4.2.2. Резонансні термометри

Основу кварцових резонансних термометрів складають чутливі елементи, виконані, як правило, у формі плоско випуклих лінзових резонаторів. Наприклад в термометрах фірми Hewlett- Packard резонатор має робочу частоту 28 МГц; виконані у формі плоско випуклої лінзи діаметром 6,25 мм і радіусом кривизни 125 мм ( зріз yxbl/11010’/902’) і герметизується в корпусі заповненим гелієм під тиском приблизно 133 Па. Аналогічно виконаний вітчизняний ( зріз yxbl/11010’/902’) мало інерційний резонатор ( РЦ3. 382.278 ТУ ) , представляючи собою плоско випуклу лінзу діаметром 8 мм і радіусом кривизни 120 мм ( робоча частота 5 МГц ) з нанесеними срібними електродами. У високоякісному резонаторі ( РЦ2.821.004 ТУ ) з вакуумним балоном використовується лінзовий плоско випуклий резонатор діаметром 12,5 мм, радіусом кривизни 100 мм ( частота 5 МГц ) і срібними електродами додатково покритими плівкою золота для покращення стабільності характеристики.

Рис. 4.2.2.1 Різновид чутливих елементів резонансних термометрів

Проте можливі і другі виконання чутливих елементів (рис. 4.2.2.1) , в яких ,застосовуються резонатори згинальних коливань у вигляді камертона, з’єднаних з звукопроводом через ділянку меншого поперечного січення. Деяку складність представляє питання прогнозування характеристик таких резонаторів на етапі проектування і налаштування початкової робочої частоти, так як на них впливають практично всі лінійні розміри. Частота f залежить від швидкості v в матеріалі, довжини l і ширини h зубців камертрона:. Переваги камер тронних резонаторів являється менші розміри порівняно із стержневими (для повздовжніх хвиль) при тому ж значенні частоти, що суттєво покращує локальність вимірювання температури.

4.3 Акустична ізоляція звукопроводів та чутливих елементів. Їх кріплення

В ультразвукових термометрах з великою довжиною звукопроводу складним питанням являється кріплення та ущільнення. Так як опори і ущільнення можуть являтись джерелом відбиттів, необхідно або звести амплітуду цих відбиттів до мінімуму, або обернути ці обставини на користь, як це робиться в деяких конструкціях імпульсних термометрів ( дивитись рис. 4.2.1.1). В якості ущільнення можна використати конуси з м’якої резини, тонкої діафрагми або змінити конструкцію термометра згідно рис. 4.3.1, використовуючи тонкостінну капсулу.

Рис. 4.3.1. Герметизація моста вводу в об’єкт з допомогою тонкостінної капсули: 1 – корпус перетворювача; 2 – котушка; 3 – магнітострикційний матеріал; 4 – звукопровід; 5 – капсула; 6 – чутливий елемент; 7 – стінка корпусу об’єкта; 8 – місце зварки або пайки.

В даному діапазоні частоти до 100 кГц такі капсули можна виготовляти з нержавіючої сталі при товщині стінки до 0,25 мм. Задовільна акустична ізоляція між звукопроводом і захисної арматури досягається установкою шайб з резини,графіту, фторопласту, встановленням дротового оплетення, прокладанням спіралі з тонкого дроту або фольги, нанесенням покриття на внутрішню стінку захисної арматури. Наприклад, така ізоляція здійснюється стінкою,виготовленої з вольфрамового дроту діаметром 0,05 мм. З сітки вирізається полоса шириною 4 мм, намотується на керн або безпосередньо на чутливий елемент з заданим кроком ( більше 4 мм) і фіксується. Потім керн з намотаною сіткою поміщають в середину кожуха і сітка звільняється, розрівнюючись при цьому за рахунок пружних сил і щільно притискаючись до внутрішньої поверхні кожуха ( рис. 4.3.2,а ). Така конструкція може застосовуватись для температур вище 200 К. Для ізоляції застосовуються також металічні, графітові або керамічні квадратні шайби з отворами квадратної форми, які забезпечують малу кількість точок дотику ( рис. 4.3.2,б) , розпірного дроту. В якості, можна використати термоелектричний дріт, виготовляю чого серійно і призначенні для виготовлення термоелектричних перетворювачів. Розпірні дроти приєднуються до звукопроводу групами по декілька штук в одному січенні. Якісне з’єднання забезпечується зваркою краще лазером. Кількість дротів в групі може бути різною (на рис. 4.3.2,в зображена група з трьох розпірних дротів, під’єднаних до звукопроводу піл кутом 120⁰). Якісний результат отримується, якщо поєднати площини,від яких відбивається корисний сигнал і до якого підєднуються розпірні дроти, що знижує рівень завад.

Рис. 4.3.2. Варіанти акустичних ізоляцій чутливих елементів та звукопроводів від захисної арматури: 1 – чутливий елемент; 2 – кожух; 3 – сітка;4 – звукопровід; 5 – шайба; 6 – дротова розпірка; 7 – резонатор; 8 – узгоджувальна ланка; 9 – опорний диск.

Створення прокладок між кожухом і звукопроводом може здійснюватись також посадкою в заданому місці звук проводу дрібних кристалів металу (наприклад, вольфраму з газової фази), які створюють « щитину». Задовільні результати отримані при нещільному засипанні простору між кожухом і звукопроводом порошком кераміки, але при умові що конструкція буде експлуатуватись в горизонтальному положенні. Останнє зумовлено тим, що в вертикальному положенні порошок ущільнюється під дією власної ваги і в результаті температурних деформацій (розширенні і стиску кожуха при циклічній зміні температури) відбувається обхват чутливого елемента і великий ріст втрат сигналу при тривалій експлуатації. Добрий результати отримані при використанні графіту, який використовується або у вигляді шайб , або у вигляді гвинтів, які встановлюються під кутом 120⁰. Ефективною високотемпературною акустичною ізоляцією являється покриття на основі оксиду торія. Для високотемпературних термометрів необхідно врахувати небезпеку дифузійного приварювання (пригорання) звукопроводу до захисної арматури при присутності статичного контакту. При такому приварюванні термометр практично повністю виходить з ладу через відбиття сигналу від місця зварки. Достатньо ефективним захистом від цього являється примусове відносне переміщення звукопроводу і захисної арматури з допомогою зовнішнього дроту або з використанням різниці температурних коефіцієнтів розширення матеріалів звукопроводу і захисної арматури.

В деяких випадках в резонансних термометрах, можна забезпечити ізоляцію конструкторськими методами, задаючи певну форму узгоджувальній ланці (рис. 4.3.2,г) або забезпечуючи опору резонатора у вузловій площині ( рис. 4.3.2, д і е).