30164

Розрахунок ультразвукового термометра

Дипломная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Переваги ультразвукових термометрів особливо яскраво проявились при їх випробовуванні та експлуатації в реакторних і енергетичних установках, що зумовило інтенсифікацію досліджень в області ультразвукової термометрії.

Украинкский

2015-01-16

12.93 MB

31 чел.

Вступ

Акустичні методи в даний час надійно ввійшли до арсеналу засобів вимірювання та контролю в промисловості та енергетиці. Це пов’язано із загальним прогресом в акустиці, розвитку фізики твердого тіла, мікроелектроніки. Були розроблені більш досконалі засоби випромінювання та прийому акустичних хвиль, які дозволили підвищити якість вимірювання приладів і розширити верхню границю частотного діапазону до області гіперзвукових (до 1013 Гц) частот.

Застосування акустики характеризується широким різноманіттям. Створені ультразвукові рівнеміри, витратоміри, віскозиметри. Як окремий напрямок сформувався та існує ультразвукова дефектоскопія, можливості якої відчутно виросли. Розвиваються нові напрямки, такі як акустоелектроніка, акустооптика, акустична голографія, ультразвукова медична діагностика. В фізиці твердого тіла ультразвукові методи дозволяють визначити пружні сталі (модуль Юнга, модуль зсуву), ряд теплофізичних властивостей, дослідити властивість і розподіл неоднорідностей, особливості дислокаційної структури. При цьому застосовується ультразвук малої інтенсивності. Самі процеси вимірювання порівняно просто піддаються автоматизації, що дозволяє проводити дистанційне вимірювання в хімічно активних і вибухонебезпечних середовищах, а також здійснювати непереривний контроль в важкодоступних місцях. В 60-тих були розроблені перші ультразвукові термометри, випробування яких показали наявність ряду переваг перед традиційними засобами вимірювання температури – термоелектричними і терморезистивними термометрами. До цих переваг відноситься:

  1.  широкий вибір матеріалів для чутливих елементів, включаючи крім металів і металічних сплавів кераміку та металокерамічні матеріали, гази, рідини;
  2.  можливість використання елементів контролюючого об’єкту в якості чутливого елемента термометра;
  3.  відсутність необхідності застосування високотемпературної електричної ізоляції;
  4.  можливість створення на базі одного чутливого елемента багатозонного термометра для вимірювання поширення температури;
  5.  можливість вимірювання температури об’єкту без порушення його герметизації;
  6.  можливість заміни робочої рідини чутливого елемента (газового або рідинного) в процесі експлуатації.

Переваги ультразвукових термометрів особливо яскраво проявились при їх випробовуванні та експлуатації в реакторних і енергетичних установках, що зумовило інтенсифікацію досліджень в області ультразвукової термометрії.

1.Теоретичні основи використання акустичних методів

Температура є важливою характеристикою природних об’єктів, технічних пристроїв, технологічних процесів. Весь теоретично можливий діапазон температур складає 0 – 1012 К, але на практиці переважно вимірювання необхідно проводити в межах до 3700 К. Широкий діапазон вимірювання температур та велике різноманіття умов проведення вимірювання обумовило появі цілої гами методів і засобів вимірювання температури. В сучасному промисловому виробництві переважно використовують термопари, термометри опору, пірометри, які випускаються серійно заводами виробниками.

Але, не зважаючи на великий різновид розроблених приладів, з їх допомогою не вдається, тай можливо не вдасться задовольнити всі вимоги, які постійно висувала й висуває наука та промисловість. Це пов’язано з особливостями вимірювання в тонких фізичних та біологічних експериментах з посиленими вимогами до економічності і безпеки енергетичних установок, ускладненням умов експлуатації термометрів в об’єктах нової техніки, необхідністю підвищення точності вимірювання і т.п. При цьому деколи потрібні значні затрати і відчутне ускладнення (і подорожчання) вимірювальних приладів, але кінцевий економічний виграш може виправдати дані витрати (наприклад, виграш за рахунок відчутного зниження браку в металургії або оптимізації режиму роботи топочного котла електростанції).

При вивченні рідин і газів  все ширше застосовують методи молекулярної акустики, основу якої складає релаксаціонна акустика. Ці методи дають можливість виявити особливості молекулярної структури, оцінити енергію взаємозв’язку молекул.

В фізиці твердого тіла ультразвукові методи дозволяють виявити теплопровідність і теплоємкість,дослідити характер і роз приділення неоднорідностей.

При вирішенні задач вимірювання температури в ядерних реакторах (зокрема, температури теплоносія і температури в середині тіла), проблем оптимізації температурних режимів великогабаритних об’єктів (топкових котлів) і вимірювання розподілу температури при малих габаритах об’єкту та обмеженому доступі до нього ряд винахідників висловили припущення, що згадувані задачі можуть бути вирішені з допомогою ультразвукових методів, використовуючи температурну залежність швидкості ультразвуку в середовищі.

Успішно розвиваються дослідження, пов’язані із забезпеченням контролю за поширенням температури в топкових котлах та злитках металу за допомогою сканування об’єму ультразвуковим сигналом. Для наочності графічно представлені деякі дані (рис. 1.1), на яких можна побачити технічні можливості ультразвукових термометрів порівняно з деякими відомими типами термометрів. Також порівняти їхню вартість та складність виконання.

Рис. 1.1. Порівняльні характеристики деяких термометрів

Ультразвуковий термометр – це досить складний пристрій, створення якого вимагає сучасного рівня знань акустики, матеріалознавства, електронної техніки, інформаційно-вимірювальної техніки, метрології, окремих спеціальних технологічних процесів.

1.1. Фізичні основи використання ультразвуку для контролю і вимірювання величин

Фізична природа всіх єдина і немає суттєвої різниці між ультразвуком та слуховим звуком. Можна говорити лише про фізіологічні відмінності через різні реакції людського вуха на хвилі того чи іншого діапазону частот, хоча повної різниці між звуковими та ультразвуковими хвилями немає, тому що із збільшенням частоти міняється ряд властивостей коливань, відповідно, характер їхньої взаємодії із середовищем.

Частина довжини хвилі обумовлює характер поширення ультразвукових хвиль, і поблизу випромінювача хвиль поширюється у вигляді пучка з поперечним розміром, близьким до розміру випромінювача. Попадаючи на великі перешкоди або неоднорідності, такий хвильовий пучок випробовує регулярне відображення і переломлення, а перешкоди малих розмірів приводять до появи розсіяної хвилі.

Ультразвукові коливання, завдяки малій довжині хвиль, можна фокусувати за допомогою акустичних лінз, рефлекторів і формувати задані характеристики направленості випромінювача з високою щільністю випромінювання. Крім того, ультразвукові сигнали можна випромінювати у вигляді коротких акустичних імпульсів, здійснюючи тим самим досить точну часову селекцію  поширюючи сигналів.

1.1.2.Ультразвукові хвилі в газоподібних, рідких та твердих середовищах.

Проходження хвиль в суцільному середовищі (наприклад рідині) супроводжується деякими збуреннями, які характеризуються надмірним тиском у хвилі (надлишковий тиск) над тиском в незбуреному середовищі, називаємо акустичним, або звуковим. В акустиці ця величина представляє інтерес сама по собі, а не як приріст незбуреного тиску.

Крім тиску , акустичний стан середовища можна характеризувати ще зміщенням або швидкістю частинок середовища, а також густиною. Поширення ультразвукових хвиль описуються законами, загальними для акустичних хвиль любого діапазону частот, і виражаються :

,                    (1.1)

де W – загальне позначення одної з наступних величин:густина, надлишковий тиск, любий компонент зміщення або швидкості частинок середовища;  - фазова швидкість хвилі; t – час.

Фазова швидкість хвилі – це швидкість переміщення поверхні однакової фази монохроматичної хвилі в просторі. Поняття швидкості хвилі відрізняється від поняття швидкості тіла. Під визначенням останнього розуміємо, що відслідковування тіла в різний момент часу завжди можливо (об’єкт не міняється в певний проміжок часу і його можливо відслідковувати в двох різних площинах). Хвиля в різний момент часу зв’язана з різними частинками середовища.  Тому відслідковування може відноситись тільки до форми хвилі. Якщо ця форма зберігається, то відслідковування можливе, як у випадку монохроматичної хвилі.

Але за допомогою монохроматичної хвилі неможна передати ніяку інформацію. Для передачі інформації необхідно промоделювати хвилю. В цьому випадку сигнал можна використати як інтерференційну картинку, створену суперпозицією гармонічних хвиль різних частот, які переносять цю картинку.

У відсутності дисперсії, якщо фазова швидкість не залежить від частоти, то весь набір гармонік просто зміститься в просторі на одну і ту же відстань, зберігаючи свою форму. В результаті профіль хвилі також зміщується на ту же саму відстань, зберігаючи форму, причому швидкість переміщення такаж сама як і фазова швидкість.

В диспергуючому середовищі фазова швидкість окремих гармонік різна, тому їх суперпозиція на протязі деякого часу дасть інтерференційну картинку, профіль якої буде відрізнятись від вихідної. Тому поняття швидкості до такого сигналу неприпустимо. Але якщо спектр сигналу достатньо вузький, то згинаюча інтерференційна картинка не міняє своєї форми і переміщається з деякою швидкістю, називається груповою, хоча сам сигнал всередині згинаючої свою форму міняє. Групова швидкість  звязана з фазовою швидкістю  співвідношенням

,                                             (1.2)

де  - довжина хвилі.

Групова швидкість може бути як менша, так і більша за фазову. Наприклад, групова швидкість зігнутих хвиль в стержні вдвічі більша за фазову.

В рідинах і газах пружні сили виникають тільки при стиску (пружність обєму) і не виникають при зсуві; тому пружні деформації тут можуть поширюватись (за рідкими винятками) лише у вигляді повздовжніх хвиль. В твердих тілах, де пружні сили появляються також при зсуві (пружність  форми), пружні деформації можуть поширюватись у вигляді повздовжніх та поперечних (зсувних) хвиль(рис. 1.1.2.1).

Фазова швидкість повздовжніх хвиль, поширюючись в безкінечному однорідному ізотопному твердому середовищі,

,                       (1.3)

а зсувних

,                                   (1.4)

де K – модуль обємного стиску; G – модуль зсуву; E – модуль Юнга;  

  – густина середовища;  - коефіцієнт Пуассона.

Рис. 1.1.2.1. Повздовжні та поперечні хвилі (суцільними стрілками показано напрямок зміщення частинок в середовищі, штрих пунктирною – напрямок поширення хвиль)

На межі твердого на півпростору з другим на півпростором (рідким, газовим або твердим) можуть поширюватись пружні поверхневі хвилі, які являються комбінацією неоднорідних повздовжніх та зсувних хвиль, амплітуди яких експоненціально погасають по мірі віддалення від межі розподілу. Це хвилі Релея, які поширюються вздовж межі твердого тіла з розрідженим газовим середовищем, і хвилі Лява, існуючи на межі твердого на півпростору з твердим слоєм (рис. 1.1.2.2.)

Рис. 1.1.2.2. Поверхневі хвилі Релея (а) і Лява (б). Показані компоненти зміщення часток в хвилі та хід зміни зміщення (потовщені лінії).

Енергія хвиль Релея локалізована у шарі товщиною від , і їхня фазова швидкість , де  - фазова швидкість поперечних хвиль. Хвилі релея мають вертикальну поляризацію, тобто вектор коливального зміщення частин середовища у хвилі розташований в площині, перпендикулярно до граничної поверхні, і перпендикулярний напрямку поширення хвилі, вони поширюються без дисперсії, їх фазова швидкість рівна груповій. Хвилі Лява мають горизонтальну поляризацію і являються тільки поперечними хвилями, а їхня фазова швидкість полягає в межах між фазовими швидкостями поперечних хвиль в шарі  та на півпросторі  .

В обмежених твердих тілах (пластинах, стержнях) через присутність меж характеристики пружних хвиль більш складні, ніж у випадку безмежного середовища. В пластинах можуть поширюватись симетричні та несиметричні хвилі Лємба, в яких спостерігається коливне зміщення часток як в напрямку поширення хвилі, паралельно площині пластини, так і перпендикулярно площині пластини. В результаті частинки середовища здійснюють складні коливні рухи в площині коливань. Для заданої частоти коливань в пластині може існувати декілька типів хвиль Лємба з різною швидкістю поширення та розподілу коливань.

В стержні можуть поширюватись повздовжні, згинальні та обертові хвилі (рис. 1.1.2.3.). фазова та групова швидкість повздовжніх хвиль в тонкому  стержні рівна

,                                          (1.5)

де Е – модуль Юнга;  – густина.

Для обертових хвиль

,                                  (1.6)

де G – модуль зсуву.

Згинальна хвиля в стержні має дисперсію, а її швидкість

,                                             (1.7)

де J – момент інерції поперечного січення стержні навколо осі;  – кругова частота; S – площа поперечного січення.

Із зростанням частоти та діаметрі стержня властивості хвиль обертового типу не міняються, а повздовжні та згинальні хвилі перетворюються в поверхневі хвилі Релея.

Рис.1.1.2.3. Повздовжні (а), згинальні (б) та обертові (в) хвилі в стержні.

В анізотропних середовищах, якими в більшості являються монокристали, в загальному випадку зміщення часток в ультразвуковій хвилі має компоненти як вздовж, так і поперек напрямку поширення. Відповідно для кожного напрямку є три хвилі із своїми швидкостями поширення, зв’язаними з компонентами хвильового вектору і відповідаючи взаємним перпендикулярним зміщенням. Фазові швидкості відчутно залежать від напрямку поширення, причому анізотропія швидкості відображає симетрію характеристик пружності кристалу. Вздовж напрямку, відповідних площин і осям симетрії та інколи співпадаючими з основними кристалографічними осями, можливе поширення так названих частинок хвилі, вектор зміщення яких або колінеарний хвильовому вектору, або нормально до нього. Полікристалічні матеріали, які характеризуються переважною орієнтацією зерен є, як і монокристали, анізотропними.

В газах та рідинах ультразвукові хвилі поширюються у вигляді повздовжніх хвиль розрідження – стиску, причому цей процес відбувається адіабатично. Швидкість ультразвуку в ідеальному газі  

,                                             (1.8)

де   - відношення теплоємності при постійному тиску та постійному об’ємі; R – універсальна газова стала; T – абсолютна температура, К; M – молярна маса газу, кг/моль.

У сумішах газів швидкість залежить від концентрації компонентів суміші та достатньо добре описана попереднім співвідношенням, якщо врахувати характеристики компонентів та їх концентрацію:

,                            (1.9)

де  - відносна концентрація і-го газу . В ідеальних газах швидкість при заданій температурі не залежить від тиску і зростає пропорційно , що стало основою для розробок ультразвукових газових термометрів, чутливість яких рівна

.                                             (1.10)

Температурна залежність швидкості в деяких газах, по даним, наведена на рис.1.1.2.4,а.

Рис. 1.1.2.4. Температурна залежність швидкості поширення ультразвукових хвиль в газах та рідинах: 1 – водень; 2 – азот, кисень, повітря; 3 – рідкий натрій; 4 – рідкий чавун (3,5% С); 5 – рідкий алюміній; 6 – ксенон; 7 – діетиловий ефір на лінії насичення; 8 – ацетон на лінії насичення; 9 – етиловий спирт; 10 – толуол; 11 – етиленгликоголь; 12 – гліцерин.

Швидкість в рідинах визначається любим з наступних співвідношень:

,                            (1.11)

де  - адіабатичний модуль всестороннього стиску;  - адіабатичне стискання;  - ізотермічне стискання; V – об’єм.

Для деяких рідин (зокрема, бензолу) встановлено емпіричне співвідношення, пов’язуючи температурні коефіцієнти швидкості та обємного розширення:

,                                       (1.12)

Але згідно експериментальним даним для ацетону,етил ацетону, етилового спирту, ізопропилового ацетату спостерігається відхилення як в більшу, так і в меншу сторону. Крім цього, для ряду рідин виконується співвідношення

,                                           (1.13)

де  - критична температура.

Термометри з рідинними чутливими елементами (ЧЕ) володіють відмінною лінійністю вихідної характеристики (рис. 1.1.2.4,б) та високим значенням температурного коефіцієнта швидкості порівняно з термометрами з елементами із твердих металів (рис. 1.1.2.5). Це дозволяє створювати термометри з похибкою не більше 0,1 К, але їх великим недоліком є вузький температурний режим вимірювання.

Рис. 1.1.2.5. Температурна залежність швидкості поширення ультразвукових хвиль в твердих тілах:1 – Al2O3; 2 - сапфір; 3 – MgO; 4 – MgSiO4; 5 – ZrO2+8,8%V2O3; 6 – Mo; 7 – Rh; 8 – Re; 9 – W;10 – Al; 11 – Ti;    12 – Zn;13 – Ta; 14 – Pd; 15 – Pt; 16 – Ag; 17 – Sn; 18 – Au; 19 – Pb.

Для ізотропних твердих тіл існує ряд емпіричних співвідношень для модуля пружності, у вигляді

,                             (1.14)

де  - модуль Юнга при абсолютному нулі. Через відсутність теоретичних співвідношень, які повязують температуру з характеристиками пружності речовин, важко прогнозувати параметри створюваних чутливих елементів, особливо з нових матеріалів. Експериментальних даних по температурних залежностях модулів пружності і швидкості поширення ультразвукових хвиль також недостатньо. Тому на попередньому етапі доводиться виготовляти тільки орієнтовну оцінку метрологічних параметрів з наступним набором статистичного експериментального метеріалу.

1.1.3.Вплив внутрішніх та зовнішніх факторів на процес поширення ультразвукового сигналу

При поширенні ультразвукових хвиль в середовищі спостерігаються явища поглинання - незворотного переходу енергії хвилі в інші види енергії, зокрема в тепло, а також розсіювання - виникнення додаткових звукових полів в результаті дифракції звуку на перешкодах (дефектах), що знаходяться в середовищі, неоднорідностей середовища та її меж.

Загасання гармонічних хвиль при поширенні в середовищі з диссипативними втратами відбувається за експоненціальним законом. Вплив поглинання на хвилі іншої форми можна знайти методом Фур'є, якщо швидкість загасання для гармонійних хвиль різних частот відома.

Якщо позначити щільність енергії в хвилі ε, то експоненціальний закон загасання в часі має вигляд:

,                                  (1.15)

де  - часовий коефіцієнт загасання по амплітуді. На практиці застосовується також просторовий коефіцієнт загасання:

.                                               (1.16)

Поглинання звуку можна характеризувати також коефіцієнтом втрат

,                                         (1.17)

або добротністю

.                                                 (1.18)

Один з головних механізмів поглинання - в'язкі втрати, пов'язані із зсувними напруженнями, що виникають при ковзанні шарів середовища відносно один одного. Це враховується коефіцієнтами зсувної (η) і об'ємної (ε) в'язкості. Свій вклад вносять термічні механізми поглинання звуку пов'язані з вирівнюванням температур за рахунок теплопровідності і тепловипромінювання. Коефіцієнт

,                         (1.19)

де  - коефіцієнт теплопровідності, характеризується квадратичною частотною залежністю, що призводить до зникнення вищих гармонік при поширенні звуку складного спектрального складу в реальному середовищі. В частотному діапазоні, в якому η,  не залежить від частоти, для оцінки поглинання користуються також параметром , що характеризує властивості середовища ( - частота коливань). З ростом частоти і температури проявляють себе релаксаційні процеси - внутрішні процеси відновлення термодинамічної рівноваги середовища, яку порушували стиском і розтягом у хвилі. Зміни швидкості, пов'язані з дисперсією і викликані процесами релаксації, можна визначити зі співвідношення:

,                             (1.20)

де  - швидкість при ;  - швидкість при ;   - час релаксації.

В твердих тілах поглинання звуку різна при поширенні поздовжніх і зсувних хвиль у зв'язку з тим, що в процесі поглинання можуть брати участь різні механізми. Поглинання в твердих тілах визначається в основному внутрішнім тертям і теплопровідністю, а на високих частотах і при низьких температурах - процесами взаємодії хвиль з внутрішніми збудженнями в твердому тілі (фононами, електронами і т. і.). Значення коефіцієнта поглинання в твердому тілі залежить від структурного стану (монокристалічних або полікристалічних), від наявності дефектів і домішок, від характеру попередньої технологічної  обробки.

Існування релаксаційних процесів при проходженні пружної хвилі в речовині проявляє себе у зростанні втрат корисного ультразвукового сигналу термометра. Якщо, наприклад, у фізиці твердого тіла такі процеси дають цінну інформацію про характеристики досліджуваної речовини, то в термометрії вони є перешкодою, а їх існування є однією з причин обмеження частотного діапазону термометрів (табл. 1.1.3.1). Обмеження частотного діапазону знизу пов'язано в основному з вимогами щодо локалізації зони вимірювань і габаритами ЧЕ, зверху - із зростаючим із зростанням частоти розсіюванням пружних хвиль на неоднорідностях (наприклад, на зернах в напівкристалічних матеріалі) і впливом релаксаційних процесів. У табл. 1.1.3.2 наведені дані по загасання, ультразвукових поздовжніх хвиль в деяких металах на частотах 10 і 20 МГц, що показують, як із зростанням частоти зростає затухання.

Таблиця 1.1.3.1. Частотні діапазони застосування ультразвукових методів в контрольно-вимірювальній техніці.

Для високотемпературних термометрів істотну роль відіграють релаксаційні процеси, пов'язані з так званим зернограничним проскользуванням. Справа в тому, що максимум внутрішнього тертя відповідає області різкої зміни характеру температурної залежності модуля пружності (Рис 1.1.3.1), відповідного переходу від не релаксованого модуля до релаксованого. На положення та висоту піку тертя впливають структурні параметри матеріалу і характер його технологічної обробки.

Таблиця 1.1.3.2. Коефіцієнт загасання ультразвукових сигналів в металах при різних частотах.

Перехід з підвищенням температури до релаксування модулю пов'язаний з тим, що при високих температурах меж зерен не передають дотичних напружень, чим забезпечується суцільність полікристалічного матеріалу. В результаті середня по великому числу зернова деформація збільшується і, відповідно, ефективний модуль пружності і швидкість ультразвуку зменшуються. Пік непорозумінь відповідає інтенсивному розвитку рекристалізації, тому його іноді називають рекристалізаційними. При падінні звукової хвилі на перешкоду спостерігається явище відбиття, яке складається з створення хвилі, поширюючись від перешкоди назад у середовище, з якої прийшла падаюча хвиля. Перешкодою у разі необмеженого однорідного середовища може служити жорстка стінка, межа з іншим середовищем, межа з вакуумом.

Рис 1.1.3.1. Температурна залежність внутрішнього тертя та модуля зсуву молібдену на частоті 0,02 Гц (криві 2,3) і 0,2Гц (криві 1.4)

Властивостями різкої межі може володіти також тонкий  перехідний шар, товщина якого менша довжини хвилі. Так, для стержнів і пластин відбиття хвиль відбувається при різкій зміні перетину, наявності вигинів і механічних контактів з іншими тілами. Властивості перешкоди накладають певні вимоги на тиск і швидкість часток у хвилі біля кордонів перешкоди: граничні умови, якими задовільняється сумарне поле падаючої і відбитої хвиль. Наприклад, на межі з вакуумом сумарний тиск в падаючої і відбитої хвилях повинна дорівнювати нулю, а на кордоні з абсолютно жорсткою стінкою дорівнює нулю нормальна компонента сумарної швидкості частинок.

У випадку, якщо середовище по обидві сторони від меж не має зсувної пружності (рідини, гази), то при падінні хвилі з середовища 1, яка характеризується щільністю  і швидкістю звуку , на поверхню розподілу з середовищем 2 (відповідно ) падаюча , відображена і переломлена (минула) хвилі лежать в одній площині, кути ковзання пов'язані між собою законом Снелліуса (рис. 1.1.3.2)

,                    (1.21)

а коефіцієнти відображення r та проходження t можна знайти з формул Френеля

,                                      (1.22)

.                                (1.23)

Відображення хвиль у твердих тілах, хоча і подібно із випадками в газоподібних і рідких середовищах, але є більш складним процесом внаслідок того, що в твердих тілах крім поздовжніх, поширюються зсувні хвилі. Наприклад, при падінні хвилі на межу двох твердих середовищ виникають дві відображені і дві минулі хвилі: по одній хвилі того ж типу, що й падаюча (зсувні або поздовжні), і по одній хвилі другого типу (відповідно, поздовжні або зсувні). Співвідношення, що визначають напрямки відбиття і заломлення хвиль, можуть бути отримані з міркувань симетрії, згідно з якими дотичні до поверхні розділу компоненти хвильового вектора k неповинні змінюватись. У випадку падіння повздовжніх хвиль, хвильовий вектор який  складає кут  з нормаллю (рис1.1.3.2), отримаємо

          (1.24)

де індекси l і t відносяться відповідно до поздовжньої і поперечної хвилях. У випадку падіння поперечної хвилі індекси міняються місцями.

Рис1.1.3.2. Відображення і переломлення хвилі при падінні на границю розподілу.

У разі перешкода або межа розділу характеризується акустичним імпедансом  - комплексним опором, що є відношенням комплексних амплітуд звукового тиску до коливальної об'ємної швидкості. Поряд з акустичним імпедансом використовують також поняття питомого акустичного імпедансу z і механічного імпедансу , де S – площа. Для плоскої хвилі в безмежному середовищі питомий акустичний імпеданс дорівнює хвильовому опору середовища . Відбиття від перешкод, характеризуючи акустичним імпедансом є неправильним і поняття коефіцієнта відбиття в цьому випадку не застосовується. Однак для гармонійних плоских хвиль зміна профілю при відображень, зводиться тільки до деякого зсуву фази і зміни амплітуди, тому формально можна описати відображення як правильне з комплексним коефіцієнтом відбиття. При великих відмінностях у хвильових опорах межуючих середовищ тільки дуже невелика частина потоку енергії хвилі проходить через межу розподілу.

З точки зору узгодження імпедансів двох межуючих між собою середовищ і оптимізації умов передачі звукової енергії з одного середовища в інше інтерес представляє відображення в разі падіння хвилі на плоскопаралельний шар. В окремому випадку, якщо шар занурений в середовище. при  (k - хвильове число; h - Товщина шару; N - ціле число), т. е. коли на товщині шару укладається ціле число півхвиль, вол¬на проходить через шар повністю. Відзначимо, що повне проходження відповідає гострому резонансу і навіть незначні відхилення по частоті різко зменшують пропускання.

При розташуванні шару між двома різними середовищами з хвильовими опорами  оптимальна умова для передачі звукової енергії з одного середовища в іншу виконується за умови  і товщині шару, відповідно умові , де  - щільність матеріалу в шарі;  - швидкість звуку в матеріалі шару. Такі чотирьох хвильові шари забезпечують узгодження імпедансів межуючих середовищ (просвітлення межі).

У вузьких трубах (стержнях), поперечні розміри яких малі порівняно з довжиною хвилі, поширюються плоскі хвилі, що біжать уздовж осі. У трубах і стержнях великого січення або товстих шарах поширення звуку має інший характер і його називають хвилеводним розповсюдженням. Без спотворення в хвилеводі можуть розповсюджуватися тільки деякі типи гармонійних хвиль, причому, дисперсія швидкості звуку в хвилеводах не пов'язана з властивостями середовища, а обумовлюється наявністю меж.

Важливу роль в ультразвукових вимірюваннях грають резонансні властивості тіл обмежених обсягів - стержнів, пластин, мембран, які є складовими елементами багатьох пристроїв. Тому наводжу характеристики деяких акустичних резонаторів, які для зручності представлені на рис. 1.1.3.3 (  - коефіцієнт Пуассона; S - площа поперечного перерізу).

Рис. 1.1.3.3 Характеристики найбільш поширених резонаторів.

2.Методи реєстрації та передачі ультразвукових коливань в зону вимірювання

Для створення в середовищі ультразвукових коливань і їх реєстрації використовують електроакустичні перетворювачі. Це пристрої, які перетворюють електричну енергію в енергію коливань і на оборот. В залежності від напрямку перетворення розрізняють випромінювачі та приймачі коливань, але перетворювачі можуть виконувати функції обох пристроїв.

В більшості електроакустичних перетворювачів виконують спочатку проміжне електромеханічне перетворення електричної енергії в енергію коливань деякої механічної системи (стержня, пластини, диска і т.п.), а дальше – механіко-акустичне перетворення енергії, при якій коливання механічної системи пизводять до появи в середовищі коливань. Найбільш широко в якості електроакустичних перетворювачів використовують магнітострикціонні та п’єзоелектричні перетворювачі.

2.1. Магнітострикційні перетворювачі

Магнітострикційний перетворювач (рис. 2.1.1) складається з трьох основних елементів: магнітострикційного металічного чи феритового сердечника 1, обмотки збудження 3 та обмотки підмагнічування (або постійного магніту) 2. В перетворювачі використовується властивості ряду феромагнітів і феритів змінювати свої розміри при зміні їхнього магнітного стану, викликаного накладанням внутрішнього магнітного поля, а також змінювати намагнічення під дією внутрішніх сил. Найбільш застосовуються матеріали, використані в магнітострикційних перетворювачах – нікель та його сплави, залізо кобальтові та залізо алюмінієві сплави, ферити із структурою граната. 

Рис. 2.1.1. Конструкція стержневого магнітострикційного перетворювача (а) і графіки розподілу напруги та зміщення u в стержні (б).

Суть магнітострикційного ефекту можна розглянути на прикладі феромагнітних металів, які мають кристалічну структуру з великою кількістю () доменів. У розмагніченому стані домени орієнтовані випадковим чином. Коли прикладається зовнішнє магнітне поле, домени повертаються та становляться вздовж магнітного поля, що викликає значні зміни магнітної проникності та модуля пружності, являється основним фактором, який призводить до розширення чи звуження матеріалу.

Підмагнічування за допомогою обмотки підмагнічування або постійного магніту, яке забезпечую постійне магнітне зміщення, служить тій же меті, що і напруга зсуву в електричних підсилюючих схемах. При цьому вихідний сигнал становиться лінійною функцією вхідного сигналу, амплітуда вихідного сигналу максимальна, виключається ефект подвоєння частоти вихідного сигналу по відношенні до частоти вхідного сигналу через кратність функції перетворення.

В більшості випадків магнітострикційні перетворювачі працюють в режимі резонансних коливань сердечника стержневої або кільцевої форми. Для зменшення втрат на струми Фуко сердечники складають із штампованих тонких пластин або навивають з тонкої стрічки товщиною 0,1 – 0,2 мм, а в якості ізоляції застосовують окисну плівку або плівку з полімеризуючої смоли.

Щоб забезпечити оптимальні параметри стержневого перетворювача і максимальний коефіцієнт магнітомеханічної зв’язки, потрібно виконати наступні вимоги:

  1.  довжина котушки збудження повинна становити 0,7 – 0,75 довжини сердечника, а її середина повинна знаходитись поблизу кутової точки;
  2.  постійний магніт повинен створювати постійне магнітне поле, паралельне осі стержня і рівномірне по поперечному перерізу з індуктивністю , де  – індукція насичення;
  3.  мотки котушки повинні бути розташовані як можна ближче до сердечника.

2.2. П’єзоелектричні перетворювачі

П’єзоелектричні перетворювачі представляють собою електроакустичний перетворювач, робота якого основана на п’єзоелектричному ефекті. Конструктивно такий перетворювач (рис 2.2.1) складається з окремих чи з’єднаних в групи п’єзоелементів 1, які можуть бути, в свою чергу зв’язані з пасивними механічними елементами 2 – пластинами, мембранами, концентраторами і т.п.

Рис. 2.2.1. Різновиди п’єзометричних перетворювачів (а) та один із варіантів електромеханічної схеми пєзоперетворювача у вигляді пластини (б). R - oпір випромінювання пластини; Rk=pvS (S - площа пластини); h -  товщина пластини; C - ємкість між обкладками гальмівної пластини.

В якості матеріалів для виготовлення п’єзоперетворювачів використовують кварц та п’єзокерамічні штучно отримуючі матеріали: цирконат-титанат свинцю, ніобіт літію та інші. Використовуючи штучну п’єзокераміку, можна виготовляти п’єзоперетворювачі необхідної форми і розміру, якщо використовувати різні види деформації і форми коливань механічної системи. Введення добавок іонів в процес виготовлення п’єзокераміки дозволяє в широких межах змінювати властивості п’єзоперетворювачів.

Електроди перетворювачів виробляють з неокисляючих або слабоокисляючх металів і наносять на поверхню п’єзоелемента різними способами: нанесенням в вакуумі, випалюванням пасти, приклеюванням фольги. В режимі випромінювання п’єзоперетворювачі використовують в вузькому діапазоні (поблизу частоти резонансу механічної системи), в режимі приймання – в широкому діапазоні.

При виготовлення п’єзоелементів перетворювача матеріал вибирають з врахуванням наступних параметрів, які характеризують його властивості: матриці пєзомодулів , діелектричної проникності , коефіцієнта пружної податливості , швидкість поширення ультразвукових хвиль , тангенс кута діелектричних втрат , механічної добротності Q , густини, температури Кюрі, а також різних комбінацій перерахованих параметрів, які дозволяють оцінити можливості матеріалу в структурі конкретного перетворювача. Цей коефіцієнт електромеханічного зв’язку

 ,                                (2.1)

де  - відносна діелектрична проникність;  - діелектрична проникність вакууму, а також чутливість випромінювача по напрузі

,                                    (2.2)

коефіцієнт корисної дії

,                                                 (2.3)

чутливість приймача в режимі холостого ходу

,                                                   (2.4)

мінімальний сигнал, який може бути прийнятий приймачем на фоні електричних шумів схеми

.                                                (2.5)

Верхні індекси  вказують на постійну напругу електричного поля і незмінне пружне напруження. Це уточнення необхідно тому, що параметри матеріалів з високою електричною активністю можуть сильно відрізнятись між собою.

2.3. Інші існуючі типи перетворювачів

Крім магнітострикційнних та п’єзоелектричних  перетворювачів, які найбільш поширені, існують також другі типи перетворювачів. Це електродинамічні перетворювачі, дія яких основана на електродинамічному ефекті (випромінюванні) та електромагнітної індукці (прийманні); електростатичні перетворювачі, в яких використовується ефект зміни сили протягування обкладок конденсатора при зміні напруги (випромінювач)і заряду чи напруги при зміні відстані між обкладками (прийманні); електромагнітні перетворювачі, основані на притягування якоря магнітним полем (випромінюванні) і зміні магнітного потоку при руху якоря (прийманні). Існую ряд незворотніх перетворювачів обмеженого використання, до яких можна віднести електроіскрові та електрострикційні (основані на електрострикції рідин) випромінювачі, напівпровідникові тензорезистивні приймачі.

В загальному випадку для оцінки акустичного перетворювача можна використати ефективний коефіцієнт електромеханічного зв’язку:

,                                             (2.6)

де - частина підключеної електричної енергії, перетворюючись в квазістатичному режимі в пружну енергію. Для розрахунку параметрів електроакустичних перетворювачів використовують еквівалентні електромеханічні схеми, які дозволяють спростити аналіз.

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 υшвидкість поширення ультразвукового імпульсу в чутливому елементі; l – його довжина; τчас 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. При l=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  та  видно, що  визначає 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.

3.2 Резонансні термометри

Найбільш відомі варіанти резонансного термометра є кварцовий термометр, чутливий елемент якого є температуро чутливий п’єзоелектричний резонатор. Кварцові термометри побудовані в основному на високочастотних кварцових резонаторах Y-зрізів, використовуючи коливання зсуву по товщині. Робочі частоти термочутливих резонаторів знаходяться в діапазоні 1 – 30 МГц. Використовуються коливання на основній частоті (1 – 10 МГц) або на третьому і п’ятому обертонах (5 – 30 МГц). Температурні коефіцієнти частоти резонаторів знаходяться в межах (20 - 95)*10-6 1/0С. чутливість термометра може бути підвищена застосуванням множників частоти. Чутливі елементи виготовляються вакуумними або герметизованими. Вакуумні характеризуються більш високою часовою стабільністю та роздільною властивістю, герметизовані – меншим показником теплової інерції. Роздільна властивість термометра з кварцовим чутливим елементом досягає 10-6 0С. Лінійний кварцовий резонатор фірми Hewlett-Packard дозволяє проводити вимірювання температури в межах -80 - +250 0С.

Кварцові термометри виконують по автогенераторній схемі. За своїми метрогорічними характеристикам (точність, інерційність, чутливість) ці термометри перевершують багато інших, але мають і недоліки: обмежений температурний діапазон вимірювання, гістерезис показів, зв’язаний з температурною передісторією резонатора. В якості найбільш можливих причин не відображення показників аналізуються такі, як процес сорбції на кристалі, механічні напруження, внутрішні дефекти будови кристала, але остаточно вирішити проблему так і не вдалось. Експериментально встановлено, що гістерезис можна зменшити термотренеровкою шляхом десятикратної витримки резонатора поперемінно в рідкому азоті (-196 0С) та нагрітому термостаті (+150 0С) на протязі однієї години або прикладанням постійного електричного поля при підвищеній (+170 0С) температурі.

Інтерес представляють мініатюрні струнні резонатори на ниткових монокристалах кремнію р-типу з орієнтацією осі росту, які відрізняються надзвичайно малими розмірами (довжина нитки до 10-3 м та діаметр до 10-6 м). Робоча частота таких резонаторів біля 105 Гц, схема включення автогенераторна, діапазон вимірювання температури 170 – 570 К.

Для вимірювання температури в високовольтних трансформаторах застосовуються дискові резонатори згинальних коливань з двома кутовими діаметрами. Дозволена похибка термометра з таким резонатором знаходиться на рівні 0,01К і навіть вище, в залежності від якості коливної системи. Конструкцію чутливого елемента термометра показано на рис.3.2.1,а і являє собою диск з осьовим штирем для кріплення. На диску розміщені мініатюрні передаючий та приймальний перетворювач (наприклад, пєзоелектричні). Чутливий елемент розміщується в корпусі з матеріалу, який добре проводить теплоту.

Рис. 3.4. Ультразвукові термометри з дисковими резонаторами: 1 – дисковий резонатор; 2 – штир кріплення; 3 – передаючий перетворювач; 4 – приймальний перетворювач; 5 – корпус; 6 – звукопровід; 7 – поглинач; 8 – поєднаний перетворювач; 9 – генератор; 10 – багатоканальний детектор; 11 – перетворювач «частота – температура»; 12 – скляні волокна; 13 – оболонка звукопроводу; 14 – скляна вставка; 15 – дротяна звязка; 16 – наповнювач поглинача; 17 – отвори; 18 – ввідний та вивідний звукопроводи; 19 – генератор ; 20 – генератор ; 21 – підсумовуючий пристрій; 22 – двоходовий резонатор; 23 – детектор із схемою управління; 24 – схема блокування.

Резонатор може бути виконаний з алюмінію, корпус – з латуні. Чутливий елемент включається в послідовність зворотного зв’язку автогенератора, а інформаційним параметром являються частота резонансних коливань, міняючись із зміною температури.

Використовуючи дискові резонатори, можна також створити багатозонні термометри для вимірювання температури в різних точках об’єкту або її розподіл (рис. 3.2.1, б – в). Генератор на рис. 3.2.1,б генерує широкополосний сигнал («білий шум»), який після перетворення в акустичний сигнал надходить в звукопровід, виконаний у вигляді жгута із скляних волокон, розміщеного в м’якій оболонці. Вздовж звукопроводу розташовується необхідна кількість чутливих елементів (дискових резонаторів P1Pn з різними резонансними частотами), які зєднюються з ним відрізками алюмінієвого дроту. Для забезпечення якісного з єднання в звукопроводі передбачені скляні вставки, акустично узгоджені з жгутом (рис. 3.2.1,г).

Для виключення паразитного впливу сигналу, відображеного від вільного кінця звукопроводу, останній закінчується поглиначем (рис. 3.2.1,д), являючи собою акустично погоджену нагрузку. Конструктивно поглинач виконується фіксацією скляних волокон в об’ємі добре поглинаючого матеріалу (наприклад, резина).

При проходженні широкополосного сигналу по звукопроводу відбувається відбиття тих спектральних складових сигналу, які відповідають резонансним частотам резонатора (рис. 3.2.1,е). при зміні температури піки, зображені на рис. 3.2.1,е зміщаються по осі частот. Визначивши частоти , можна контролювати температуру відповідних резонаторів. Резонатори можна встановлювати як послідовно (рис. 3.2.1,б), так і паралельно (рис. 3.2.1,в). Подальшим вдосконаленням термометрів з дисковими резонаторами являється застосування двоходових резонаторів (рис. 3.2.1,ж),  які виключають можливість отримання помилкового результату вимірювання при наявності паразитних резонаторів. Конструктивно такий резонатор відрізняється від зображеного на рис. 3.2.1,а наявністю отворів, глибина яких визначає різницю між значеннями верхньої  та нижньої  резонансних частот. Особливістю двоходових резонаторів являється те, що із зміною температури різниця між резонансними частотами міняється незначно. Наприклад, для титанового резонатора при 0 0С =170 кГц та =180 кГц, а при 250 0С =157,25 кГц, =166,5 кГц, тобто  змінилась на 12,75 кГц, а різниця частот – тільки на 0,75 кГц (від 10кГц до 9,25 кГц). Постійно контролюючи різницю між  та  (пристрій блокування на рис. 3.4,з), можна виключити попадання на панель помилкового сигналу.

Для вимірювання високих температур створені термометри, в яких чутливими елементами являються чверть- або напівхвильові стержневі резонатори, збудження яких відбувається пакетом хвиль (рис. 3.2.2,а). При рівності частоти заповнення пакету резонансної частоти відбитий ехо-сигнал має характерну форму з мінімумом в центрі (рис. 3.2.2,б).

Щоб зрозуміти особливість таких чутливих елементів, розглянемо падіння сигналу одиничної амплітуди з звукопроводу січенням  на напівхвильовий резонатор січенням  (рис. 3.6). Взявши , для коефіцієнтів відбиття та проходження отримаємо наступні вирази:

;                                   (3.10)

.                                             (3.11)

Для сигналу, поширюю чого всередині резонатора, при досягнені поверхні А коефіцієнти відображення і проходження відповідно рівні

;                                               (3.12)

.                                   (3.13)

Рис. 3.2.2. Структурна схема (а), ехо-сигнал (б) та діаграми електричних сигналів (в – и) ультразвукового резонансного термометра.

Вимірювання амплітуди ехо-сигналу при надходженні послідовності сигналів одиничної амплітуди буде відповіда умові (рис. 3.2.3,а)

;               (3.14)

k=1,2,…., n-1.

Визначивши суму членів в дужках та підставивши значення r, t, t, отримаємо вираз для  у вигляді

.                                     (3.15)

Якщо проаналізувати отримані вирази, то побачимо, що ехо-сигнал на ділянці  / - // (рис. 3.2.2, б) можна розглядати як різницю двох сигналів: сигнал з амплітудою r, який відбивається від поверхні А, і сигнал випромінювання резонатора з наростаючою амплітудою. Ці сигнали при рівності частоти збудження резонансної частоти, яка знаходиться в протифазі. Аналізуючи різницю фаз на ділянках  / та // ехо-сигналу і використовуючи результат аналізу для авто налаштування частоти внутрішнього генератора, отримаємо ультразвуковий резонансний термометр. Інформаційним параметром тут являється частота. Ділянка /// на рис. 3.2.2, б представляє собою експоненціально затухаючі коливання резонатора, випромінювані в звукопровід після припинення зовнішнього збудження.

Рис. 3.2.3. Відображення сигналу від напів- (а) та чверть хвильового (б) резонаторів.

Аналогічно для чверть хвильового резонатора (рис. 3.2.3, б) січенням  та    маємо наступний вираз для амплітуди

.                               (3.16)

Структурна схема термометра з фазовим аналізом ехо-сигналу зображена на рис. 3.2.2, а, де модулятор 5 за допомогою лічильника 12 формує із сигналу управляння генератором 6 пакет коливань (30 – 40 періодів), який перетворюється а акустичний сигнал і відбивається від резонатора 1. Ехо-сигнал (рис. 3.2.2, б) підсилюється та обмежується в підсилювачі 8 (рис. 3.2.2, в) і дальше надходить в блок формування груп 9, в якому відбувається порівняння сигналів з виходів підсилювача 8 (рис. 3.2.2, в) і генератора 6 (рис. 3.2.2, г) на ділянці до та після мінімуму, положення яких визначається строб-імпульсами (рис. 3.2.2, д, е). в результаті на виході блоку 9 маємо дві групи імпульсів (рис. 3.2.2, ж, з), вольт-секундні сумарні площі яких рівні між собою при різниці фаз на ділянках | та || . Згадувані групи інтегруються з протилежними знаками інтегратором імпульсів 10 (рис. 3.2.2, и). Якщо , то напруга на виході інтегратора , якщо , то появляється сигнал неузгодженості  (рис. 3.2.2, и), який використовується інтегратором управління 11 для пере настройки частоти генератора для досягнення умови . Значення частоти вимірюється частотоміром 7, перетворюється в значення температури в блоці 13 та виводиться на індикатор.

Для аналізу ехо-сигналу деколи зручно користуватись виразом, описуючий його експоненціальну криву,

,                                 (3.17)

де  - добротність, з якої випливає, що число  періодів ехо-сигналу до перевороту фаз () рівне , тобто добротність резонатора безпосередньо визначає форму ехо-сигналу. Зсув фаз можна визначити з виразу , де  f – частота. Якщо використати той же підхід, що й в попередніх розрахунках, тобто розглядаючи відбиття всередині напівхвильового резонатора від площини А і В (рис. 3.2.3), амплітуду сигналу на площі А можна представити у вигляді , з чого випливає

.                               (3.18)

Використовуючи розклад  в ряд, для  отримаємо наближений вираз

,                                              (3.19)

який показує, що добротність резонатора можна задати вибором співвідношенням січенні звукопроводу та резонатора. Оскільки тривалість сигналу збудження зазвичай знаходиться в межах (30-40), де  - період заповнення, оптимальне значення добротності резонатора, забезпечуючи успішний фазовий аналіз ехо-сигналу, знаходиться в межах 45 – 100. Розрахунок діаметрів чверть та напівхвильових резонаторів проводять за умовою Q = 100,  мм приводить до результату , .  В першому випадку звукопровід виходить дуже тонким, що ускладнює кріплення, а в другому – відчутно впливає на результат вимірювання надає теплопровід по порівняно товстому звукопроводі. Тому найбільш поширено застосовується конструкції, в яких резонатор зєднюється із звукопроводом через чверть хвильове узгоджувальну ланку, яка виконує функцію трансформатора імпедансу. Якщо прийняти, що  - січення звукопроводу і резонатора,  - січення узгодженої ланки,  - еквівалентне січення лінії, то з умови, що довжина ланки рівна , отримаємо              , тоді для узгодження ланки , тобто для даної конструкції можна використати попередні співвідношення простою заміною ε на .

У табл. 3.2.1 зображено співвідношення для чотирьох варіантів конструкції чутливого елемента.

Таблиця 3.2.1. Співвідношення для визначенні параметрів різних конструкцій чутливих елементів.

Попередні рознарухнки здійснювались для випадку відсутності внутрішніх втрат, а добротність    визначалась тільки по втратам на випромінювання сигналу з резонатора в звукопровід в високотемпературних термометрах в зв’язку із зростанням внутрішнього тертя необхідно врахувати внутрішні втрати, що можливо зробити. Представивши добротність у вигляді суми двох комплектуючих: 1/Q=1/Q1=1/Q2 , де Q2 – добротність, обумовлена втратами всередині резонатора. Тоді рівняння для амплітуди ехо-сигналів напівхвильового резонатора виглядає так

.                (3.20)

Для оцінки амплітудних характеристик сигналу і впливу на них втрат цілеспрямовано розглянути відношення  (дивіться рис. 3.2.2,б):

.        (3.21)

Прийнявши  та визначивши, що

,         (3.22)

отримаємо

.                                            (3.23)

Якщо , то , тобто в процесі відбиття відбувається переворот фази (рис. 3.8, а). При  або   чіткий мінімум амплітуди, відповідно фазовому перевороту, у відбитому сигналі не спостерігається (рис. 3.2.4, б,в).

Рис. 3.2.4. Обертання фази відносно осі при відбитті сигналу.

Крім фазового, застосовується ще один варіант аналізу ехо-сигналів, що полягає в зміні частоти затухаючих коливань резонатора (ділянка /// на рис. 3.2.2, б). при зміні частоти збуджена частота затухаючих коливань не міняється і визначається параметрами резонатора та температурою. Змінюється тільки їхня амплітуда. Схематичне вирішення термометра в цьому випадку аналогічне зображеному на рис. 3.2.2, а, тільки в цьому випадку блок 9 виконує функцію порівняння частоти генератора та затухаючих коливань резонатора.

Відомі також термометри, використовуючи в якості чутливого елементу газонаповнені резонатори. Для зменшення втрат та полегшення вирішення задачі вводу акустичних сигналів в резонатор частотний діапазон таких резонаторів вибирається зазвичай в межах 1 – 10 кГц. Це можуть бути резонатори порожнини, в яких знаходиться газ, температура якого контролюється, або спеціальні ампули з газом, поміщені в об’єкт. До переваг останніх можна віднести можливість контролю складу та заміні газу по мірі його забруднення в процесі експлуатації. Складним питанням постає створення надійної газощільної ампули, особливо для випадків вимірювання високих температур. Газовий резонансний термометр з гелієвим наповнювачем забезпечує вимірювання температури в реакторі до 1000 0С з похибкою не більше 1%. Значення температури визначають по результатам вимірювання резонансної частоти коливань, збуджуючих в об’ємі резонатора.

Для вимірювання розподілу температури в об’єктах пропонується так названий метод просторового резонансу, який полягає у збуджені резонансних коливань з послідовним визначенням частотних зсувів n-x та розрахунку кратних коефіцієнтів Фур’є для неоднорідності модуля пружності, густини, швидкості, температури. Цей метод в поєднанні з ультразвуковою томографією часу проходження, може виявитись досить ефективним. В якості, використане поєднання даних методів в металургійній промисловості дозволяє забезпечити річну економію до 240 млн. долл. За рахунок покращення якості виробів. Діапазон вимірювання температур – від 500 до 13500С, похибка – менше 100С.

3.3 Інші типи термометрів

Варіант ультразвукового термометра, використовую чого неперервні коливання, зображено на рис. 3.3.1,а. неперервний сигнал генератора 1 перетворюється в магнітострикційному перетворювачі 2 в акустичний та поширюється по двом звукопроводам 3. Для того, щоб забезпечити стійкість режиму біжучих хвиль (без шкідливих відбиттів), на кінцях звукопроводів закріплені акустичні поглиначі 4, На рис. 3.3.1, а верхній звукопровід являється опорним, а нижній використовується для вимірювання температури в об’єкті 9. Збір сигналі здійснюється двома мініатюрними пєзоперетворювачами 5, приклеєними до звукопроводу. Сигнали від пєзоперетворювачів підсилюються в підсилювачі 6 і подіються на фазометр 7, показники якого реєструються на індекаторі 8. Попередньо термометр регулюється таким чином, щоб відмінність фаз сигналів на виходах пєзоперетвоювачів була рівною нулю (це можливо здійснити регулюванням частоти сигналу генератора 1). При підвищенні температури в обєкті 9 швидкість поширення ультразвукових коливань в нижньому звукопроводі змінюється, що призводить до фазового зсуву між сигналами, читаючих з пєзоперетворювачів, який реєструється фазометром. Зсув фаз визначається співвідношенням

,                          (3.24)

де l – довжина нагрітої ділянки;  - швидкість, відповідно, в холодній та нагрітій частинах звукопроводу.

На рис. 3.3.1,б зображений варіант виконання термометра з одним звукопроводом, який більш зручний для виконання вимірювального занурення (наприклад, у ванну з рідким металом). Робоча  частота термометра 50 кГц  

Рис. 3.3.1. Ультразвукові термометри, що використовують неперервні коливання

Термометри, що використовують неперервні коливання. Успішно можна застосовувати для вимірювання температури газових середовищ. В (68) описаний термометр, що позволяє вимірювати швидкозмінну температуру газового середовища, наприклад, в циліндрі поршневого двигуна (рис 3.3.1, в). Генератор 1 неперервних коливань стабільної частоти підключений до випромінювача 2. Прийом ультразвукового сигналу здійснюється приймачами 3 і 4, що розташовані відповідно перед і за об’єктом вимірювання 7. При різких коливаннях температури в об’єкті 7 частота сигналу, зчитую чого з приймача 4 за заданий проміжок часу, буде відрізнятись від частоти випромінюючого сигналу. Зміна частоти , викликана швидким нагрівом чи охолодженням об’єкту, можна оцінити із виразу

,                                  (3.25)

де l – відстань між приймачами; υ – швидкість поширення ультразвукових хвиль в газі. Сигнали з приймачів 3 та 4 надходять на частотний детектор 5 і далі в пристрій обробки інформації 6. Такий термометр дозволяє виміряти температуру газу при швидкості зміни до десятків тисяч градусів в секунду.

На рис. 3.3.1, г, д зображено варіанти термометра, функціонуючого в режимі проходження (рис. 3.3.1, г) ат відображення (рис. 3.3.1, д), в якому відбуваються вимірювання фазового зсуву сигналів на двох зміщених відносно одне одного приймачів 3 і 4. Із зміною температури відбувається зсув фаз, які реєструються приймачем 5.

Відомий також так званий метод «миттєвого контакту» і спектрального аналізу. В першому випадку охолоджуючий перетворювач (п’єзо- або магнітострикційний) прижимається до об’єкту на короткий проміжок часу, достатній для випромінювання і прийому ультразвукового сигналу. За цей час не повинен відбутись перегрів перетворювача, який виведе його з роботи. Другий метод полягає в збудженні резонансних коливань в об’єкті коротким акустичним імпульсом з послідовним спектральним аналізом випромінюючого сигналу та вимірюванні резонансної частоти основної моди коливань.

4. Конструкція ультразвукових давачів

4.1.Особливості електроакустичних перетворювачів для ультразвукової термометрії

При використанні комплектуючих елементів об’єкта в якості чутливого елемента ультразвукового  термометра електроакустичний перетворювач кріпиться безпосередньо або через буферний елемент до цього елемента (або до стінки об’єкту). Можливість використовувати перетворювачі визначається ступенем різниці акустичних повних опорів на межі двох середовищ та погасанням в звукопроникних матеріалах. Водо охолоджуючі сорочки, різні покриття, забруднення поверхні контакту створюють додаткові проблеми. Реально ввід ультразвукових сигналів без порушення оболонки об’єкту можливий тільки у випадку вимірювання температури в рідині (рис.4.1.1) чи в твердому тілі. Подання сигналу через стінку об’єкту в газове середовище затруднений через велику різницю акустичних імпендексів. При необхідності перетворювачі можуть бути розташовані дистанційно. В таких випадках використовують буферні хвилеводи повздовжніх хвиль 6 або хвилеводи хвиль Лемба 7. При переході в рідину хвилі Лемба перетворюються в повздовжні коливання.

При роботі в режимі неперервних коливань використовують роздільні передавальні і приймальні перетворювачі. У випадку використання імпульсних сигналів, пакет коливань, при роботі на відбитті використовують поєднані або роздільно-поєднані (приймальний та передаючий перетворювачі розміщені поруч в одному корпусі) перетворювачі. При виготовлення перетворювачів і встановленні їх на об’єкт необхідно пам’ятати ,що п’єзоелектричні та магнітострикційні властивості матеріалів зберігаються тільки до температури Кюрі.

Рис.4.1.1. Приклади варіантів подання сигналу в об’єкт вимірювання: 1 -  передаючий перетворювач; 2 –прийомні перетворювачі; 3 – поєднані перетворювачі; 4 – рефлектори; 5 – перетворювачі хвиль Лемба; 6 –хвилевод повздовжніх хвиль; 7 – хвилевод хвиль Лемба.

При використанні діапазону частот вище 100 кГц застосовують пєзоперетворювачі у вигляді пластин, виконуючих коливання по товщині, при частотах 40 – 100кГц – у вигляді стержня, виконуючих повздовжні коливання. Якщо п’єзо-або магнітострикційні перетворювачі не попадають під дію високих температур, то дозволено використання стандартних конструкцій, використовуючи акустичних способах не руйнівного контролю ( наприклад, п’єзоелектричні шукачі І111- 0,6 – КН – 11, І111 – 2,5 –КМ- 12 і т.п.). Для підвищених температур застосовують пєзоперетворювачі з ніобату літію ( до 1330 К ) з платиновими електродами, магнітострикційні перетворювачі з котушками, намотаними анодируваним  або танталовим дротом на керамічному або металічному каркасі. Використовується також нікелевий дріт з окисним або керамічним покриттям, мідний дріт в силіконовій ізоляції. Число витків передавальної котушки напівхвилевої довжини в  імпульсному режимі роботи вибирається з виразу

,                                       (4.1)

де J –допустима густина току ; b – коефіцієнт заповнення; S0– площа січення обмотки; l – амплітудне значення току; g – шпаруватість. Для уникнення перегріву перетворювача в режимі роботи розробленні конструкції з використанням магнітострикційних сердечників, покритих речовиною з капілярною структурою і охолоджуючих рідиною.

Варіанти виготовлення магнітострикційного стержневого перетворювача повздовжніх коливань, використовуючи накладання прямого і відбитого ( від заднього торця ) сигналів, зображені на рис. 4.1.2. На рис. 4.1.2,а магнітострикційний стержень 1 на торцеві частині має дрібну різьбу 2 і з її допомогою легко закріплений в звуженій частині трубки 3, яка має внутрішню різьбу. Трубка 3 виготовляється з не магнітного матеріалу  та служить одночасно каркасом котушки збудження 4. Коефіцієнт відбиття від торця стержня r≈-1. Прямий, відбитий від торця та сумарний сигнал зображені на рис. 4.1.2,б.

Конструкція, яка використовує кріплення на масивні опорі при малих габаритах перетворювача, зображена на рис. 4.1.2.в. Тут 1 – трубка з магнітострикційного матеріалу з внутрішньою різьбою в торцевій частині. Частина різьби використовується для жорсткого з’єднання з масивною опорою 6, а частина – для обмотки збудження 4, витки якої вкладаються в канавки різьби. Коефіцієнт відображення сигналу від опори 6 r ≈ +1.

Конструкція на рис. 4.1.2,г являється комбінованою об’єднуюча властивості двох попередніх. Внутрішня частина магнітострикційного стержня 1 забезпечує умову r ≈ -1, зовнішня частина – умову відбиття від масивної опори 6 r ≈ +1. Котушка 4 розміщена в зазорі. На рис. 4.1.2,е зображені сигнали відповідно до умов r ≈ -1, r ≈ +1 та результативний сигнал.

Рис.4.1.2. Варіанти виконання магнітострикційних перетворювачів з кріпленням в торцевій частині.

Можливий варіант жорсткого кріплення магнітострикційного стержня, зображений схематично на рис. 4.1.2, д, в якому стержень 1 вигинається під прямим кутом і кріпиться до несучої конструкції 5 .

Конструкція на рис. 4.1.3 забезпечує кріплення конструкції перетворювача в місці з’єднання магнітострикційного сердечника 1 із звукопроводом 2. Це кріплення здійснюється графітним стаканом 3, який складається з двох частин та фіксує сердечник із звукопроводом за рахунок канавки 4. Стакан закріпляється графітовими штопорними гвинтами 5. Котушка збудження 6 встановлюється на кільці 7 ,  а її оптимальне положення відносно торця сердечника 1 можна регулювати гайками 8.

Рис. 4.1.3. Конструкція магнітострикційного перетворювача з кріпленням в місці з’єднання із звукопроводом:1 –магнітострикційний сердечник; 2 – звукопровід; 3 – графітний стакан; 4 – канавка; 5 – штопорні гвинти; 6 – котушка збудження; 7 – кільця; 8 – регульовочна гайка.

При використанні пермендюра в якості магнітострикційного матеріалу існує ряд технічних складностей, пов’язаних із складністю виготовлення тонких трубок. Тому було запропоновано застосування пластинки пермендюра, спірально звиті по довжині.

Нікелеві перетворювачі  можна застосовувати у вигляді розрізаних по довжині трубок, пакетів з штампованих пластин. Пропонується використовувати стежень, виготовлений намотуванням на тонку оправу попередньо окисленою нікелевої фольги, що забезпечує малі втрати на вихрові струми і спрощує задачу погодження із звукопроводом безпосередньо забезпечення необхідного січення випромінювача вибором кількості намотаних витків.

В конструкціях з димферуванням останнє забезпечується обхватом заднього не робочого торця сердечника резиною або іншим вібропоглинаючим матеріалом. Для покращення якості обхвату можна попередньо спресувати хвостову части ну не робочого торця сердечника у формі пластини.

Рис. 4.1.4. Магнітострикційні перетворювачі для обертових коливань.

Інтереси з точки зору розробників ультразвукового термометра представляють перетворювачі для створення обертових коливань,які використовують ефект Відемана. Ці перетворювачі ефективні при створенні багатозонних термометрів. Схематичний принцип роботи такого магнітострикційного перетворювача зображено на рис. 4.1.4, а , де 1 – котушка збудження; 2 – магнітострикційний стержень або трубка; 3 – магніт. Використовуючи схему на рис. 4.1.4,б та комутуючи відповідним способом цепочка постійного струму та струму збудження,  можна забезпечити функціонування перетворювача в режимі випромінювання або обертових, або повздовжніх коливань.

Поєднання магнітострикційного (або п’єзоелектричного) перетворювача із звукопроводом здійснюється клеєм, пайкою або зварюванням. Це повинно забезпечувати якісну передачу акустичного сигналу в звукопровід без додаткових паразитних відбиттів. Від якості цього з’єднаня в певній степені може залежати якість ультразвукового термометра. У випадку стержневих перетворювачів повздовжніх хвиль в місці з’єднання повинна дотримуватись умови:

,                                (4.2)

де  – густина;  – швидкість; S – площа січення  ( індекси «п» та «з» відносяться до сердечника перетворювача та звувкопровода). Для обертових коливань необхідне виконання умови

,                                         (4.3)

де j – момент інерції поперечного січення відносно осі.

Найкращу якість з’єднання забезпечують  зварні та паяльні з’єднання. Деколи доводиться застосовувати спеціальні заходи для забезпечення високої якості з’єднання. Так, для з’єднання нікелевого магнітострикційного перетворювача з молібденовим звукопроводом останній попередньо покривають шаром нікелю товщиною до 3 мкм гальванічним способом, а потім пропаюють місце стику срібловмістимим припоєм.

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 випадку   виглядає 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 із i– 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

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).


5. Вимірювальні схеми термометрів

5.1. Імпульсні термометри та особливості їхніх схемних рішень

При розробці схемних вирішень імпульсних термометрів в деяких випадках цілеспрямовано використовувати відомі схеми, розробленими для засобів не руйнівного контролю і фізичних дослідів. До опрацювання цих схем може заключатись у веденні перетворювача коду часу – температури для вихідної інформації про вимірювальну температуру в цифровій формі.

Для імпульсних одно- і багатозонних термометрів були розроблені також спеціальні схемні рішення, які забезпечують достатньо добрі метрологічні характеристики. Описана схема термометра, в якій відбувається вимірювання часового інтервалу між першим відбитим імпульсом та імпульсом багатократного відбиття, що підвищує точність вимірювання. Прибор має ( рис. 5.1.1,а ) генератор імпульсів 4, підсилювач 5 ,елемент І 6, два елементи затримки 7 і 10, одновібратор 8, лічильник 9, тригер 11, вимірювач довгих імпульсів 12, блок додаткової інформації 13. Генератор посилає в магністрикційний перетворювач 3 одиночні імпульси,які, будуть перетворені в акустичні імпульси, транслюються по звукопроводу 2 до чутливого елемента 1. Багатократне відбиття всередині елемента приводить до появи серії відбитих ехо-імпульсів ( рис. 5.1.1,б). Крім того, сигнал генератора затримується на заданий час в елементі затримки 7 (рис. 5.1.1.,в) і запускає одно вібратор 8, який своїм імпульсом ( рис. 5.1.1,г) забезпечує проходження через елемент І 6 тільки відбитих ехо-імпульсів ( рис. 5.1.1,д). Елемент затримки 10 формує імпульс через строго фіксований час після отримання першого ехо-імпульсу (рис. 5.1.1,ж). У вихідному стані це відповідає моменту часу між ( n – 1)-м і n-м ехо-імпульсами. Сформований елементом затримки 10 імпульс запускає тригер 11, а імпульс лічильника 9 сформований після імпульсу (рис. 5.1.1,е), перевертає його. В результаті на виході тригера формується імпульс довжиною ∆t ( рис. 5.1.1,з), при чому порівнюючи з однократним відбиттям довжина імпульсу ∆t збільшується в (n-1) раз, що відчутно зменшує похибку вимірювання часового інтервалу, а відповідно і температури.

Рис. 5.1.1. Імпульсний термометр з використанням багатократного відбиття сигналу.

На рис. 5.1.2,а представлена схема імпульсного термометра, в якому, вимірювання часового інтервалу відбувається в два етапи. На перший йде грубий підрахунок між імпульсного інтервалу, а на другому вимірюється залишок часового інтервалу між другим ехо-сигналом і наступним імпульсом заповнення. Канал передачі сигналу ( генератор 6, схема запуску 20) і попередній перетворювач ( блок 1-5) аналогічно попередній схемі, тому зупинятись на них не будемо. Одновібратор 10 служить для захисту вхідних сигналів від перенавантаження і проникнення паразитних сигналів від місця кріплення звукопровода. В каналі приймача підсилення і формуванні в блоці 7 ехо-імпульси (рис. 5.1.2,б) поступає на розподілювач 8. Перший поступаючий на розподілювач імпульс запускає імпульсний генератор 11 (рис. 5.1.2,в). Заповнюючі імпульси з періодом t0з імпульсного генератора 11 через відкритий перший елемент І 12 поступають на лічильний вхід лічильника 15 до надходження другого ехо-імпульса, який свідчить про закінчення вимірювального інтервалу часу (рис. 5.1.2,г). Другий ехо-імпульс з розподілювача 8 поступає на вхід скиду тригера 17, перекидає його і закриває при цьому елемент І 12 (рис. 5.1.2,д). Лічильник 15 фіксує число імпульсів,які знаходяться в між імпульсному інтервалі,а сигнал тригера 17 закриває розподілювач 8, перешкоджаючи подальшому проходженню ехо-імпульсів. Далі необхідно визначити остаточний інтервал між останнім заповнюючим імпульсом, перерахованим лічильником 15, і другим ехо-імпульсом. Для забезпечення більш високої стійкості схем і високої точності вимірювання інтервал часу 2 t0 – між другим ехо-імпульсом і одним із останніх заповнюючи ехо-імпульсів. Це відбувається наступним чином. Другий ехо-імпульс поступає на вхід запуску  формувача 14 і формує передній фронт вихідного імпульсу. Імпульс з виходу генератора 11 поступає на вхід скидання формувача 14 і формує задній фронт вихідного імпульсу. Для виключення помилки формувача 14 стробується імпульсом з інверсного виходу тригера 17, затриманим на час t0 елементом затримки 9 (рис. 5.1.2, е). В результаті на виході формувача 14 отримуємо імпульс довжиною (2 t0 – ) m (рис. 5.1.2,з). Цей імпульс відкриває елемент І 13 ,  і імпульси з генератора 11    (рис. 5.1.2,и) записується в лічильнику 16.  Ємкість лічильника 16 дорівнює коефіцієнту розтягування m, що забезпечує автоматичного вираховування кінцевого інтервалу при зчитуванні показників в зворотному коді. При закінченні розтягнутого імпульсу блок індикації 19 зчитує показники з лічильників 15 і 16, після чого термометр переводиться в початкове положення.

Рис. 5.1.2. Імпульсний термометр з вимірюванням часового інтервалу в два етапи.

Даний імпульсний термометр, принцип роботи якого можна зрозуміти із спрощеної структурної схеми на рис. 5.1.3. В цьому термометрі для підвищення точності вимірювання температури передбачене автоматичне запам’ятовування амплітуди, а вимірювання часового інтервалу відбувається між центрами ехо-імпульсів. Це відбувається наступним чином: із ехо-імпульсів формуються прямокутні імпульси; інтервал між отриманими імпульсами заповнюється сигналом з частотою f ; прямокутні імпульси заповнюються сигналом з частотою f/2 .

З рис. 5.1.3. випливає, що інтервал з ехо-імпульсами

,                                    (5.1)

де п – міжімпульсний інтервал; і1 та і2 протяжність імпульсів, сформованих з ехо-сигналів. Якщо період квантування рівний t0, кількість імпульсів, які вкладаються на відповідних часових інтервалах буде

.                                 (5.2)

Щоб виконалось рівняння, необхідно N1 і N2 зменшити в два рази, а це еквівалентно тому, що потрібно заповнити інтервали і1 таі2 імпульсами з періодом 2t0:

.                           (5.3)

Підрахувавши суму кількості імпульсів N0= N3+ N’1+ N’2,  ми легко із  достатньо високою точністю визначимо інтервал між центрами ехо-сигналів.

Рис. 5.1.3 Імпульсний термометр з вимірюванням часового інтервалу між центрами імпульсів.

Схема на рис. 5.1.3  працює наступним чином. Тактовий генератор 1 формує імпульси з частотою промислової мережі fс. Останнє покращує завадостійкість прибору. Для покращення стабільності роботи тактовий генератор додатково синхронізується ВЧ- генератором 5. Імпульси тактового генератора поступають на передавач 2, який формує на виході  короткі імпульси для збудження магнітострикційного перетворювача 3.

Відбиття ехо-імпульсів підсилюються в приймачі 4 і поступають в формувачі 8 і 9 ехо-імпульсів. Формувач 8 стурбується імпульсом, який формується при надходженні затриманого елементом затримки 7 імпульсу передатчика 2.  Другий формувач 9 стурбується аналогічним чином, але при поступленні першого ехо-імпульсуякий надходить до селектору 10.

На протязі першого циклу «передача-прийому» виконується запам’ятовуванням амплітуди першого ехо-імпульсу, на протязі другого запам’ятовуванням другого ехо-імпульсу. Запам’ятовування відбувається у відповідних формувачах ( 8 і 9) на час десяти циклів «прийому -передачі». Якщо амплітуда хоча б одного ехо-сигналу по яких-небудь причинах на протязі вказаних десяти циклів відчутно зменшиться, а блок управління 6 виробляє сигнал скиду і підрахунок циклів починається спочатку.

Сформовані з ехо-сигналів імпульси поступають на комутатор 11, який забезпечує проходження на лічильник 12 імпульсів з частотою 1/t0в між імпульсному інтервалі та імпульсів з частотою 1/2t0  при поступленні першого і другого сформованих імпульсів.

Блок вираховує середнє арифметичне результату десяти вимірювань за десять циклів «передачі-прийому» і виводить інформацію на блок реєстрації 13. В подальшому операція вимірювання повторюється.

Значний успіх у розвитку імпульсних ультразвукових термометрів призвели до створення термометра Panatherm-5010 фірмою Panametrics (США).

Технічні характеристики термометра.

Розміри чутливого елементу, мм:

діаметр…………………………………………………

0.03-3

довжина…………………………………………………

3-3000

Відносна чутливість при довжині чутливого елементу, %:

50 мм……………………………………………………

Не більше 1

максимальна……………………………………………

0,1

Похибка вимірювання часового інтервалу між імпульсами при усередненні результату десяти вимірювань, мкс

0,1

Частота дискретизації, МГц

10

Амплітуда ехо-імпульсів, В

10-2-10,0

Установка стробуючих імпульсів

Ручна

Похибка вимірювання температури, %

Не більше 1

Інерційність (без врахування інерції ЧЕ), с

0,1

Тип перетворювача…………………………………………

Магнітострикційний

Максимальна вимірювальна температура, К, з ЧЕ із:

алюмінію………………………………………………

811

нержавіючої сталі…………………………………….

1366

сапфіру…………………………………………………

1922

рутенію, молібдену……………………………………

2460

ренію, танталу, вольфраму ……………………………

3273

Крім термометра Panatherm-5010 фірмою Panametrics розроблений генератор імпульсів Panapulser-5050M для ультразвукової термометрії, прилад Panatimer-5054 для вимірювання температури методом накладання ехо-імпульсів,  які відбуваються при частоті розгортки осцилографа, зворотного часового інтервалу між ехо-імпульсами. З допомогою вище згадуваних приборів  можна виміряти не тільки температуру, але і ряд фізичних властивостей матеріалів (модуль пружності, коефіцієнт Пуассона і т.д.).

5.2. Особливості аналізу сигналу в резонансних термометрах та приклади схемних вирішень

Кварцові резонансні термометри мають добру термочутливість і точність, але не лінійність градуювальної характеристики накладає значні обмеження. Запропонована поліноміальна апроксимація термічної характеристики і організація обчислень по алгоритму, реалізації інтерполяційного поліному Лагранджа, який добре передає форму характеристики. Використання в цифровому кварцовому термометрі послідовно з’єднаних блоку апроксимації і блоку корекції дає можливість реалізації любого члена формули

                               (5.3)

де  – температурний коефіцієнт частоти; – калібровочніі поточні значення температури, що дозволяє зменшити похибку до 0,01 К.

Варіант кварцового термометра, реалізую чого адаптивний алгоритм і функціонуючого з декількома резонаторами, зображено на рис.5.2.1. Арифметичний пристрій 3 термометра вирішує наступні задачі:

  1.  За результатами порівняння з реперними точками на етапі підготовки вираховує значень поправок і вагомих коефіцієнтів.
  2.  Коректує значення поправок і коефіцієнтів по результатам порівняння сигналів від резонаторів  з сигналом, відповідної групової оцінки параметру;
  3.  Забезпечує розрахунок середнього значення параметра;
  4.  Виконує оперативний обмін інформації з запам’ятовуючим пристроєм.

Така структура термометра дозволяє зменшити похибку, викликані не лінійністю характеристик і тепловою інерційністю кварцових резонаторів. При цьому зменшуються як систематичні, так і складові похибки, пов’язані з зміною характеристик резонаторів в процесі експлуатації.

Рис. 5.2.1. Кварцовий термометр з декількома резонаторами:  – резонатори; 1 – комутатор; 3 – арифметичний пристрій; 4 – запам’ятовуючий пристрій; 5 – пристрій управління; 6 – пристрій індикації.

Двоканальні кварцові термометри, , прикладом яких може бути термометр фірми Hewlett-Packard,мають в своєму складі два резонатори, включених по автогенераторній схемі. При використанні двох термочутливих резонаторів можна за значеннями резонансних частот визначити температуру двох датчиків та різницю температур. Реалізація кварцового термометра технічно спрощується, якщо один з резонаторів являється температуро незалежним (опорним). В цьому випадку інформацію про температуру несе різниця частот, тобто потрібно вимірювати порівняно низьку частоту.

Резонансний термометр, схема якого наведена на рис. 5.2.2, автоматично проводить вимірювальні операції при поступленні ехо-сигналу на вхід вхідного каналу. Це забезпечується блоками 8 – 10, які виключають помилковий запуск схеми. Виділення груп імпульсів відбувається елементами І 15 та 16, а їх інтегрування – інтегратором 18.

Рис. 5.2.2. Ультразвуковий резонансний термометр з фазовим аналізом сигналу: 1 – резонатор; 2 – узгоджувальна ланка ; 3 – звукопровід; 4 – перетворювач; 5 – генератор; 6 –модулятор; 7, 17 – підсилювачі-обмежувачі; 8 – схема захисту; 9, 21–ключі; 10, 13 – схеми запуску;11 - формувач першого строб-імпульсу; 12 – формувач інтервалу; 14 - формувач другого строб-імпульса; 15, 16, 25 – елементи І; 18 – інтегратор імпульсів; 19 – аналогове запам’ятовуючий пристрій із схемою управління; 20, 22 – інтегратор управління;23 – схема встановлення фази; 24 – схема управління частотоміром; 26 - частотомір; 27 – перетворювач коду; 28 – реєстратор.

При досліджені схеми модулятора 6 термометра було досліджено, що порушення симетрії пакету коливань відносно нульової лінії призвело до появи в початку і кінці передачі декількох періодів паразитного сигналу,  який являє собою коливання магнітострикційного перетворювача на власній  резонансній частоті. Це пов’язано з тим, що порушення симетрії еквівалентне  накладенню на корисний сигнал прямокутного імпульсу, фронт і спад якого генерував паразиті коливання. Тому в схемі модулятора (рис. 5.2.3), модернізована, було передбачене точне регулювання симетрії (резистором R 11). Транзистори VT 6, VT 7 на рис. 5.2.3 призначенні для заземлення входу підсилювача потужності в паузах між посиланнями,що знижує рівень перешкод. Підсилювач потужності можна розробляти по звичайній без трансформаторній схемі.

Рис. 5.2.3  Принципова електрична схема модулятора термометра.

Блоки 11 – 14 (рис. 5.2.2) забезпечують стропування двох груп імпульсів до і після мінімуму ехо-сигналу, який формується на виході елементів І 15 і 16. На вхід цих елементів подається підсилений і обмежений (на рівні ТТЛ – логіки) ехо-сигнали разом з прямим (15) і інвертованим (16) сигналами генератора. Для якісного формування прямокутних імпульсів з ехо-сигналу попередньо підсилення останнього цілеспрямовано призводить безпосередньо після магнітострикційного перетворювача. Установка підсилювача (рис.5.2.4,а) в корпусі перетворювача відчутно покращує відношення сигнал-шум і вилучає шунтуючі впливи коливань. Конденсатор С1 дозволяє в невеликих межах коректувати амплітудну – частотну характеристику (АЧХ) перетворювача. Амплітуда сигналу з виходу попереднього підсилення достатньо для безпосереднього перетворення в прямокутні сигнали без додаткового зусилля. Для перетворення сигналу ТТЛ- рівня можна використати компаратор з відкритим виходом, наприклад DA1 типу 554 СА3  (рис.5.2.4,б). Щоб зменшити вплив  рівня відсічення шумів на вході, без попереднього встановлення резистора R3, на площу імпульсів з виходу DA1 (дивитись рис.6.4,в), представлений скид рівня відсічки в нуль при поступленні на вхід першого отриманого ехо-сигналу. Скид відбувається відкривання транзистора VT1 на час проходження ехо-сигналу. Це дозволяє, з одної сторони, встановити достатньо високий рівень відсічки шумів і, з другої сторони, до мінімуму стиснути похибку за рахунок відсічки.

Рис.5.2.4 Схема попереднього підсилення (а) і вхідних послідовностей термометра (б).

Найбільш важливим елементом термометра являється інтегратор імпульсів 18 (дивитись рис. 5.2.2), від якості роботи якого залежать  метрологічні характеристики термометра в цілому. Приклад виконання інтегратора наведений на рис. 5.2.5,а. Дві групи одно полярних імпульсів з виходів логічних схем (рис. 5.2.5,б,в ) перетворюються в DA1 в дві різнополярні групи імпульсів одної ( по модулю) амплітуди (рис. 5.2.5,г), який  інтегрується в DA2 (рис. 5.2.5,д). Для компенсації дрейфу напруги зміщення на виходах DА1, DA2 передбачений блок компенсації на DА3, який  видаляє зміщення в паузах між циклами інтегрування. Польові транзистори VT1 – VT3 виконують функції комутаторів.Вихідний сигнал інтегратора являється інформаційним параметром про ступень різниці частот генератора 5 і резонансної частоти резонатора 1 і подається на вхід інтегратора управління 22 для здійснення операції пере настройки генератора. Тому що інтегратору  управління властиві типічнінедостатки аналогових мікросхем (пов’язаних з дрейфом характеристик), тому кращий результат дає застосування в якості елемента управління генератором цифро аналогового перетворювача. Щоб виключити деяку нестійкість схеми термометра, пов’язану з коливаннями сумарної вольт-секундної площі від температури (площа періодично змінюється від  нуля до максимального значення), передбачена схема установки фази 23 (дивитись рис. 5.2.2), яка своїм імпульсом надає нове значення фази сигналу генератора при поступленні на вхід ехо-сигналу.

Недоліком схеми термометра на рис. 5.2.2 є її інваріантність по відношенню до умови  і . Останнє може виникнути при великому відхиленню частоти генератора від резонансного значення, що призводить до відбиття сигналу від чутливого елемента практично без зміни форми, тобто. Як від плоскої перешкоди.

Рис. 5.2.5 Схема інтегратора імпульсів термометра.

Тому в порядку вдосконалення схема була доповнена другим каналом для грубого пошуку резонансної частоти (рис. 5.2.6,а), в якій використовується той факт, що по мірі приближення частоти збудження  до резонансної зростає амплітуда сигналу випромінювання резонатора (дивитись ділянку /// на рис. 3.5, б). Ехо-сигнал (рис. 5.2.6, б) магнітострикційного перетворювача поступає на детектор 1 (рис. 5.2.6, в), після чого із сигналу на ділянках // та /// (дивитись рис. 3.5, б) стробуючими ключами 2 і 3 виділяється однакова кількість на півперіодів (рис. 5.2.6, г,д). Далі дві  групи напівперіодів  роздільно інтегруються інтеграторами 4 і 5, відношення вхідних сигналів яких (рис. 5.2.6,е,ж)  оцінюється в аналоговому дільнику 6. В якості останнього може застосовуватись польовий транзистор з двома затворами (наприклад, КП350). Якщо відношення перевищує деяке наперед задане значення, компаратор 7 своїм імпульсом переводить термометр в режим точного налаштування (за схемою на рис 5.2.2). Виходи інтеграторів 4 та 5 мажна також безпосередньо включити на вхід компаратора 7.

Описані термометри успішно функціонують в діапазоні частот 50 – 300 кГц, забезпечуючи похибку вимірювання температури менше 1%. Діапазон вимірювання температури визначається вибором матеріалу чутливого елемента.

Технічні характеристики резонансних термометрів.

Діапазон вимірювання температури…………………………

визначається властивостями матеріалу ЧЕ

Протяжність сигналу передаючого каналу, мкс…………….

близько 250

Діапазон частот, кГц…………………………………………..

50 – 300

Частота проходження пакетів коливань, с-1…………………

100 – 120

Максимальна температура електроакустичного перетворювача, К……………………………………………..

приблизно 600

Допустиме затухання в звукопроводі, дБ…………………….

приблизно 30

Добротність чутливого елемента…………………………….

приблизно 50

Похибка вимірювання температури. %................................

0,1 – 1,0

Рис. 5.2.6. Канал грубого пошуку резонансної частоти.

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

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

6.2. Матеріали для високотемпературного вузла термометра

Якщо проаналізувати відомі дані про температурну залежність пружних властивостей ряду важко плавких металів  та сплавів спільно з характеристиками міцності, стабільності пружних властивостей, хімічної високотемпературної стійкості, а також із врахуванням опиту, отриманого при розробках інших типів термометрів (наприклад, термоелектричних), то найбільш перспективними матеріалами для чутливого елемента ультразвукових термометрів слід рахувати вольфрам, молібден, реній та ряд сплавів на їх основі. Полікристалічний ніобій непридатний для цієї цілі, так як його модуль пружності майже не змінюється з ростом температури, а тантал обмежено придатний, оскільки володіє більшою спорідненістю до кисню, взаємодія з яким приводить до росту модуля пружності.

Значні труднощі при виборі того чи іншого матеріалу для чутливого елемента викликає малий об’єм довідкових даних по температурній залежності пружних властивостей, а також широкий розкид значень для одного і того ж металу. Останнє викликано різними способами отримання зразків для дослідів та використанням різних методик. Проте, враховуючи той факт, що характер температурної залежності модуля пружності в більшості випадків не залежить від способу отримання металу чи сплаву, попередню оцінку провести можливо.

На рис. 6.2.1 представлені температурні залежності резонансної частоти чутливих елементів з різних металів ультразвукових резонансних термометрів, на рис 6.2.2 – температурні залежності модуля Юнга, отримані за результатами градуювання імпульсних термометрів. Характерним для наведених кривих являється зростання чутливості з ростом температури і перегини кривих на ділянці переходу від не релаксованого модуля до релаксованого.

Рис. 6.2.1. Температурні залежності резонансної частоти чутливого елемента з різних матеріалів.

Для полікристалічних матеріалів, якщо підставити криві на рис. 6.2.1 та рис. 6.2.2 з графіками температурної залежності затухання (рис. 6.2.3 та рис. 6.2.4, а), то побачимо, що згини відповідають ділянці різкого зростання внутрішніх втрат (внутрішнього тертя). При порівнянні значень температур, відповідних згину кривих модуля пружності (Т1) і внутрішнього тертя (Т2), з з температурою плавлення Тпл виявиться, що вони корелюють із значенням 0,5Тпл, перевищуючи її (табл. 6.2.1)

Рис. 6.2.2. Температурні залежності модуля пружності металів та сплавів, отриманих імпульсним методом.

Рис. 6.2.3. Температурна залежність коефіцієнта затухання в деяких матеріалах.

Таблиця 6.2.1. Значення температур, відповідних згину кривих модуля пружності та затухання для різних металів та сплавів.

матеріал

Т1, К

Т2, К

0,5Тпл, К

Re

1975-2100

1675-1975

1730

Re+5%Os

2075

2075

1685

Re+10%Os

2025

2025

1675

Re+15%Os

1975

2075

1665

W+25%Re

1975

2275

1720

Ir

1825

1725

1365

Ir+50%Rh

1725

1725

1240

Ir+10%Rh

1475

1075

1050

Ru

1375-1625

1375-1475

1365

Mo

1625-1675

1475-1600

1450

Різке зростання внутрішнього тертя в полікристалічних металах пов’язана з зерно граничною релаксацією, викликана інтенсифікацією дифузійних процесів при підвищенні температури. Це підтверджується порівнянням з результатами досліджень багато кристалічного вольфраму (рис. 6.2.4, в), у якому при високій температурі спостерігається незначне експоненціальне зростання фону. Незначно підвищені втрати в діапазоні 500 – 1500 К у зразках монокристалічного вольфраму трьох кристалографічних направлень можна обґрунтувати більш високою (при порівнянні з полікристалічним вольфрамом) рухливістю дислокацій. Це підтверджується експериментами по закалювання вольфраму від температури 2800 К (рис. 6.2.4, д, е). відомо, що вакансії являються центрами закріплення дислокацій і підвищення густини перших в результаті закалювання призводить до зниження рухливості других. Термоциклювання призводить з часом до такого ж високотемпературного піку, як і в полікристалічного вольфраму. При термоциклюванні відбувається збільшення густини дислокацій, подрібнення блочної структури і збільшення кутової розорієнтування субзерен.

Рис. 6.2.4. Температурна залежність внутрішнього тертя та резонансної частоти чутливого елемента з різних матеріалів: а – полікристалічний вольфрам (крива 1) та реній (крива 2); б – сплав W+10%Re зонної плавки;     в – монокристалічний вольфрам у напрямках [101] (крива 1), [111] (крива 2), [001] (крива 3) та [001] після термоциклювання (крива 4); г – монокристалічний вольфрам у напрямку [101] після нагрівання до 2200 К на протязі одного (крива 1), п’яти (крива 2), десяти (крива 3) та 25 годин (крива 4) з проміжним охолодженням; д – монокристалічний вольфрам у напрямку [001] після закалювання (крива 1) та відпалу (крива 2); е – монокристалічний вольфрам у напрямку [111] після закалювання (крива 1) та відпалу (крива 2).

Поява мало інтенсивного високотемпературного піку вказує на те, що утворюються в монокристалі дислокаційні петлі і стінки поводять себе по відношенню до зерно граничної релаксації так, як і границі зерен в полікристалічних матеріалах (рис. 6.2.4, в, г).

Деформація чутливого елемента з полікристалічного вольфраму і ренію призводить до зменшення модуля пружності та зростання внутрішнього тертя (рис. 6.2.5). що пов’язано з процесами відриву та розмноження дислокацій. При нагріванні до високих температур спостерігається повернення властивостей внаслідок рекристаляційного відпалу.

Рис. 6.2.5 Вплив деформації на резонансну частоту та внутрішнє тертя.

Проте при підвищених деформаціях (до 7%) властивості повністю не відновлюються у зв’язку з рекресталяційним ростом зерен. Деформація монокристалічного вольфраму призводить до більш складного характеру зміни внутрішнього тертя (рис. 6.2.5), що пов’язано з конкурентними впливами процесів підвищення густини дислокацій та концентрації вакансій.

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 та            для 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 часу мτ (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 змін n, 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: 

8. Охорона праці

Основною метою розділу охорони праці є уникнення можливості виробничого травматизму, професійних отруєнь і захворювань, пожеж і вибухів, аварій, забруднення довкілля при будівництві та використання об’єкта проектування. У даній магістерській роботі досліджується метод визначення діелектричної проникливості анізотропних матеріалів в діапазонах міліметрових та сантиметрових довжин хвиль для пристроїв телекомунікаційних систем.

Дослідження, що проводяться в дипломі (визначення діелектричної проникливості анізотропних матеріалів в діапазонах міліметрових та сантиметрових довжин хвиль для пристроїв телекомунікаційних систем.) вимагають використання робочого місця, що обладнані ПК та обладнання для експериментів. Тому основний робочий час працівники проводять в приміщені за персональним комп’ютером та вимірювальним обладнанням.

Прикладом робочого приміщення є наукова лабораторія розмірами 3.4х5.2х3.7 м. Виходячи із ДСанПІН 3.3.2.007-98, а також, беручи до уваги характер робіт, відповідно до яких, площа приміщення на одного працівника в приміщенні дорівнює (), приймаємо:

,                                                 (8.1)

де – площа приміщення, що відводиться на одного працівника;

– кількість працівників.

Оскільки в приміщенні працює один чоловік, тоді необхідна площа для роботи повинна становити:

;                                              (8.2)

Реальна площа приміщення становить 17.7 (при розмірах: довжина – ; ширина – ; висота – ), а отже відповідає вимогам санітарних норм.

На функціональний стан людини (психофізіологічні та емоційні перенапруження, втома, стрес тощо) впливають фізичні фактори виробничого середовища. Всі фактори, які впливають на стан людини, яка працює за комп’ютером, нормуються згідно з «Державними санітарними правилами і нормами роботи з візуальними дисплейними терміналами електронно-обчислювальних машин» ДСанПІН 3.3.2.007-98, які поширюються на умови й організацію праці при роботі з візуальними дисплейними терміналами (ВДТ) усіх типів вітчизняного і зарубіжного виробництва на основі електронно-променевих трубок (ЕПТ), що використовуються в електронно-обчислювальних машинах (ЕОМ) колективного використання та персональних ЕОМ (ПЕОМ).

Ці правила містять гігієнічні й ергономічні вимоги до організації робочих приміщень та робочих місць, параметрів робочого середовища, дотримання яких дасть змогу запобігти порушенням у стані здоров'я користувачів ЕОМ і ПЕОМ.

При організації робочого місця враховуються дані елементів обладнання в залежності від характеру роботи, яку виконуємо. Робочий стіл має стабільну конструкцію: площина стола  складає 180x90 см і регулюватися по висоті в діапазоні 65-85 см, висота від горизонтальної лінії зору до робочої поверхні стола складає 50 см. Під поверхнею стола існує вільний простір для ніг з розмірами по висоті не менш , по ширині – , по глибині – . Висота сидіння регулюється по висоті в межах 42-55 см.

Робочий стілець (крісло) оснащений підйомним поворотним пристроєм, який забезпечує регуляцію висоти сидіння та спинки; його конструкція передбачає також зміну кута нахилу спинки. Підніжка крісла має п'ять опор, щоб запобігти його падінню.

Конструкція робочих меблів (столи, крісла, стільці) забезпечує можливість індивідуального регулювання відповідно зросту працюючого та створювати зручну позу. Предмети праці знаходяться в оптимальній робочій зоні.

Конструкція робочого місця користувача комп’ютера забезпечує підтримання оптимальної робочої пози з такими ергономічними характеристиками: ступні ніг – на підлозі; стегна в горизонтальній площині; передпліччя – вертикально; лікті – під кутом градусів до вертикальної площини; зап’ястя зігнуті під кутом не більше градусів відносно горизонтальної площини; нахил голови – градусів відносно вертикальної площини. Екран розміщений на відстані від очей користувача (розмір екрану по діагоналі дюймів, частота кадрової розгортки 100 Гц).

Робочі столи розміщено подалі від вікон і таким чином, що вікна знаходяться збоку від працюючих і природне світло падає зліва або справа, – залежно від розташування обладнання. При розміщенні робочого місця поряд з вікном кут між площиною екрану та площиною вікна складає не менше 900.

При організації праці, що пов’язана з використанням ВДТ ЕОМ і ПЕОМ для збереження здоров’я працюючих, запобігання професійних захворювань і підтримання працездатності передбачені внутрішньо змінні режими при 8-годинному робочому дні в залежності від характеру праці:

  1.  для розробників програм — 15 хвилин перерви через кожну годину роботи;
  2.  для операторів ЕОМ — 15 хвилин через кожні 2 години роботи;
  3.  для операторів комп'ютерного набору — 10 хвилин перерви через кожну годину роботи.

У всіх випадках тривалість безперервної роботи з ВДТ не може перевищувати 4 години.

Згідно з ДСН 3.36.042-99 у приміщенні повинні підтримуватися певні метеорологічні умови, що визначаються температурою, відносною вологістю та швидкістю руху повітря. Для робочої зони приміщення оптимальні і допустимі величини температури, відносної вологості і швидкості руху повітря, встановлюються з врахуванням трудоємкості і складності роботи, яка виконується, а також пори року. Робота  працівника за комп’ютером належить до групи 1а – легкі роботи. Відповідно до цього вибираємо необхідні метеорологічні умови (Табл. 8.1).

Таблиця 8.1. Оптимальні і допустимі метеоумови.

Період року

Категорія робіт

Температура

t,°C

Відносна вологість повітря, %

Швидкість повітря,

м/с

опти-мальна

допус-тима

опти-мальна

допус-тима

опти-мальна

допус-тима

холодний

легка 1а

22-24

21-25

40-60

<75

0,1

<0,1

теплий

легка 1а

23-25

22-28

40-60

<55

0,1

0,1-0,2

Метеорологічні параметри забезпечуються застосуванням автономного кондиціювання. В зв’язку з тим, що жодних шкідливих викидів у приміщенні лабораторії немає, то передбачається природна вентиляція (відповідає вимогам СНіП 2.04.05-86), яка здійснюється через двері.

Для забезпечення заданих в Табл.8.1 оптимальних метеоумов використовується кондиціонер марки Electrolux EACS/I-12HD. Акуратна передня панель виглядає дуже стильно, завдяки чому кондиціонер зможе вписатися в будь-який інтер'єр. Передню панель можна відкрити вгору на великий кут для зручності чищення фільтру. Дизайн настільки ж зручний, наскільки і естетичний. (СНіП 2.04.05-91)

Рис. 8.1. Зовнішній вигляд кондиціонеру Electrolux EACS/I-12HD.

Технічні характеристики кондиціонера: Electrolux EACS/I-12HD Тип: спліт-система; Інвенторна; Режими роботи: ХОЛОДОвиробництво - 3,7 кВт, ТЕПЛОвиробництво - 4,9 кВт, Затрати повітря - 500 м3/ ч, Розміри: висота * ширина * глибина - 240х770х179 мм, вага - 9/36 кг. Сприятливі умови роботи забезпечують як високу продуктивність праці, так і позитивно впливають на психологічний стан людини, на її працездатність і здоров'я. Особливо важливе біологічне і гігієнічне значення для людини має природне освітлення, тому при проектуванні виробничих приміщень важливо передбачити наявність природного освітлення ДБНВ 2.5.-28-2006.

За розрядом зорових робіт робота в лабораторії, де здійснюється збирання та відлагодженя установки для вимірювання, віднесена до робіт середньої точності. Нормована освітленість згідно зі ДБНВ 2.5.-28-2006 „Природне і штучне освітлення. Норми проектування” для даного розряду робіт становить 300 лк, що забезпечується двома вікнами з розмірами 1.8*1.6м. Таким чином, освітлення в денний період забезпечується за допомогою віконних отворів . Для роботи зранку та ввечері і у зимовий період передбачене штучне освітлення, яке забезпечується двома світильниками ПВЛМ 140 з габаритами 600  250  95 мм.

Рис. 8.2. Схема розміщення світильників.

На робочих місцях основними джерелами шуму є вентилятори системного блоку, накопичувачі, принтери ударної дії. Вимоги до шуму визначаються ДСН 3.3.5-037-99 ("Шум. Загальні вимоги безпеки"), а для вібрації – ДСН 3.3.5-039-99 ("Вібрація. Загальні вимоги безпеки"). Бажаний рівень шуму в приміщенні вдень – до 40 дБ.  

Шум, вібрація, ультразвук виникають при роботі машинок, принтерів, розмножувальної техніки, обладнання для кондиціонування повітря, а також вентиляторів систем охолодження і трансформаторів.

Так як у лабораторії немає потужних джерел шуму (шум становить приблизно 30 дБ), то немає потреби використовувати будь-які засоби захисту від шуму.

В основному небезпека виникнення пожежі в приміщенні може походити від ПК. Його загорання може бути спричинене коротким замиканням, загоранням ізоляції, вибухом працюючого монітора та іншими несправностями. За вибухопожежною і пожежною небезпекою приміщення і будівлі згідно ДБНВ 2.5.-13-98 поділяються на категорії А, Б, В, Г, Д. Дане приміщення відноситься до категорії В, оскільки в ньому знаходяться тверді горючі матеріали. Проходи між меблями та обладнанням, а також вихід не загромаджують. У випадку виникнення пожежі перш за все треба відключається  джерело живлення. Пожежна безпека приміщень визначається особливостями робіт, що в них виконуються, особливостями застосованих речовин і матеріалів.

   

Рис. 8.3. Символи класів пожеж.

Для даного приміщення встановлена категорія пожежної небезпеки Д при ступені вогнестійкості ІІ (ДБНВ 1.1.7-2002), що дозволяє використовувати будівлі до 10 поверхів, а при одноповерховому варіанті – площа приміщення не обмежується. Пожежа може виникнути внаслідок причин електричного та неелектричного характеру.

До причин електричного характеру відносяться наступні:

  1.  коротке замикання. Струми короткого замикання достатньо великих величин та супроводжуючі їх теплові і динамічні впливи можуть викликати руйнування електрообладнання та ізоляції. Профілактичними заходами від короткого замикання є правильний вибір провідників, деталей і апаратури, своєчасні профілактичні огляди, ремонти та тренування. Для швидкого відключення пристроїв при виникненні короткого замикання в ланцюгах живлення вбудовані плавкі запобіжники;
  2.  перевантаження провідників струмами, що перевищують допустимі по нормах значення. Для уникнення перевантаження підібрані правильні значення поперечного перерізу провідників та контроль за виконанням нормативів по навантаженню, згідно зазначених в документації на обладнання;
  3.  дія дуги та іскріння. Може виникнути в місцях підключення обладнання та механічного під’єднання струмонесучих частин.

Для уникнення нещільних з’єднань необхідна їх перевірка під час проведення профілактичних робіт. У випадку виникнення пожежі застосовують апаратні засоби гасіння пожеж для електроустановок, що знаходяться під напругою.

Порошкові вогнегасники (згідно вимогам ДСТХ 36.75-98)використовуються для гасіння пожеж класів A, B і C (горіння твердих, рідких та газоподібних речовин).

При гасінні пожежі класу А (горіння твердих речовин) вогнегасний порошок необхідно подавати до осередку пожежі, переміщуючи струмінь з боку в бік з метою збиття полум'я. Після того як полум'я збито, треба наблизитись і покрити всю поверхню речовини, що горить, і особливо окремі осередки шаром порошку, при цьому порошок подається переривчастими порціями.

Під час гасіння пожежі класу B (горіння рідких речовин) струмінь порошку спочатку подають на найближчий край, переміщуючи насадок з боку в бік для покриття пожежі по всій ширині. Подачу порошку слід робити безперервно при повністю відкритому клапані, переміщуючись уперед і не залишаючись позаду й з боків непогашеної ділянки, намагаючись постійно підтримувати у зоні горіння порошкову хмару.

Під час гасіння пожежі класу C (горіння газоподібних речовин) струмінь вогнегасного порошку спочатку необхідно спрямовувати в струмінь газу майже паралельно газовому потоку.

Під час гасіння електроустаткування струмінь вогнегасного порошку слід спрямовувати безпосередньо у джерело полум'я.

До початку гасіння знеструмити електроустаткування.

Рис. 8.4 . Рекомендації щодо застосування порошкових вогнегасників.

Електрична пожежна сигналізація використана для швидкого оповіщення пожежної охорони про виникнення пожежі в приміщенні. Система електричної пожежної сигналізації виявляє початкову стадію пожежі і оповіщає про місце її виникнення, а також автоматично вмикає стаціонарні установки гасіння пожеж. Вона складається з оповіщувачів-давачів, приймальної станції, джерела напруги і електричної мережі, яка з’єднує оповіщувач з приймальною станцією.

Використовуються оповіщувачі ручної та автоматичної дії. Ручні оповіщувачі кнопкової дії ПКИЛ7 розташовані у примітних місцях. Для виклику пожежної команди треба розбити скло на корпусі оповіщувача і натиснути кнопку, таким чином буде подано сигнал про пожежу.

Автоматичні оповіщувачі здійснюють посилку сигналу при різних ознаках пожеж. В приміщенні розміщуються оповіщувачі типу АТИП3, в них замикання відбувається в наслідок теплової деформації біметалічних пластинок. Вони працюють при заданій температурі 80 - 100 Co і мають розрахункову площу обслуговування в приміщеннях до 15м2. Таким чином, необхідна кількість таких оповіщувачів становить 1 шт.

Рис. 8.5. План евакуації при виникненні пожежі.

– шлях евакуації;

   – вогнегасник;

  –   телефон;

– пристрій пожежної сигналізації;

– ручний вмикач пожежної сигналізації;

– пожежний щит.

Дисплеї сучасних комп’ютерних моніторів на основі ЕПТ є джерелом випромінювання електромагнітного спектра: рентгенівського та електромагнітного.

Існуючими нормами встановлено граничні допустимі рівні випромінювання ЕПТ:

– експозиційні дози рентгенівського випромінювання на відстані 5 см від екрану становлять 0,1 мбер/год = 100 мкР/год;

– допустима поверхнева кількість потоку енергії (інтенсивність потоку енергії) для різних типів УФ випромінювання становить:

  1.  для УФ-С – 0,001 Вт/м2;
  2.  для УФ-В – 0,01 Вт/м2;
  3.  для УФ-А – 0,10 Вт/м2;
  4.  для видимих випромінювань – 10,0 Вт/м2;
  5.  для інфрачервоних випромінювань – 35,0 – 70,0 Вт/м2;

– електростатичність поверхневого потенціалу відеотерміналу – 500 В;

  1.  напруженість електростатичного поля – 20 кВ/м.

Вміст озону в повітрі робочої зони не повинен перевищувати 0,1 мг/м3, вміст оксидів азоту — 5 мг/м3, вміст пилу — 4 мг/м3.

ЕПТ сучасних моніторів не перевищують допустимих норм. В ході виконання науково-дослідної роботи використовувався монітор  моделі Samsung SyncMaster 940NF, що має сертифікат відповідності стандарту TCO’03, а отже, випромінювання даного монітору не перевищує допустимих норм.

В даній дипломній роботі застосовується випромінювач на діодах Ганна, робота якого пов'язана з утворенням випромінювань в діапазоні міліметрових хвиль. Робота персоналу по обслуговуванню установки в склад якої входить ПА, а також осіб, які знаходяться поблизу цієї установки, пов'язана з впливом цих випромінювань на організм людини. Тому питання захисту від шкідливої дії випромінювання набувають особливого значення. Випромінювання відбуваються на частоті 28ГГц з гостронапрямленою діаграмою направленості.  Тому в даному розділі необхідно вжити ряд заходів по захисту від електромагнітного випромінювання.

Випромінювання на частоті f=28ГГц (мм) відноситься до випромінювання у міліметровому діапазоні.

Робочі місця обслуговуючого персоналу можуть опинитися в наступних зонах ЕМП: ближній, проміжній і дальній, в залежності від частот електромагнітного поля, параметрів і типів системи, яка випромінює та віддалі від джерела випромінювання до робочого місця.

При спрямованому випромінюванні для параболічних антен радіус ближньої зони визначається з виразу:

,                                   (8.3)

де d — діаметр відбивача, м.

Для параболічних  відбивачів дальня зона починається при радіусі:

.                                        (8.4)

Ширину проміжної зони визначають за формулою:

.                          (8.5)

Таким персонал по обслуговуванню установки в склад якої входить випромінювач на діодах Ганна може знаходитись у проміжній зоні електромагнітного поля даного випромінювача.

У результаті довготривалого перебування в зоні дії електромагнітних полів настає передчасна стомлюваність, сонливість або порушення сну, болі голови, розлад нервової системи тощо. При систематичному опроміненні спостерігається зміна кров'яного тиску, сповільнення пульсу, нервово-психічні захворювання і трофічні явища (випадіння волосся, ламкість нігтів і т. ін.).

Дослідженнями встановлено, що біологічна дія одного і того ж по частоті електромагнітного поля залежить від напруженості його складових або густини потоку потужності для діапазону більше 300 МГц. Це є критерієм для визначення біологічної активності електромагнітних випромінювань. Для цього електромагнітні випромінювання з частотою до 300 МГц розбиті на діапазони, для яких установлені граничнодопустимі рівні напруженості електричної (В/м) і магнітної (А/м) складової поля. Для населення ще враховують його місцезнаходження в зоні забудови або житлових приміщень.

На робочих місцях та в місцях можливого знаходження персоналу, який професійно пов'язаний з дією електромагнітного поля, протягом робочого дня граничнодопустима напруженість цього поля, згідно ДСН 239-96 та ГОСТ 12.1.006-84 «Электромагнитные поля радиочастот. Требования безопасности», не повинна перевищувати значень наведених в (Табл. 8.2).

Таблиця 8.2. Граничнодопустима напруженість складових електромагнітного поля на робочих місцях.

Електрична складова

Магнітна складова

Частота поля, Гц

Граничнодопустима

напруженість, В/м

Частота поля, Гц

Граничнодопустима

напруженість, В/м

0

20000

0

30000

50

5000

103−3∙104

100

6∙104−3∙106

50

6∙104−1.5∙106

5

3∙106−3∙107

20

3∙107−5∙107

0.3

3∙107−5∙107

10

5∙107−3∙108

5

Для електромагнітного випромінювання з частотою 28 ГГцвстановлена граничнодопустима густина потоку потужності з врахуванням часу опромінення (Вт/м) і режиму роботи установки.

Граничнодопустима густина потоку енергії електромагнітного поля в на частоті 28 ГГц і час перебування на робочих місцях і в місцях можливого знаходження персоналу, який професійно пов'язаний з дією ЕМП тільки при  настройці та обслуговуванні заданої установкинаведені у Табл. 8.3. У робочому режимі установки антена постій обертається, тобто сканує в певному азимутальному куті.

Таблиця 8.3. Граничнодопустима густина потоку енергії ЕМП при неперервному опроміненні (ГОСТ 12.1.006-84).

Густина потоку

енергії, Вт/м2

Час

перебування

Примітка

До 0.1

Робочий день

0.1−1.0

Не більше 2 год.

Решта робочого часу густина потоку енергії не повинна перевищувати 0.1Вт/м2.

1−10

Не більше 20 хв.

За умови користування захисними окулярами. Решта робочого часу густина потоку енергії не повинна перевищувати 0.1 Вт/м2.

На стадії проектування радіоелектронної апаратури необхідно виконувати попередній розрахунок можливої інтенсивності електромагнітного поля на робочому місці.

При спрямованому випромінюванні густину потоку енергії, Вт/м2, в ближній зоні по осі діаграми спрямованості випромінювання визначаємо за формулою:

,                        (8.6)

де Рср– середня потужність випромінювання, Вт;

– геометрична площа випромінювача, м2.

Оскільки дана установка працює в імпульсному режимі, середню потужність визначаємо за формулою:

,                           (8.7)

де Рімп– потужність випромінювання в імпульсі, Вт;

    t– тривалість імпульсу, с;

    Т – період проходження імпульсів, с;

– щілинність імпульсів.

У проміжній зоні визначаємо за формулою:

,                (8.8)

де r – віддаль від центра розкриву антени до точки, яка розташована у проміжній зоні, м. Приймаємо, що обслуговуючий персонал знаходиться на відстані r=3м від центра розкриву антени.

У дальній зоні для м по осі випромінювання визначаємо з виразу:

.                        (8.9)

Це означає, що згідно Табл.7.2 перебування у дальній зоні на відстані м по осі випромінювача має бути не більшим 20 хв.

Розраховуємо відстань при якій густина потоку енергії ЕМП буде менше 0.1:

м                                 (8.10)

Розрахунок показав, що на відстані більше ніж м дозволяється перебування на протязі робочого дня.

– коефіцієнт підсилення антени по потужності, який в напрямку випромінювання визначаємо зі співвідношення

,                                   (8.11)

  де k = 3 − 10 — коефіцієнт;

S0 – ефективна площа, м2, антени, яка пов'язана з її геометричною площиною S залежністю:

,                              (8.12)

  де = 0.4 − 0.7 – коефіцієнт.

Крім трьох заданих зон існує так звана „мертва зона”, в якій поля немає. Розміри „мертвої зони” визначають експериментально.

Наведений розрахунок є орієнтовним і підлягає перевірці після встановлення радіоелектронних пристроїв. Даний випромінювач відноситься до класу випромінювачів, вплив вище розрахованих густин потоку енергії буде значно меншим, бо опромінюватися людина буде лише в момент направлення ДН на неї. Однак при розробці, налагоджувані та обслуговуванні необхідно дотримуватись правил захисту від електромагнітного випромінювання.

Захист часом передбачає обмеження часу перебування людини в електромагнітному полі.

Оскільки густина потоку енергії ЕМП у ближній зоні перевищує граничнодопустиму, то забороняється перебувати у цій зоні. Всі роботи по обслуговуванні у ближній зоні повинні проводитись тільки при вимкнутій установці.

У зв’язку з тим, що неможливо послабити інтенсивність опромінення в дальній зоні іншими способами, в нашому випадку застосовується захист віддаллю. У цьому випадку необхідно збільшують віддаль від джерелом випромінювання по осі випромінювання до віддалі більш ніж 56 м. Цей захист є прийнятним для населення, яке живе на певній віддалі від даного випромінювача.

Лабораторне приміщення, в якому проводять роботи по настроюванню і випробуванню випромінювальних установок влаштоване так, що при вмиканні установки на повну потужність випромінювання не проникає в суміжні приміщення. Стіни і стелю покриті пінопластом, який поглинає електромагнітну енергію. Отвори і оглядові вікна екрановані оптично прозорим склом з відбивальними властивостями.

Як засоби індивідуальні захистузастосовують халати і захисні скляні окуляри, які покриті тонким шаром двооксиду олова. Для захисту людини використовуємо матеріал з спеціальної радіотехнічної тканини, в структурі якого є тонкий металевий дріт, скручений з бавовняними нитками (утворює сітку з кроком комірки 0.8x0.5 мм).

Наступною важливою складовою забезпечення технічної безпеки працівників є електробезпека. Загальні вимоги електробезпеки нормуються згідно ГОСТ 12.1.030-81.ССБТ.

Електричні установки вимагають дотримання правил електробезпеки, оскільки в процесі експлуатації, або проведення профілактичних робіт людина може доторкнутись до частин, що знаходяться під напругою використовується живлення напругою 220 В, тому виникає необхідність в захисті персоналу від ураження електричним струмом.

Дуже важливе значення для запобігання електротравматизму має правильна організація експлуатації і обслуговування системи. При цьому під правильною організацією розуміється точне виконання ряду організаційних та технічних міроприємств і заходів які встановлені діючими „Правилами технічної експлуатації електроустановок споживачів і правил техніки безпеки при експлуатації електроустановок споживачів” (ПТЕ і БЕЕС споживачів) і „Правилами побудови електропристроїв” (ППЕ).

Заземлення корпусів електрообладнання, що споживає електроенергію від мережі напругою до 1000 В з глухозаземленою нейтраллю джерела, неефективне, бо при замиканні фази на корпус напруга на ньому відносно землі досягає значення більшого чи рівного половині фазного, а струм замикання на землю недостатній для спрацьовування максимального струмового захисту. Тому в таких мережах застосовується занулення корпусів електроустаткування.

Коефіцієнт кратності k визначається залежно від типу запобіжника: для теплових автоматів і топких вставок ; для вибухонебезпечних приміщень.

Опір заземлення нейтралі джерела струму R0 повинен бути 2, 4, 6 Ом при трифазній напрузі джерела 660, 380 і 220В відповідно ГОСТ 12.1.030-81, ССБТ „Электробезопасность. Защитное заземления, зануление”. Ці вимоги продиктовані умовою, щоб повний опір кола „фаза-нуль” забезпечував в аварійній ситуації струм короткого замикання .

При короткому замиканні фази на корпус до спрацювання захисту на всіх елементах ланцюга занулення з’явиться напруга. Внаслідок того, що в контурі протікання струму короткого замикання (джерело струму, коли „фаза-нуль”, нульовий захисний дріт) знаходяться елементи, які мають певний індуктивний і активний опір, то за місцем замикання на всіх металевих частинах електрообладнання, які приєднані до нульового дроту, може утворитися небезпечна напруга, наприклад, в мережі 380/220В вона може досягати 147В.

Рис. 8.6. Схема занулення.

Повторні заземлення Rппризначається для зниження цієї напруги як при суцільному (цілому), так і з неполадками (має розрив) нульовому дроті. Тобто, основні вимоги до нульового дроту: малий активний опір і відсутність можливих точок від’єднання або розриву.

У ролі нульових провідників ПУЕ рекомендують використовувати неізольовані або ізольовані провідники, a також металеві конструкції будівель, підкранову рейки, сталеві труби електропровідників і т.п. Рекомендується використовувати нульові робочі дроти одночасно і як нульові захисні. При цьому нульові робочі дроти повинні мати достатню провідність (не меншу за 50% провідності фазового дроту) і не повинні мати запобіжників і вимикачів.

Згідно з ПУЕ повторному заземленню піддаються лише нульові робочі провідники повітряних ліній (велика ймовірність розриву дроту). При цьому повторне заземлення використовують на відстані понад 200м, а також на вводах повітряних ліній в електроустановки, які піддаються зануленню. Опір повторних заземлювачів згідно з ССБТ не повинен перевищувати 15, 30, 60Ом відповідно для 220, 380 і 660В трифазної напруги живлення.

Принцип дії занулення, як зазначалося вище, полягає в перетворені замикання фази на корпус в однофазне коротке замикання, тобто замикання між фазним і нульовим провідниками, з метою одержання великого струму, здатного забезпечити спрацьовування максимального струмового захисту. Внаслідок цього електроустановка автоматично вимикається апаратом захисту від струмів короткого замикання. Сила цього струму обумовлюється фазною напругою та повним опором ланцюга короткого замикання (петля фаза – нуль) і визначається за формулою:

,                                                 (8.13)

  де Zп= – модуль повного опору петлі „фаза-нуль”; ZТ– модуль повного опору обмоток джерела живлення; RФ – активний опір фазного провідника, Ом; Rп – активний опір нульового провідника, Ом.

Значення RФта RН.З. для провідників із кольорових металів (мідь, алюміній) визначають за відомими даними: переріз S мм2, довжина 1м і матеріал провідника.

Активний опір визначають:

,                                                  (8.14)

  де ρ – питомий опір провідника.

Значення ZТ залежить від потужності трансформатора і схеми з’єднання його обмоток, а також від конструктивного виконання трансформатора.

Значення Хф і ХН.З. для мідних і алюмінієвих провідників порівняно малі (близько 0.0156 Ом/км), тому ними можна знехтувати.

Значення Хп можна визначити за формулою (для ліній, прокладених у повітрі):

                          (8.15)

  де D – віддаль між проводами; d – діаметр.

За наближеними розрахунками зовнішній індуктивний питомий опір Хп’ для внутрішньої проводки становить 0.3 Ом/км і 0.6 Ом/км для повітряних ліній (при віддалі між проводами, що відповідають нормам)

За довідником знаходимо повний опір трансформатора ZТ =0.906Ом.

Визначаємо опір фазного і нульового захисних провідників RФ, RН.З., Хф, ХН.З на ділянках:

;                          (8.16)

;                               (8.17)

.                                (8.18)

  Оскільки фазовий провід алюмінієвий, приймаємо Хф=0.

;                        (8.19)

                                              (8.20)

тому приймаємо: , і :                    (8.21)

;                        (8.22)

.                          (8.23)

Для фазного проводу(алюмінієвий) приймаємо ХН.З=0.

Зовнішній індуктивний опір 1км петлі „фаза-нуль” приймаємо , тоді

;                                        (8.24)

;                                   (8.25)

.                                      (8.26)

Опір петлі проводів „фазний-нульовий”:

Zп== .                                                                    (8.27)

Струм короткого замикання

;                                       (8.28)

,                                      (8.29)

  де k≥3 для плавкого запобіжника.

Вибираємо запобіжник НПИ 15 на Iном=6А. (з Табл.7.3).

Напруга на корпусі буде максимальною при струмі короткого замикання Iк, де .

Ця напруга на корпусі не повинна перевищувати допустиму напругу дотику (42В, а особливо несприятливих умовах 12В) , де – допустима напруга дотику.

Для зниження напруги корпусу необхідно зменшити опір нульового провідника (збільшити його переріз або прокласти паралельно кілька провідників) або застосувати повторне заземлення нульового провідника. За наявності повторного заземлення нульового захисного провідника напруга відносно землі на корпусі обладнання:

,                                       (8.30)

  де – опір повторного заземлення, Ом; – опір нейтралі трансформатора, Ом.

При значних перевантаженнях електричних приладів чи при короткому замиканні відбувається швидке виділення такої кількості теплоти, що виникає загроза порушення працездатності приладу і навіть можливість виникнення пожару. Для обмеження струму споживаного пристроєм використовують різноманітні запобіжники, які відмикають пристрій від джерела електроенергії. Струм при якому спрацьовує запобіжник повинен бути заздалегідь визначений. При цьому запобіжник не повинен спрацьовувати при нормальній роботі пристроїв, тобто коли немає перевантажень.

Найпростішим запобіжником є плавкий запобіжник. Такий запобіжник представляє собою ділянку кола, струм в якому потрібно контролювати, зі штучно зменшеною технічною стійкістю. Крім плавких запобіжників часто використовують запобіжники автомати. Струм в такому запобіжнику проходить через котушку з малим активним опором намотану на осердя. При збільшенні струму в котушці до деякого критичного значення створюється магнітне поле в осерді, яке розмикає контакти через які протікає струм в колі. Для відновлення роботи такого запобіжника потрібно зовнішнім механічним зусиллям замкнути контакт.

Для захисту від короткого замикання в мережі встановлено плавкий запобіжник біля загального вимикача. Його розрахунок наведено нижче.

Напруга живлення 220 В, мережа чотирьох провідна, довжиною 400 м, переріз фазного проводу Sф=30 мм2, нульового проводу S0=20 мм2. Проводи мідні r = 0,0185 Ом·мм2/м.

Визначаємо опір фазного проводу:

Ом,                         (8.31)

 де ρ – питомий опір провідника в Ом·мм2/м,

      l – довжини провідника, м.

Визначаємо опір нульового проводу:

Ом.                         (8.32)

Визначаємо струм короткого замикання:

   А.                          (8.33)

З умови Iк.з.>3·Iп.з. необхідна сила струму плавкого запобіжника дорівнюватиме:

А.                                        (8.34)

Тому із стандартного ряду номінальних значень сили стуму для запобіжників вибираємо найближчий запобіжник із силою струму 125 А.

Проаналізувавши перераховані вище заходи можна зробити наступні висновки:

Для забезпечення належних умов праці згідно до вимог ДСанПІН 3.3.2.007-98, було вибране приміщення з розмірами 3.4х5.2х3.7 м. Площа приміщення — 17.7, в якому для підтримки потрібних метеоумов встановлено кондиціонер. За проведених розрахунків освітлення було визначено, що дане приміщення відповідає всім вимогам для проведення заданих досліджень, тобто містить2 вікна і 2 світильника. Запропоновано заходи пожежної безпеки, зокрема застосування порошкових вогнегасників. Також були поставлені вимоги до застосування протипожежної сигналізації кнопкової дії типу ПКИЛ7 і автоматичних оповіщувачів АТИП3 в кількості 1шт.

Штучне освітлення при роботі за монітором необхідне при паралельній роботі з паперовими матеріалами. А також як фон (як і при перегляді телевізора), оскільки монітор проектується на сітківку ока як маленька цятка і при роботі в темряві нести повне навантаження і вигорати буде тільки ділянка сітківки – тому штучне світло потрібне для рівномірного розподілу цього навантаження  на все око;

Дотримання перерахованих вимог необхідне для безпечної роботи за персональним комп’ютером в заданому приміщенні.

Передбачені нами заходи з охорони праці в першу чергу призначені для уникнення нещасних випадків, що можуть виникнути на підприємстві, а також для створення комфортних умов праці.

Також передбачені заходи з охорони праці відповідають вимогам нормативних документів і актів та забезпечують нормальну, ефективну і безпечну для здоров’я людини виробничу діяльність.

9. Економічна частина

9.1. Розрахунок витрат для проведення досліджень ультразвукових термометрів

Вартість досліджень розраховуються загалом по основних статтях витрат. Загальна сума затрат, пов’язаних із дослідженням, визначається як сума окремих статей витрат.

9.1.1. Розрахунок вартості оренди лабораторії

Першою статтею витрат є оренда приміщення (лабораторії) для проведення дослідів.

Досліди, які приведені в даному дипломному проекті, проводились на фірмі ТзОВ «Ultrasonic». У даній фірмі передбачена лабораторія для проведення даного досліду. Розраховуємо вартість витрат оренди дослідницької лабораторії.

Таблиця.9.1.1. 1. Вартість оренди оплати лабораторії  ТзОВ «Ultrasonic»

Призначення споруди

Площа, м2

Плата за оренду 1м2, грн.

Загальна вартість оренди, грн.

Дослідницька лабораторія

18

93

1674

9.1.2. Розрахунок розміру заробітної плати

Дослідження тривали протягом двох тижнів, що становить 10 робочих днів. Отже, можемо розрахувати заробітну плату наукового керівника.

Плановий фонд робочого часу працівників-погодинників (ФЗЛпог) визначають за формулою:

ФЗПпог = Тспогіпіплі                                           (9.1)                               

де: Тспогі  — годинна тарифна ставка працівника-погодинника  -го розряду,

(7,61 грн./год);

Чпі — чисельність працівників-погодинників і-го розряду, (2 чоловік);

Фплі — плановий фонд робочого часу і-горозряду, (80 год).

ФЗПпог = 7,61*2*80=1217,6 грн.

Фонд заробітної плати керівників, спеціалістів і службовців (ФЗПксс) визначається згідно з посадовими окладами шляхом множення місячного окладу кожної групи працівників на кількість місяців за рік і на кількість працівників у групі:

ФЗПксс = N*Чікі                                         (9.2)

де: N – кількість робочих місяців, (4 місяці);

Чі — чисельність керівників, спеціалістів і службовців, які мають однаковий посадовий оклад, (1 чоловік);

Окі — місячний оклад, (1339, 36 грн.).

На виконання магістерської роботи відводиться чотири місяці. Отож заробітня плата  за цей період становить:

ФЗПксс=4*2*1339,36=10714,88 грн.

де 1339,36 – заробітна плата магістра за 1 місяць, станом на 1.09.2014 р.

Таким чином фонд заробітної плати становить:

ФЗП =1217,6+10714,18=11932,48 грн.

Виробництво контрольної арматури відноситься до 30 класу. Відрахування на соціальні цілі становить 37,6 %.

СЦ=11932,48*0,376 = 4486,61 грн.

Загальний фонд заробітної плати:

ФЗПзаг=11932,48+4486,61=16419,09 грн.

9.1.3. Розрахунок вартості апаратури

В цьому розділі наведені ціни на основну та допоміжну апаратуру необхідну для проведення досліджень.

У таблиці 9.2.3.1 наведено список додаткового орендованого обладнання та його орендна вартість за період проведення досліду.

Таблиця 9.2.3.1. Вартість апаратури потрібної для проведення досліджень.

Прилад

К-сть, шт.

Ціна, грн.

Загальна вартість, грн.

1.

Осцилоскоп VellemanPCS100 (оренда)

2

800

1600

2.

Частотний перетворювач (оренда)

1

1500

1500

3.

Блок живлення (оренда)

1

500

500

5.

Магазин опорів еталонний (оренда)

1

450

450

4.

Всього                                                                                                 

4050

За податковим обліком суми амортизаційних відрахувань визначаються за формулою:

                                              (9.3)

де: А — сума амортизаційних відрахувань, грн;

Ба — балансова вартість відповідної групи ОФ на початок звітного періоду,  грн;

Н — норма амортизаційних відрахувань до балансової вартості кожної з груп ОФ, %.

За податковим обліком основні фонди поділяються на чотири групи. Даний об’єкт відноситься до 4 групи (електронно-обчислювальні машини, інші машини для автоматичної обробки інформації, їх програмне забезпечення, інші інформаційні системи)

Норми амортизаційних відрахувань встановлюються у відсотках до балансової вартості кожної з груп ОФ на початок звітного (податкового) періоду в різних розмірах. На податковий рік сума складає 40%.

Отже, амортизаційні відрахування складуть:

грн.

9.1.4. Розрахунок енергозатрат

Для роботи обладнання, за допомогою якого проводяться дослідження, потрібне електричне живлення змінної напруги 220В. Тарифи на електроенергію встановлює Національна комісія, що здійснює державне регулювання у сфері енергетики. Тариф для населення є однаковим для всіх регіонів України.

За обсяг, спожитої електроенергії до 150 кВт/год на місяць (включно) вартість становить 30,84 коп. за кВт/год, з ПДВ. Від 150 кВт/год  до 800 кВт/год використаної  електроенергії  на  місяць  (включно) - 41,94коп. за кВт/год,  а якщо обсяг спожитої електроенергії  понад 800 кВт/год на місяць, то вартість становить 134,04 коп. (1,34 грн.) кВт/год. Встановлена вартість електроенергії для ТзОВ «Ultrasonic» становить 134,04 коп. (1,34 грн.) кВт/год.

Таблиця 9.1.4.1.  Вартість витраченої електроенергії для проведення досліджень роботи гідрогенератора при несправностях контактної групи

Прилад

Кількість витраченої електроенергії, кВт/год

Тривалість роботи, год

Тариф, грн./кВт

Сума, грн.

1.

Осцилоскоп VellemanPCS100 (оренда)

0,3

4

1,34

1,6

2.

Частотний перетворювач (оренда)

1,5

7

1,34

14,07

3.

Блок живлення (оренда)

0,8

7

1,34

7,5

4.

Магазин опорів еталонний (оренда)

0

7

1,34

0

5.

Всього

23,17

9.1.5. Загальна вартість лабораторних досліджень

У таблиці 9.2.5.1. перераховані всі прямі витрати на проведення дослідження роботи гідрогенератора при несправностях його контактної групи.

Таблиця 9.1.5.1 Загальна вартість поставленого дослідження

Вартість затрат

Сума, грн.

1.

Матеріали

4050

2.

Енергозатрати

23,17

3.

Фонд заробітної плати з нарахуваннями

16419.09

4.

Амортизаційні відрахування обладнання

1620

5.

Оренда приміщення

1674

Загальна вартість

23786,26

Накладні витрати (20% прямих)

4787,25

Всього

285443,51

Висновок до розділу 9.

В даному розділі магістерського дипломного проекту проведено розрахунок загальної вартості дослідження роботи ультразвукових термометрів у різних середовищах, яке становить 285443,51 грн. У вартість дослідження входить орендна  плата за лабораторію, вартість орендованого обладнання і амортизаційні відрахування та зарплата працівників. Розглянуто актуальність подальших розробок та впровадження у виробництва ультразвукових термометрів для економії. Дане дослідження допомогло здійснити правильний підбір термометрів для окремих виробництв (металургія, атомні електростанції т. і.).

Як відомо, промисловість знаходиться під постійним економічним тиском. Оскільки за допомогою ультразвукових термометрів можна покращити якість продукції та зекономити на витратних матеріалах, то їхнє впровадження сприяє керуванню активами.

10. Цивільна безпека

10.1 Аварійні ситуації та захист персоналу

На підприємстві за наявності відповідної матеріально-технічної бази створюються служби оповіщення та зв’язку, протипожежна, аварійно-технічна, медична служби, служба охорони громадського порядку, служба матеріально-технічного забезпечення.

Аварії на комунально-енергетичних мережах завдають значної шкоди виробничому процесу, спричиняють часткове призупинення технологічних ліній або ж зупинку роботи всього підприємства. При цьому виробництво несе значні збитки від недо відпуску продукції, простою обладнання та працівників.

Пошкодження енергетичних мереж (обриви проводів повітряних ліній електропостачання, падіння опор, короткі замикання проводів на землю, пошкодження кабельних ліній) можуть призвести до виникнення пожеж та становлять небезпеку електричного ураження людей і тварин.

Розрахуємо кількість сил і засобів аварійно-відновлюваних формувань, необхідних для ліквідації аварії на комунально-енергетичних мережах.

10.2 Оцінка обстановки

Кількість аварійно-технічних команд, необхідних для відновлення магістральних ліній електропересилання (ЛЕП) визначається за формулою[1]

,                               (10.1)

де коефіцієнт 375 – трудомісткість відновлення одного кілометра зруйнованої ЛЕП, чол./год.;

– довжина зруйнованої ЛЕП. Приймаємо, що на один населений пункт;

– кількість змін, приймається рівною двом;

– загальний час проведення відновлювальних робіт, приймаємо рівним       12 год.;

– чисельність однієї аварійно-технічної бригади ();

– коефіцієнт, який враховує зниження продуктивності роботи в темний час доби.Приймається рівним 1,5;

– коефіцієнт, який враховує погодні умови під час проведення робіт. Для діапазону температур повітря (0–25) 0С коефіцієнт  рівний 1,0.

Отже, маємо

.

Як бачимо, для відновлення магістральних ЛЕП необхідно вісім аварійно-технічних команд.

Розрахуємо кількість сил ліквідації аварії на комунально-енергетичних мережах підприємства за формулою:

,                               (10.2)

де  – кількість аварій на електричних мережах підприємства, приймаємо ;

– загальний час проведення робіт,приймаємо рівним 20 год.;

– чисельність однієї аварійно-технічної команди,приймаємо .

Тоді

.                            (10.3)

Отже, для відновлення електричних мереж необхідно 12 аварійно-технічних команд.

Визначаємо кількість команд відновлення магістральних кабельних ліній зв’язку

,                               (10.4)

де 100 – трудомісткість відновлення одного кілометра кабельної лінії зв’язку, чол./год.;

– кількість населених пунктів з пошкодженими лініями зв’язку, ;

– довжина зруйнованих кабельних ліній зв’язку, приймаємо ;

– загальний час проведення відновлювальних робіт,

.

Отже, для відновлення магістральних кабельних ліній зв’язку необхідно вісім аварійно-технічних команд.

Визначаємо загальну кількість особового складу для охорони громадського порятунку

                      (10.5)

де  – кількість особового складу постів оточення та регулювання руху,4 чол.;

– кількість особового складу патрульних груп, 16 чол.;

– кількість особового складу патрулів,2 чол.;

– кількість особового складу КПП, 25 чол.;

– кількість особового складу загону загородження, 6 чол.;

– кількість особового складу резерву, 5 чол.

Кількість загонів першої медичної допомоги (ПМД) , чисельність лікарів  і середнього медичного персоналу , загальна чисельність особового складу загонів ПМДрівні:

                                      (10.6)

                      (10.7)

                     (10.8)

                  (10.9)

де  чол. – чисельність санітарних витрат.

Розрахуємо необхідну кількість плавзасобів для проведення евакуації населення за формулою

,                       (10.10)

де кількість видів плавзасобів, ;

– кількість населення, що евакуюється і-тим видом плавзасобу, рівна ;

– тривалість рейсу і-го виду плавзасобу, рівна 20 хв.;

– місткість і-го виду плавзасобу, рівна 20 чол.;

– тривалість евакуації, 120 хв.;

– коефіцієнт, рівний 1,2.

Отже,

.

10.3 Заходи із запобігання надзвичайних ситуацій

Для запобігання виникненню надзвичайних ситуацій на підприємстві необхідно вжити таких заходів:

– для підвищення надійності електропостачання виробництва доцільно розділити схеми живильних електричних мереж на окремі незалежно працюючі частини та забезпечити його енергопостачання від кількох незалежних джерел електроенергії;

– заміна повітряних ЛЕП на кабельні лінії дозволить мінімізувати вплив зовнішнього середовища та природних стихійних явищ на роботу системи електропостачання;

– для найбільш відповідальних споживачів підприємства слід передбачити додаткові автономні джерела живлення (акумуляторні батареї, дизель-генератори, блоки безперебійного живлення);

– встановлення нового електрообладнання з покращеними захисними властивостями.

10.4 Заходи захисту працівників та населення від вражаючих факторів надзвичайної ситуації

Для захисту населення від вражаючих факторів надзвичайної ситуації необхідно провести ряд заходів:

– насамперед необхідно оповістити населення і працівників підприємства про виникнення надзвичайної ситуації, основні фактори її впливу та порядок проведення аварійно-рятувальних та евакуаційних робіт;

– забезпечити умови безаварійної зупинки технологічного обладнанняі машин та їх знеструмлення;

– обмеження застосування небезпечних речовин, газів;

– провести укріплення будівельних і металічних конструкцій;

– передбачити аварійне освітлення приміщень, складських будівель, території об’єкту;

– за необхідності забезпечити працівників та населення необхідними засобами індивідуального захисту, організувати надання продовольчої та медичної допомоги;

– у разі виникнення пожежі на підприємстві негайно евакуювати персонал та прийняти всізаходи по її локалізації і ліквідації;

– у випадку аварії на енергетичних мережах (обрив проводу ЛЕП, падіння опор, короткі замикання фаз на землю, пошкодження обладнання тощо) необхідно негайно вимкнути та ізолювати пошкоджену ділянку. До приїзду оперативно-ремонтних бригадвжити заходів до недопущення людей у зону аварії;

– необхідно оберігатися від поранень металічною арматурою, скалками побитого скла, по можливості знаходитися якомога далі від зруйнованих будівельних конструкцій.

10.5 Зміст та обсяги рятувальних та інших невідкладних робіт при виникненні надзвичайної ситуації на об’єкті

Під час аварії на комунально-енергетичних мережах необхідно:

– в першу чергу знеструмити пошкоджену ділянку, ізолювати місце аварії;

– встановити заземлюючі пристрої на електрообладнання та провести ряд заходів із заміни пошкодженихелементів мережі (частин опор ЛЕП, проводів та тросів, ізоляторів, електричних кабелів, обладнання підстанцій);

– у разі необхідності здійснюється евакуація населення із зони надзвичайної ситуації, ааварійно-відновлювальні бригади приступають до ліквідації наслідків аварії.

Висновки до розділу 10.

1. Розраховано сили і засоби аварійно-відновлюваних формувань при ліквідації аварії на комунально-енергетичних мережах.

2. Наведено обсяг заходів для запобігання виникненню надзвичайної ситуації на об’єкті, заходи захисту працівників і населення та обсяги рятувальних й інших невідкладних робіт під час аварії на комунально-енергетичних мережах.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69916. Основные требования, предъявляемые к конструкции деталей машин 95.5 KB
  Основные требования предъявляемые к конструкции деталей машин Совершенство конструкции детали оценивают по ее надежности и экономичности. Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин Для того чтобы быть надежными детали прежде всего должны быть работоспособными...
69918. Постиндустриальное общество, информационная революция, глобализация и международные отношения 43.56 KB
  В сфере производства формирование международных интегрированных производств на базе транснациональных корпораций. Основной характеристикой международных отношений с момента их исторического возникновения является постоянная трансформация.
69919. Предмет и задачи информатики 102 KB
  Наскальная живопись клинопись устная речь музыкальные звуки нотные знаки для их записи алфавит телеграф радио телефон телевидение компьютеры вот лишь некоторые звенья цепи попыток совершенствовать способы получения сохранения обработки и передачи информации.
69920. История как наука 63.5 KB
  Историческая наука: предмет особенности функции. Историческая наука: предмет особенности функции. Предмет исторической науки прошлое человеческого общества Особенности исторической науки: гуманитарная наука субъективность исторического знания тесная связь истории с политикой...
69921. Предмет и задачи истории как науки 83 KB
  Превращение истории из отрасли культуры в науку представляло собой довольно длительный процесс и завершилось на рубеже XIX-XX вв. Объект изучения для истории вся совокупность фактов характеризующих жизнь общества и в прошлом и в настоящем.
69922. История журналистского образования 120 KB
  Общая структура курса Основы журналистики История журналистского образования Первые журналистские школы стали появляться на рубеже XIXXX вв. Родоначальницей журналистского образования в Европе считается Высшая школа социальных наук в Париже со специальным факультетом журналистики.
69923. История развития техники 51 KB
  Индустрия туризма включает туроператорские и турагентские фирмы средства размещения предприятия питания транспортные средства спортивные и культурно-анимационные учреждения. Современный туризм немыслим без развитой инфраструктуры: средств связи транспортных систем энергетических систем...
69924. ПРЕДЫСТОРИЯ СЕСТРИНСКОГО ДЕЛА 165 KB
  Медицина существует столько же, сколько существует культура. Медицина является не только наукой, но и социальным институтом, т.е. исторически обусловленной системой социальных учреждений. О сестринском деле говорят, что это самая юная наука и самое древнее искусство.