3.Вимірювання температури за допомогою ультразвуку

3.1.Імпульсні термометри

В основі імпульсних термометрів лежить температурна залежність часового інтервалу між ультразвуковими імпульсами.

Якщо використовуються окремі перетворювачі і акустичний імпульс проходить через чутливий елемент, то термометр може функціонувати по принципу синхрокольца (або авто циркуляції імпульсу (рис. 3.1.1,а)). Електричний імпульс (рис. 3.1.1,б), перетворений в перетворювачі 2 в акустичний сигнал (рис. 3.1.1,в), проходить по 4, приймається перетворювачем 3 (рис. 3.1.1,г) і після підсилення в підсилювачі 5 та перетворення в формувавачі 6 (рис. 3.1.1,д) використовується для повторного запуску в тригер 7 генератора 1, працюючого в чекаю чому режимі.

Частота проходження імпульсів на виході генератора залежить від часу проходження акустичного сигналу через чутливий елемент:

, (3.1)

де υ – швидкість поширення ультразвукового імпульсу в чутливому елементі; l – його довжина; τ – час затримки сигналу в електронній схемі та перетворювачах (які призводять до систематичних похибок). Зміна температури призводить до зміни швидкості υ та частоти f , яку легко виміряти. В якості чутливого елементу можна використовувати газ, рідину або тверде тіло. Враховуючи що гази, близькі по своїм характеристиками до ідеальних, являються добрим термочутливою речовиною, на їх основі розробляються зразкові газові ультразвукові термометри. Рідинний варіант термометра з використанням в якості термометричної рідини циклогексана забезпечує похибку вимірювання не більше 0,2 К.

термометр по принципу синхрокільця може функціонувати і на відображених сигналах. В цьому випадку перетворювач 2 являється поєднаним прийомопередаючим. Похибка за рахунок затримки τ можна виключити схемо технічним способом. Наявність багатократних відображувачів дозволяє використовувати для запуску генератора не перший, а другий чи наступний сигнал, що еквівалентний збільшенню довжини елемента l.

Рис. 3.1.1. Ультразвуковий термометр, функціонуючий по принципу синхрокольца.

В високотемпературних термометрах необхідно розносити в просторі перетворювач та чутливий елемент. Варіант імпульсного термометра, функціонуючого в режимі відображення та використовуючи в якості чутливого елементу контролюючий об’єкт, показано ни рис 3.1.2 такі термометри призначені для вимірювання температури рідко металічних теплоносіїв реакторів. Виконуючи вимірювання часового інтервалу між парою відображених імпульсів , визначають температуру теплоносія. Перший відбитий імпульс, зображений на рис. 3.1.2, являє собою сигнал, відбитий від поверхні контакту звукопроводу з теплоносієм (за рахунок різності акустичних опорів), другий – сигнал, відбитий від рефлектора. Наступні імпульси являють собою сигнали багатократного відбиття. Приl=14 см і n=10 похибка вимірювання складає 2 К.

Рис. 3.1.2. Ультразвуковий термометр для реакторного теплоносія: 1 – перетворювач; 2 – звукопровід; 3 – кожух; 4 – теплоносій; 5 – рефлектори.

Ефективний варіант імпульсного термометра, працюючого в режимі відбиття і використовуючи в якості чутливого елемента відрізок тонкого важко плавкого дроту, в якому проводиться вимірювання часу τ між імпульсами, відбитими від початку і до кінця чутливого елемента (рис. 3.1.3).

Рис. 3.1.3. Структурна схема (а) та відбиті сигнали (б) в однозонному чутливому елементі термометра; в – д – будова багатозонних чутливих елементів: 1 – чутливий елемент; 2 – звукопровід; 3 – магнітострикційний перетворювач; 4 – магніт; 5 – котушка збудження; 6 – генератор імпульсів; 7 – підсилювач; 8 – осцилограф; 9 – вимірювач часових інтервалів.

Такі термометри на даний час зазнали найбільшого розвитку через простоту конструкції чутливого елемента та постійного вдосконалювання при борної частини на основі сучасної мікроелектроніки. Чутливість імпульсного термометра

, (3.2)

де - температурний коефіцієнт розширення; - температурний коефіцієнт модуля Юнга.

При використанні в якості чутливого елемента дріт з вольфраму, молібдену, ренію та їх сплавів чутливість імпульсного термометра зростає разом з температурою (дивіться рис. 6.2.1 та 6.2.4). для додаткового підвищення чутливості використовують ефект багатократного відбиття ультразвукового імпульсу в чутливому елементі, що відповідно, як вказувалось, збільшенню довжини чутливого елемента.

Якщо робити в чутливих елементах декілька поверхонь відбиття введенням акустичних неоднорідностей (канавок, отворів, згинів і т.п.), то імпульсний термометр дозволить вимірювати температуру чи її поширення в декількох зонах одним чутливим елементом (рис. 3.1.3, в –д).

Особливий інтерес викликає можливість створення багатозонних термометрів з використанням сумісно повздовжніх та обертових коливань. В цьому випадку застосовується комбінований багатострикційний перетворювач, який разом з електронним комутатором забезпечує випромінювання в звукопровід поперемінно імпульси повздовжніх та обертових коливань. Більш ніж півтора кратна різниця в швидкості поширення ультразвукових коливань полегшує задачу селекції ехо-імпульсів різних видів. Це також дозволяє при використанні одного магнітострикційного перетворювача з роздільними котушками збудження (длі різних видів хвиль) подавати імпульс одночасно в дві котушки, тому що за рахунок різниці в швидкості ехо-імпульси будуть розкидані в часі, а при одинаковій часовій базі між парами ехо-імпульсів застосовуються більш короткі чутливі елементи для обертових коливань (порівнюючи з чутливими елементами для повздовжніх коливань).при створенні багатозонних чутливих елементів враховується, що коефіцієнт відбиття повздовжніх коливань

, (3.3)

де

, (3.4)

а коефіцієнт відбиття обертових коливань

, (3.5)

де

. (3.6)

Момент інерції поперечного січення відносно осі визначається з формули

. (3.7)

Якщо досліджувати круглі стержні та циліндричні, як можливі частини чутливого елемента, то для них відповідно

, (3.8)

, (3.9)

де D – зовнішній діамант, d – внутрішній діаметр. При порівнянні тавидно, щовизначає відношення квадратів значень діаметрів до і після поверхні відображення, а- відношення значень діаметрів в четвертій степені, що дозволяє забезпечити різні коефіцієнти відображення в одному і тому ж січенні для різних типів хвиль. Комбінуючи елементи різних форм та січень, можна створювати різні варіанти багатозонних чутливих елементів для вимірювання розподілення температури на об’єкт.

Для вимірюванні розподілу температури всередині контролюючих об’єктів великий інтерес представляє метод томографії часу проходження, який заклечається в багатократному вимірюванні часу проходження ультразвукового імпульсу в різних напрямках та використання отриманих даних для створення малюнку температурного поля всередині об’єкту за допомогою відповідного математичного пристрою. Сучасна комп’ютерна техніка значно полегшує вирішення цієї задачі.