. При виготовленні чутливого елемента та звукопроводу бажано,щоб амплітуди імпульсів, відбитих від введених неоднорідностей, були рівні між собою, що спрощує задачу обробки вимірювальної інформації та зменшує похибку вимірювання.

Розглянемо однозонний імпульсний термометр, в якому використовуються повздовжні коливання, а чутливий елемент являється відрізком дроту 1 січенням S₁, під’єднанням до звукопроводу 2 січенням S₂ (дивитись рис. 3.1.3,а ). В цьому випадку коефіцієнти відображення r та пропускання t рівні

, . (4.4)

де –відношення імпендексівчутливих елементів та звукопроводу. Якщо використовується один матеріал, то.

Аналізуючи процес відбиття сигналу одиничної амплітуди від чутливого елемента (враховуємо що відбиття від вільного кінця , внутрішні втрати і фазові зсуви при відбитті не враховуємо), отримуємо наступну послідовність амплітуд ехо-імпульсів (рис. 3.1.3,а):

, (4.5)

де – коефіцієнт проходження сигналу, поширюючогоіз чутливого елемента в звукопровід. Оптимальними умовами відбиття вважаємо рівність ( по модулю) амплітуд першого і другого ехо-сигналів, тобто |r|=|-tt’|, з чого випливає що ε=0,236 (для) або ε=4,236 (для). Коефіцієнт відбиття в обох випадках по модулю одинаків і дорівнює 0,618, що співпадає з рекомендованим, а послідовність амплітуд ехо-сигналів для випадкувиглядає наступним чином:;;(– сигнали багатократного відбиття). При нагріванні до високих температур на співвідношення амплітуд сигналів може викликати велике внутрішнє терті в матеріалі чутливого елемента. В такому випадку у розрахунок потрібно додати множник, де– просторовий коефіцієнт затухання;l–довжина чутливого елемента.

Розглянемо відбиття сигналу одиничної амплітуди від багатозонного чутливого елемента (рис. 3.1.3,в), умова рівності амплітуди (по модулю) ехо-сигналів без врахування багатократних відбиттів всередині зон приводить до наступної послідовності:;; де– коефіцієнт відбиття для сигналу, направленого ізi– зони в j–зону. Всі ехо-сигнали однакової полярності. Проте конструкція має суттєвий недолік: звукопровід великого діаметру – добрий тепловідвідний елемент, збільшуючи похибку вимірювання температури. Наприклад, для чотирьох зонного при діаметрі першої зони 1 мм діаметр звукопроводу повинен бути 7,65 мм. Тому, для зменшення даної похибки за рахунок тепловідводу доцільно використовувати конструкції, зображені на рис. 3.1.3, г або д, які дають можливість збільшити кількість зон вимірювання без суттєвої зміни габаритних розмірів. Рекомендується у випадку багатозонних чутливих елементів дотримуються співвідношення , що для конструкції на рис. 3.1.3,г дає наступну послідовність амплітуд:(без врахування багатократного відбиття) або(з врахуванням відбиття в зонах однакової довжини). Тут спостерігається невелике збільшення (по модулю) амплітуд послідовних імпульсів, що цілеспрямовано для часткової компенсації втрати сигналу при високих температурах.

Рис. 4.2.1.1. Різновиди чутливих елементів імпульсних термометрів.

При виготовленні багатозонних термометрів деякі складності виникають при забезпеченні відповідних співвідношень січень (або діаметрів), особливо при порівняно великих довжинах ділянок чутливих елементів. Наприклад, послідовність діаметрів в наведеному на рис. 4.2.1.1 чотирьохзонному чутливому елементі, починаючи від першої зони, наступні: 2,1; 1,0; 1,7; 1,1; 1,6 мм (дані заокруглені до 0,1 мм), тобто кожна ділянка потребує механічної обробки. Експериментальні випробування різних варіантів елементів показала, що більш цілеспрямовано виготовляти останніх з пруту заданого діаметра з виконанням проточень, в яких передбачені плавна зміна діаметра. Наприклад, при використанні пруту діаметром 2 мм має наступні розміри: 2,0; 1,0-1,2; 2,0; 1,3-1,4; 2,0 мм.

Спільне використання повздовжніх та обертових коливань розширює кількість можливих варіантів виготовлення чутливих елементів. Для прикладу розглянемо двохзонний чутливий елемент на рис. 4.2.1.2, де 1 – звукопровід; 2 і 3 – циліндричний чутливий елемент; елемент 2 використовується для відбиття обертових коливань, елемент 3 – повздовжніх. Приймемо в січенні /. Тоді. В тому ж січенні для обертових коливань. Далі аналогічним чином для січення //, прийнявши, отримуємо. В результаті отримуємо для випадку падіння імпульсів одиничної амплітуди ехо-сигнали обертових хвиль з амплітудами 0,5; 0,6; - 0,2 і ехо-сигнали повздовжніх хвиль з амплітудами 0; - 0,6; ( рис. 4.2.1.2). На рис. 4.2.1.2 ехо-сигнали схематично прив’язані відповідним площам відбиття, але в реальному масштабі їх положення на осі часу в залежності від виду коливань буде суттєво відрізнятись від наведеного за рахунок різниці швидкості поширення повздовжніх та обертових хвиль. В реальному прикладі розділенні ехо-сигналів повздовжніх та обертових хвиль на вході приймального пристрою спрощується також тим, що їх можна розрізняти як по часі проходження так і полярності.

Рис. 4.2.1.2 Комбінований чутливий елемент імпульсного термометра