автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование и разработка метода ультразвукового контроля динамических параметров воздушной среды

На правах рукописи

РГБ ОД

Короткое Михаил Михайлович •"* ! • ■ 1 '

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2000 г.

Работа выполнена на кафедре Физических методов и приборов контроля качест Томского политехнического университета

Научный руководитель: Научный консультант:

Кулешов Валерий Константинович д.т.н., профессор ТПУ, г. Томск

Капранов Борис Иванович к.т.н., доцент ТПУ, г. Томск

Официальные оппоненты:

Недавний Олег Иванович д.т.н., профессор ТГАСУ, г. Томск Быков Сергей Павлович к.т.н., зав. отд. ТД и М ОАО"ИркутскНИИхиммаш", г. Иркутск

Ведущая организация:

НПО "ЦНИИТМАШ", г. Москва

Защита диссертации состоится " _4_ " октября 2000 г. в 15 часов на заседании диссертационного Совета Д 063.80.05 при Томском политехническом университете по адресу: Россия, 634028, г. Томск, ул. Савиных, 3. Библиотека НИИ интроскопии.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехническо: университета.

Автореферат разослан " _1_" сентября 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета _£_

. Б.Б. Винокуро!

1 аи. з о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время ультразвуковую контрольно-измерительную аппаратуру применяют в различных областях науки и техники. До настоящего времени ультразвук применялся для контроля твердых и жидких сред и лишь в последнее время находит свое применение для контроля параметров газа, в частности температуры, скорости потока газа и его направления. Причем ультразвуковые методы контроля перечисленных параметров находят все большее применение. Об этом свидетельствует анализ динамики роста числа публикаций в научной литературе и среди охранных документов за последние 20 лет, что косвенно подтверждает актуальность проводимых исследований.

Преимущественное развитие ультразвуковых методов измерения температуры, скорости и направления обусловлено их специфическими особенностями, делающими данные методы в ряде конкретных случаев практически незаменимыми, а также значительным прогрессом средств регистрации импульсных и переменных электрических сигналов, и цифровой обработки результатов измерений.

К числу специфических особенностей ультразвуковых измерителей температуры, скорости и направления потока можно отнести такие факторы, как ярко выраженная зависимость от измеряемых параметров, что позволяет сравнительно легко реализовывать однопараметрические режимы измерения; универсальность акустических явлений, существующих в газах, позволяет сравнительно легко переходить от одного объекта контроля к другому, возможность распространения акустических колебаний в материальных средах и объектах на расстояния, причем характеристики этих колебаний несут информацию об измеряемом параметре.

Однако, нельзя не отметить и недостатки ультразвуковых измерителей динамических параметров газа. Например, показания ультразвуковых термометров в значительной степени зависят от перемещений самой среды и, наоборот, работа измерителей скорости потока и направления зависит от изменений температуры. Это в свою очередь вызывает необходимость применять сложные конструктивные решения и значительно усложнять электронные схемы обработки, что порой, не всегда удается реализовать на практике и не дает нужного результата. Другой недостаток обусловлен тем, что в качестве первичных датчиков преимущественно используются преобразователи на основе пьезополимерных пленок, применение которых ограничивается узким диапазоном рабочих температур. Наличие недостатков обусловило проведение исследований в данной области.

Актуальность подтверждается и тем, что работы в данной области активно ведутся иностранными фирмами, в частности, КА1Ю согрогапоп в Японии и ВГОАЬ в Англии.

Следует отметить, что тематика данной работы связана с государственными бюджетными программами. Финансовая поддержка проводимых исследований осуществлялась в рамках региональной программы развития "Прогресс и Регион" (1996 -2000 гг.)

Цель

Разработка метода ультразвуковой анемометрии и технических решений для его осуществления, определение критериев и границ применимости.

Задачи

Для достижения указанной цели требуется решить следующие основные задачи:

• Исследовать величины отклонения скорости звука в газе как функции его температуры по отношению к линейной, в зависимости от ширины температурного диапазона.

• Провести анализ влияния на скорость распространения звука влажности газа и его давления, и выбрать модель поглощения для определения частотного диапазона колебаний в предположении распространения в среде плоской волны.

• Исследовать возможности применения единого принципа измерений для получения информации о динамических параметрах газа

• Разработать математическую модель метода и определить условия реализуемости.

• Исследовать акустическое поле преобразователя и характеристики направленности с целью выбора оптимальных частот колебаний с учетом дифракционного ослабления.

• Разработать первичный преобразователь, согласованный с малоимпедансной нагрузкой.

• Провести анализ возможных погрешностей и методов их уменьшения.

• Разработать технические решения обеспечивающие реализацию метода.

Научная новизна

• Для многоканальной ультразвуковой анемометрии разработаны алгоритм определения динамического состояния воздушной среды, в котором впервые реализован принцип разделения информации о скоростях потока воздуха и его температуры путем сопоставления сигналов противоположных направлений распространения ультразвука.

• Установлено, что увеличение импеданса первого переходного слоя позволяет повысить эффективность работы преобразователя в режиме излучения - приема в отличие от известных систем с последовательным уменьшением импеданса переходных слоев.

Практическая ценность

• Получена система уравнений, решение которой позволяет получать информацию о скорости газового потока, его направлении и температуре по измерениям времени прохождения ультразвуковой волны в контролируемой среде.

• Разработан способ согласования импеданса пьезопластины с малоимпедансными нагрузками, за счет искусственного увеличения импеданса переходного слоя.

• Разработан способ понижения резонансной частоты преобразователя по сравнению с резонансной частотой пьезоэлемента, позволяющий формировать акустическое поле с заданными параметрами.

• Определены области значений параметров, при которых базовая система уравнений имеет решение и сформулированы условия к выбору направления прохождения волны в рассматриваемой геометрии контроля.

• Получены зависимости акустического импеданса от влажности, позволяющие реализовать импедансный метод измерения влажности

• Получены численные значения величин отклонения скорости звука в газе как

функции его температуры по отношению к линейной, в зависимости от ширины температурного диапазона.

• Разработана схема генератора импульсов возбуждения, отличающегося от традиционных

Тезисы, выносимые на защиту

На защиту выносится совокупность установленных закономерностей и разработанные на их основе технические решения

Апробация работы

Результаты работы были представлены на конференциях различного уровня, симпозиумах и семинарах.

• Вторая областная научно практическая конференция молодежи и студентов "Современная техника и технологии" - г. Томск, 1996 г.

• Международная юбилейная научно-техническая конференция "Физика и техника ультразвука" - г. Санкт-Петербург, 1997 г.

• Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды" - г. Томск, 1998 г.

• Пятая областная научно-практическая конференция молодежи и студентов "Современная техника и технологии" - г. Томск, 1999 г.

• 15 Российская научная конференция "Неразрушающий контроль и диагностика" -г. Москва, 1999 г.

Использование полученных результатов

Результаты работы использованы при разработке ультразвукового термоанемометра в НИИ оптического мониторинга СОРАН г. Томск. Разработанный пьезоэлектрически! преобразователь, согласованный с газовой средой, используется в ультразвуковом термоанемомегре ТАУ-1. Материалы работы используются в учебном процессе на кафедре "Физических методов и приборов контроля качества".

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 159 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 13 таблиц. Список литературы включает 113 наименований. Приложите содержит справку об использовании результатов работы, акт внедрения первичного преобразователя в ультразвуковом термоанемометре.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, рассматриваемой в работе, определены цель и задачи исследования, выделены основные положения, отражающие новизну проводимых исследований.

В первой главе проведен анализ современного состояния акустических методов измерения динамических параметров газа, таких как температура, скорость потока и его направление. Выделены принципиальные особенности акустических методов измерения перечисленных параметров, определены их достоинства и недостатки.

Наиболее широкое распространение получили методы и устройства, основанные на измерении скорости звука, которая связана тем или иным образом с измеряемыми параметрами. Так, например, скорость звука является функцией температуры, а скорость

перемещения среды влияет на время прохождения ультразвуковых колебаний между излучгггелем и приемником. Были отмечены следующие принципиальные особенности акустических средств измерения:

• характеристическим параметром в рамках данной модели является параметр отклика среды на внешнее воздействие определенного рода, поэтому необходимо создать такое воздействие на объект или обеспечить условия его независимого возникновения;

• скорость звука согласно определению, есть характеристика среды на некотором участке, поэтому акустические средства принципиально определяют значения параметров, усредненные по пути прохождения колебаний.

Анализ показал, что для получения информации о температуре газа, скорости его движения и направлении, наиболее часто используются методы, основанные на измерении времени прохождения ультразвуковых колебаний в контролируемой среде, по которому судят об измеряемом параметре. Такое положение обусловлено сравнительно простой реализацией временных схем. Среди основных недостатков было отмечено, что на точность показаний ультразвуковых термометров значительно могут повлиять перемещения среды и наоборот, точность измерения скорости потока и его направления зависит от изменений температуры.

Таким образом, показана необходимость проведения исследований, приведены выводы и сформулированы основные задачи работы.

Во второй главе, в соответствии с задачами работы приведены результаты исследований по определению величины отклонения скорости звука как функции температуры, в зависимости от ширины диапазона измеряемых температур.

Фундаментальным физическим эффектом, лежащим в основе действия акустических термометров, является зависимость скорости распространения акустических колебаний от температуры.

Связь скорости звука с температурой носит характер

где: С - скорость звука в газе; Т - температура; ц - молекулярный вес газа; у - постоянная адиабатических процессов в газе; Я - универсальная газовая постоянная. Для элементарных газов и их смесей, свойства которых соответствуют данной физической модели, температура может быть рассчитана по известной величине скорости звука абсолютным образом, с использованием только неизменных характеристик самого газа и универсальных постоянных.

Точность и границы применения данного абсолютного метода измерения температуры газа определяются степенью соответствия свойств реальной среды и модели идеального газа, известности и постоянства состава газа и установления термодинамического равновесия в системе. Следует отметить, что зависимость скорости звука от температуры носит монотонный характер, близкий к линейному, в узком диапазоне температур. Поэтому ультразвуковые средства измерения температур, основанные на измерении времени прохождения ультразвуковых колебаний между излучгггелем и приемником строятся в предположении линейной зависимости скорости звука в газе от его температуры, и не учитывают отклонение этой зависимости от линейной. Градуировка таких термометров, как правило, осуществляется относительно некоторой средней температуры измеряемого диапазона. Это в свою очередь может

(1)

привести к погрешностям при измерении. В литературе отсутствуют данные посвященные данному вопросу, поэтому представляет интерес оценить величины отклонения 8 скорости звука, как функции температуры, от линейной, в зависимости от ширины температурного диапазона, при различных средних температурах диапазона. Для исследований, в качестве газовой среды был выбран воздух. Единство физики процессов, происходящих в газах, дает возможность проецировать полученные результаты на другие газовые среды.

Рис. 1. Расчетная зависимость величины отклонения 5 [м/с] функции С(Т) от линейной в зависимости от ширины температурного диапазона ЛТ (°С) относительно его средней температуры Тср.

Зависимость скорости распространения звука от температуры была рассчитана по выражению (1) для атмосферного воздуха. Для анализа было выбрано пять средних температур пяти диапазонов (-50, 0, 20, 50 и 100 °С), относительно которых производилось увеличение ширины диапазона в пределах от 10 до 200 градусов с равномерным распределением в обе стороны. Значения функции скорости звука от температуры сравнивались со значениями линейной функции, проходящей через крайние точки соответствующего температурного диапазона и для соответствующей средней температуры. При этом на всех участках производился поиск максимального отклонения. Графическая зависимость максимального отклонения в зависимости от расширения температурного диапазона представлена на рисунке 1.

Анализ графических зависимостей показывает, что при увеличении ширины температурного диапазона увеличивается отклонение функции скорости звука от линейной зависимости. Поиск максимального отклонения показал, что при различных средних температурах положение максимума имеет сдвиг относительно средней температуры. В области низких температур этот максимум сдвинут в отрицательную область и для температуры Тср= -50 °С наблюдается при Т~ -60 °С, а в области высоких температур при Тср= 100 °С наблюдается при Т~ 107 °С. Причем величина максимального отклонения зависит от средних температур соответствующих диапазонов. Так, например, при средней температуре -50 °С отклонение скорости звука практически достигает 8 м/с, а при температуре 100 С отклонение составляет порядка 3,5 м/с. Проведенный анализ показывает необходимость учета нелинейной зависимости скорости звука от температуры : целью повышения точности измерений.

Формула (1) хорошо описывает зависимость скорости звука от температуры для ;ухого газа, в реальных условиях в нем могут содержаться пары воды, которые также

влияют на скорость распространения звука. Для оценки содержания влаги в газе часто используют понятие относительной влажности.

Определение количества влаги в газе представляет собой задачу анализа объемного состава бинарных смесей насыщенных паров воды и газа, т.е. двух газов, т.к. насыщенные пары воды могут рассматриваться как газообразное тело, близкое по своим физическим свойствам к идеальному газу. Было получено аналитическое соотношение для влажного газа, которое выглядит как

(2)

*4г

где: к м ¡5 - постоянные коэффициенты;

Р и Рн - парциальное давление газа, и давление насыщенных паров, соответственно; <р - относительная влажность. По выражению (2) с использованием справочных таблиц были рассчитаны зависимости скорости звука от относительной влажности при различных температурах. Полученные зависимости представлены на рисунке 2,а, из которых видно, что скорость звука монотонно увеличивается с ростом относительной влажности. При этом на низких температурах ее влияние сказывается в меньшей степени, чем при высоких. Так при температуре -30°С с изменением относительной влажности от 0 до 100% относительное

изменение скорости звука составляет 0,014%, относительное изменение составляет 3,2%.

а при температуре воздуха 50 С

С, м/с

з:шг

1-323 /5 "К _

Т* 293,1 ■>°К

Т=273, 15"К

7- 24 X /, о К

40 60 а)

1004%

60

6)

100 4%

Рис. 2. Зависимость скорости звука а) и акустического импеданса б) воздуха от его относительной влажности при различных температурах

При изменении влажности воздуха меняется его плотность, причем эти изменения могут оказаться существенными, что в свою очередь приведет к изменению другой важной характеристики, которая часто используется для измерения различных параметров в неразрушающем контроле - акустический импеданс. Акустический импеданс среды определяют как произведение плотности среды на скорость распространения звука в ней. Таким образом, определив для влажного газа плотность и скорость, можно получить зависимость акустического импеданса от влажности. Расчетные зависимости приведены на рис. 2.6. Как видно из графиков, зависимость импеданса от влажности наиболее ярко выражена, так же как и со скоростью звука, крутизна наклона увеличивается с ростом температуры. Анализ зависимостей показывает принципиальную возможность измерения

влагосодержания в газе по измерениям скорости звука и (или) акустическому импедансу, причем наиболее предпочтительным оказывается импедансный метод, который можно реализовать используя соответствующие методы его измерения. Важным условием при этом является наличие информации о температуре.

Для аппаратурной реализации импедансного метода измерения влажности была получена функция, описывающая зависимость импеданса от влажности:

г(1р.П = г0+п](Г-Г0)+Й2(7--Г0)х1г; (3)

где: ^о - акустический импеданс сухого газа;

а,, а,, х " постоянные коэффициенты, значение которых определяется

химическим составом газа;

Т - температура газа;

7* - нижний порог диапазона температур, в котором производятся измерения.

При разработке ультразвуковой аппаратуры, основанной на излучении и приеме акустических колебаний, важным является вопрос получения сигнала на приемнике. Поэтому заранее необходимо знать частотный диапазон используемых колебаний. Выбор частоты ультразвуковых колебаний обусловлен частотной зависимостью коэффициента поглощения в среде, который в свою очередь определяет ослабление амплитуды волны в среде, проходящей в ней определенное расстояние. В настоящее время в литературе встречается множество теорий, описывающих процесс поглощения звука в газах. Такое положение приводит к неоднозначности выбора модели поглощения, это потребовало проведения анализа с целью ее выбора, который показал, что наиболее предпочтительной является модель, учитывающая изменения давления газа и его температуры.

На рисунке 3 представлены расчетные зависимости коэффициента поглощения в зависимости от изменений температуры и давления для различных частот колебаний.

а) б)

Рис. 3. Зависимость коэффициента поглощения в воздухе при изменениях температуры (а) и давления (б)

Анализ полученных результатов показывает, что коэффициент поглощения в большей степени зависит от изменений давления. Причем с ростом давления его значение уменьшается, а с ростом температуры увеличивается. Так, например, на частоте 500 кГц при изменении давления от 51,3 кПа до 20,26 кПа, значите коэффициента поглощения изменяет свое значение от 18 до 4 Неп/м, а на той же частоте при изменении температуры от 223,15 °К до 323,15 °К его значения изменяются от 8 до 9,7 Неп/м. Следует отметить, что зависимости коэффициента поглощения от температуры и давления представляют чисто академический интерес в данном представлении. При разработке аппаратуры всегда имеет значение наличие информации об уровнях сигналов, с которыми приходится

работать или с диапазоном изменений этих уровней. Чаще всего в акустике используют понятие динамического диапазона изменений уровней сигналов и выражают его в относительных единицах или децибелах. Используя полученные значения для коэффициентов поглощения, было рассчитано относительное уменьшение амплитуды ультразвуковой волны проходящей расстояние 1 метр в воздухе. Для расчетов были выбраны максимальные значения коэффициента поглощения. В результате расчетов было установлено, что при базах прозвучивания до 1 метра по воздуху частота ультразвуковых колебаний не должна превышать 500 кГц, иначе регистрация таких сигналов и дальнейшая их обработка может быть затруднена, а порой невозможна. Так как относительное уменьшение амплитуды колебаний будегг более 160 децибел, что приведет к значительному усложнению схем усилительного тракта устройства. Частоту колебаний следует выбирать таким образом, чтобы относительное изменение амплитуды не превышало 120 дБ. Следует отметить, что расчеты были проведены в предположении, что в среде распространяется волна с плоским фронтом. Реальные излучатели, как правило, создают волны, фронт которых может отличаться от плоского, что приводит к дополнительному уменьшению энергии волны при ее распространении. Поэтому необходимо учитывать эти уменьшения, которые определяются параметрами излучателя.

Также в главе проведен анализ влияния давления на скорость распространения звука. Сформулированы выводы по главе.

Третья глава работы посвящена разработке базовой геометрии контроля параметров газового потока. Рассматриваются задачи определения направления вектора скорости на плоскости, по двум его составляющим, и в пространстве, по трем составляющим. Проводится анализ полученных уравнений и определяются условия, при которых базовая система уравнешш позволяет получать информацию о скорости потока, его направлении и температуре.

Задача определения скорости и направления на плоскости выглядит следующим образом. Пусть прозвучивание среды происходит в двух ортогональных направлениях вдоль осей ОХ, ОУ. Геометрия такого взаимодействия представлена на рисунке 4, а.

М

к^^^ ^^ 1

V

а)

Рис. 4. К определению направления вектора скорости на плоскости (а) и в пространстве(б)

При изменении направления вектора скорости будем изменяться его проекция на соответствующие оси, тогда уравнения, описывающие данное взаимодействие будут выглядеть:

(4)

+у ---V

у «2 »

где: V,, V, - проекции вектора скорости, Ки - скорость звука в среде,

I, и I; ■ время прохождения ультразвуковой волны по направлениям;

Ь - путь, проходимый волной. Решая данную систему уравнений и получая численные значения соответствующих компонент можно определить модуль вектора скорости (5) и угол, показывающий направление относительно оси ОХ

(5)

(V х

V

(6)

В случае, когда направление вектора скорости будет меняться в диапазоне от 0 до 359 градусов, угол будет определяться как

агав

агсщ

агс

54

(V

/ФР'

>0

<0

(7)

-V

<0-> >0 У

Таким образом, измеряя время распространения звука между преобразователями, расположенными в двух взаимно перпендикулярных направлениях, можно получить информацию о направлении движения среды и ее скорости. Как было сказано выше, данная система уравнений была получена в предположении, что скорость распространения звука является постоянной величиной. Как было показано, скорость звука зависит от множества факторов. При этом основным фактором, определяющим скорость, является температура, следовательно, при реализации акустического метода измерения скорости и направления потока необходимо знать температуру газа. Также полученная система уравнений не учитывает вертикальной составляющей, которая может иметь место в реальной среде. Таким образом, необходимо иметь такую систему уравнений, которая учитывает вышеперечисленные факторы.

Известны системы измерения скорости и направления потока в пространстве. Для такой геометрии (рис. 4.,б) по аналогии с задачей на плоскости можно получить систему 3-х уравнений, решение которой дает проекции вектора скорости на соответствующие оси. Существенным недостатком таких систем является необходимость получения информации о температуре.

Анализ показал, что произвести учет температурных изменений скорости звука можно, составив систему четырех уравнений. Для этого была предложена геометрия прозвучивания в пространстве (рис. 5).

Рис. 5. Пространственная геометрия прозвучивания для определения модуля вектора скорости и его направления

Общая система уравнений для данной геометрии выглядит:

н- сова, ±К 1 X - '1

к-Лг± V г йпа2 '2

сох«. ± V У «та^ 'з

соэа. ±У 4 у •вша,, 4 А=0 '4

где: база прозвучивания;

V - соответствующая составляющая вектора скорости; г - абсолютная температура газа; к - постоянный коэффициент;

I - время прохождения ультразвуковых колебаний по соответствующим направлениям;

а - углы взаимной ориентации между направлениями прозвучивания и вертикальной осью Ъ Данная система уравнений является общей для представленной геометрии, знак ± в уравнениях показывает направление прохождения ультразвука. Анализ данных уравнений показывает, что для определения вектора скорости и его направления необходимо знать время прохождения сигнала, углы взаимной ориентации и расстояние проходимое ультразвуковой волной. Очевидно, что целесообразно выбирать расстояния между преобразователями и углы одинаковыми. Проведенный анализ показал, оптимальное значение угла составляет 45°, так как действие вектора скорости на соответствующие проекции равновероятно. Оказывается, что полученная система уравнений критична к направлению прохождения ультразвуковой волны и не всегда может иметь решение. Были рассмотрены различные варианты прохождения ультразвука. Два наиболее важных случая:

Случай 1. Направление прохождения ультразвуковой волны в одной и той же

плоскости противоположно друг другу (уравнения 9).

Случай 2. Направление прохождения ультразвуковой волны в одной и той же плоскости одинаково (уравнения 10)

к-у/тсова+У -81па-—= 0 '1 £

к-^/т + У сска + У -Бта--= 0

(9) и

к-\1т+У -ссма-У -ша--=0

г х

к-у/т-У -ссиа + К. •

А=0

к-*]Т-V -соьа-У г У

вша--= 0

(10)

ьТт+У сжа-У • Б1пс(--=0

г * ;2

к -с<ка+У ипа-—=0

г У I,

к -[т-У с<ка-У вша г У

= 0

Системы уравнений является линейными, причем решение имеет лишь (10), так как

детерминант матрицы составленной из коэффициентов при -Л", , V , V. не равен

нулю, в отличии от (9).

Отсюда для (10) получим ее решение для соответ ствующих компонент

V =—-— * 2ипа

у

г 4-со50г

1

—+

1 1 1

'4 '2 'З

(И)

(13)

У 2-мпа

Т = -

4 к

(12)

(14)

Следовательно, необходимо направление прозвучгоания выбирать таким образом, чтобы для преобразователей расположенных в одной плоскости оно совпадало и отличалось по отношению к другой. То есть в плоскости, образуемой датчиками Г, 2', 3' 4' два из них должны быть излучателями (Г, 2'), а два других (3', 4') приемниками ультразвуковых колебаний.

Из выражений (11 - 14) легко получить выражения для времени прохождения ультразвука в зависимости от составляющих вектора скорости потока. По полученным соотношениям были рассчитаны времена прохождения ультразвуковой волны для различных температур и при различных изменениях потока, графические зависимости представлены на рис. 6.

Расчеты показали, что при отсутствии перемещений в среде с изменением температуры минимальное время прохождения сигнала составляет 1109 мкс, максимальное 1335 мкс при расстоянии между датчиками 0,4 м. То есть изменение температуры на один градус приводит к изменению времени прохождения при данной базе на 2,26 мкс. Следовательно, задаваясь необходимой точностью измерения темпера1уры и компонент вектора скорости можно сформулировать требования к точности измерения времени. Например, для проведения измерений температуры с точностью ±0,1 °С необходимо измерять время, при данной базе, с точностью ±0,226 мкс, аналогично для определения составляющих потока ±0,563 мкс

з

/

Л

1400 1300 1200 1100 1000

Г4 /

.__ч / /

У И и Г

МКС

1400

1300

1200

1100

Т=273К Уу=йм/с У 1=0,5. м/с <2

.—■ и

и и

220 240 260 280 300 320 Г, К

а)

Г, МАС

1400

20 6)

30 40 Ух, м/с

1200

Т*ЗТЗК Ух=2.ч/с У 1=0,5 мЛ- и

<2

И

то 1220 1200 1180 1160

и " ~и .

/\ <2

7=273 К Гл=5 мА Уу=2я /с __и

10 20 в)

8 10 У^ м/с

Рис. 6. Изменение времени прохождения ультразвуковой волны для различных

температур (а) и при различных значениях составляющих потока (б), (в), (г).

Проведенные исследования показали возможность измерения различных параметров, при этом достаточно знать время прохождения сигнала между излучателем и приемником в 4 каналах.

В главе также приведен анализ дифракционных поправок к скорости звука и проведен учет эффекта сноса акустического луча потоком. На основании проведенных исследований сделаны выводы и сформулированы дополнительные требования к параметрам поля преобразователя.

Четвертая глава посвящена разработке первичного преобразователя устройства. В качестве первичных преобразователей для ультразвуковых контрольно-измерительных устройств, принцип действия которых основан на измерении времени прохождения ультразвука через контролируемую среду наиболее перспективными следует считать применение пьезоэлектрических датчиков. В главе приведено обоснование выбора типа преобразователя.

В качестве первичного преобразователя был выбран пьезоэлектрический преобразователь. На рис. 7. представлено схематичное изображение основных элементов из которых состоит преобразователь. Основой преобразователя является пьезопласгина, которая в первую очередь параметры преобразователя - рабочую частоту и характеристики направленности.

Пьезопластина

Протектор

Пьезопласгина

Протектор

/ , / . .

Демпфер Согласующий слои

• а)

Демпфер

Резонирующий стержень б)

Рис. 7. Основные элементы конструкции пьезоэлектрического преобразователя

В качестве материала иьезопластины была выбрана пьезокерамика ЦТС-19. Толщина пластины выбиралась из условия обеспечения механического резонанса на заданной частоте.

В главе проводится теоретическое исследование параметров акустического поля преобразователя и исследование характеристик направленности. Приведены результаты расчетов эффективных углов раскрытия основного лепестка диаграммы направленности в зависимости от диаметра излучателя и частоты ультразвуковых колебаний.

Выбор оптимальной частоты ультразвуковых колебаний обусловлен двумя причинами - поглощением ультразвука в среде и дифракционным ослаблением, связанным с расхождением пучка. Дифракционное ослабление щ с ростом частоты

падает, а ослабление па - увеличивается. Следовательно, суммарное ослабление, пропорциональное их произведению щ , па , должно иметь оптимальные частоты, где оно принимает минимальные значения. На рис. 8 представлены расчетные зависимости для суммарного ослабления в зависимости от частоты ультразвуковых колебаний при прохождении ультразвуковой волной расстояния в 0,5м. Как видно из графиков минимальное суммарное ослабление достигается на частоте 150 кГц. Причем величина ослабления зависит от радиуса излучателя и уменьшается с увеличением диаметра.

п«п;

и -ÍS млi

■

О S0 100 150 200 2SO ЗООкГц

Рис. 1.8. Зависимость суммарного ослабления в зависимости от частоты колебаний при прохождении волной расстояния 0,5м и для различных радиусов излучателя.

При выборе параметров преобразователя необходимо также учитывать такой параметр как сопротивление излучения. Анализ показывает, необходимость выбора таких пьезоэлектрических материалов для преобразователя и геометрических размеров

сердечников, чтобы расчетное значение было не менее Rtn < ЮОм, иначе возникнут

трудности в согласовании с генератором.

Требования к ширине диаграммы направленности, сформулированные в главе 3, говорят о необходимости учета сноса ультразвукового луча потоком. Таким образом, был выбран диаметр излучателя 10 мм, работающий на частоту 100 кГц.

Для эффективной передачи энергии ультразвуковых колебаний от пьезопластины в газ н обратно, в главе проанализированы способы согласования преобразователя со средой. Согласование осуществляют выбором толщины протектора, подбором материала и конструкции. Для согласования пьезокерамики с воздухом в качестве четверть волнового протектора могут быть использованы некоторые жидкости, например, спирт, так как их импеданс достаточно близко удовлетворяет требованию

г - г~г (15)

пр ^пл в

Однако изготовление жидкостного протектора, технология его постройки и долговечность не позволяют его считать перспективным. Был исследован микросферопласгик на основе смолы ЭДС-5Л-4Н, а так же пенопласт и пробка. Расчетные значения коэффициентов отражения для случая четверть волнового протектора приведены на рис. 9.,а. Из графика видно, что в качестве протектора можно использовать пробковое дерево, но его механические свойства, а также неоднородность структуры не позволяют его считать перспективным для применения. Исследование других материалов показало невозможность подбора такого материала, который бы обеспечивал эффективное согласование импеданса пластины с импедансом газа.

Из условия (15) следует необходимость повышения импеданса пьезопластииы, что не представляется возможным. Поэтому в конструкцию преобразователя был введен дополнительный согласующий слой (рис. 7.,б). Входной импеданс такой системы определяется соотношением

г1г2 - г^ »ап^/^агК^)-./^ «апС^Н г^ йт^/^)} С 6)

- . .2 ,__/» » \ •/__а__/|, Г. \ , _ _ ___/1. К \\

г2г3"г2' а коэффициент отражения

3 31

«х ср

г +г кг ср

(17)

Расчетные значения коэффициента отражения, полученные по выражению (17) для микросферопластика представлены на рис. 9.,б. В качестве согласующего слоя выбран стальной стержень. Анализ зависимостей представленных на рис. 9. показывает, что введение согласующего слоя (искусственное увеличение импеданса) позволяет добиться уменьшение коэффициента отражения и тем самым повысить передачу энергии от пьезопластины в газ.

Пенопласт

1,0

о,8

0,6

0,4

0,2

0,8 •ропласт 1епиловый о,б спирт рковое М во 0,2 а Л г ласт

V \ 4—м $кросф Микр чсферог,

\\ \\ А //

\\ \\ /г // ____Про дер1

V г / у

\/4

хп

8 к, мм

а) б)

Рис. 9. Зависимость коэффициента отражения для четвертьволнового протектора (а) и с использованием переходного слоя (б).

На рис. 10. показаны зависимости амплитуды импульса, прошедшего через слой воздуха 30 см, от толщины протекторов. Микросферопластик обеспечивает наилучшее согласование с воздухом. Дополнительное его преимущество - конструктивные: термостойкость, негигроскопичность, хорошо поддается обработке, что позволяет настраивать преобразователь в процессе изготовления.

3,5 -т-3-2,5 •■

—»— Пробковое дерево —л— Микросферопласт ♦ Пенопласт

0,5 ■ ■

0 I- I ■ > I I I I I I I I I I I I I I I I 0 2 4 в 8 10 12 14 16 <8 20 Т, тш

Рис. 10. Зависимость амплитуды сигнала на приемнике в зависимости от

толщины протектора.

Для сохранения режима работы преобразователя между резонансным и видео, была разработана конструкция преобразователя, схематично представленная на рис. 7.,6. Разработанный преобразователь основан на том, что для создания резонансного режима в конструкцию преобразователя вводится дополнительный элемент - механический резонатор, причем рабочая частота определяется паяной массой резонатора и пластины. Демпфер изготовлен таким образом, что он гасит колебания резонатора. При этом в процессе изготовления имеется возможность регулировки массы резонатора (т.е. рабочей частоты преобразователя) и эффективности демпфера (т.е. количества периодов нарастания). Следует отметить, что уникальной особенностью такой конструкции является использование пьезоэлемента с резонансной частотой 2Мгц, а резонансная частота преобразователя после его настройки составляет 100 кГц. При этом эффективность работы такого преобразователя в режиме излучения и приема соизмерима с эффективностью преобразователя, построенного по классической схеме.

В главе приведены диаграммы направленности, полученные экспериментальным путем, форма сигналов снимаемых с датчика, а также приведены результаты анализа конструктивных элементов блока первичных преобразователей. Сформулированы выводы по главе.

В пятой главе диссертационной работы приведены функциональная схема устройства и принципиальные схемы основных электронных блоков - управления и передачи данных, генератора, усилителя-формирователя.

В основу устройства положена схема регистрации временных интервалов в четырех измерительных каналах. Управление работой схемы осуществляется при помощи микроЭВМ. Измеренные временные интервалы в виде цифрового кода передаются в ПЭВМ, где ведется перекодировка количества посчитанных импульсов во время прохождения акустической волны, решение системы уравнений для нахождения вектора скорости и температуры, обработка данных и вывод результатов на экран монитора.

В главе проводится анализ погрешностей связанных с физикой распространения звука в газе и работой электронных блоков устройства, анализируются путл их уменьшения.

Детальный анализ, наиболее вероятных погрешностей показал, связанных с физическими процессами происходящими в газе, а также с учетом погрешностей аппаратуры показал возможность измерения основных параметров со следующими погрешностями: скорость ветра в диапазоне 0-40 м/с с погрешностью ± (0,1+0,02У); направление ветра в диапазоне 0-359 град с погрешностью ±2 град; температуры воздуха

в диапазоне -50 - +50 °С с погрешностью ±0,1 °С.

Проводится выбор основных параметров первичного преобразователя - частота, диаметр, в зависимости от базы прозвучивания и с учетом диапазона рабочих температур. Рассматриваются способы согласования импедансов пьезопластины и контролируемой среды с помощью четвертьволнового протектора и переходного слоя, а также определяется степень демпфирования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Получена система уравнений, решение которой позволяет получать информацию о скорости газового потока, его направлении по трем координатам и температуре по измерениям времени прохождения ультразвуковой волны в контролируемой среде.

2. Определены области значений параметров, при которых базовая система уравнений имеет решение и сформулированы условия к выбору направления прохождения волны в рассматриваемой геометрии контроля.

3. Исследованы величины отклонения скорости звука в газе как функции его температуры по отношению к линейной, в зависимости от ширины температурного диапазона.

4. Проведен анализ влияния на скорость распространения звука влажности газа и его давления, и выбрана модель поглощения с целью определения частотного диапазона колебаний в предположении распространения в среде плоской волны.

5. Разработана конструкция первичного преобразователя, обеспечивающая возможность работы в широком диапазоне температур.

6. Разработан способ согласования акустического импеданса пьезопластины с газом, за счет искусственного увеличения импеданса переходного слоя.

7. Разработан способ понижения резонансной частоты преобразователя по сравнению с резонансной частотой пьезоэлемента, позволяющий формировать акустическое поле с заданными параметрами.

8. Исследовано влияние изменений давления и влажности газа на скорость распространения звука, проведен анализ погрешностей измерения временных интервалов, связанных с температурными изменениями базы прозвучивания, сносом акустического луча и дифракционными эффектами, рассмотрены способы их уменьшения.

9. Получены зависимости акустического импеданса от влажности, позволяющие реализовать импедансный метод измерения влажности

10. Разработаны функциональные и принципиальные схемы основных блоков устройства, обеспечивающие требуемую погрешность измерения.

Основные положения отражены в следующих работах:

1. Короткой М.М., Капранов Б.И. Использование волн Лэмба для измерения уровня сжиженного газа в железнодорожных цистернах// Современные техника и технологии: тез. докл. 2-ая областная научно-практическая конф., Томск, 1996. - С. 36 - 37.

2. Короткое М.М., Капранов Б.И. Ультразвуковой уровнемер сжиженного газа// Современные техника и технологии: тез. докл. 2-ая областная научно-практическая конф., Томск, 1996.-С. 37-38.

3. Короткое М.М., Капранов Б.И. Ультразвуковой способ измерения уровня сжиженных газов// Физика и техника ультразвука: тез. докл. научно-техническая конф., Сантсг-Петербург, 1997. - С. 175 - 177.

4. Короткое М.М., Капранов Б.И. Акустический метод измерения влажности газа//

Физика и техника ультразвука: тез. докл. научно-техническая конф., Санкт-Петербург, 1997. С. 177-179.

5. Короткое М.М., Капранов Б.И. Акустический комплекс для измерения массы нефтепродуктов// Качество - во имя лучшей жизни: тез. докл. конф. Томск,1997. С. 78

6. Капранов Б.И., Короткое М.М., Шаверин В. А., Азбукин А.А., Корольков В.А. О конструировании пьезопреобразователей, работающих на иалоимпедансную нагрузку// Контроль и реабилитация окружающей среды: тез. докл. межд. симпозиум., Томск, изд. СО РАН, 1998 г.-с. 63 - 64.

7. Капранов Б.И., Короткое М.М. К вопросу о согласовании пьезоэлектрических преобразователей с малоимпедансными нагрузками. // Современные техника и технологии: тез. докл. 5-ая областная научно-практическая конф., Томск, 1999 г. - С. 87 -

8. Кулешов В.К., Соловьев Н А., Короткое М.М. Исследование метода акустической термометрии // Современные техника и технологии: тез. докл. 5-ая областная научно-практичсская конф., Томск, 1999 г. - С. 88 - 89.

9. Коротков М.М., Капранов Б.И., Корольков В.А. Измерение температуры воздушного потока, скорости и его направления // Современные техника и технологии: тез. докл. 5-ая областная научно-практическая конф., Томск, 1999 г. - С. 89 - 90.

10. Бурков В.В., Корольков В.А., Капранов Б.И., Шаверин В.А., Коротков М.М. Малогабаритный ультразвуковой метеокомплекс. // Неразрушающий контроль и диагностика: тез. докл., 15-ая российская научная конф., Москва, 1999 г. - Том. 2. С. 287

11. Коротков М.М., Капранов Б.И. Ультразвуковой способ измерения уровня сжиженных газов. В сбТомскГаз., Томск, 1999 г. С. ПО - 112.

88.

ÉTTfiy

Подписано к печати 29.08 2000. Формат 60x90/16. Бумага офсетная №1. Печать RISO. Усл.печ.л. 1.11. Уч.-изд. 1.00. Тираж 100 экз. Заказ № 171. ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ №1 от 18.07.94. Типография ТПУ. 634034, Томск, пр.Ленина, 30.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ПОТОКА.

§1.1. Акустические средства измерения температуры.

§1.2. Акустические методы и средства измерения скорости и направления потока.

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА И ВЫБОР МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СО СРЕДОЙ.

§2.1. Исследование функциональных зависимостей скорости звука от параметров газа.

§2.2. Выбор модели поглощения звука в газе и определение потерь энергии звуковой волны при ее распространении.

§2.3. Исследование зависимости акустического импеданса от влажности воздуха.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МЕТОДА И ОПРЕДЕЛЕНИЙ УСЛОВИЙ РЕАЛИЗУЕМОСТИ.

§3.1. Задача определения направления вектора скорости на плоскости.

§3.2. Система уравнений для определения направления вектора скорости в пространстве.

§3.3. Дифракционные поправки к скорости звука и учет сноса ультразвукового луча.

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ НА МАЛОИМПЕДАНСНУЮ НАГРУЗКУ.

§4.1. Обоснование выбора типа первичного преобразователя.

§4.2. Исследование параметров акустического поля преобразователя и характеристик направленности.

§4.3 Расчеты дифракционного ослабления и влияние поглощения ультразвука в среде на выбор оптимальной частоты преобразователя.

§4.4 Согласование преобразователя с газовой средой и экспериментальное определение характеристик направленности.

§4.5 Конструкция блока первичных преобразователей и учет температурных изменений базы прозвучивания.

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННЫХ БЛОКОВ УСТРОЙСТВА, АНАЛИЗ

ПОГРЕШНОСТЕЙ И МЕТОДОВ ИХ УМЕНЬШЕНИЯ.

§5.1. Разработка структурной схемы устройства.

§5.2. Разработка принципиальных схем устройства.

§5.3. Анализ факторов определяющих точность измерения и способов уменьшения погрешностей.

В настоящее время ультразвуковую контрольно-измерительную аппаратуру применяют в различных областях науки и техники: в дефектоскопии, медицинской диагностике, контроле геометрических размеров объектов и т.д. В большинстве случаев ультразвуковые методы применяются для контроля твердых и жидких сред. Причина этого - очень малое акустическое сопротивление газа, что затрудняет получение ультразвуковых колебаний достаточной интенсивности. Для создания ультразвуковых колебаний в газе приходилось использовать преобразователи, которые обладали значительными габаритными размерами или понижать частоту ультразвуковых колебаний, переходя при этом в область частот звукового диапазона. Лишь в течении последних 15 лет, благодаря появлению пленочных пьезоэлектрических преобразователей, они стали находить свое применение для контроля параметров газовых сред, таких как температура, скорость газового потока и его направления.

Причем наибольшее развитие получили ультразвуковые методы контроля динамических параметров газа - скорости потока, его направления и температуры. Преимущественное развитие ультразвуковых методов измерения температуры, скорости и направления обусловлено их специфическими особенностями, делающими их в ряде конкретных случаев практически незаменимыми, а также значительным прогрессом средств регистрации импульсных и переменных электрических сигналов, и цифровой обработки результатов измерений.

Всю совокупность средств измерений температуры, скорости и направления можно разделить на несколько групп, различающихся по природе используемых физических эффектов и, соответственно, по типу и особенностям выполнения первичных преобразователей и вторичной измерительной аппаратуры.

К числу специфических особенностей ультразвуковых измерителей температуры, скорости и направления потока можно отнести такие факторы, как ярко выраженная зависимость от измеряемых параметров, что позволяет сравнительно легко реализовывать однопараметрические режимы измерения; универсальность акустических явлений, существующих в газах, позволяет сравнительно легко переходить от одного объекта контроля к другому; возможность распространения акустических колебаний в материальных средах и объектах на расстояния, причем характеристики этих колебаний несут информацию об измеряемом параметре. Такое положение привело к появлению большого разнообразия ультразвуковых средств измерений указанных выше параметров.

Однако, нельзя не отметить и недостатки ультразвуковых измерителей динамических параметров газа. Например, показания ультразвуковых термометров в значительной степени зависят от перемещений самой среды и, наоборот, работа измерителей скорости потока и направления зависит от изменений температуры. Это в свою очередь вызывает необходимость применять сложные конструктивные решения и значительно усложнять электронные схемы обработки, что порой не всегда удается реализовать на практике и не дает нужного результата. Другой значительный недостаток обусловлен тем, что в качестве первичных датчиков преимущественно используются преобразователи на основе пьезополимерных пленок, применение которых ограничивается узким диапазоном рабочих температур[113]. В соответствии с этим в первой главе настоящей работы проведен анализ современного состояния акустических методов измерения скорости газового потока, направления и температуры. Проведенный анализ подтвердил актуальность данной работы и показал необходимость исследовать следующий ряд вопросов:

1. Исследование величины отклонения скорости звука в газе как функции его температуры по отношению к линейной, в зависимости от ширины температурного диапазона.

2. Анализ влияния на скорость распространения звука влажности газа и его давления, и выбор модели поглощения для определения частотного диапазона колебаний в предположении распространения в среде плоской волны.

3. Исследование возможности применения единого принципа измерений для получения информации о динамических параметрах газа

4. Разработка математической модели контроля и определение условий для ее применения.

5. Исследование акустического поля преобразователя и характеристик направленности с целью выбора оптимальных частот колебаний с учетом дифракционного ослабления.

6. Разработка первичного преобразователя, согласованного с газовой средой и обеспечивающего возможность работы в широком диапазоне температур.

7. Анализ погрешностей и методов их уменьшения.

8. Разработка электронных блоков аппаратуры, обеспечивающих требуемую погрешность измерения.

В соответствии с поставленными вопросами во второй главе диссертации приведены результаты исследований по определению величины отклонения скорости звука как функции температуры, в зависимости от ширины диапазона измеряемых температур. Проведен анализ влияния давления газа и наличие влаги на скорость распространения звука. Обоснован выбор модели поглощения звука в газе с учетом изменений давления и температуры газа. Определены границы используемых частот колебаний в рамках выбранной модели поглощения в предположении распространения в среде плоской волны.

Третья глава данной работы посвящена разработке базовой геометрии контроля параметров газового потока. Рассматриваются задачи определения направления вектора скорости на плоскости по двум его составляющим, и в пространстве - по трем составляющим. Проводится анализ полученных уравнений и определяются условия, при которых базовая система уравнений позволяет получать информацию о скорости потока, его направлении и температуре. Также анализируется эффект сноса акустического луча потоком и дифракционные поправки к скорости звука.

Четвертая глава посвящена разработке трехкоординатного блока первичных преобразователей. Приведено обоснование выбора типа первичных преобразователей. Проводится выбор основных параметров первичного преобразователя - частота, диаметр, в зависимости от базы прозвучивания и с учетом диапазона рабочих температур. Рассматриваются способы согласования импедансов пьезопластины и контролируемой среды с помощью четвертьволнового протектора и переходного слоя, а также определяется степень демпфирования.

В пятой главе приводятся результаты разработки основных электронных блоков устройства. Рассматриваются погрешности, обусловленные физикой процесса распространения звука в газе, электронными блоками и элементами конструкции и определяются их величины. Анализируются способы уменьшения погрешности проводимых измерений.

Актуальность проводимых исследований подтверждается тем, что работы в данной области проводятся не только в нашей стране, но и в западных станах. Проводимая работа связана с региональными научными программами, в частности финансовая поддержка исследований осуществлялась в рамках региональной программы развития "Прогресс и Регион" по теме "Разработка метода анализа парогазовых сред"

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

• Для многоканальной ультразвуковой анемометрии разработаны алгоритм определения динамического состояния воздушной среды, в котором впервые реализован принцип разделения информации о скоростях потока воздуха и его температуры путем сопоставления сигналов противоположных направлений распространения ультразвука.

• Установлено, что увеличение импеданса первого переходного слоя позволяет повысить эффективность работы преобразователя в режиме излучения - приема в отличие от известных систем с последовательным уменьшением импеданса переходных слоев.

Материалы данной работы были обсуждены на конференциях различного уровня:

1. Вторая областная научно практическая конференция молодежи и студентов "Современная техника и технологии" - г. Томск, 1996 г.

2. Международная юбилейная научно-техническая конференция "Физика и техника ультразвука" - г. Санкт-Петербург, 1997 г.

3. Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды" - г. Томск, 1998 г.

4. Пятая областная научно-практическая конференция молодежи и студентов "Современная техника и технологии" - г. Томск, 1999 г.

5. 15 Российская научная конференция "Неразрушающий контроль и диагностика" - г. Москва, 1999 г.

ВЫВОДЫ

1. Точность измерения динамических параметров газового потока -скорость, направление, температура определяется многими факторами, определяемыми условиями, в которых предполагается применять измерительную аппаратуру, измеряемой средой и самой аппаратурой.

2. Точность измерения можно повысить за счет введения в измерительную аппаратуру дополнительных датчиков, для учета дестабилизирующих факторов, таких как датчик давления и датчик влажности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в данной работе, в соответствии с поставленными целями и задачами, позволяют сформулировать основные результаты в следующем виде:

1. Получена система уравнений, решение которой позволяет получать информацию о скорости газового потока, его направлении по трем координатам и температуре по измерениям времени прохождения ультразвуковой волны в контролируемой среде.

2. Определены области значений параметров, при которых базовая система уравнений имеет решение, и сформулированы условия к выбору направления прохождения волны в рассматриваемой геометрии контроля.

3. Исследованы величины отклонения скорости звука в газе как функции его температуры по отношению к линейной, в зависимости от ширины температурного диапазона.

4. Проведен анализ влияния на скорость распространения звука влажности газа и его давления, и выбрана модель поглощения с целью определения частотного диапазона колебаний в предположении распространения в среде плоской волны.

5. Разработана конструкция первичного преобразователя, обеспечивающая возможность работы в широком диапазоне температур.

6. Разработан способ согласования акустического импеданса пьзопластины с газом, за счет искусственного увеличения импеданса переходного слоя.

7. Разработан способ понижения резонансной частоты преобразователя по сравнению с резонансной частотой пьезоэлемента, позволяющий формировать акустическое поле с заданными параметрами.

8. Исследовано влияние изменений давления и влажности газа на скорость распространения звука, Проведен анализ погрешностей измерения временных интервалов, связанных с температурными изменениями базы прозвучиавния, сносом акустического луча и дифракционными эффектами и методов их уменьшения.

9. Разработаны функциональные и принципиальные схемы основных блоков устройства, обеспечивающие требуемую погрешность измерения.

10. Получены зависимости акустического импеданса от влажности, позволяющие реализовать импедансный метод измерения влажности

Полученные результаты позволили создать опытный образец устройства для анализа динамического состояния атмосферного воздуха, который позволяет измерять скорость ветра в диапазоне 0-40 м/с с погрешностью ± (0,1+0,02У); направление ветра в диапазоне 0 - 360 град с погрешностью ±2 град; температуры воздуха в диапазоне -50 - +50 °С с погрешностью ±0,1 °С.

Анализ результатов исследований показывает перспективы применения данного метода и устройств

Анализ перспектив применения разработанного метода и устройства позволяет говорить о возможности его использования в различных областях науки, промышленности и техники. В частности, в метеорологии, метеообеспечении взлетно-посадочных полос аэропортов и авианесущих судов, использование в качестве контрольно-измерительного комплекса аэродинамических труб, при решении научно-исследовательских задач в области физики атмосферы и океана, а также в промышленности для решения задач, связанных с измерением расхода.

В заключении автор выражает глубокую признательность научному руководителю и научному консультанту, коллективу сотрудников НИИ оптического мониторинга за всестороннюю помощь в работе над диссертацией, ценные советы и критические замечания. А также всех сотрудников НИИ интроскопии и кафедры ФМПК, проявлявших неизменный интерес к данной работе и оказывавших всестороннюю помощь в реализации технических решений автора.

1. Пат. 1505494 Великобритании, МКИ4 G 01 К 11/24, НКИ G 1 G. Устройство для измерения температуры; опубл. 30.03.78.

2. А.с. 1137340 СССР, МКИ4 G 01 К 11/24 Ультразвуковой термометр/ А.К. Петров и др. 4461487/32-25; Заявл. 15.07.83; опубл. 30.01.85.

3. Пат. 1332933 Великобритании, МКИ2 G 01 К 11/24, НКИ G01 N Ультразвуковой термометр; опубл. 10.10.73.

4. А.с. 949352 СССР, МКИ 3 G 01 К 11/24 Ультразвуковой измеритель температуры/ С.И. Антанайтис и др.4662375/10; Заявл. 20.05.78; опубл. 23.09.80.

5. А.с. 1101691 СССР, G 01 К 11/24 Устройство для измерения температуры/ В.В. Звонарев и др. 3002345/34; Заявл. 28.03.80; опубл. 16.04.83.

6. А.с. 1651114 СССР, G 01 К 11/24 Способ определения температуры/ Г.В. Болдырев и др. 3650546/45; Заявл. 14.04.87; опубл. 23.06.89.

7. А.с. 1317293 СССР, G 01 К 11/24 Устройство для измерения температуры воздуха/ С.М. Персии и др. 4352657/36; Заявл. 24.04.80; опубл. 05.10.82, Бюлл. 32.

8. А.с. 775637 СССР, МКИ4 G 01 К 11/24 Устройство для измерения температуры., Заявл. 22.01.79, опубл. 1980, Бюлл. №40.

9. А.с. 1000789 СССР, МКИ3 G 01 К 11/22 Устройство для дистанционного измерения температуры/ Л.И. Захарьящев и др. 03762456/11; Заявл. 23.02.78; опубл. 06.11.80, Бюлл. № 8.

10. А.с. 1190211 СССР, МКИ4 G 01 К 11/24 Ультразвуковой термометр/А.И. Крылов и др. № 6575936/23; Заявл. 04.11.83; опубл. 07.11.85, Бюлл. № 12.

11. А.с. 221347 СССР, МКИ3 G 01 К 11/24 Способ измерения температуры/ И.И. Петров и др. № 6458439/25; Заявл. 16.06.59; опубл. 01.07. 68, Бюлл. №4.

12. А.с. 1247685 СССР, G01 К 11/24 Ультразвуковой термометр; №1247685, Заявл. 06.12.83, опубл. 26.09.83.

13. А.с. 769364 СССР, G01 К 11/24 Устройство для измерения температуры. № 2668973; Заявл. 25.09.78, опубл. 1980, Бюлл. № 31.

14. А.с. 930024 СССР, МКИ4 G01 К 11/24 Ультразвуковой измеритель распределения температуры по сечению трубопровода. №2978643, опубл. 23.05.82, Бюлл. №2.

15. Пат. 3738171 США, МКИ4 G 01 К 11/24, НКИ 73-339А Измерение температуры.

16. Заявка 3502879 ФРГ, МКИ4 G 01 К 11/24 Акустический термометр; опубл. 08.08.85.

17. Пат. 3540279 США, МКИ4 G 01 К 11/24, НКИ 73-339 Измеритель температуры; опубл. 17.11.70.

18. Заявка 3108756 ФРГ, МКИ3 G 01 К 11/24 Способ измерения скорости звука в газах с целью определения температуры; Вып. 104, 1993., №4, с. 12.

19. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: "Машиностроение". 1989. С. 440-476.

20. Патент № 4206639 США, МКИ4 G01 W 1/02, НКИ 73-189 Датчик скорости ветра, работающий на эффекте Доплера для звуковых волн. Опубл. 10.06.80., Том.995, №2.

21. A.c. 970223 СССР, МКИ3 G01 Р 5/00. Ультразвуковой измеритель скорости потока/ A.B. Рагаускас, Р.Р. Хомскис. Опубл. 30.10.82. Бюлл. №40.

22. Рагаускас A.B., Данилов В.Г., Даубарис Г.А. Цифровой измеритель скорости потока повышенного быстродействия// Измерител. техника. 1984. №3 С. 32-33.

23. A.c. 304503 СССР, МКИ1 G01 Р 5/00 Способ измерния скорости распространения акустических колебаний в движущейся среде/ С.М. Персии, М.В. Попов, Э.Л. Персина Опубл. 25.07.71. Бюлл. №17.

24. A.c. 964542 СССР, МКИ3 G01 Р 5/00 Измеритель скорости потока/ A.B. Дорошков -Опубл. 07.10.82. Бюлл. №37.

25. A.c. 650012 СССР, МКИ2 G01 Р 5/00 Автоматическое ультразвуковое устройство для измерения скорости потока/ В.М. Кушуль, В.К. Хамидулин, В.Л. Борцов -Опубл. 28.02.79. Бюлл. №8.

26. A.c. 964543, МКИ3 G01 Р 5/00 Ультразвуковой измеритель скорости потока газовых сред/Л.Н. Гостищев, В.Г. Любивый, В.Д. Киселев Опубл. 07.10.82. Бюлл. №37.

27. A.c. 552559, МКИ2 G01 Р 5/00 Устройство для измерения скорости потока жидкости и газа/ Г.С. Рыбин Опубл. 30.03.77. Бюлл. №12.

28. A.c. 847205, МКИ3 G01 Р 5/00 Ультразвуковой способ измерения скорости потока/ A.B. Рагаускас, В.Г. Данилов Опубл. 15.07.81. Бюлл. №26.

29. A.c. 655972, МКИ2 GOl P 5/00 В.И. Ультразвуковой измеритель скорости потока/ Домаркас, A.B. Рагаускас, В.Г. Данилов, Г.А. Марчулайтис Опубл. 08.04.79. Бюлл. №13.

30. Kritzt Ultrasonic flowmeter//Istr. Autom. 1955. Vol. 28. II. P. 37^14.

31. Решетников В. А. Ультразвуковой расходомер по частотно временной схеме//Измерение расхода жидкости, газа и пара. М., 1967. С. 241-248.

32. Fronek V. Ultrasonic measurement of oil flow in a laminar flowturbulent flow transition region//FLOMEKO 1978. P. 141-146.

33. Шафрановская. 3.M., Журавлев Л.И., Крысанова E.C. Ультразвуковые частотно -импульсные расходомеры// Приборы и системы управления. 1972. N 11. С. 15-16.

34. А.Ш. Киясбейли, A.M. Измайлов, В.М. Гуревич Частотно временные ультразвуковые расходомеры. - М:. Машиностроение, 1984. 128 с.

35. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. Л.: Энергия, 1968. 248 с.

36. Бражников Н.И., Каневский И.Н. Импульсный ультразвуковой метод исследования и контроля малых потоков жидкостей// Тр. метролог, ин-тов. 1970. Вып. 122 (182). С. 172-174.

37. A.c. 526827, МКИ2 G01 Р 5/00 Ультразвуковой измеритель скорости потока/ Ю.Е. Ободовский Опубл. 30.08.76. Бюлл. №32.

38. A.c. 838575, МКИ3 G01 Р 5/00 Ультразвуковой измеритель флуктуаций скорости потока/ A.B. Рагаускас, В.Г. Данилов Опубл. 15.06.81. Бюлл. №22.

39. A.c. 1002966, МКИ3 G01 Р 5/00 Устройство для измерения скорости потока жидких и газообразных сред/Б.Е. Белопольский, А.И. Бройтман, Г.С. Поль-Мари, И.Ф. Спицына Опубл. 07.03.83. Бюлл. №9.

40. A.c. 1081544, МКИ3 G01 Р 5/00 Ультразвуковой измеритель пульсирующих скоростей потока/ A.B. Рагаускас, В.Г. Данилов Опубл. 23.03.84. Бюлл. №11.

41. A.c. 1180798, МКИ4 G01 Р 5/00 Цифровой измеритель скорости ультразвука/ A.B. Рагаускас, В.Г. Данилов Опубл. 23.09.85. Бюлл. №35.

42. A.c. 1296942, МКИ4 G01 Р 5/00 Ультразвуковой измеритель скорости потока/ В.М. Гуревич Опубл. 15.03.87. Бюлл. №10.

43. A.c. 1644039, МКИ5 G01 Р 5/00 Ультразвуковой измеритель пульсирующих скоростей потока/ A.B. Ефимов, C.B. Семеновский Опубл. 23.04.91. Бюлл. №15.

44. Биргер Г.И., Бражников Н.И. Ультразвуковые расходомеры. М.: Металлургия, 1964. 382 с.

45. Филатов В.И. Анализ ультразвукового метода измерений расходов веществ. -Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности, 1975. №1, с. 22-24.

46. Филатов В.И. Компенсация изменений скорости ультразвука в ультразвуковых расходомерах. Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности, 1974. №1, с. 26-29.

47. Гуманюк М.Н., Архипенко И.П. Ултразвуковой расходомер воздуха в шахтных выработках//Автоматика и кибернетика на шахтах и рудниках. 1969. С. 63-68.

48. Бойко В.А., Корогод Л.И., Карбовский Ю.М. Принципы создания ультразвукового расходомера воздуха в шахтных выработках// Тр. Днепропетровского филиала инта. Прикладная акустика. 1969. Т. 2. Вып. 21. С. 129-137.

49. A.c. 568022, МКИ2 G01 Р 5/00 Устройство для измерения скорости ветра // Л.П. Афиногенов, М.В. Попов Опубл. 05.08.77. Бюлл. №29.

50. Варлатый Е.П., Тихомиров В.П. Трехкомпонентный акустический измеритель скорости движения. // Тез. докл. Первой Всесоюзной конференции по исследованию и освоению ресурсов мирового океана, Владивосток, 1976, с. 89-92.

51. A.c. 617719, МКИ2 G01 Р 5/00, G01 F 1/00 Устройство для измерения скорости воздушного потока // Ф.С. Клебанов, С.З. Шкундин, В.К. Романов Опубл. 30.07.78. Бюлл. №28.

52. A.c. 651252, МКИ2 G01 Р 5/00, G 01 W 1/00 Приемное устройство ультразвукового анемометра // Ю.Е. Ободовский Опубл. 05.03.79. Бюлл. №9.

53. A.c. 718787, МКИ2 G01 Р 5/00 Способ определения составляющих скорости течения жидкости или газа // А.И. Жданов, Е.Б. Кудашев, Л.А. Решетов, А.Г. Строчило Опубл. 28.02.80. Бюлл. №8.

54. A.c. 877449, МКИ G01 Р 5/00 Ультразвуковой измеритель параметров атмосферы // A.B. Тамулис, Р.-И.Ю. Кажис, С.И. Антанайтис Опубл. 30.10.81. Бюлл. №40.

55. A.c. 998956, МКИ3 G01 Р 5/00 Устройство для измерения скорости ветра // Т.О. Петрова, С.Р. Стефанов, Ю.П. Чистосердов Опубл. 23.02.83. Бюлл. №7.

56. A.c. 1153295, МКИ4 G01 Р 5/00 Ультразвуковой измеритель трех компонент вектора скорости потока // A.B. Рагаускас, В.Г. Данилов, Г.А. Даубарис Опубл. 30.04.85. Бюлл. №16.

57. Маклаков А.Ф. и др. Океанографические приборы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1975 г.

58. FA-600 series ultrasonic anemometer/ thermometr: KAIJO corparation, Tokyo.

59. The Solent ultrasonic research anemometr. Bristol, UK: BIRAL. 1993.

60. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во. иностр. лит., 1956 г.

61. Кулешов В.К., Соловьев Н.А., Короткое М.М. Исследование метода акустической термометрии // Современные техника и технологии: тез. докл. 5-ая областная научно-практическая конф., Томск, 1999 г.

62. Берлинер М.А. Измерения влажности. М.: Энергия, 1973 г.

63. Теплофизические свойства вещества. Под ред. Варгафик Н.Б. М.: Г И, 1956.

64. Мордухович М.И. Акустический термометр. Труды ИФА АН СССР, 1962, №4, с. 30-80.

65. Свойства влажного воздуха при давлениях 500 1000 мм рт. ст.// Таблицы и диаграммы. - М.: ГНТИ литературы по горному делу, 1963 г.

66. Красильников В.А. Звуковые и ультразвуковые волны. -М.:Физматгиз, 1960 г.

67. Brown Е.Н., Hall F.F. Jr. Advances in atmospheric acoustics. Rev. Geophys. and Space Phys., 1978,v. 16, N1, p. 47-110.

68. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферы. Новосибирск: Изд-во. "Наука", 1986 г.

69. Beranek L.L. Acoustics. N. Y.: McGraw-Hill Book Co., 1954.

70. Neff W.D. Quantitative evaluation of acoustic echoes from the planetary boundary layer. NOAA Technical Report ERL 322 - WPL 38, Boulder, Colorado, 1975.

71. Pesuit D.R. Air absorption calculations for outdoor plant design. J. Sound and Vibration, 1979, v. 61, N 3, p. 427-436.

72. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред. А.П. Голяминой. М.: Советская энциклопедия, 1979 г.

73. Короткое М.М., Капранов Б.И. Акустический метод измерения влажности газа // Физика и техника ультразвука: тез. докл. научно-техническая конференция., Санкт-Петербург, 1997 г.

74. Короткое М.М., Капранов Б.И., Корольков В.А. Измерение температуры воздушного потока и его направления И Современные техника и технологии: тез. докл. 5-ая областная научно-практическая конференция., Томск, 1999 г.

75. Городецкий О.А., Гуральник И.И., Ларин В.В. Метеорология, методы и технические средства наблюдений. JL: Гидрометеоиздат, 1984.

76. Н. Stenzel. Uber die Berechnung des Schallfeldes von kreisformigen Membranen in starrer Wand. Ann. Phys., 1949, 4, 6, 303 -324.

77. J. T. Dehn. Interference patterns in the near field of a circular piston. J. Acoust. Soc. America, 1960, 32, 12, 1692- 1696.

78. Дж. В. Стретт (лорд Рэлей). Теория звука, т. 2, М: ГТТИ, 1955.

79. L. W. King. On the acoustic radiation field of the piezoelectric oscillator and the effect of viscosity on transmission. Canad. J. Res., 1934, 11, 2, 135 155.

80. H. Seki, A. Granato, R. Truell. Diffraction effect in the ultrasonic field of a piston source and their importance in the accurate measurement of attenuation. J. Acoust. Soc. America, 1956, 28, 2, 230 238.

81. A. O. Williams, Jr. The piston sourse at high frequencies. J. Acoust. Soc. America, 1951, 32, 1, 1-6.

82. R. Bass. Diffraction effects in the ultrasonic field of a pistol source. J. Acoust. Soc. America, 1958, 30, 7, 602 605.

83. Э. Грей, Г. Мэтьюз. Функции Бесселя и их приложения к физике и механике. М., ИЛ, 1953.

84. Бабиков О.И. Ультразвуковые приборы контроля. Л. .'Машиностроение, 1985 г.

85. Киясбейли А.Ш., Измайлов A.M., Гуревич В.М. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. М.: Машиностроение, 1984.

86. Яковлев Н.Н., Самокрутов А.А., Козлов В.Н., Шевалдыкин В.Г. Ультразвуковые низкочастотные преобразователи с низким уровнем собственных шумов // ПСУ. 1989. № 1.С. 24-27.

87. Ермолов И.Н., Рыжков-Никонов В.И. Теория работы пьезоэлектрических преобразователей ультразвуковых дефектоскопов. Дефектоскопия, 1976 №5. с. 22-28.

88. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981.

89. Домаркас В.И., Кажис Р.-Й. Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. Вильнюс: Минтис, 1975.

90. A.c. № 1772724А1, G01N29/04 Пьезоэлектрический преобразователь // Н.С. Марьин Опубл. 30.10.92. Бюлл. №40

91. A.c. № 1534387, G01N29/04 Ультразвуковой низкочастотный преобразователь.// A.A. Самокрутов, В.Г. Шевалдыкин, H.H. Яковлев Опубл. 07.01.90. Бюлл. №1.

92. A.c. № 1619165, G01N29/04 Материал демпфера ультразвукового преобразователя. // В.В. Лобанов, И.С. Байдин. Опубл. 7.01.91. Бюлл. №1

93. A.c. № 1562843, G01N29/04 Пьезоэлектрический преобразователь для ультразвукового контроля //A.M. Волков. Опубл. 7.05.90. Бюлл. №17.

94. A.c. № 1590962, G01N29/04 Материал для демпфера ультразвукового преобразователя// И.Б. Бурд, В.В. Сажин Опубл. 7.09.90. Бюлл. №33.

95. A.c. № 1280535, G01N29/04 Материал для демпфера ультразвукового преобразователя// В.Г. Шевалдыкин, H.H. Яковлев Опубл. 30.12.86. Бюлл. №48.

96. A.c. № 1425534, G01N29/04 кин Ультразвуковой низкочастотный преобразователь.// В.П. Козлов, В.Г. Шевалды Опубл. 23.09.88. Бюлл. №35.

97. A.c. № 1758542, G01N29/04 Демпфер к ультразвуковому преобразователю и способ его изготовления.// A.B. Захаров, A.B. Сергеев Опубл. 30.08.92. Бюлл. №32.

98. A.c. № 526824, G01N29/04 Демпфирующая масса для ультразвуковых преобразователей.// М.Б. Гитис, В.М. Добромыслов, И.Н. Каневский, М.М. Нисневич Опубл. 30.08.76. Бюлл. №32.

99. Капранов Б.И., Коротков М.М. К вопросу о согласовании пьезоэлектрических преобразователей с малоимпедансными нагрузками. // Современные техника и технологии: тез. докл. 5-ая областная научно-практическая конф., Томск, 1999 г.

100. Бурков В.В., Корольков В.А., Капранов Б.И., Шаверин В.А., Коротков М.М. Малогабаритный ультразвуковой метеокомплекс. // Неразрушающий контроль и диагностика: тез. докл., 15-ая российская научная конф., Москва, 1999 г.

101. Справочник по физике. М.: Наука, 1988 г.

102. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля. Под. ред. И.Н. Ермолова. М.: Машиностроение, 1986 г.

103. Королев М.В., Карепельсон А.Е. Широкополосные ультразвуковые преобразователи. -М.: Машиностроение, 1986 г.

104. Короткое М.М., Капранов Б.И. Использование волн Лэмба для измерения уровня сжиженного газа в железнодорожных цистернах// Современные техника и технологии: тез. докл. 2-ая областная научно-практическая конф., Томск, 1996.

105. Коротков М.М., Капранов Б.И. Ультразвуковой способ измерения уровня сжиженных газов// Физика и техника ультразвука: тез. докл. научно-техническая конф., Санкт-Петербург, 1997.

106. Коротков М.М., Капранов Б.И. Ультразвуковой способ измерения уровня сжиженных газов. В 1999 г. С. 110 112.

107. Киясбейли А.Ш., Измайлов A.M., Гуревич В.М. Частотно временные ультразвуковые расходомеры. -М:. Машиностроение, 1984. 128 с.

108. Коротков М.М., Капранов Б.И. Ультразвуковой уровнемер сжиженного газа// Современные техника и технологии: тез. докл. 2-ая областная научно-практическая конф., Томск, 1996.

109. Цитович А.П. Ядерная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1984.

110. Азбукин A.A., Бурков В.В, Крольков В.А. Автоматизированный метеокомплекс нового поколения. Региональный мониторинг атмосферы. Ч. 2. Новые приборы и методики измерений. Томск: Изд-во "Спектр" института оптики атмосферы, 1997 г.-с. 208-217.

111. Коротков М.М., Капранов Б.И. Акустический комплекс для измерения массы нефтепродуктов// Качество во имя лучшей жизни: тез. докл. конф. Томск,1997 г.

112. Баранов В.М., Гриценко А.И., Карасевич A.M. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно-энергетического комплекса. М.: Наука, 1998 г.1. Д.Ф.-М-Н. ■■■••"утвервдаю

113. Зам. директора ИОМ СО РАН г. ТомскАихомиров А. А.2000 г.справкаоб использовании результатов диссертационных исследований Короткова М.М.

114. На основе полученных научных исследований диссертантом разработана конструкция пьезоэлектрического преобразователя, применяемого в акустическом термоанемометре ТАУ-1, разработанном и выпускаемом в ИОМ СО РАН.

115. Директор НПП ^Электроопти ка"1. Азбукин А. А.2000 г.1. СПРАВКАоб использовании результатов диссертационных исследований Короткова М.М.

116. На основе полученных научных исследований диссертантом разработана конструкция пьезоэлектрического преобразователя, применяемого в акустическом расходомере.

117. Научный уровень выполненной работа характеризует Короткова М.М. как зрелого специалиста в области ультразвуковых методов неразрушающего контроля.1. Корольков В.А./