49269

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Курсовая

Физика

Практическое применение низкоэнергетических УЗ колебаний. Практическое применение высокоинтенсивных УЗ колебаний . В ультразвуковом диапазоне частот сравнительно легко получить направленное излучение; ультразвуковые колебания хорошо поддаются фокусировке в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний в определенных зонах воздействия. Прошло чуть более ста лет с начала исследований в области применения ультразвуковых колебаний.

Русский

2013-12-24

316.98 KB

38 чел.

Белорусский Национальный Технический Университет

Приборостроительный факультет

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

Курсовая работа

по дисциплине «Физические основы измерений»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Исполнитель:

студентка группы 119810

Чайчиц Е.А.

Руководитель:

профессор

Джилавдари И. З.

Минск 2012


СОДЕРЖАНИЕ

             ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...…5    1 УЛЬТРАЗВУК И ЕГО СВАЙСТВА……………….……………………......8

1.1 Рождение ультразвука ………………………………………………………..8

1.2 Характеристика ультразвука ………………………………….…..………10

1.3 Специфические особенности ультразвука ………………….……………..11

1.4 Ультразвук как упругие волны………….....……………………………….12

1.5 Источники  и приемники ультразвука……………………………………..14

1.6 Электроакустические преобразователи…………………………………….14

1.7 Приемники ультразвука…………………………………………………….19

2  ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА…………………………………………..21

2.1 Практическое применение низкоэнергетических УЗ колебаний……….21

2.1.1УЗ приборы для контроля химических характеристик различных материалов и сред…………………………………………………………….….22

2.1.2Приборы для контроля физико-химических характеристик…...………..23

2.1.3УЗ расходомеры жидкостей в трубопроводах …………………..…….24

2.1.4Сигнализаторы уровней………………………………………………….25

2.1.5 Охранные ультразвуковые устройства  ……………………………….26

2.2Практическое применение высокоинтенсивных  УЗ колебаний ……..…..28

2.2.1Размерная обработка…………………………………..…………………28

2.2.2 Ультразвуковая обработка………………………………………………..29

2.2.3 Ультразвуковая сварка…………………………………………………..30

2.2.4 Пайка и лужение…………………………………………………………..30

2.2.5УЗ в современной  химии………………………………………..……….31

2.2.6 УЗ в металлургии……….……………………………………………….32

2.2.7 УЗ в горном деле………….…………………………………………......32

2.2.8 УЗ в сельском хозяйстве………………….……………………………….32

2.2.9 Пищевая промышленность……………………………………………….32

2.2.10 Ультразвук в биологии…………………………………………………..33

2.2.11 Влияние на человека……………………………………………………33

2.2.12Ультразвук в медицине…………………………………………………...33

2.2.13 Механическая обработка сверхтвердых и хрупких металлов………...34

2.2.14 Ультразвуковая дефектоскопия………………………………………..35

2.2.15Ультразвук в радиоэлектонике………………………………………….38

3 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ И СПОСАБЫ ИХ УМЕНЬШЕНИЯ………………………………………………………………..40

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………..………………….45

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫЙ ИСТОЧНИКОВ............................................47

ВВЕДЕНИЕ

         В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях.

         Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды и характеризуется рядом отличительных особенностей по сравнению с колебаниями слышимого диапазона.

         В ультразвуковом диапазоне частот сравнительно легко получить направленное излучение; ультразвуковые колебания хорошо поддаются фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний в определенных зонах воздействия. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает уникальные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

         Прошло чуть более ста лет с начала исследований в области применения ультразвуковых колебаний. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а за прошедшие сто лет развитием и применением ультразвуковых технологий занимались многие видные ученые в различных странах.

          За это время в активе человечества появились десятки высокоэффективных, ресурсосберегающих и экологически безопасных ультразвуковых технологий. К их числу относятся: технологии закалки, лужения и пайки металлов, предотвращения образования накипи на теплообменных поверхностях, сверления хрупких и особо твердых материалов, сушки термолабильных веществ, экстрагирования животного и растительного сырья, растворения, стерилизации жидких веществ, мелкодисперсного распыления лекарственных препаратов, тяжелых топлив, получения эмульсий и сверхтонких суспензий, диспергирования красителей, сварки металлов и полимеров, мойки, очистки деталей без применения горючих и токсичных растворителей.

         Ультразвук начинает играть все большую роль и в промышленности и научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы и получить новые вещества. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.

         Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.

Развитие и применение ультразвуковых технологий открывает в настоящее время новые перспективы в создании новых веществ и материалов, в придании известным материалам и средам новых свойств (стерильность, наноразмерность и т.п.) и поэтому требует понимания явлений и процессов, происходящих под действием ультразвука, возможностей новых технологий и перспектив их применения.

        В качестве средства получения информации он служит как для измерения глубины, локации подводных препятствий в океане, так и для обнаружения микродефектов в ответственных деталях и изделиях.

В области контрольно-измерительных применений ультразвука в самостоятельный, установившийся раздел выделилась ультразвуковая дефектоскопия, возможности которой и разнообразие решаемых ею задач существенно возросли.

Рассматривая многообразие практических применений ультразвуковых колебаний и волн, нельзя не упомянуть об ультразвуковой медицинской диагностике, которая даёт в ряде случаев более детальную информацию и является более безопасной, чем другие методы диагностики. Об ультразвуковой терапии, занявшей прочное положение среди современных физиотерапевтических методов, и, наконец, о новейшем направлении применения ультразвука в медицине — ультразвуковой хирургии.

  1.  УЛЬТРАЗВУК И ЕГО СВОЙСТВА

1.1 Рождение ультразвука

        В 1880 году французские физики, братья Пьер и Поль Кюри, заметили, что при сжатии и растяжении кристалла кварца с двух сторон на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, появляются электрические заряды. Это явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого «пьезо» – «давлю»), а материалы с такими свойствами – пьезоэлектриками. Позже это явление объяснили анизотропией кристалла кварца – разные физические свойства вдоль разных граней.

Во время первой мировой войны французский исследователь Поль Ланжевен предложил использовать пьезоэлектрический эффект для обнаружения подводных лодок. Если пьезоэлектрик встречает на своем пути ультразвуковую волну от винта лодки, которая распространяется со скоростью 1460 км/с, то она сжимает его грани, и на них появляются электрические заряды. Сжимаясь и разжимаясь, кристалл как бы генерирует переменный электрический ток, который можно измерить чувствительными приборами. Если же к граням кристалла приложить переменное напряжение, он сам начнет колебаться, сжимаясь и разжимаясь с частотой переменного напряжения. Эти колебания кристалла передаются среде, граничащей с кристаллом (воздуху, воде, твердому телу). Так возникает ультразвуковая волна.

Ланжевен попробовал зарядить грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой частоты. При этом он заметил, что кристалл колеблется в такт изменению напряжения.

 

Рисунок 1– Пьезоэлектрический излучатель Ланжевена

Чтобы усилить эти колебания, ученый вложил между стальными листами-электродами не одну, а несколько пластинок и добился возникновения резонанса – резкого увеличения амплитуды колебаний. Эти исследования Ланжевена позволили создавать ультразвуковые излучатели различной частоты. Позже появились излучатели на основе титаната бария, а также других кристаллов и керамики, которые могут быть любой формы и размеров.

Ультразвук можно получить и другим способом. В 1847 году английский физик Джеймс Джоуль обнаружил, что при перемагничивании электрическим током железных и никелевых стержней они то уменьшаются, то увеличиваются в такт изменениям направления тока. 

Рисунок 2 – Магнитострикционный излучатель

При этом в окружающей среде возбуждаются волны, частота которых зависит от колебаний стержня. Это явление назвали магнитострикцией (от латинского «стриктус» – «сжатие»).

Ультразвук оказался просто находкой для решения технических, научных и медицинских задач.

С помощью сфокусированного пучка ультразвуковых волн распыляют некоторые жидкости, например, ароматические вещества, лекарственные препараты. Получающийся «ультразвуковой туман», как правило, более качественный, чем аэрозольный. И сам этот метод экологически более безопасный, так как можно отказаться от фторсодержащих газов, которые используются в аэрозольных баллончиках.

1.2 Характеристика ультразвука

Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет  109 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 1012-1013 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:

  1.  низкие УЗ-вые частоты (1,5104 – 105 Гц);
  2.  средние (105 – 107 Гц);
  3.  высокие (107 – 109 Гц).

Упругие волны с частотами 109 – 1013 Гц принято называть гиперзвуком. 

         1.3 Специфические особенности ультразвука

Хотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами УЗ.

Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.

Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.

1.4 Ультразвук как упругие волны

 Распространение ультразвука — это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне.

Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определённых объёмов среды, причём расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний. Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия называется колебательной скоростью. Колебательная скорость частиц изменяется согласно уравнению:

                    V = Usin(2πft + G);                                                            (1)

где V — величина колебательной скорости;

U — амплитуда колебательной скорости;

f — частота ультразвука;

t — время;

G — разность фаз между колебательной скоростью частиц и переменным акустическим давлением.

Амплитуда колебательной скорости характеризует максимальную скорость, с которой частицы среды движутся в процессе колебаний, и определяется частотой колебаний и амплитудой смещения частиц среды.

                                  U = 2πfA,                                                            (2)

Ультразвуковые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвиговые.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот.

К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды.

Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука  и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром

                                          ,                                                         (3)
где  
r – расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука).

Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.

При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

  1.  нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;
  2.  изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;
  3.  при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация.

Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является:

                М  1, где М = v/c,                                                          (4)

где v – колебательная скорость частиц в волне,

с – скорость распространения волны.

Параметр М называется «число Маха».

1.5 Источники  и приемники ультразвука

В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются УЗ-выми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока – струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей – электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Механические излучатели.

В излучателях первого типа (механических) преобразование кинетической энергии струи (жидкости или газа) в акустическую возникает в результате периодического прерывания струи (сирена), при натекании ее на препятствия различного вида (газоструйные генераторы, свистки).

Рисунок 3  Ультразвуковая механическая сирена

1 – корпус;

2 – неподвижный диск;

3 – вращающийся диск.

УЗ сирена – два диска с большим количеством отверстий, помещенные в камеру (рис. 3).Поступающий под большим давлением в камеру воздух выходит через отверстия обоих дисков. При вращении диска-ротора (3) его отверстия будут совпадать с отверстиями неподвижного диска-статора (2) только в определенные моменты времени. В результате возникнут пульсации воздуха. Чем больше скорость вращения ротора, тем больше частота пульсации воздуха, которая определяется по формуле:

                                     ,                                                             (5)

Где N – число отверстий, равнораспределенных по окружности ротора и статора;

- угловая скорость ротора.

Давление в камере сирен обычно составляет от 0,1 до 5,0 кгс/см2. Верхний предел частоты УЗ, излучаемого сиренами не превышает 4050 кГц, однако известны конструкции с верхним пределом 500 кГц. КПД  генераторов не превышает 60%. Так как источником излучаемого сиреной звука являются импульсы газа, вытекающего из отверстий, частотный спектр сирен определяется формой этих импульсов. Для получения синусоидальных колебаний используют сирены с круглыми отверстиями, расстояния между которыми равны их диаметру. При отверстиях прямоугольной формы, отстоящих друг от друга на ширину отверстия, форма импульса треугольная. В случае применения нескольких роторов (вращающихся с разной скоростью) с отверстиями расположенными неравномерно и разной формы, можно получить шумовой сигнал. Акустическая мощность сирен может достигать десятков кВт. Если в поле излучения мощной сирены поместить вату, то она воспламенится, а стальные стружки нагреваются докрасна.

Принцип действия УЗ генератора-свистка почти такой же, как и обычного милицейского свистка, но размеры его значительно больше. Поток воздуха с большой скоростью разбивается об острый край внутренней полости генератора, вызывая колебания с частотой, равной собственной частоте резонатора. При помощи такого генератора можно создавать колебания с частотой до 100 Кгц при относительно небольшой мощности. Для получения больших мощностей применяют газоструйные генераторы, у которых скорость истечения газа выше. Жидкостные генераторы применяют для излучения УЗ в жидкость. В жидкостных генераторах (рис. 2) в качестве резонансной системы служит двустороннее острие, в котором возбуждаются изгибные колебания.

Рисунок 4 Принцип действия жидкостного генератора.

        Струя жидкости, выходя из сопла с большой скоростью, разбивается об острый край пластинки, по обе стороны которой  возникают завихрения, вызывающие изменения давления с большой частотой.

Для работы жидкостного (гидродинамического) генератора необходимо избыточное давление жидкости 5 кГ/см2. частота колебаний такого генератора определяется соотношением:

,                                                         (6)

где v – скорость жидкости, вытекающей из сопла;

 d – расстояние между острием и соплом.

Гидродинамические излучатели в жидкости дают относительно дешевую УЗ-вую энергию на частотах до 3040 кГц при интенсивности в непосредственной близости от излучателя до нескольких Вт/см2.

Механические излучатели используются в низкочастотном диапазоне УЗ и в диапазоне звуковых волн. Они относительно просты по конструкции и в эксплуатации, их изготовление не дорого, но они не могут создавать монохроматическое излучение и тем более излучать сигналы строго заданной формы. Такие излучатели отличаются нестабильностью частоты и амплитуды, однако при излучении в газовых средах они имеют относительно высокую эффективность и мощность излучения: их кпд составляет от  нескольких % до 50%, мощность от нескольких ватт до десятков кВт.

         1.6  Электроакустические преобразователи

Излучатели второго типа основываются на различных физических эффектах электромеханического преобразования. Как правило, они линейны, то есть воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал. В низкочастотном УЗ-вом диапазоне применяются электродинамические излучатели и излучающие магнитострикционные преобразователи и пьезоэлектрические преобразователи. Наиболее широкое распространение получили излучатели магнитострикционного и пьезоэлектрического типов.

В 1847 г. Джоуль заметил, что ферромагнитные материалы, помещенные в магнитное поле, изменяют свои размеры. Это явление назвали магнитострикционным эффектом. Если по обмотке, наложенной на ферромагнитный стержень, пропустить переменный ток, то под воздействием изменяющегося магнитного поля стержень будет деформироваться. Никелевые сердечники, в отличии от железных, в магнитном поле укорачиваются. При пропускании переменного тока по обмотке излучателя его стержень деформируется в одном направлении при любом направлении магнитного поля. Поэтому частота механических колебаний будет вдвое больше частоты переменного тока.

Чтобы частота колебаний излучателя соответствовала частоте возбуждающего тока, в обмотку излучателя подводят постоянное напряжение поляризации. У поляризованного излучателя увеличивается амплитуда переменной магнитной индукции, что приводит к увеличению деформации сердечника и повышению мощности.

Магнитострикционный эффект используется при изготовлении УЗ-вых магнитострикционных преобразователей (рис. 5).

Эти преобразователи отличаются большими относительными деформациями, повышенной механической прочностью, малой чувствительностью к температурным воздействиям.

Рисунок 5 - Магнитострикционный преобразователь

         Магнитострикционные преобразователи имеют небольшие значения электрического сопротивления, в результате чего для получения большой мощности не требуются высокие напряжения.

Чаще всего применяют преобразователи из никеля (высокая стойкость против коррозии, низкая цена). Магнитострикционные сердечники могут быть изготовлены и из ферритов. У ферритов высокое удельное сопротивление, в результате чего потери  на вихревые токи в них ничтожно малы. Однако феррит – хрупкий материал, что вызывает опасность их перегрузки при большой мощности. Кпд магнитострикционных преобразователей при излучении в жидкость и твердое тело составляет 5090%., интенсивность излучения достигает нескольких десятков Вт/см2.

В 1880 году братья Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект – если деформировать пластинку кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды. Наблюдается и обратное явление – если к электродам кварцевой пластинки подвести электрический заряд, то ее размеры уменьшатся или увеличатся в зависимости от полярности подводимого заряда. При изменении знаков приложенного напряжения кварцевая пластинка будет то сжиматься, то разжиматься, то есть она будет колебаться в такт с изменениями знаков приложенного напряжения. Изменение толщины пластинки пропорционально приложенному напряжению.

Принцип пьезоэлектрического эффекта используется при изготовлении излучателей УЗ-вых колебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические. В качестве пьезоэлектрических материалов применяют кварц, титанат бария, фосфат аммония.

Кпд пьезоэлектрических преобразователей достигает 90%, интенсивность излучения – несколько десятков Вт/см2. Для увеличения интенсивности и амплитуды колебаний  используют УЗ-вые концентраторы. В диапазоне средних УЗ-вых частот концентратор представляет собой фокусирующую систему, чаще всего в виде пьезоэлектрического преобразователя вогнутой формы, излучающего сходящуюся волну. В фокусе подобных концентраторов достигается интенсивность 105-106 Вт/см2.

        1.7 Приемники ультразвука

В качестве приемников ультразвука на низких и средних частотах чаще всего применяют электроакустические преобразователи пьезоэлектрического типа. Такие приемники позволяют воспроизводить форму акустического сигнала, то есть временную зависимость звукового давления. В зависимости от условий применения приемники делают либо резонансными, либо широкополосными. Для получения усредненных по времени характеристик звукового поля используют термическими приемниками звука в виде покрытых звукопоглощающим веществом термопар или термисторов. Интенсивность и звуковое давление можно оценивать и оптическими методами, например по дифракции света на УЗ.

  1.  ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

Практическое применение УЗ развивается в двух направлениях:

 Применение волн малой интенсивности (низкоэнергетические колебания, не приводящие к необратимым изменениям в материалах и телах, через которые они распространяются) для контроля, измерений, исследований внутренней структуры материалов и изделий (уровнемеры, расходометры, анализаторы состава газов, жидкости и твердых веществ, дефектоскопы)[1].

         Применение высокоэнергетических колебаний - волн высокой интенсивности для активного воздействия на вещества и изменения их структуры и свойств [4].

         2.1 Практическое применение низкоэнергетических ультразвуковых колебаний

         Область применение УЗ колебаний низкой интенсивности (условно до 1 Вт/см2) очень обширна и мы поочередно рассмотрим несколько основных применений УЗ колебаний малой интенсивности.

         2.1.1 Ультразвуковые приборы для контроля химических характеристик различных материалов и сред. Все они основаны на изменении скорости УЗ колебаний в среде и позволяют:

- определять концентрацию бинарных смесей;

- плотности растворов;

- степень полимеризации полимеров;

- наличие в растворах примесей, газовых пузырьков;

- определять скорости протекания химических реакций;

- жирность молока, сливок, сметаны;

- дисперсность в гетерогенных системах и др.

         Разрешающая способность современных УЗ приборов 0,05 % , точность измерений скорости распространения на образцах длиной 1 м составляет 0,5 -1 м/с (скорость в металле более 5000 м/с). Практически все измерения проводятся методом сравнения с эталоном.

          2.1.2  Приборы для контроля физико - химических характеристик, основанные на измерении затухания ультразвука. Такие приборы позволяют осуществлять измерение вязкости, измерение плотности, состав, содержание примесей, газов и т.п. Используемые методики также основаны на методах сравнения с эталоном.

          2.1.3  Ультразвуковые расходомеры жидкостей в трубопроводах. Их действие также основано на измерении скорости распространения ультразвуковых колебаний вдоль потока жидкости и против потока. Сравнение двух скоростей позволяет определить скорость потока, а при известном сечении трубопровода расход. Пример одного из расходомеров (№15183 в Госреестре Средств Измерений) представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Стационарный ультразвуковой расходомер "АКРОН"

          Такой расходомер обеспечивает измерение объемного расхода и суммарного объема (количества) жидкостей, протекающих в напорных трубопроводах систем водоснабжения, канализации и нефтепродуктоснабжения без врезки в действующий трубопровод. Принцип действия расходомера заключается в измерении разности времени прохождения ультразвуковой волны по потоку и против потока контролируемой жидкости, пересчете ее в мгновенное значение расхода с последующим интегрированием.

           Погрешность прибора составляет 2 % от верхнего предела измерения. Верхний и нижний пределы измерения устанавливает оператор. Расходомер включает в себя блок датчиков (состоит из двух ультразвуковых датчиков и устройства для их крепления на трубе) и электронный блок, соединенные радиочастотным кабелем длиной до 50 м (стандартно - 10м.). Датчики устанавливаются на прямолинейном участке трубопровода на наружной поверхности, очищенной от грязи, краски и ржавчины. Условие правильной установки датчиков - наличие прямого участка трубы не менее 10 диаметров трубы - перед, и 5 диаметров - после датчиков.

         

          2.1.4 Сигнализаторы уровней

          Принцип действия основан на локации уровня жидких или сыпучих материалов ультразвуковыми импульсами, проходящими через газовую среду, и на явлении отражения этих импульсов от границы раздела «газ - контролируемая среда». Мерой уровня при этом является время распространения звуковых колебаний от излучателя до контролируемой границы раздела сред и обратно до приемника. Результат измерения выводится на персональный компьютер, где все измерения запоминаются, с последующей возможностью их просмотра и анализа, а также подключения к системе автоматизированного сбора и обработки данных. Уровнемер в составе системы может включать конечные автоматы, насосы и др. устройства при уровне выше максимального и ниже минимального значения, что позволяет автоматизировать технологический процесс. Дополнительно формируется токовый выход (0,5 мА, 0-20 мА) для самопишущих приборов.

           Сигнализатор уровня позволяет контролировать температуру среды в резервуарах. Основным форматом выводимых данных является расстояние от вершины резервуара до поверхности, содержащегося в нем вещества. По желанию заказчика, при предоставлении необходимой информации возможна доработка устройства для вывода высоты, массы либо объема вещества в резервуаре.

           2.1.5  Приборы ультразвукового неразрушающего контроля.            Неразрушающий контроль является одним из основных технологических приёмов обеспечения качества материалов и изделий. Не одно изделие не должно эксплуатироваться без проверки. Можно проверку осуществить путем испытаний, но так можно испытать 1- 10 изделий, но нельзя проверить 100% всех изделий, т.к. проверить - это значит испортить всё изделия. Поэтому, проверять необходимо, не разрушая.

           Одни из наиболее дешевых, простых и чувствительных является УЗ метод неразрушающего контроля. Главными достоинствами по сравнению с другими методами неразрушающих испытаний являются:

- обнаружение дефектов, находящихся глубоко внутри материала, что стало возможным благодаря улучшенной проникающей способности. Ультразвуковое обследование проводится до глубины нескольких метров. Контролю подвергаются различные изделия, например: длинные стальные стержни, роторные штамповки и т.д.;

- высокая чувствительность при обнаружении чрезвычайно малых дефектов длиной несколько миллиметров;

- точное определение местоположения внутренних дефектов, оценка их размера, характеристика направления, формы и природы;

- достаточность доступа только к одной из сторон изделия;

- контроль процесса электронными средствами, что обеспечивает почти мгновенное выявление дефектов;

- объемное сканирование, что позволяет обследовать объем материала;

- отсутствие требований по мерам предосторожности, связанным со здоровьем;

- портативность оборудования.

          2.2 Практическое применение высокоинтенсивных ультразвуковых колебаний

          На сегодняшний день основные процессы, реализуемые и интенсифицируемые при помощи высокоэнергетических ультразвуковых колебаний, принято разделять на три основные подгруппы, в зависимости от вида среды, в которой они реализуются (рисунок 4) [5,6].

Рисунок 4 – Применение высокоэнергетических ультразвуковых колебаний

         В зависимости от вида среды процессы условно делятся на процессы в жидких, твердых и термопластичных материалах и газообразных (воздушных) средах. В последующих разделах будут более подробно рассмотрены процессы и аппараты для интенсификации процессов в жидких, твердых и термопластичных материалах, газообразных средах [4,5].

          Далее рассмотрим примеры основных технологий, реализуемых с использованием высокоэнергетических ультразвуковых колебаний.

          2.2.1 Размерная обработка.

         Ультразвуковые колебания применяются для обработки хрупких и особотвердых материалов и металлов.

         Основные технологические процессы, интенсифицируемые ультразвуковыми колебаниями это сверление, зенкование, нарезание резьб, волочение проволоки, полировка, шлифовка, сверление отверстий сложной формы. Интенсификация этих технологических процессов происходит благодаря наложению на инструмент ультразвуковых колебаний.

         2.2.2 Ультразвуковая очистка.

          Сегодня существует множество способов очистки поверхностей от различных загрязнений. Ультразвуковая очистка более быстрая, обеспечивает высокое качество и отмывает труднодоступные участки. При этом обеспечивается замена высокотоксичных, огнеопасных и дорогих растворителей обычной водой.

          С помощью высокочастотных ультразвуковых колебаний производится очистка автомобильных карбюраторов и инжекторов за несколько минут.

          Причина ускорения очистки в кавитации, особым явлением при котором в жидкости образуются мельчайшие газовые пузырьки. Эти пузырьки лопаются (взрываются) и создают мощные гидропотоки, которые вымывают всю грязь. На этом принципе существуют сегодня стиральные машины и малые установки мойки. Особенности реализации кавитационного процесса и его потенциальные возможности будут рассмотрены отдельно. УЗ очищает металлы от полировочных паст, прокат от окалины, драгоценные камни от полировочных мест. Очистка печатных форм, стирка тканей, мойка ампул. Очистка трубопроводов сложной формы. Кроме очистки, ультразвук способен производить удаление мелких заусенец, полировку.

         Ультразвуковое воздействие в жидких средах уничтожает микроорганизмы и поэтому широко используется в медицине и микробиологии.

         Возможна и другая реализация ультразвуковой очистки.

- очистка дыма от твердых частиц в воздухе. Для этого также используется ультразвуковое воздействие на туманы и дым. Частицы в ультразвуковом поле начинают активно двигаться, соударяются и слипаются, осаждаются на стенки. Это явление называется ультразвуковой коагуляцией и используется для борьбы с туманом на аэродромах, на дорогах и в морских портах.

         2.2.3 Ультразвуковая  сварка.

          В настоящее время, с помощью ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, производится сварка полимерных термопластичных материалов. Сварка полиэтиленовых тюбиков, коробок, банок обеспечивает отличную герметичность. В отличие от других способов, с помощью ультразвука можно варить загрязненные пластмассы, трубки с жидкостью и т.д. При этом содержимое стерилизуется.

         С помощью ультразвуковой сварки производится сварка тончайшей фольги или проволоки к металлической детали. Причем УЗ сварка - является холодной сваркой, поскольку шов формируется при температуре ниже температуры плавления. Таким образом, соединяются сваркой алюминий, тантал, цирконий, ниобий, молибден и т.п.

        В настоящее время ультразвуковая сварка нашла наибольшее применение для высокоскоростных процессов упаковки и производства полимерных упаковочных материалов.

         2.2.4  Пайка и лужение

         С помощью высокочастотных ультразвуковых колебаний производится пайка алюминия. С помощью УЗ можно лудить, а затем паять керамику, стекло, что ранее было невозможно. Ферриты, припайка полупроводниковых кристаллов к позолоченным корпусам реализуются сегодня с применением ультразвуковой технологии.

        2.2.5 Ультразвук в современной химии

         В настоящее время, как следует из литературных источников сформировано новое направление в химии - УЗ химия. Изучая химические превращения, происходящие под действием УЗ, ученые установили, что УЗ не только ускоряет окисление, но в некоторых случаях обеспечивают восстанавливающее действие. Таким образом, восстанавливается железо из окислов и солей.

        Получены хорошие положительные результаты по интенсификации УЗ следующих химико-технологических процессов:

- электроосаждение, полимеризация, деполимеризация, окисление, восстановление, диспергирование, эмульгирование, коагуляция аэрозолей, гомогенизация, пропитка, растворение, распыление, сушка, горение, дубление и др.

         Электроосаждение - осаждающийся металл приобретает мелкокристаллическую структуру, уменьшается пористость. Таким образом, осуществляемо меднение, лужение, серебрение. Процесс идет быстрее и качество покрытия выше, чем в обычных технологиях.

         Получение эмульсий: вода и жир, вода и эфирные масла, вода и ртуть. Барьер несмешиваемости преодолевается благодаря УЗ.

         Полимеризация (соединение молекул в одну) - степень полимеризации регулируется частотой УЗ.

          Диспергирование - получение сверхтонких пигментов для получения красителей.

         Сушка - без нагревания биологически активные вещества. В пищевой, фармакологической промышленности.

         Распыление жидкостей и расплавов. Интенсификация процессов в распылительных сушках. Получение металлического порошка из расплавов. Эти распылительные устройства исключают вращающие и трущиеся детали.

        УЗ усиливает эффективность горения в 20 раз жидких и твердых топлив.

        Пропитка. В сотни раз быстрее проходит жидкость через капилляры пропитываемого материала. Используется при производстве рубероида, шпал, цементных плит, текстолита, гетинакса, пропитке древесины модифицированными смолами

         2.2.6 УЗ в металлургии.

         - Известно, что металлы при плавлении поглощают газы алюминия и его сплавы. 80% всех газов в расплавленном металле приходится на долю Н2. Это привод к ухудшению качества металла. Газы удается удалять с помощью УЗ, что позволило в нашей стране создать специальный технологический цикл и широко использовать его при производстве металлов.

- УЗ способствует закалке металлов

- В порошковой металлургии УЗ способствует слипанию частичек изготавливаемого материала. При этом отпадает необходимость в уплотнении большим давлением.

        2.2.7 УЗ в горном деле.

        Применение ультразвука позволяет реализовать следующие технологии:

- Удаление парафина со стенок нефтяных скважин;

- Исключение взрывов метана в шахтах за счет его распыления;

- УЗ обогащение руд (флотационный метод с применением УЗ).

        2.2.8 УЗ в сельском хозяйстве.

        Ультразвуковые колебания благаприятно влияют на семена и зерна перед их посадкой. Так, обработка семян томатов перед посадкой обеспечивает увеличение численности плодов, сокращает время созревания и увеличение количества витаминов.

        Обработка УЗ семян дыни и кукурузы приводит к повышению урожайности на 40 %.

        При обработке УЗ семян можно обеспечить дезинфекцию и ввести необходи-мые микроэлементы из жидкости

       2.2.9 Пищевая промышленность.

       На практике уже сегодня реализуются следующие технологии:

- Обработка молока для гомогенизации стерилизации;

- Обработка для увеличения сроков хранения и качества молока в заморо-женном виде

- Получение высококачественного порошкового молока;

- Получение эмульсий для хлебопечения;

- Обработка дрожжей на 15 % повышает их бродильную силу;

- Получение ароматических веществ, пюре, извлечение жира из печени;

- Выделение винного камня;

- Экстрагирование растительного и животного сырья;

- Производство духов (6...8 часов вместо года).

         2.2.10 УЗ в биологии.

- Большие дозы ультразвука убивают микроорганизмы (стафилококки, стрептококки, вирусы);

- Малые интенсивности ультразвукового воздействия способствуют росту колоний микроорганизмов;

          2.2.11 Влияние на человека.

          Ультразвуковое воздействие с интенсивностью до 0,1…0,4 Вт/см носит лечебное воздействие. В Америке лечебным считается воздействие с интенсивностью до 0,8 Вт/см

2.2.12  Ультразвук в медицине

Применение УЗ для активного воздействия на живой организм в медицине основывается на эффектах, возникающих в биологических тканях при прохождении через них УЗ-вых волн. Колебания частиц среды в волне вызывают своеобразный микромассаж тканей, поглощение УЗ – локальное нагревание их. Одновременно под действием УЗ происходят физико-химические превращения в биологических средах. При умеренной интенсивности звука эти явления не вызывают необратимых повреждений, а лишь улучшают обмен веществ и, следовательно, способствуют жизнедеятельности организма. Эти явления находят применение в УЗ-вой терапии (интенсивность УЗ до 1 Вт/см2). При больших интенсивностях сильное нагревание и кавитация вызывают разрушение тканей. Этот эффект находит применение в УЗ-вой хирургии. Для хирургических операций используют фокусированный УЗ, который позволяет производить локальные разрушения в глубинных структурах, например мозга, без повреждения окружающих тканей (интенсивность УЗ достигает сотен и даже тысяч Вт/см2). В хирургии применяют также УЗ-вые инструменты, рабочий конец которых имеет вид скальпеля, пилки, иглы  и т.п. Наложение УЗ-вых колебаний на такие, обычные для хирургии, инструменты придает им новые качества, существенно снижая требуемое усилие и, следовательно, травматизм операции; кроме того, проявляется кровоостанавливающий и обезболивающий эффект. Контактное воздействие тупым УЗ-вым инструментом применяется для разрушения некоторых новообразований.

Воздействие мощного УЗ на биологические ткани применяется для разрушения микроорганизмов в процессах стерилизации медицинских инструментов и лекарственных веществ.

УЗ нашел применение в зубоврачебной практике для снятия зубного камня. Он позволяет безболезненно, бескровно, быстро удалять зубной камень и налет с зубов. При этом не травмируется слизистая полость рта и обеззараживаются «карманы» полости, а пациент вместо боли испытывает ощущение теплоты.

2.2.13  Механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов

Если между рабочей поверхностью УЗ-вого инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов (рис. 3).

Рисунок 5 - Ультразвуковая обработка материалов

1 – ультразвуковой инструмент;

2 – абразивные зерна;

 3 – обрабатываемая деталь.

Кинематика ультразвуковой обработки складывается из главного движения – резания, т.е. продольных колебаний инструмента, и вспомогательного движения – движения подачи. Продольные колебания являются источником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение – движение подачи – может быть продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка обеспечивает большую точность – от 50 до 1 мк в зависимости от зернистости абразива. Применяя инструменты различной формы можно выполнять не только отверстия, но и сложные вырезы. Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливать матрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые  в качестве абразива – алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок.

2.2.14  Ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвуковая дефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля. Свойство УЗ распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью отражаться позволило применить УЗ-вые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения.

При помощи УЗ можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения УЗ в металле достигает 810 м. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10-6мм).

УЗ-вые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.

Существует несколько методов ультразвуковой дефектоскопии, основными из которых являются теневой, импульсный, резонансный, метод структурного анализа, ультразвуковой визуализации.

Рисунок 6 - Теневой метод ультразвуковой  дефектоскопии

Теневой метод основан на ослаблении проходящих УЗ-вых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих УЗ-вую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их (рис. 4). Теневой метод малочувствителен, дефект можно обнаружить если вызываемое им изменение сигнала составляет не менее 1520%. Существенный недостаток теневого метода в том, что он не позволяет определить на какой глубине находится дефект.

 

Рисунок  7  - Принцип действия УЗ дефектоскопа, основанный на импульсном методе

Импульсный метод УЗ-вой дефектоскопии основан на явлении отражения ультразвуковых волн. Принцип действия импульсного дефектоскопа показан на рис. 5. Высокочастотный генератор вырабатывает кратковременные импульсы. Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно к преобразователю, который в это время работает на прием. С преобразователя сигнал поступает на усилитель, а затем на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Для получения на экране трубки изображения зондирующих и отраженных импульсов предусмотрен генератор развертки. Работой высокочастотного генератора управляет синхронизатор, который с определенной частотой формирует высокочастотные импульсы. Частота посылки импульсов может изменяться с таким расчетом, чтобы отраженный импульс приходил к преобразователю раньше посылки следующего импульса.

Импульсный метод позволяет исследовать изделия при одностороннем доступе к ним. Метод обладает повышенной чувствительностью, отражение даже 1% УЗ-вой энергии будет замечено. Преимущество импульсного метода состоит еще и в том, что он позволяет определить на какой глубине находится дефект.

        2.2.15 Ультразвук в радиоэлектронике

В радиоэлектронике часто возникает необходимость задержать один электрический сигнал относительно другого. Удачное решение нашли ученые, предложив ультразвуковые линии задержки (ЛЗ). Действие их основано на преобразовании электрических импульсов в импульсы УЗ-вых механических колебаний, скорость распространения которых значительно меньше скорости распространения электромагнитных колебаний.  После обратного преобразования механических колебаний в электрические импульс напряжения на выходе линии будет задержан относительно входного импульса.

Для преобразования электрических колебаний в механические и обратно используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Соответственно этому ЛЗ подразделяются на магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Магнитострикционная ЛЗ состоит из входного и выходного преобразователей, магнитов, звукопровода и поглотителей.

Входной преобразователь состоит из катушки, по которой протекает ток входного сигнала, участка звукопровода из магнитострикционного материала, в котором возникают механические колебания УЗ-вой частоты, и магнита, создающего постоянное подмагничивание зоны преобразования. Выходной преобразователь по устройству почти не отличается от входного.

Звукопровод представляет собой стержень из магнитострикционного материала, в котором возбуждаются УЗ-вые колебания, распространяющиеся со скоростью примерно 5000 м/с. для задержки импульса, например, на 100 мкс длина звукопровода должна быть около 43 см. Магнит нужен для создания начальной магнитной индукции и подмагничивания зоны преобразования.

Поглотители для уменьшения уровня паразитных отраженных сигналов располагаются на обоих концах звукопровода.

Принцип действия магнитострикционной ЛЗ основан на изменении размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитного поля. Механическое возмущение, вызванное магнитным полем катушки входного преобразователя, передается по звокопроводу и, дойдя до катушки выходного преобразователя, наводит в ней электродвижущую силу.

Пьезоэлектрические ЛЗ устроены следующим образом. На пути электрического сигнала ставят пьезоэлектрический преобразователь (пластинку кварца), который жестко соединен с металлическим стержнем (звукопроводом). Ко второму концу стержня прикреплен второй пьезоэлектрический преобразователь. Сигнал, подойдя к входному преобразователю, вызывает механические колебания УЗ-вой частоты, которые затем распространяются в звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, УЗ-вые колебания вновь преобразуются в электрические. Но так как скорость распространения УЗ в звукопроводе значительно меньше скорости меньше скорости распространения электрического сигнала, сигнал, на пути которого был звукопровод, отстает от другого на величину, равную разности скорости распространения УЗ и электромагнитных сигналов на определенном участке.

        3 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ И СПОСОБЫ ИХ УМЕНЬШЕНИЯ

Для измерений (учета) тепловой энергии используются теплосчетчики. Теплосчетчик состоит из тепловычислителя, а также измерительных преобразователей расхода, температуры и давления теплоносителя. Преобразователи монтируются на трубопроводах системы теплоснабжения и измеряют, как это следует из их названий, расход, температуру и давление воды в каждом из трубопроводов. Тепловычислитель "собирает" показания преобразователей и на их основе по особым формулам (алгоритмам) вычисляет значения тепловой энергии, переданной потребителю горячим теплоносителем. Кроме того, вычислитель обычно ведет и так называемые архивы, в которых сохраняются значения потребленной энергии за ряд последних часов, суток, месяцев. Фиксируются в архивах также почасовые, посуточные, помесячные значения температур, расходов, давлений - это необходимо, чтобы анализировать "качество" работы системы теплоснабжения. Ну, а главная практическая роль архивов состоит в том, что именно на основании их данных производятся взаиморасчеты между потребителем и поставщиком тепла. При этом дело не ограничивается простым пересчетом на деньги цифр из графы "энергия за месяц" - имея архивы значений температур и расходов, вы можете доказывать своей энергоснабжающей организации, что вот тут она вас "недогрела", а вот тут "перегрела", а потому деньги должны не вы ей, а она вам. Впрочем, возможна и обратная ситуация: те же архивы могут показать, что вы "возвращали" в систему горячий, т.е., "неиспользованный", теплоноситель или приворовывали теплофикационную воду на какие-то свои нужды. Чтобы помогать потребителю и поставщику тепла фиксировать подобные "внештатные" ситуации, многие производители тепловычислителей закладывают в последние функции идентификации таких ситуаций, а также функции сигнализации о них, алгоритмы их обработки и т.д. и т.п.

         Погрешность измерений тепловой энергии включает в себя две составляющих: инструментальную составляющую, обусловленную метрологическими свойствами средств измерений, входящих в состав теплосчетчиков, и методическую составляющую, возникающую в тех случаях, если алгоритм измерений потребляемой тепловой энергии предусматривает использование не фактических значений температуры холодной подпитывающей воды tхв, а некоторых условных значений tк.

         Перечислим основные источники погрешностей измерительных преобразователей расхода теплоносителя: неправильный учет влияния профиля скорости; изменение скорости ультразвука в измеряемом веществе; паразитные акустические сигналы; асимметрия электронно-акустических каналов. Кроме этих источников, рассматриваемых далее, имеются еще погрешности, вносимые электронной схемой. Он зависит от характера схемы и должны оцениваться самостоятельно.

         Неправильный учет профиля скоростей. Эта погрешность возникает от неравенства средней скорости потока измеряемого вещества средней скорости по пути перемещения акустических колебаний. Это неравенство учитывают поправочным коэффициентом k, определить точное значение которого затруднительно. Кроме того, в пределах шкалы прибора число Re изменяется, а при десятикратном его увеличении в турбулентной области коэффициент k возрастает на 1,4 %. В переходной же области от ламинарного к турбулентному режиму изменение k еще более значительно. Поэтому, если при градуировке прибора принято постоянное значение k, соответствующее среднему или другому значению расхода, то при иных расходах возникает дополнительная погрешность измерения. При деформированных потоках истинное значение k особенно трудно определить. В этом случае следует применять преобразователи расхода, в которых акустические колебания направляются по четырем хордам или же устанавливать сопло или конфузор, выпрямляющие эпюру скоростей.

         Профиль скоростей оказывает существенное влияние на показания расходомеров и их погрешность.

         Изменение скорости ультразвука. Скорость ультразвука с в жидкостях и газах зависит от плотности последних, которая изменяется с изменением температуры, давления и состава или содержания (концентрации) отдельных компонентов. Для жидкостей скорость с практически зависит лишь от температуры и содержания. Для воды и водных растворов при невысоких температурах температурный коэффициент b изменения с лежит в пределах (1,0 … 2,5) 10-3 °С-1. При 74° он достигает максимума, а затем становится отрицательным. Для большинства органических жидкостей b = — (2 … 5) 10-3 °С-1. Коэффициент изменения с от состава водных растворов обычно положителен и равен (0,8 … 1,5) 10-3 г/л.

         У частотных расходомеров изменение значения с очень мало сказывается на результатах измерения, так как в уравнение измерения множитель с не входит.

          Паразитные акустические сигналы. Паразитные акустические сигналы могут иметь различное происхождение. При расположении пьезопреобразователей снаружи трубы часть акустической энергии отражается от поверхности раздела труба-жидкость и распространяется в виде акустических колебаний в стенке трубы. При этом образуются как продольные, так и поперечные волны. Последние могут достичь приемного пьезоэлемента раньше акустических колебаний, проходящих через жидкость. Для исключения этого предлагается помещать пьезоэлементы с разных сторон фланцевого соединения, снабженного неметаллической прокладкой. Изменение формы стенки трубы путем создания утолщений, выточек или отражателей также может препятствовать прохождению паразитных сигналов.

         Другой источник паразитных сигналов — возникновение реверберационной волны в результате отражений ультразвука от границ жидкости с звукопроводами или пьезоэлементами. Основное значение имеет первый паразитный сигнал, приходящий на приемный пьезоэлемент после двукратного отражения сперва от приемного, а потом от излучающего элемента. Амплитуда Ар, и фаза φр реверберационной волны отличаются от амплитуды А и фазы φ основной волны. Приемный пьезоэлемент воспринимает результирующие колебания, имеющие амплитуду Ап и фазу φп. В результате возникает сдвиг фазы ∆φр = φп - φ, особенно неприятный для фазовых расходомеров. Чтобы этот сдвиг был незначителен (не более 0,5 % от измеряемой разности фаз), следует иметь Ар < 0,01А. В частотных расходомерах реверберационный импульс может исказить фронт основною импульса и преждевременно включить частотную схему. Для исключения этого предложено сдвигать рабочие импульсы по отношению к отраженным с помощью электронной линии задержки. Кроме того, для борьбы с боковыми отражениями в трубах малого диаметра помогает футеровка внутренней поверхности трубы звукопоглощающим материалом. Во избежание сильного снижения амплитуды приемного сигнала и для частотных расходомеров рекомендуется иметь Ар < 0,01А.

         Асимметрия электронно-акустических каналов. В двухлучевых расходомерах неизбежна некоторая асимметрия акустических каналов, что может вызвать существенную погрешность измерения разности времен перемещения по направлению потока и против него. Погрешность складывается из погрешности, вызванной различием геометрических размеров каналов, и погрешности, обусловленной различием в них плотности измеряемого вещества.

         Получим выражение для средней квадратической погрешности измерения расхода:

SQ0 = (S2D + 4S2α/sin2α + S2k + 4S2c + S2∆t + S2п + S2а)0,5                (7)

         В это уравнение помимо среднеквадратических погрешностей  (диаметра трубы SD, угла измерения Sα, коэффициента Sk, скорости ультразвука Sс и измеряемого интервала времени S∆t введены еще дополнительно среднеквадратические погрешности от паразитных сигналов Sп и от асимметрии каналов Sа

         Если расходомер градуируется с помощью образцовой установки, то SD и Sα зависят лишь от возможного изменения D и α при изменении температуры t и давления p измеряемого вещества. В случае безжидкостной градуировки прибора при тщательном измерении D и α значения SD = 0,05 … 0,1 % и Sα = 0,02 … 0,1 %.

         Если при градуировке принимается постоянное значение коэффициента k, соответствующее среднему расходу, то при десятикратном диапазоне изменения расхода Sk = 0,35 %.

         Погрешность от нестабильности ультразвука зависит от изменения температуры, состава и давления измеряемого вещества и может быть оценена в среднем значением 0,5 … 1,0 %. Погрешность измерения интервала времени зависит от измерительной схемы расходомера. В среднем 0,1 … 0,15 %. Погрешность Sп зависит от передачи акустического импульса по стенке трубы и от реверберации ультразвука. Погрешность от асимметрии отсутствует в одноканальных преобразователях.

Заключение

На основании предварительного анализа и экспериментальной проверки возможностей использования УЗ колебаний на примере экстрагирования растительного сырья показано, что ультразвук является перспективным технологическим фактором, позволяющим при необходимости резко интенсифицировать производственные процессы, применяемые в фармацевтике.

Существующие разработки в области ультразвуковой техники (Бийский технологический институт) обеспечивают возможность и целесообразность их применения в условиях небольших объемов производства лекарственных препаратов.

Использование мощного ультразвука в технологических процессах получения и обработки материалов и веществ позволяет :

- снизить себестоимость процесса или продукта,

- получать новые продукты или повысить качество существующих,

- интенсифицировать традиционные технологические процессы или стимулировать реализацию новых,

- способствовать улучшению экологической ситуации за счёт снижения агрессивности технологических жидкостей.

В настоящее время ультразвуковой метод нашел широкое диагностическое применение и стал неотъемлемой частью клинического обследования больных. По абсолютному числу ультразвуковые исследования в плотную приблизились к рентгенологическим.

Ультразвук и ультразвуковые технологии с точки зрения охраны окружающей среды и рационального природопользования, в соответствии с вышеназванными теоретическими и эмпирическими законами, правилами, требованиями, а также с нормативными актами России при определенных обстоятельствах и в различных сферах использования могут рассматриваться, во-первых, как составляющая потоков информации в естественных природных системах. Во-вторых, как потенциальная опасность, связанная с возможностью разрушающих воздействий на живые организмы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1.  Радж БалдаевПрименения ультразвука. [Текст] / В. Раджендран . – М.:                    Издательство Техносфера, Паланичами, 2006. – 576 с. 
  2.  И.П. Голямина. Ультразвук. – М.: Советская энциклопедия, 1979.
  3.  И.Г. Хорбенко. В мире неслышимых звуков. – М. : Машиностроение, 1971.
  4.  Новицкий, Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии) [Текст] / Б.Г. Новицкий. – М.: Химия, 1983. – 192 с.
  5.  В.П. Северденко, В.В. Клубович. Применение ультразвука в промышленности. – Минск : Наука и техника, 1967.
  6.  Крылов Н.П. и Рокитянский В.И. – «Ультразвук и его применение» - 1958г
  7.  Енохович А. С. Краткий справочник по физике. – 2-е изд., перераб и доп. – М.: Высшая школа, 1976. – 288с., ил.
  8.  Кривенков С.В., Зайцев Ю.В., Протасов В.Н., Кузьменков П.Г. Выявление скрытых дефектов деталей методом ультразвуковой дефектоскопии, 1999
  9.  Щербинский В.Г. Алёшин Н.П. Ультразвуковой контроль сварных соединений. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1989.
  10.  Шутилов В.А. Основы физики ультразвука [Текст] / В.А. Шутилов. – Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1980. – 280 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9381. Расчетные обязательства (РО). 79 KB
  Тема №36: расчетные обязательства (РО). Общие положения по расчете. Расчетные правоотношения – это урегулированные нормами права о/о, возникающие между субъектами возмездного гр.пр.обязательства и кредитной организации в связи с осущ...
9382. Хранение. Понятие и содержание договора 67.5 KB
  Тема №37: Хранение Понятие и содержание договора По договору хранения одна сторона (хранитель) обязуется хранить вещь, переданной ей другой стороной (поклажедателем) и возвратить эту вещь в сохранности. Договор хранения может быть как реальным, ...
9383. Поручение. Понятие договора. 29.5 KB
  Поручение. Понятие договора. Договор поручения оформляет одну из разновидностей обязательств по оказанию юр.услуг. в силу данного договора одна сторона (поверенный) обязуется совершить от имени и за счет другой стороны (доверителя) определяет...
9384. Страхование. Понятие договора страхования 39.5 KB
  Тема №39. Страхование 1. понятие договора. В силу обязательства по страхованию 1 лицо (страховщик) обязан при наступлении в определенный срок предусмотренных обстоятельств (страховых случаев) произвести выплаты другому лицу (страхователю) или иному ...
9385. Общая фармакология 23.48 KB
  Общая фармакология. Фармакология (pharmacon + logos- наука о лекарствах) - наука о воздействии лекарственных веществ на живой организм. Фармакология: Общая - изучает общие закономерности действия лекарственных веществ в организме Частная ф...
9386. Фармакодинамика Зависимость действия ЛВ от химической структуры 27.01 KB
  Биотрансформация (метаболизм) - изменение химической структуры ЛВ и их физико-химических свойств под действием различных ферментов. В результате, как правило, структура меняется ЛВ и переходит в более удобную для выведения форму - водную....
9387. Частная фармакология. Вещества медиаторного действия (вегетотропные средства) 26.21 KB
  Общая фармакология. Продолжение Кумуляция (от лат Увеличение, скопление). Виды кумуляции: Материальная - накопление вещества в организме. Ей подвергаются порфирины, хорошо связываются с белками. Например: фенобарбитал...
9388. Вещества медиаторного действия. Вегетотропные средства 23.27 KB
  Лекция №4 Вещества медиаторного действия Вегетотропные средства (продолжение) Ацетилхолины. Резорбтивные (после всасывания в кровь) М-эффекты Брадикардия М2 Расширение сосудов М3 (в не иннервированном слое сосуда) Повышение секре...
9389. Механизм спазмолитического действия атропина. Н-ХБ (ганглиоблокаторы и миорелаксанты) 26.32 KB
  Механизм спазмолитического действия атропина Понижается М3 - Gq - понижается ФСЛ С - понижаетсягидролиз ФТИ - сниж. Диацилглицерол сниж. IP3 Показания к применению Аритмии (ав блок – атрио-вентрикулярная блокада)...