6. Матеріали для ультразвукових термометрів
6.1. Загальні питання вибору матеріалів
При виборі матеріалів для чутливих елементів термометра основними характеристиками, визначаючі межі застосування того чи інакшого матеріалу, являється температурна залежність швидкості поширення ультразвукових коливань (або пов’язаних з нею величин: модуля пружності, модуля зсуву) та втрат (або внутрішнього тертя). Якщо швидкість поширення ультразвукових хвиль в чистих металах пов’язана з їх положенням в періодичній таблиці (рис. 6.1.1), то при зіставленні з відомими даними по температурі плавлення, стиску та інакших властивостей видно задовільну корекцію фізичних властивостей. Іншими словами, інформація про швидкість поширення ультразвуку в матеріалі являється його «візитною карточкою», яка дозволяє робити певні висновки про можливості його застосування.
В
ідеальному газі, як вже було сказано,
швидкість ультразвуку пропорційна
(Т – абсолютна температура) і не залежить
від тиску. Тому в чутливих елементах
цілеспрямовано застосовувати гази, які
по своїм властивостям наближені до
ідеального. В реальних газах у більшості
випадків зміни швидкості з температурою
складає 0,3 – 0,8 м/(с*К) (при 273 – 293 К).
Виключанням є або дуже важкі, або дуже
легкі гази (у водню 2,3 м/(с*К)). Питання
використання реальних газів в чутливих
елементах ускладнюється залежністю
швидкості від тиску. В таких газах, як
азот, гелій, водень, швидкість при Т≈300К
зростає з ростом тиску. З врахуванням
того, що хімічний склад газу також
впливає на швидкість, в процесі
експлуатації чутливого елемента виникає
необхідність контролі складу (чистоту)
і тиску газу в ньому.
Рис. 6.1.1. Зміна швидкості поширення ультразвуку в залежності від положення елемента в періодичній таблиці.
Додаткові проблеми виникають при використанні газового середовища об’єкта в якості чутливого елементу. Це пов’язано з можливими коливаннями хімічного складу, тиску. Присутністю частин твердої фази (наприклад, сажі). Видно, саме ці складності, не дивлячись на ряд переваг, пригальмовують розвиток газових ультразвукових термометрів по порівнянню з іншими типами термометрів. Тим не менше існують об’єкти, в яких іменно газові термометри забезпечують успіх в питанні вимірювання і контролю температури, наприклад, топкові котли теплових електричних станцій. Великі габарити цих котлів (сторона котла 10 – 25 м) не дозволяє використовувати контактні вимірювальні перетворювачі для контролю розподілення температури. Шляхом сканування певної поверхні низькочастотними (до 3 кГц) ультразвуковими сигналами та математичної обробки отриманих даних вдається отримати зображення поширення температури з похибкою менше 40 К або середніх значень температур з похибкою 15 К. Зрозуміло, при використанні газових ультразвукових термометрів із складним складом газового середовища необхідно використовувати в розрахунках поправочні коефіцієнти, які визначаються із попередніх експериментальних дослідів.
В рідинах ультразвукових термометрів використовуються тільки ті рідини, для яких температурна залежність швидкості близька до лінійної. До таких рідин відноситься ряд органічних рідин (наприклад, циклогексан) та рідкі метали. З останніх найбільш часто застосовується натрій, калій та їх сплави, які використовуються в якості теплоносіїв у реакторах. У таблицях 6.1.1 – 6.1.3 представлені дані про швидкості ультразвукових хвиль у згадуваних металічних сплавах, а також в деяких органічних рідинах.
Таблиця 6.1.1. Швидкість ультразвуку та інші властивості розплавів Na-K при 373 К.
|
Стиск калію, ат. % |
Швидкість, м/с |
Температурний коефіцієнт швидкості, м/(с*К) |
Густина, кг/м3 |
Адіабатичне стискання, Х10-11 м2/Н |
|
0 |
2526±5 |
-0,524±0,003 |
926,7 |
16,91±0,07 |
|
13,84 |
2345±5 |
-0,53±0,05 |
908 |
20,0±0,1 |
|
30,48 |
2196±5 |
-0,52±0,06 |
887 |
23,3±0,1 |
|
38,18 |
2145±5 |
-0,43±0,04 |
879 |
24,7±0,1 |
|
59,61 |
2023±5 |
-0,48±0,03 |
856 |
28,5±0,1 |
|
100 |
1869±5 |
-0,53±0,03 |
819 |
34,9±0,2 |
Таблиця 6.1.2. Температурна залежність швидкості та поглинання ультразвуку в натрії, калії та їх сплавах.
|
Склад |
Температура, К |
Швидкість, м/с |
Коефіцієнт поглинання |
|
Na |
337,16 |
2523 |
11,7 |
|
391,16 |
2516 |
12,2 | |
|
403,16 |
2513 |
12,8 | |
|
420,16 |
2501 |
13,2 | |
|
427,16 |
2498 |
13,4 | |
|
Na+43%K |
293,16 |
2159 |
12,3 |
|
345,16 |
2128 |
9,2 | |
|
403,16 |
2095 |
10,2 | |
|
Na+68%K |
293,16 |
2046 |
11,1 |
|
338,16 |
2022 |
10,6 | |
|
393,16 |
2003 |
11,7 | |
|
K |
347,16 |
1887 |
29,9 |
|
381,16 |
1867 |
33,5 | |
|
389,16 |
1863 |
33,3 | |
|
423,16 |
1843 |
37,6 |
Таблиця 6.1.3. Швидкість ультразвуку та її температурний коефіцієнт.
|
Рідина |
Швидкість, м/с |
Температурний коефіцієнт швидкості, м/(с*К) |
|
н-Аміл бромистий |
981 |
-3,6 |
|
Ацетофенол |
1496 |
-3,7 |
|
Бензальдегід |
1479 |
-4,0 |
|
Бензол |
1326 |
-5,2 |
|
н-Гептан |
1162 |
-4,5 |
|
Діоксан |
1389 |
-6,2 |
|
Ізопропиловий спирт |
1170 |
-4,0 |
|
м-Ксилол |
1340 |
-4,1 |
|
Метил циклогексан |
1247 |
-5,6 |
|
Нонан |
1248 |
-4,4 |
|
Тетралін |
1392 |
-4,5 |