6.3. Особливості звукопроводів та захисної арматури для високотемпературних термометрів

Основними фактами, визначаючи вибір матеріалу та конструкцій звукопроводу, являється мінімальне затухання сигналу в робочому діапазоні температур, відсутністю дисперсії, добра сумісність з матеріалами чутливого елементу, захисної арматури та з інгредієнтами робочого середовища, механічна міцність.

Вплив геометричних розмірів (діаметра) звукопроводу на швидкість поширення повздовжніх ультразвукових хвиль найбільше відчутно при діаметрі звукопроводу, сумірному з довжиною хвилі. Тому, як вказувалось вище, слід дотримуватись умови для повздовжніх хвиль тадля обертових хвиль. Також відмітимо, що чим більший діаметр звукопроводу, тим менший вплив на корисний сигнал надають умави кріплення.

Для дуже тонких довгих звукопроводів () доволі складною проблемою постає збереження форми при мінімуму вузлів кріплення.

У якості матеріалу для звукопроводів високотемпературних термометрів використовують вольфрам, реній та їх сплави, нержавіючу сталь, рутеній та його сплави, ніобій, сапфір, молібден, графіт, вольфрам з окисом торію. Спроби використання звукопроводу з низько вуглецевої сталі та нікелю були невдалими через велике затухання сигналу при високих температурах. Наприклад, при нагріванні рутенового чутливого елементу, привареного до ніобієвого звукопроводу, в місці з’єднання появляється нагар, ймовірно викликаний виникненням низькотемпературної евтектики. З метою економії дорогоцінних та рідкісних металів звукопроводи можна виготовляти з відрізків різних металів при умові якісного акустичного узгодження в місці з’єднання.

Для захисту чутливого елемента та звукопроводу від дії зовнішнього середовища можна використовувати кожухи з корунда, оксиду берилію, оксиду торію, оксиду цирконію, вольфраму, сплавів вольфраму з ренієм, танталу, карбіду кремнію та інших. Можна скористатись великим опитом розробки та експлуатації термоелектричних перетворювачів для високих температур. При цьому необхідно вирішити задачу сумісності захисної арматури як з матеріалами чутливого елемента та звукопроводу, так і з інгредієнтами робочого середовища. Наприклад, рутенієвий чутливий елемент може довго функціонувати у присутності графіту, але взаємодіє з керамікою на основі цирконію, причому сліди цирконію виявляються на відстані до 10 см. Від місця контакту, а забруднена зона стає дуже крихкою. При використанні торійованого вольфраму присутність навіть невеликої кількості кисню або водяної пари може призвести до масо переносу вольфраму з гарячої (вище 2200 К) зони в область середніх температур (до 1270 К). перенесення відбувається в результаті появи летючих окисів з подальшим осадженням кристалів чистого вольфраму із газової фази. Ці кристали можуть вирости до достатньо великих розмірів, заповнивши зазор між звукопроводом і захисним чохлом, що призведе до появи паразитних відбиттів сигналу.

7. Метрологічні характеристики ультразвукових термометрів

При розробці та використанні ультразвукових термометрів необхідно врахувати цілий ряд особливостей. Наприклад, в імпульсних термометрах варто врахувати особливості короткочасних імпульсів. Частотний спектр імпульсного сигналу достатньо широкий, і при поширенні в поглинаючому середовищі окремі спектральні складові поглинаються в різних степенях. Крім того, необхідно точно виміряти дуже малі проміжки часового інтервалу: 8 – 25 нс/К при базі в десятки мікросекунд. В багатозонних термометрах існує можливість грубого промаху через багатократний відбитий сигнал всередині зони, що може призвести до накладки окремих імпульсів і викривленню їх форми, крім того, вибору помилкової пари імпульсів.

Наприклад, на рис 7.1 показані можливі джерела похибок імпульсного однозонного термометра з магнітострикційним перетворювачем. Складові похибок, пов’язані з умовою теплообміну і теплофізичними характеристиками чутливого елемента , зв’язаними з конструкційними особливостями високотемпературного вузла, і їх визначають за відомими методами, як і для любих інших контактних чутливих елементів. Ряд складових можна виключити або суттєво зменшити ще на стадії проектування правильним вибором розмірів звукопроводу та способом його фіксації, конструкції перетворювача, технологічного режиму стабілізації структури чутливого елементу. Ряд складових похибки можна зменшити схематичним способом. Наприклад, фіксований рівень відсічки шумів може призвести до похибки через зниження амплітуди другого ехо-сигналу з ростом температури (рис 7.2), яку можна зменшити введенням плаваючого рівня відсічки або схеми, визначаючої положення центрів імпульсів. Підвищити точність вимірювання можна застосуванням схеми перетворювача час-час, перетворюючи малі інтервали часу τ в прямо пропорційні великі проміжки часумτ (м – коефіцієнт перетворення, досягає 10³).

Рис. 7.1. Можливі джерела похибок ультразвукового однозонного імпульсного термометра.

Якщо забезпечити мінімальний вплив перекислених вище факторів , то статична похибка вимірювання визначається такими складовими, як похибка квантування та похибка виділення. Останнє визначається параметрами підсилювача-формувача і селектора. Що стосується похибки квантування, то тут потрібний компроміс між бажання підвищити точність вимірювання за рахунок підвищення частот високочастотного генератора, відчутними ускладненнями та подорожчанням вимірювального каналу та збільшенням часу вимірювання при усередненні результатів вимірювання.

Рис. 7.2. Вплив амплітуди сигналу на похибку вимірювання часового інтервалу.

На рис 7.3 зображені можливі джерела похибок ультразвукового резонансного термометра з фазовим аналізом ехо-сигналу. Тут, так як і в імпульсному термометрі, складові похибок, пов’язані з теплофізичними характеристиками, розраховуються по відомим методам, а ряд складових можна виключити на стадії проектування заданням режиму технологічної обробки резонатора, правильним вибором розмірів та способів кріплення звукопроводу, екрануванням магнітострикційного перетворювача і т.п.. Для оцінки ряду інших факторів перетворимо схему на рис. 7.3 до більш простого вигляду, зручного для аналізу (рис. 7.4,а). Приймемо, що кількість періодів у випромінюваному сигналі, а кількість імпульсів в групі. Тоді діапазон можливих змінn, при якиї термометр що може функціонувати, складає . Реально цей діапазон менший через малість амплітуди сигналу поблизу мінімуму.

Рис. 7.3. Можливі джерела похибок ультразвукового резонансного термометра з фазовим аналізом сигналу.

Переходячи до добротності, отримуємо діапазон можливих значень , а використовуючи співвідношення, пов’язуючи добротність і частоту резонансних коливань, викликаним зміною добротності у вказаних вище межах, складає приблизно 33 Гц.

Рис. 7.4. спрощена структурна схема резонансного термометра (а), його ехо-сигналу (б) та зображення впливу рівня відсічки шумів на похибку формування імпульсів (в): 1 – резонансний чутливий елемент; 2 – магнітострикційний перетворювач; 3 – підсилювач-обмежувач; 4 – схема виділення груп спільно з інтегратором імпульсів; 5 – нуль-орган; 6 – інтегратор управління; 7 – генератор; 8 – частотомір; 9 – модулятор.

Похибка від рівні відсічки шумів на вході підсилювача обмежувача 3 має систематичний характер і зв’язати тим, що із синусоїдного ехо-сигналу (рис. 7.4,б) формуються прямокутні імпульси, вольт секундна площа яких являється інформаційним параметром. Чим вищир рівень відсічки, тим більша часова похибка перетворювача, яка для одного зформованого імпульсу складає (рис. 7.4,в)

(7.1)

Для малих значень маємо , а для групи з M імпульсів похибка складає .

Так як в інтеграторі імпульсів відбувається підрахунок вольт секундних площею першої і другої групи сформованих імпульсів, то при незмінній амплітуді остаточно похибка була б рівна нулю. Але, якщо амплітуда ехо-сигналу в зоні формування імпульсів другої групи змінюється в малій степені, то в зоні вона змінюється відчутно, в результаті чого появляється некомпенсована систематична похибка ,де - сумарні часові похибки для першої і другої груп імпульсів.

При вимірюванні температури в газових потоках варто врахувати особливості конструкції чутливого елемента, так як вибір конструкції може суттєво вплинути на похибку вимірювання. На рис. 7.5 в якості прикладу наведені графіки, характеризуючи похибку вимірювання в газовому потоці, переміщаючого зі швидкістю 50 м/с.

Розрахунок проводився для двох конструкцій чутливого елементу, являючи собою резонатори, з’єднаних з звукопроводом посередництвом чверть хвильової ланки, для умови доброго теплового контакту з стінками в місці виходу звукопроводу в робочий канал. В цьому випадку розподілення температури по довжині чутливого елементу можна описати рівнянням

, (7.2)

де ;;- температури резонатора, газу та стінки;- коефіцієнт теплообміну між чутливим елементом і газом;- коефіцієнт теплопровідності матеріалу чутливого елемента;- діаметр;l - загальна довжина. Прийнято припущення, що не залежить від температури, в площах контактів різних зон мають місце рівності температур і теплових потоків, а теплові втрати з торців рівні нулю. В цьому випадку рішення рівняння для , яке характеризує похибку зміни температури газу, має вигляд

, (7.3)

де

;

.

Аналіз був проведений шляхом численних розрахунків варіантів конструкції чутливого елементу при умові поперечного обтікання газом, а коефіцієнт тепловіддачі визначається по загальноприйнятим критеріям співвідношення. Як видно з риз. 7.5, конструкція б забезпечує меншу похибку вимірювання температури газового потоку.

Рис. 7.5. Залежність від для різних конструкцій ЧЕ:

1а: 2а: 1б: 2б: