автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.04, диссертация на тему:Ультразвуковая термометрия - концепция, синтез, реализация

РГ6

\ з ЯНВ

Державний ушверситет "Лвв±вська пол1техн±ка "

На правах рукопису УДК 536.5:534-8

Л У Ц И К Ярослав Теодорович

УЛЬТРАЗВУКОВА ТЕРМОМЕТРЫ - КОНЦЕПЦ1Я, СИНТЕЗ, РЕАЛ13АЦ1Я

Спец!альн1сть 05.11.04- припади та методы еиШрювання теплових величин

Автореферат дисертащ! на здобуття наукового ступеня

доктора техн1чних наук

ЛЬВ1В - 1996

Дисертащего е рукопис

Робота виконана у Державному ушверситеп "Льв1вська полггехшка"

Науковий консультант - доктор техшчних наук, професор,

академнс AIH Украхни, Заслужений винахщник Укра1ни Стадник Б.1.

Офщшт опоненти:

1.Доктор техшчних наук, професор, академш PATH Федик I.I.

2. Доктор техшчних наук,

професор Назаренко JI.A.

3. Доктор техшчних наук ,

с.н.с. Грищенко Т.Г.

Tipoeibna органиацЫ - НВО "Електротермометр1я" (м.Луцьк)

Захисг вщбудеться ".2.4" Ol'uH 9. 1994р. о 14 год. в ауд.226 головного корпусу на засщанш спещал1зованох вчено! ради Д 04.06.11 у Державному ушверситет1 "Лыпвська полп-ехшка" (290646, Льв1в-13, вул.С.Бандери, 12).

Вщгуки на автореферат у двох пришрниках, зав!реш печаткою, просимо надсилати за адресою: 290646, Львш-13, вул.С.Бандери, 12, Державний ушверситет "Льв1вська полггехшка", вченому секретарю ради Д 04.06.11.

3 дисертащею можна ознайомитися в б1блютещ Державного ушверситету "Льв1вська гоштехнка" (290013, Льв1в-13, вул.ПрофесорськаД).

Автореферат розюланий " 199^р.

Вчений секретар спецюлкованоL,——

вченоХради, д.т.н., профУ~---^ Бичмвський Р.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальность проблема. Важливкть та -необхщшсть температурних вим1рювань для подальшого прогресу наукових дослщжень та розвитку сучасних галузей народного господарства, таких як енергетика, ядерна та кос.чпчпа техшка, металурпя, xiмiчнa промислов1сть та ш., тдтверджуеться великою кшыистю науково-дослщних та дослщиицько- конструкторських робп-, направлених на покращення параметр ¿в вщомих та створення нових засоб1в вим1рювання температури. Точшсть та надшнкть вим1рговань температури в промисловосп, як вщомо, визначае яюсш параметри технолопчних процеЫв та забезпечуе гарантовану штерпретащю кшцевих результата.

Незважаючи на широку номенклатуру термометрт, яю випускаються ссршно, не вдаеться задовшьнити ва вимоги, яю висувають наука \ промисловють. Це пов'язано з ускладхгенням умов експлуатаци в об'ектах ново! техшки, необхщшстго бшьш жорсткого температурного контролю технолопчних процеав, пщвищенням вимог в питаниях безпеки та ¡и. Тому увагу досгпдншав привертають перспективы шляхи розвитку термометрй на нових засадах.

Один з таких напрямкш - ультразвукова (УЗ) термометр1я, яка базуеться на використанш температурно1 залежносп параметров поширення акустичного сигналу. Перш! кроки по створенню ультразвукових термометрт (УЗТ) були зроблеш в 60-х роках при виршгенш проблем вим!рювання температури в актившй зoнi реактор1в. Роботи Белла (Англия), Лшнвоса (США), Тасмана (Свропейська комгая по атомшй енергп) та ш. показали, що УЗТ мають певш переваги перед традищйними засобами вим1рюванпя (термоелектричними та терморезистивними термометрами, шрометрами), а саме:

- потенцшно бшьш широкий виб1р магер1ал1в для чутливих елемента (ЧЕ) УЗТ, перел1к яких включае, окрш мечигнв 1 метал1чних сплав ¡в, керамжу, рщини, гази;

- можливкть використання окремих компонента 1 вузл1в контрольованого об'екту, як ЧЕ УЗТ;

- вщсутшсть електричних ланок в 391« високих температур 1 , вщповщно, вщмова вщ застосування високотемпературних електричних 130лятор1в;

- можлив1сть створення на баз1 одного ЧЕ багатозонного УЗТ для вим!рювання розподшу температур;

мояшдасть вим!рювання температури в об'ек'П без розгерметизацц;

- мoжливicть замши мaтepiaлy ЧЕ ( газового або рщинного) в процеа експлуатацп;

- мошпшсть реконструкци профшо температурного поля в об'ек'П за результатами сканування акустичними сигналами.

Враховуючи вищеназване, перспектившсть УЗ термометра е очевидною, особливо в таких галузях, як реакторна термометр1я, металурпя, енергетика, а тема робота - актуальною, що пщтверджуеться тим, що вони проводилися в рамках директивних документа ГКНТ при Ра;ц Мипстр1в СРСР (постанова №466/242 вщ 9.12.80 р., №515/271 вщ 29.12.1981 р.), Ради М1шстр1в СРСР (наказ №64 вщ 19.01.88 р.), Союзпромприладу (накази №2/2-15п-187 вщ 16.02.81р., №2/3-55-567 вщ 13.05.81 р.) та шших, яю стосувалися спещальних дослщжень.

Актив1зацй дослщжень в галуз1 УЗ термометрй в певшй м1р1 сприяе ситуащя в промисловосп Украши, яка вимагае, по-перше шукати альтернативу термометрам на основ1 метал1в платиново! групи 1, по- друге, покращити ситуащю в галуз1 енергоспоживання.

Але для того, щоб перейти вщ загально! ще! створення УЗТ до

шженерно1 реашзацп, необхцщо було розглянути 1 виршити щлу гаму завдань, пов'язаних з1 специфжого напряму.

Загальний стан проблема. За останш десяттшття проведен! значш робота з розвитку загально'1 теорн \ техтки температурных зим1рговань, анал1зу джерел методичних похибок. Але, не дивлячись на певш устхи в розвитку теорп 1 технжи термометрп, стан Ц1С1 лроблеми як в ¡снуючих засобах, так 1 в облает наукового доробку, зацшеного на подальший розвиток термометра, не завжди вщповщае шмогам дня. Не дивлячись на р1зномаштшсть конструктивна шконань засоб1в вим1рювання температури 1 нагромаджений (начний доевцт; 1х експлуатаци, нов1 умови застосування 1 шдвищення шмог до метролопчних харатеристик заставляють переглянути 1ринципи 1х побудови та створення нових метод ¡в. До таких терспективних метод1в слщ вщнести 1 УЗ термометрию.

Загальна проблематичность питания створення сучасних :онкуреншоспроможних УЗТ для середшх 1 високих температур голягае у вщсутносп достатнього наукового доробку теоретичних, ехнолопчних та метролопчних основ проектування 1 структурно/ юбудови таких прилад1в.

Незважаючи на певш поступи 1 устхи в окремих напрямках, [априклад, в ¡мпульешй акустичнш термометра, загальна платформа дя створення УЗТ з прогнозованими характеристиками вщеутня. 1кщо деяю питания конструювання первинних термоперетворговач1в ля рЬних умов експлуатаци 1 можна вважати проробленими, то так! роблеми, як розрахунок \ конструювання багатозонних чутливих леменгпв, методолопя розрахунку 1 прогнозу метролопчних араметр!в ¡мпульсних 1 резонанснихУЗТ, критерн вибору матер1ал1в ля ЧЕI звукопровод1в та деяю шип опрацьоваш явно недостатньо.

Мета роботи. Створення теоретичних, технолопчних 1 етролопчних основ проектування прекцизшних УЗТ для р1зних

умов експлуатацп та виршення науково! проблема створення комплексу розрахункових, експериментальних 1 апаратних засоб1в для реал1зацп переваг УЗ метод1в в обласп термометра.

Завдання досл±джень. У вщповщносп до поставлено! мети завданнями дослщжень були:

- анализ нштв побудови термометр1в на основ! УЗ метод1в I формушовання методологи створення згаданих термометр1в ;

- синтез та критичний анал13 структурних схем ¡мпульсних та резонансних УЗТ;

- яюсний та кщькюний анал1з взаемозв'язюв м1ж впливагочими факторами та змшою вихщних параметр1в УЗТ;

- проведения теоретичних та експериментальних дослщжень р!зних конструкцш ПП;

- розробка рекомендацш по кожному з вщповщальних вузл!в УЗТ для оштшацп його характеристик та шженсрноТ реал1зацп;

- експериментальш дослщжешгя низки матер1ал!в з метою Тх використання в УЗ термометри;

теоретичний анал!з та експериментальна перев1рка метролопчних параметр!в модифжацш УЗТ I визначення шлях1в хх покращення;

- узагальнення отриманих результатов та розробка рекомендацш для практичного створення УЗТ для д1апазошв середшх та високих температур.

Метода дослхджень. Методолопчну основу дисертацшно! робота складае системний пщхщ до проектування новостворених техшчних засоб!в вим1рювання температури -УЗТ.

Для теоретичних узагальнень 1 дослщжень математичних моделей окремих складових УЗТ, 1*х побудови 1 оптим1зацп використовувались теоретичш та експериментальш метода дослщжень, базоваш на загальнш теори теплоф1зики та акустики, низки роздшв теорп

електромехашчних аналопй, теорп радютехшчних кит та загальноУ електротехшки, ф1зики твердого тша, а саме роздшв.яю стосуються теорп дефекта кристал1чно'У гратки та Ух зв'язку з внyтpiшнiм тертям (ВТ) при щщнованш акустичних коливань. Окр1м того, застосовувались шип експериментальш методи, а саме ренггеноструктурний, \нкрорентгеноспектралышй та

металограф1чний анал1зи.

Наукова новизна. Основш пауков! результата, висунутс на захист, гголягають в тому, що: .

1) розвинуп системи! аспекта проектуванняУЗТ, що дозволило:

- запропонувати процедуру розробки УЗТ вщ формування вимог до них до оцшки 1х метролопчних параметр1в;

- створити засади методологи 1 теори виршення окремих задач проектування УЗТ або окремих Ух вузл!в;

2) дослщжеш питания побудови оптимальних структур та алгорштмв з оцшкою похибки I вибору елементноУ бази, як! вщповщають конкретним критер1ям якосп;

3) розроблеш принципи побудови та схемноУ реа;изаци р1зних тип ¡в УЗТ;

4) сформульоваш критери та рекомендащ'У для коректного вибору матер1а:ив ЧЕ УЗТ;

5) дослщжеш пружно-в'язю характеристики низки матер1'алт з перспективою Ух застосування для виготовлення конструкцшних елементпв давач!в УЗТ;

6) експериментально встановлеш залежносл пружно-в'язких характеристик вщ дУ! зовншпих фактор1в ( деформацш, гермоциклювання та ¡и.);

7) дослщжено корелящю м1ж пружно-в'язкими та електроф1зичними характеристиками матер1ал1в з врахуванням цислокацшних та вакансшних мехашзшв релаксащУ;

8) розглянуп метрололчш аспекта створення ¡мпульсних та резонансних УЗТ з формулюванням вираз1в для розрахунку похибки вим1рювання.

Автор захищве:

- принципи побудови засоб1в втпрювання температури на основ! УЗ метод1в;

- теоретичш та практичш рекомендацц по конструюванню електроакустичних перетворювач1в для УЗТ;

- результата розрахунюв параметр1в ЧЕ 1 пропозицй по корекцп розкиду IX початкових параметр1в;

- пропозицй по схемотехшчнш реал1зацп викпрювальних пристро!в УЗТ;

- принципи створення прилад!в з розширеними функцюнальними можливостями;

- теоретичний шдхщ до розрахунку та розрахунков1 результата по оцшщ метролопчних параметр ¡в УЗТ;

- експериментально встановлеш температурш залежност1 пружно-в'язких характеристик вольфраму, решю, мол1бдену, ¡рщно, корунду, карбщу кремшю та низки сплав1в в широкому температурному штервал1;

- експериментально встановлеш залежносп пружно-в'язких характеристик вщ дп зовшшшх фактор!в ( деформацш, термоциклювання та ¡н.);

- комплекс рекомендацш для тженерно! реал!зацп УЗТ з прогнозованими метролопчними характеристиками;

- новоствореш багатозонш УЗТ для вим1рювання температури в декшькох зонах або п розподшу;

- новостворений прилад для вим!рювання пружно-в'язких характеристик твердосплавних матер!агив на зразках з малими габаритними розм1рами;

- принципи верифкаци УЗТ при випуску з виробництва та експлуатацп.

Достов±рн±сть результатов. Достов1ршсть отриманих результата обумовлена коректшстго виконаних експеримента i розрахушав 1 шдтверджуеться малими значениями розб1жностей м1ж результатами теоретичного анал1зу та експериментальних дослщжень.

Практична ц±нн±сть робота. Результата теоретичних та експериментальних дослщжень дозволили виршшти проблему створення УЗТ з високими 1 прогнозованими метролопчними характеристиками.

Розроблено декшька модифкацш резонансних та ¿мпульсних УЗТ для вим1рювання середшх 1 високих температур.

Розроблено багатозонш ( при чист зон до 15-ти) УЗТ для вжпрювання розподшу температур, експериментальш зразки прилад1в для безшерцшного контролю аваршних ситуащй, яю супроводжуються швидфш наростанням температури.

Розроблено прилад для вим1рювання динам1чного модуля пружносп малогабаритних зразмв твердосплавних матер1аЛ1В,

Реал±зац±я роботи. На основ! отриманих теоретичних та експериментальних результата були сгвореш УЗТ, як! пройшли широку програму випробувань та використовувались для вим1рювання середшх I високих температур в промисловость При безпосереднш учасп автора були сконструйоваш, апробоваш в лабораторий практищ та промислових умовах р1зш модифжацй' УЗТ.

Науков1 положения 1 висновки дисертацп використовувались 1 використовуються при виконанш НДР та ДКР по створенш та виготовленш термоперетворювач^в в НВО"Термоприлад" (м.Льв1в), ЕТМ"Електротермометр1я"(м.Луцьк), Державному университет!

"Льв1вська полгтехшка".

Теоретичш результата робота використовуються у навчальному процеа в ДУ"Льв1вська пол1техшка" при тдготовщ студен-пв за спещальшстю "Вим!рювальш перетворювач! для автоматизованих систем" в курсах "Первинш вимipювaльнi перетворювач]'", "Технолопя первинних втайрювалышх перетворювач1в", "Основи термометри", "Неруйшвнийконтроль".

Апробация робота. Основш положения робота доповщались на 5 м1жнародних конференщях, на 7 всесоюзних науково-техшчних конференщях \ симпоз1умах, 2 республшанських науково-техшчних конференщях та сешнарах.

ЛублхкацИ. За результатами виконаних дослщжень опублжовано 65 робгг, ¡з них одна монограф1я, один навчальний поабник, один довщник i 12 авторських свщоцтв на винаходи.

Структура робота. Дисертащйна робота складаеться 13 вступу, п'яти глав, висновшв, списку цитованоУ л!тератури та додатюв.

1.теоретичш аспекти вим1рювання темпер атури за допомогою ультразвуку

В основ! створення УЗТ лежить використання температурних залежностей параметр!в, яю описують процес поширення УЗ хвиль в певному середовшщ. В першу черту, це залежшсть фазово! швидкосп поздовжних, крутильних або шшого виду коливань. Загалып аспекти генераци 1 поширення акустичних хвиль викладеш у вщповщних наукових виданнях, але в них роглядаеться поверхово вплив температури на параметри, ям описують акустичш процеси.

Вщом! \ вщносно. просп теоретичш сгаввщношення для поздовжних та крутильних коливань в твердих матер1алах обумовили на попередшх етапах IX переважне 1 усп!шне застосування в експериментах при створенш перших модифпсацш УЗТ. Згинов! хвил! застосовувались при експериментах з камертонними

г 1' I

резонансними УЗТ. В щеалышх газах швидоасть "при заданш температур! росте пропорцшно Л1Т, що е основою для створення газових УЗТ. Дослщження УЗТ з рщинними ЧЕ показали, що вони характеризуються високою лшшшстю вихщно1 характеристики 1 великим значениям температурного коефцдента швидкость

За умови вщсутносп теоретичних стввщношень, яю би явно зв'язували температуру з характеристиками пружносп речовин (кр1м газ!в), прогнозування параметр1в ЧЕ е складною проблемою. В|'дсутня щформащя про стабшлисть пружних 1 в'язких характеристик в чаа. При збшьшенш частота та температури проявляеться вплив релаксацшних процеив, кнування яких е одною з причин обмеження частотного Д1апазону УЗ термометрн (табл. 1).

Таблиця 1. Частотш д1апазони застосування ультразвукових мето/пв в контрольно-

викнрювальнш техшщ __ 103 104 105 106 107 108 Ю9 Ю10' Гц

Науков1 дослдження в газах, р0шшх ш

в твердых тишх

Контроль властивостей 1 складу речовин, технолопчних процшв в газах

вр\дгиюх

в твердих тиюх

Гщролокац1я

Ультразвукова дефектоскопк

Контроль р1вшв, розм^рй

Термометры 1

Медична диагностика

Лщпзатримки

Фшьтри

Перетворювач! сигнашв в акустоелектрошщ ......,1.,,.

Акустооптичш пристро! ■а

Обмеження знизу зв'язано з вимогами яокалЬаци зони вим1рювань I до габарита ЧЕ, а зверху - з розйюванням пружних хвиль на неоднорщностях 1 впливом релаксащйних процеав. Для

високотемпературних УЗТ з твердотшьними ЧЕ особливе значения мають релаксацшш процеси, зв'язаш а зернограничним прослизанням, яке контролюеться диффуз1ею.

В високотемпературнш УЗ термометри широко використовуеться явище вщбивання вщ персшкоди, якою в необмеженому однородному середовшщ може бути тверда стшка, межування з ¡ншим середовищем або з вакуумом. В стрижнях та пластинах вщбивання вщбуваеться пр1 р1зкш змии значения площини перерезу, наявносп згишв та мехашчних контакта. Сшввщношення, яю визначають напрямки вщбитих 1 заломлених хвиль, отримуються з м1ркувань симетрц, за якими дотичш до поверхш роздшу компонента хвильового вектору к не повинш мшятися.

Для створення в середовииц УЗ коливань та 1х реестраци в УЗ термометри е дощльним застосування магштострикцшних (МС) та л'езоелектричних (ПЕ) електроакусгичних перетворювач!в (ЕАП). МС ЕАП, забезпечують перетворення електричних сигнал1в в акустичш до частот =200 кГц. ПЕ ЕАП використовуються, як правило, для перетворення сигнал1в з частотою, вищою за 100 кГц.

В резонансних УЗТ для розширення д1апазону робочих частот ЕАП використовують демпфування неробочого торця. У випадку вузькосмугових пepeтвopювaчiв доцшьно закр!плювати неробочий торець на масивнш опор1, а розташування котушки збудження вщрегулювати таким чином, щоб забезпечити синфазне сумування сигнал1в. Акустичну ¡золящю випромшюючих та приймаючих елемента вщ несучох конструкцп можна здшснити, застосовуючи опори у вузлових площинах хвилеводно! системи, або використовуючи чвертьхвильов11Эолятори [ швхвильов1 розв'язки.

В високотемпературних УЗТ необхщно передаваги сигнал вщ ЕАП до ЧЕ на пор1вняно велику вщстань, тому велике значения мае узгодження ¡мпеданав окремих ланок акустичного тракту. Доцшьно

застосовувати чверть- та твхвильов! прошарки (ланки), а для трансляцп сигналу - тони звукопроводи у вигля/ц стрижшв або дрота. При виконанш умови с1<0,2Л (<1-Д1аметр, А,-довжина хвшп) для поздовжних коливань (для крутильних коливань: с!<],2Я) звукопровщ забезпечуе ягасну передачу сигналш без помггних спотворень.

В осиов1 ¡мпульсних УЗТ лежить використання температурно'1 залежнот часового штервалу м1ж акустичними ¡мпульсами. Якщо використовувати роздшеш ЕАП, то УЗТ може функцюнувати по принципу синхрокшьця.

У високотемпературних УЗТ ефективним е вар!ант ¡мпульсного УЗТ, який функцюнуе в режим! вщбивання та використовуе в рол1 ЧЕ вщр1зок тонкого дроту з тугоплавкого матер1алу. В УЗТ здшснюеться вим1рювання часового штервалу т шж ¡мпульсами, вщбитими вщ початку та кшця ЧЕ (рис. 1,6).

Рис.1. Структурна схема (а) та характер вщбивання сигналу (б) в однозонному ЧЕ ультразвукового термометра;

в-д- конструкцп багатозонних ЧЕ

1-ЧЕ; 2-звукопровщ; 3-МС ЕАП; 4-магшт; 5-котушка збудження; 6-генератор 1мпульС1в; 7-шдсшповач; 8-осцилограф; 9-вим1рювач часових штервал1в; г-коефицент вщбивання; Щ'-коефкценти проходженыя.

Чутливють такого УЗТ Аг/тАТ = -0,5(а1+аЕ), де а, -температурний коефнцент розширення; аЕ - температурний коефицент модуля Юнга (для поздовжних хвиль). Якщо створити в ЧЕ деылька площин вщбивання внесениям акустичних неоднорщностей (канавок, отвор1в, згишв та ш.), то ¡мпульсний УЗТ

дозволяе проводити в1м1рювання температури або й розподшу в декшькох зонах одним ЧЕ (рис.1,е-д). При цьому проводиться послщовне вим1рювання часових штервал1в попарно М1ж ехо1мпульсами, вщбитими вщ вщповщних площин, що вщповщае середшм значениям температури на донках м1ж згаданими площинами. Окремий напрямок становить можлив!сть створення багатозонних ¡мпульсних УЗТ з1 сшльним використанням поздовжних та крутильних коливань. Бшып, як швторакратна р1зниця в швидкосп поширення цих коливань полегшуе завдання селекцп ехо1мпульыв р1зних вщцв. Значения коефоденту вщбивання для поздовжних хвиль визначаеться площиною пepepiзy, а для крутильних- коливань- значениям моменту шерци, що дозволяе забезпечити р1зш коефнценти вщбивання в одному 1 тому ж перер1зь

В резонансних УЗТ первинним перетворювачем е мехашчний резонатор, частота коливань якого залежить вщ температури. В залежносп вщ того, який тип хвшп використовусться, резонатори можуть бути р1зномаштними за формою та конструктивними особливостями. Найпростшшми за розрахунками i конструкщею с резонатори на поздовжних 1 крутильних хвилях.

Найбщьш вщомий вар1ант рсал1заци резонансних УЗТ- це кварцов1 термометри, як! будуються на ВЧ резонаторах К-зр1з1В. За своими метролопчними. характеристиками (точносп, шерцшноеп, чутливосп, роздщьчш здатносп) щ термометри переважають бшышеть шших, алё мають недолши: обмежений температурний Д1апазон вим1рювань, пстерезис показ1в.

Розширити можливосп резонансних УЗТ можна застосовуванням дискових резонатор1в згинових коливань. Роздшьча здатшеть таких УЗТ лежить на р!вш 0,01 К. На дискових резонаторах можна створювати багатозонш УЗТ, а використання двомодових резонаторов з контролем р1знищ значень резонансних частот

дозволяе виключити помилков1 результата при наявносп паразитних резонанав.

Для втирювання температур вище за 1000°С необхщно застосовувати ЧЕ у вигляд1 чверть- або твхвильових резонатор1в, збудження яких здшсшоеться пакетом (цугом) хвиль (рис.2). При ствпадшш значень частоти заповнення пакету та резонансно» частота ехосигнал мае характер ну форму огинаючо! з вираженим мш!мумом в центр» (рис.2,6). При падшш сигналу з амшлтудого А-1 ¡з звукопроводу з площею пepepiзy на твхвильовий резонатор з площею перер1зу 5, змша амплггуди ехосигналу вщповщае виразу:

Ап=г-и'(1 +/•+г2+.....+гк-1); к=1,2,3,....п-1 (I - коефщкнт проходження для

сигналу, який переходить ¡з резонатора у звукопровщ), а вираз ДЛЯ Лп буде:

П 1 + £ \ 1 + £/ ' вщношення ¡мпеданив) [1,14].

Ехосигнал на дшянках 1-11 (рис. 2, б) можна розглядати, як рЬнищо двох сигнал1в: сигналу з амплггудою г, який вщбиваеться вщ

Рис.2. Структурна схема (а) та ехосигнал (б) резонансного УЗТ: 1-резонатор; 2-узгоджуюча ланка; 3- Л1ьмя зв'язку; 4-ЕАП; 5-модулятор; 6-генератор; 7-частото?.«р; 8-тдсилювач-обмежувач; 9-блок формування груп; 1 (Интегратор; 11-схема упра&тняя; 12-"пч1Иывж; 13-переторювач "частота-температура"

резонатора, та сигналу випромшення резонатора, яю при тотожносп значень частот збудження 1 резонансу е протифазними. Резонансний УЗТ, побудований на аналЫ р1знищ фаз на дшянках П II ехосигналу, показаний на рис.2,а [16]. В 9 здшснюеться пор1вняння сигнал1в з виход!в 8 та 6 на дшянках 11 II. В результат! на виход! маемо дв! групи ¡мпульс1в, вольтсекундш сумарш плогщ яких р1вш мiж собою

при р1знищ фаз на дщянках 11 II, р1внш Лср-п. Вшцезгадаш групи штегруюгься в 10 з протилежними знаками. Якщо Лср^п, то з'являеться сигнал неузгодження який використовуеться в 11 для

змши частота генератора 6.

Розглядаючи вщбивання сигналу всередиш твхвильового резонатора, амплпуду сигналу в мющ з'еднання ¡з звукопроводом можна представите у вигляд1 ат = гт , ¡з чого випливае

О,

г^ 1 =

1-е 1 + е

О,

- е

-тс

1 дал! для £«1 отримусмо: Q « л/(2е) , з

якого зрозумшо, що добротюсть резонатора задаеться вибором сшввщношення площин пер ер ¡з ¡в звукопроводу та резонатора. Оскшьки трившпсть сигналу збудження вибираеться в межах (30 -з-40)/0, де ^-перюд коливань, оптимальш значения добротносп, ям

забезпечують фазовий анал!з ехосигналу, лежать в межах 45-100. Розрахунки показали, що найбшьш ефективними слщ вважати конструкцп ¡з застосуванням ланки узгодження (трансформатора 1мпедансу), якою з'еднуються резонатор 1 звукопровщ.

При високих температурах у зв'язку ¡з зростанням ВТ необхщно враховувати внутринш втрати 1 вираз для амшнтуди ехосигналу твхвильового резонатора набувае вигляду [17] (22-складова добротносп, яка внзначаеться внутршшми втратами):

Ап = Г - и ехр

1з вщношення

02

>4оо (01-02)

/■ехр -

к

02

п -1

г ехр

я

02

- 1

(рис.2) видно, що, якщо й2>йи то

А{ (01 + 02)

(А оо /А])<0 I в процеа ввдбивання вщбувасгься переворот фази (рис.3,а,г). При £>2=()1(А00/А1=$) або при 0.2<0.1{Аоо/А1>0) мипмум амшитуди, який би вщповщав фазовому перевороту, у вщбитому сигнал! вщсутнш (рис.3, б, е,д).

Окр1м фазового, можна застосувати вар1ант анал1зу ехосигналу, який полягае у вим1рговаши тривалосп одного або кшькох перюд1в затухаючих коливань резонатора (цшянка III на рис.2,б), що лягло в основу створеного приладу для вим1рювання модуля пружносп зразюв металокерам!чних матер1ал!В.

УЗТ на неперервних коливаннях ефективш при вим!рюваннях швндкозмшно! температуря газового середовища. При цьому вщбуваеться частотна модулящя сигналу, а дев1ащя оцшюегься ¡з

• А/ / с/У стввщношення —г ~ ~' 'ТГ> де /-вщстань м1ж ЕАП.

Для об'егпв великих розм1р1в перспективним е метод реконструктивно! томографа, який дозволяе вщновлювати значения температури за результатами сканування задано! площини акустичними сигналами. В глав! розглянуп загальш аспекта ггроблеми вщиовлення профшо температурного поля за допомогого УЗ-сканування та шляхи н виршення.

2. Засади створення давач1в ультразвукових термометра

При використанш конструкцшних елеменлв об'екту в рол! ЧЕ УЗТ ЕАП закршлюеться безпосередньо або через буферний перехщ до такого елементу. Можлив1сть застосування ЕАП певноТ конструкци визначаеться ступенем неузгодженосп акустичних ¡мпеданив на гранищ межуючих середовищ, а також р1внем втрат в матер1алах, як! прозвучуються. Ефективне введения УЗ cигнaлiв без пошкодження оболочки об'екту можливе у випадках вим1рювання

температури рщин (рис.4) або у твердому тш.

У випадку високотемпературних об'екпв ЕАП розташовують

на певшй дистанцц вщ зони, в якш необхщно вим!рювати

температуру, для чого застосовують буферш хвилеводи та тоню

звукопроводи. При робел в режикп неперервних коливань

використовуються роздшеш передаючий та приймальний ЕАП, у

випадках використання ¡мпульсних сигнал ¡в, пакспв коливань, при

робот1 на вщбивання - сумпцеш або роздолено-сумицеш ЕАП. При

гадвшцених температурах „

Рис.4. Приклада вартнтт

3 вводу сигналу в об'ект

* вим1рювання:

1-передаючий перетворювач;

2- приймальний перетворювач; 3- сум!щений пере-

2 гворювач; 4-рефлектор; 5-перетворювач хвиль Лемба; 6-хвилевщ поздовжних хвиль; 7- хвилевщ хвиль Лемба.

експлуатаци доцшьно використовувати ПЕ ЕАП на основ1 шобату лтю (до 1330 К), МС ЕАП з котушками, намотаними на ксрам1чиому або метал1чному каркаа анодованим алюмш1евим або танталовим дротом, шкелевим дротом з окисним або керам1чним покритгям, мщним дротом в сшшсоновш ¡золяцп. Для осердя МС ЕАП доцшьно застосовувати розр1заш по довжиш шкелев1 трубки, пакета ¡з штампованих пластин, пластинки пермендюру, сшрально скручеш по довжиш. Нами запропоновано використовувати стрижень, виготовлений намоткою на тонку оправку попередньо окисленоУ фольги, що забезпечило мал1 втрати на вихров1 струми та спростило акустичне узгодження ¡з звукопроводом, а для покращення якосп демпфування хвостова частина осердя була сформована у виглад пластини [35]. Для комбшованих багатозонних УЗТ осердя ЕАП доцшьно виконувати ¡з прокатаного м1ж валками

дроту, що формуе гелжо'щальну ор^ентащю структури материалу 1 забезпечус генерацию як поздовжних, так 1 крутильних коливань.

В глав1 представлен! 1 детально описаш конструкцп МС ЕАП, розроблеш для ¡мульсних та резонансних УЗТ.

ЧЕ ¡мпульсних УЗТ. Конструктивно ЧЕ можуть мати велику кшыасть р1зновид1в, що пов'язано з вибором виду коливань, особливостями об'екту вим1рювання, кшьюспо зон та шше.

При вщбиванш сигналу з амплп-удого а—1 вщ ЧЕ однозонного УЗТ послщовшсть амшитуд ехо1Мпульав (рис.1,а): г; -и; - ти'; -

г^и ;........1з умови р!вно<Л1 по модулю амшптуд першого та другого

ехосипшив випливае, що е- 0,236 (для Я/СЗ^ ), або £ = 4,236 (для ), а коефщхент вщбивання дор1внюе по модулю 0,618. Послщовшсть амшптуд (для 5¡<52) мае вигляд: А9=0,618;

а з=0,6182; а 4= - 0,6183 (а^.аф.....ап - ¡мпульси багатократного

вщбивання). Для багатозонного ЧЕ (рис.1,б) умова р!вносп амплггуд ехосигнал1в без врахування багатократних вщбивань приводить до послщовнос-п: £п- 0,236; £23= 0,354; £34- 0,428; е45= 0,481, £у = 5/5,-; г2]= -0,618; т32~ - 0,477; г43= - 0,4; т54- - 0,35, де туг - коефшдент вщбивання для сигналу, що проходить ¡з _/-зони в г'-зону. Найбшьш ефективним, на наш погляд, е створення багатозонних ЧЕ на основ1 формування в стрижш слеменпв вщбивання (ЕВ) у вигляд] "пошкоджень" невеликих лишних розм1р1в. Розрахунок коефщента вщбивання г проводиться за сшввщношенням: г = {е1 -1) / 4(ег +1) + 4^/^(2я1 / л) .

Анал1з амплпудних характеристик вщбитих сигнал1в проводився за схемою рис.5, де ЕВ1 - ЕВ5 - елементи вщбивання 5- тизонного ЧЕ.

При однаковш довжиш зон послщовшсть амшптуд вщбитих сигнал1в: а0=г; а]-п2 ; а2=п4+гн2 ; аг=п6+зг314 ; а4=п8+6г316; а5- -110+10г31&. Пернл складов! в р1вняннях - це основш ехосигнали, друп -сигнали, яи утворюються за рахунок однократного вщбивання всередиш зони (показано пунктиром). Розрахунки показали, що для

А5 --

Рис.5.Вщбивання сигнашв в багатозонному ЧЕ

ефективного функцюнування багатозонного ЧЕ необхщно вибирати мал1 значения коефвденту вщбивання т (в межах 0,05 -н 0,2), а найбшыи ефективне конструктивне ршення - це ЕВ у виглдщ вир1заного сегменту. Було проведено також анал1з впливу параметр ¡в ЕВ на частотну залежшсть коеф1щенту вщбивання.

Сум ¡сне використання поздовжних та крутильнях коливань розширюе ккьисть вар!ан"пв виконання ЧЕ [23]. Наприклад, у двозонному ЧЕ на рис.6 зона 2 забезпечус вщбивання крутильних коливань, зона 3-поздовжних. Якщо ^=<^=1; /■/=0 в перер1з! I, тод1 А »1,41. [ для крутильних коливань £т=Ъ, гт-0,5. Для перер1зу II при Г/ =0,6; 02=с13 отримуемо О3 и 2,45; гт =0,83. При падшш на ЧЕ ¡мпулылв з амплпудою А-1 отримуемо ехосигнали крутильних хвиль з амплггудами 0,5; 0,6; 0,2 1 ехосигнали поздовжних хвиль з амплггудами 0; 0,6; 0,6. Роздшення ехосигнал!в на вход1 приймача можна здшснювати як за поляршстю, так 1 за часом надходження.

и III

Рис.6. Приклад комбшованого ЧЕ ¿мпульсного термометра: 7-звукопровщ; 2,З-цилшдричш зони ЧЕ

-0,6

ЧЕ резонансних УЗТ. Базов1 конструкцп ЧЕ резонансних УЗТ порядок ix розрахунку частково висвгглеш у глав! 1. Можлие

виконання ЧЕ, як резонатор1в згинових коливань у вигляд1 камертону, який з'еднуеться ¡з звукопроводом через дшянку з малим перер1зом (рие.7,в). Деяку складшсть являс собою прогнозування характеристик таких резонатор1в на еташ проектування та гадгонки початкових параметр1в, але 1х перевагою е мешш розм1ри пор1вняно ¿з стрижневими резонаторами, що забезпечуе кращу локальшсть вим!рювання температуря.

Детальний анал13 процеав в чверть-1 твхвильових стрижкевих резонаторах було проведено, виходячи з р!вняння :

аи

д2и

.2 ¿2и

т

2 .

+ Н

д2и

<9х-

Я

ы

ы

а)

Ы

б)

£

Ш

С

А-

Рис.7. Вар1анти реашзацп ЧЕ резонансних термометр1в

в)

де [/-швидюсть змицення, Н -параметр втрат. Загальний розв'язок шукався, як кореш характеристичного р!вняння в ^ перетворенш

Лапласа у вигляд1 и(х,$) = А(з) ■е~Ух +В(5)-егХ. 3 врахуванням умов Яр(х1,5) = Яд(Х1,з) 1 С/р(Х1,5) = С/л(Х1,5) ( рл 1 сили змодення) ДЛЯ резонатора була складена система р1внянь

I_ 1_ СРр(Х.З)

РрЭр 5 а<.

Розв'язок р!вняння для першого вщбйття: щх ^ ¿а(3) ~ ¿РС*3)рх2) д ар

гк(5)-гр{ь)-Щу Рх2)

2 2 + О) р

1/д(х-2х,)

ГПсля зворотлього перетворення Лапласа кшцевий розв'язок був зведений до вигляду:

_НАГ0) 2с3

(

(2X1 "*)

2 2

о)П

+ + у/)

. в I

де

= (Р ± П2сс)^(Р + п2 а)2 +2агп + 2 т2р + (со2п -

2 > 2 (О а)

. (о п + со р I & п

<р = агс!д —--+ агс!д —-

у/ = агс4д

соп

р + п2а

Р + п'о

х <о п ' ■ + агс{д ——

Р + п2а

ар о п

Г - агс1д ——

- агс1д -

- агс1д-

Р - п а р + п'-а р - п а

На рис.8 представлений вигляд ехо-сигналу, отриманий на основ! наведеного виразу за допомогою пакету МаШСАБ.

Використання подабносп процес1в в ЧЕ процесам в резонансному електричному кол! при да фазоманшульованого сигналу дозволяють сгхростити процедуру попередшх розрахунюв,

Рис.8. Обчислений ехосигнал мод&ш резонансного перетворювача. т, с

як! можна проводити на основ! виразу (рис.9 ):

\ п2

2й

ивих

лпг\

' 2й

1-е

ч

СОЬф

1-е

(0_оI 2й

\2

. 2

вт <р

а) " б)

Рис.9. Форма ехосигнал1в при р1зних р1внях розстройки («,• - номер пер ¡оду ехосигналу; щ, у1 -ампл1туда ехосигналу ).

При створенш поодиноких зразыв або малих партш ¿мпульсних

та резонансних УЗТ допустиме виконання шдивщуального

градуювання кожного УЗТ. При збкьшенш об'ем1в випуску це недоцтьно. Ушфнсаци досягнути можна, якщо використовувати вщношення абсолготаих значень. В ¡мпульсиих УЗТ - це вщношення г/гег-, де т01 -базове значения штервалу часу, яке визначаеться при певному значент температури, в резонансних УЗТ-вщношення частот/¡//01.

В багатозонних импульсних УЗТ можна скористатись фактором, що внесения локальних неоднорщностей, менших за довжину хвшл приводить до локальних змш пружних властивостей. Розгляд впливу вузько! проточки на характер поширення УЗ прив!в

2 £

до наближеного виразу[25]: V = — ■

4;

к*.

о-.

.(/1^2+/2С/22)

на баз1 якого можна проводити корекщю початкових параметр1в ЧЕ.

В УЗТ складним питаниям с кршлешгя I герметизащя звукопроводу, оскшьки опори та ущшьнення можуть бути джерелами додаткових вщбивань. На практищ дощльною е система кр1плення короткими дротами, як1 виготовляються {/, 5 або Г- подобно! форми (рис. 10,в). В останньому випадку др1т е одночасно трансформатором форми коливань. В ¡мпульсних УЗТ наявшсть системи кршлення

Рис.10. Вар1анти ¡золяцй ЧЕ та звукопроподтвщ захисно! армахури: 1-ЧЕ; 2-чохол; З-слтка; 2 4-звукопров1д; / 5-шайба; 6-дротяна розпорка; 7-резонатор;

____8-узгоджуюча ланка;

д) ч8 7 е) 9-опорний диск.

приводить до появи додаткових вщбитих сигналов вщ м1сця з'еднанн, але можна обернута цю обставину на користь, використовуючи кр1плення , як ЕВ. Задовитьна акустична ¡золяц1я може бути

.1

досягнута встановленням шайб ¡з гуми, графггу, фторопласту, прокладанням дротяно! сггки або сшрал1 з тонкого дроту або фольги, нанесениям покриття на внутршню стшку захисно!" арматури. Для ¡золяци можна застосовувати метаппчш, графггов! або керам1чш квадратш шайби з отворами трикутно! або квадратно! форми, яю забезпечують малу площину та кшьшсть мехашчних контактов (рис. 10,6). Створення прокладок м1ж чохлом та звукопроводом може здшснюватись осадженням в заданому мкщ звукопроводу др1бних кристал1В металу. Задовшьш результата були отримаш нами при неплотнш засипщ простору м1ж чохлом та звукопроводом порошком керамки, при застосуванш графггу у вигляд! шайб або гвинтлв, пористо! керамки на основ! окису бериллло, з яко! були виготовлеш 13олююч1 прокладки необхщно! форми, кремшйоргашчно! нитки, яка з великим кроком намотувалася на звукопровщ. У деяких випадках, зокрема у резонансних УЗТ, можна забезпечити ¡золяцио конструкторськими методами, надаючи певну форму узгоджуючш ланщ (рис. 10,г) [29], або забезпечугочи опору резонатора у вузловш площиш (рис.ЮДе).

Для високотемпературних УЗТ треба враховувати небезпеку дифузшного приварювання звукопроводу до захисноТ арматури при наявносп статичного контакту. Ефективним захистом вщ цього ефекту е примусове вщносне пересування звукопроводу та захисноТ арматури за допомогою приводу [31] або використання рннищ температурних коеф1щент1В матер1ал1в.

3. вишрювальш схеми термометр1в

В ¿мпульсних УЗТ в ланщ передавача була застосована схема з •пр1сторним виходом, яка забезпечила амгоитудне значения струму до 60 А при тривалосп ¿мпульсу на р1вш 0,5 амгоптуди «3 мкс. Для каналу приймача нами розроблена схема ¿мпульсногоУЗТ, в якому

вилорювання часового штервалу здшснюеться в два етапи (рис.11) [36]. На першому здшснюеться грубий вщлк гшяампульсного штервалу, а на другому-вим!рюеться решта часового штервалу мгж другим ехосигналом 1 наступним за ним импульсом заповнення. Канал передач! складаеться з генератора 6, схеми запуска 20 ! первинного перетъорювача в склад! ЧЕ 1, звукопроводу 2, МС ЕАШ з котушками 4 1 5. Однов1братор 10 забезпечуе захист вхщних юл. Пщсилеш та сформован! в 7 ехо!мпульси надходять на розпод!лювач 8. Перший !мпульс запускае ¡мпульсний генератор 11. Заповнгокуп ¡мпульси з пер!одом /0 з // через вщкритий елемент "I" 12 надходять

на вхщ л!чильника 15 до моменту надходження другого ехо1мпульсу, який вщповщае зак!нченню вим!рюваного ¡нтервалу часу. Другий

2

Рис. 11. 1мпульсний термометр з виьпрюванням часового ¿нтервалу в два етапи

ехо!мпульс з розподшювача 8 надходить на вхщ скиду триера 77, перекидаючи його ! закриваючи тим самим елемент "1" /2._ГПчилышк 15 фиссуе к!льк!сть ¡мпульав, як! вклалися в м!ж!мпульсний ¡нтервал, а сигнал тр!гера /7закривае розподшовач 8, припиняючи тим самим подальше проходження ехо!мпульс!в. Для забезпечення б!льш високо'! усталеносп схеми та високо'! точносп здшснюеться вим!рювання ¡нтервалу часу 210-т м1ж другим ехо!мпульсом та одним з наступних

заповнюючих !мпульс!в. Щоб зменшити вплив змши ампл!туди ехо!мпульс!в шд д!ею температури на зм!ни р1вня втрат та тривал!сть сформованих ¡мпульав, у подальшому було додатково застосоване управл!ння ампл!тудою за рахунок корекцп струму пщмагшчування.

Для високотемпературних резонансних УЗТ з ЧЕ на основ! тв-та чвертьхвильових резонатор!в нами були розроблеш спещальш схеми, як! забезпечували необхщний алгоритм обробки шформацшних сигнал1в. Схема УЗТ на рис.12 автоматично забезпечуе виконання вим!рювальних операцш при надходжегап ехосигналу на вхщ приймалыюго каналу [32]. Блоки 8-10 виключають помилковий запуск. Видшення груп ¡мпульс!в здшснюеться елементами 7" 15 та 16, а !х штегрування-штегратором 18. М1ж модулятором та гадсилювачем потужносп встановлена ланка блокування входу пщсилювача на час паузи М1Ж посилками зондуючого сигналу. Блоки 11-14 забезпечують стробування двох груп !мпульс1в до ! шсля мЫмуму ехосигналу, яи

4\..

_Г

Л

27

26

28

17

10

11

12

вр" ш

14

22

23

25

21

24

Рис.12. Резонансний термометр з фазо-вим анал!зом ехосигналу: 1-резонатор; 2-узгоджуюча ланка; З-звукопровщ; 4-ЕАП; 5-генератор; 6-модулятор; 7,17-шдсилю-вач1-обмежувач1; 8-схема захисту;

9,21-ключ1; 10,13-схеми запуску; 11-формувач 1-го строб1мпульсу; 12-формувач штервалу; 14-формувач 2-го строб1мпульсу; 15,16,25-елементи "I"; 18-1нтегратор ¡мпульав; 19-аналоговий запам'ятовуючий

пристрш з1 схемою керування 20; 22-керуючий штегратор; 23-схема встановлення початково! фази; 24-ланка керування частоттпром; 26-частотом1р; 27-перетворювач коду; 28-рееструючий пристрш.

20

формуються на виходах елеменпв "I" 15 та 16. На входи цих елеменга подаеться пщсилений та обмежений на р!вш ТТЛ-лотки ехосигнал сумюно з прямим (15) та швертованим (16) сигналами генератора. Для зменшення впливу р1вня вщтину шум1в на вход! на площу ¡мпульав передбачено скид р1вня Волгину на нуль при надходжент першого швперюду ехосигналу.

Найбшьш вщповщальною ланкою УЗТ е ¡нтегратор ¡мпульЫв 18,

приклад реал!заци якого представлено на рис.13. Для компенсацп дрейфу напруги змпцення з виход!в DAI i DA2 передбачено коло компенсацп на DA3, яке усувас змщення в паузах м1ж циклами штегрування. Вихщний сигнал штегратора е шформативним параметром про ступшь неузгодженосп частота опорного генератора та резонансно!' частота ЧЕ i використовуеться в систем! управлшня частотою опорного генератора, основою яко! е цифроаналоговий перетворювач. Щоб зменшити вплив нестабшьност! схеми УЗТ i3-3a коливання сумарно! вольтсекундно! miomi в динам1чному режим! нагр1ву або охолодження ЧЕ, в cxeMi передбачена ланка примусового встановлення фази 23 (рис. 12). Для

R10

VD1.VD2

Рис. 13. Схема штегратора ¡мпулъав для резонансного термометра з фазовим анал130м сигналу.

усунення iHBapiaHTHicri схеми УЗТ по вщношенню до умов А(р = к i А(р - О УЗТ був доповнений каналом для початкового пошуку резонансно! частота [34], в якому використовуеться зростання амплггуди сигналу випромшення ЧЕ при наближешп частота збудження до резонансного значения (дшянка III на рис.2).

Узагальнен1 техн!чн1 характеристики розроблених

експериментальних зразюв резонансних УЗТ наведен! нижче:

-д1апазон вим1рюваних температур.....................................визнаиаетъся

властивостями матер1алу ЧЕ(Мо-до 2000 К, W, Re-do 2500 К i т. д.);

-тривашсть сигналу передаючого каналу, мкс.....................бшя 250 (або

(30+40) Tq, де Tg-nepiod коливань сигналу генератора);

-доапазон частот, кГц....................................................................50-300;

-частота слщування паке-пв коливань, с-1................................100-120;

-максимальна температура ЕАП, К...................................приблизно 600;

-допустиме затухания у звукопроводо, дБ.........................приблизно 30;

-добротшстъ.........................................................................приблизно 50;

-похибка вимирювання температуря, %.......................................0,1-1,5.

В глав! розглянуто загальш принципи побудови структурно! схеми багатозонного УЗТ на приклада створення УЗТ для вилпрювання температури в 5-ти зонах за одноканальною схемою (рис.14). В нш бшышсть операцш керування та ва операцп обробки шформацп забезпечуються центральним процесором. 1нтегратор та компаратор 1 служать для розп!знавання корисних ехосигнал1в. Анал1затор розташування ехосигнал1в забезпечуе автоматичну корекщю строб1в при нагр1в1 чи охолодженш ЧЕ. Особлив!стю УЗТ е:

-наявшсть схеми початкового пошуку ехосигн&шв, яка забезпечуе !х розгазнавання при вмиканш або випадковому збо!;

-застосування для операцГ! вим!рювання часових штервал1в двох групи л1чильниюв, яю при кожному наступному цикли вим1рювання мшяються мшцями;

-нявшсть схеми слщкування за ехосигналами, яка постшно коректуе розташування строб!мпульйв на ос1 часу.

Створений експериментальний зразок 5-тизонного УЗТ

характеризувався наступними параметрами:

- даапазон втнрюваних температур.........................................20-150(РС\

- кшыасть зон, в яких вим1рюеться температура...............................5;

- похибка вмпрювання...................................................................<1%;

- довжина одша зони, мм................................................................150;

- вщстань вщ ЕАП до першо! зони, мм.............................................900;

- тип ЕАП.....................................................................магттострикцшний

стержневий;

- матер1ал захисного чохла...........................................................

- макс, вщстань вщ головки до вишрювалъно1

частини термометра, м.....................................................................15;

- виконання............................................................................стащонарне;

- живлення..............................................................................220 V; 50 Нг;

- вивщ шформацн.......................................в цифровш форм1, додатково-

лтшний тдикатор.

пнератор такгових шпульсш

Процесор

те

Шинний формувач

Дешифратор

"Шипа адреси

пзп

озп

ж

Таймер

....

4 С—Шта даиих

ГГ.

ФОРМУВАЧ

_Шцнаупро«Фш;_

ЧЕ ЕАП

Щцситсочч-СЫИЕЖУВАЧ

X

1НТЕГРАТ0Р

ФСРМУВАЧ ЗОНДУЮЧИХ 1МПУЛЬСШ

Компаратор 1

КОМПАРАТОР2

Формувач

СТРОБ1В

ЛМИЛЬНИК!

Лмильник2

Схема управлшня

МУПЫИПШЖОТ

О

Паралельний

1НТЕРФЕЙС

Г11Д11КАГОГШ1Й ПИ1С1ИЙ

-о

Аиашзатор

гоэггашування ехосигпалго

с

Рис.14. Структурна схема ¡мпульсного багатозоиного термометра

Зразок УЗТ був випробуваний в лабораториях умовах та в умовах ливарного виробництва (в мартешвськш neni) Дншровського металургшного комбшату (м.Дшпродзержинськ).

Використання обчислювально'! машини або мшропроцесора дозволяе забезпечити введения додатково! шформацп та проведения ряду втирювальних операцш по визначенню таких характеристик матер!ал!в, як модуль Юнга i модуль зсуву, коеф1щснт Пуассона, . ашзотротю монокристал1Чних MaTepianiB та ш. Нами були створeHi прилади для втпрювання модуля Юнга зразгав малих po3MipiB з керам1чних та металокерам!чних матер!ал!в, один з яких устшно функцюнуе в 1нституп надтвердих MaTepiajiiB HAH Укра'ши. KpiM того, була проведена робота по доповненню контактних BapiaHTiB УЗТ, яга характеризуються кшцевим значениям показника теплово!" шерцп, безшерцшним сигнал!затором аваршного наростання (зниження) температури в газовому або рщинному об'ек-п.

4.метролопчн1 характеристики ультразвукових tepmometpib.

При застосуванш в рол1 ЧЕ елеменпв конструкций об'екту д1апазон втпрювання температури визначаеться фактично межами температури експлуатацн. При використанш спещальних ЧЕ згаданий д1апазон визначаеться властивостями MaTepiany ЧЕ. Верхня границя вим1рювання обмежена температурою плавления матер1алу ЧЕ, ростом затухания при високих температурах i наявшстю релаксащйних процеав.

В глав! виконане детальне слруктурування складових похибки вим1рговання температури ¡мпульсними та резонансними УЗТ, ix розрахунок та показан! шляхи зменшення.

Складов! похибки, що обумовлеш умовами теплообмшу та теплоф!зичними характеристиками ЧЕ, визначаються конструктивними особливостями високотемпературного вузла i

рахуються за вщомими методиками, як 1 для шших контактних ЧЕ. Ряд складових похибки (наприклад, за рахунок змши затухания, структурних змш, дисперси швидкосп у звукопровод1, накладання сигнал1в у ЕАП та ш.) можна усунути або звести до мш1муму на стадн проектування правильним вибором розм1р1в звукопроводу та засоб1в його фшсацц, конструкцц ЕАП, технолопчного режиму стабшзаци структури матер1алу ЧЕ. Ряд складових похибки можна зменшити схемотехшчними засобами.

Розрахунок складових похибки резонансних УЗТ проводився за схемою рис.15 [28]. Видшеш наступи! джерела складових похибки: змша тривалосп шпульав Лт1 у трупах на виход1 ПО п-за змши амплпуди ехосигналу на вход1; розкид А х2 ласу затримки сигналов в швсртор1 та ЕЕ затримки; розкид затримок Лт3 сигнал1в в схемах "1]", "12" формувача груп ¡мпульав; нещентичшсть канал1в штиратора (розкиди АН], ли2 для вх1дних напрут та ЛК], ЛЯ2 для опор1в струмозадаючих резистор1в, розкид Лт4 затримок у ключах КРК2; змша напруги змдцення 1/3 компаратора в пауз1 м1ж трупами

¡мпульЫв; похибка Дкв квантування тракту "компаратор-РЛ-ЦАГГ.

Рис.15 Схема для розрахунку складових похибки резонансного термометра: ПП-первин-ний перетворювач; ПО-пщси-лювач-обмежувач; М-модуля-тор; КГ-керований генератор; ФЛ-фазуюча ланка; Нь швертор; ЕЕ-екв1валентний елемент; ВЧ-вим1рювач частота; 1],12-схеми збгжносп; 1нт-штегратор; К-компаратор; РЛ-реверсивний л1чильник; ЦАП-цифроаналоговий претворювач; К1,К2-аналогов1 ключь

Ь-1

1нт

к2

т

иг

ЦАП РЛ <_ !

Г

Розрахунки показали, що результуюча" похибка вюпочае адитивну, мультипликативну та квадратичну складов! 1 описуеться виразом:

дъА0, д3, е - коефцденти багаточленно! похибки.

Був проведений розрахунок похибки вилнрювання температури

в газ1 резонансним УЗТ з р1зними конструкщями ЧЕ, який прив1в до

~ 1к\ ко . виразу [15] *3

О = к\к2сЬА\сЪА2 сЬЛз + +Ф2к1к зсМ^ЬУ^БМЗ +

к-1- ^

I т'

Анал1з був виконаний чисельними розрахунками для р1зних конструкщй ЧЕ.

Розрахунок похибки втпрювання ¡мпульсним УЗТ проводився

_ 1 / ЫТ

на основ1 виразу - ~ ~\а I + а е)0 ! .3 врахуванням того, що

коеф1Щснти щ 1 аЕ для бшьшосп матер1ал!в, як1 засгосовуються в УЗ термометрн, слабо залежать вщ температури 1 позначивши щ + аЕ --г т 2\ *

с(Т) отримуемо ' = 'о--|пт~• В результат!, вираз для похибки

с г0

2

набув вигляду = АТ0 - ) + А0б. де АТ0= 8т Т0 -

С и

абсолютна похибка встановленого початкового значения температури Т0\ Лоб - абсолютна похибка обчислення Т. Абсолютна

похибка мае адитивний характер. Показано, що похибку можна зменшити за рахунок зменшення складовоТ похибки квантування застосуванням генератора ношусного сигналу 1 усередненням результата вим1рювань.

Розглянуто динам1чш характеристики резонансних та ¡мпульсних УЗТ, де треба враховувати теплову шерщю високотемпературного вузла, час поширення УЗ сигналу по звукопроводу 1 час, який витрачаеться на вим1рювання частота або часового штервалу. При довжиш звукопроводу з ЧЕ 2,5 м та швидкосгп у=5000 м/с мшмально допустимий час м1ж посилками

сигналу - 1 мс. Час, затрачений на одно вихйрювання ¡мпульсним УЗТ, складае 0,5-1,5 с 1 зростае при збшыпент довжини звукопроводу, а також довжини та кшькосп зон. Якгцо ЧЕ - це об'ект вилйрювання, цей час скорочуеться за рахунок виключення впливу тепловоУ ¡нерщУ ЧЕ.

На основ! результата розрахунюв глави 2 розглянуто вплив мехашчних пошкоджень ЧЕ ¡мпульсних УЗТ на похибку виьпрювання,. Наявшсть пошкодження довжиною 0,1 мм та глибиною, яка вщповадае змии д1аметру вад мм до й?2=1,8 мм

приводить до добавки до вим1рюваного штервалу часу, яка буде складати 4,4'Ю"10 с при фазовш швидкосп 5000 м/с, що при базовому штервал! 40-Ю"6 с дае вщносне значения 1,1-10"5, що е на порядок меншим, шж шпп складов! похибки.

Для багатозонних варУанпв УЗТ була промодельована ситуац!я, коли УЗТ використовусться для вим!рювання температуря в канал!, при переачному обтжанн! газовим потоком. Поставлена задача виршена у вигляд! програми, яка викоиана у д!алоговому режим!. В шй передбачеш таи матер!али, як вольфрам, ренш, мо;п'бдеи, корунд та нержав!юч! стал! 12Х18Н9Тта 12Х18Н10Т.

Для контактних УЗТ з одно- та багатозонними ЧЕ операц11 перев!рки Ух параметр!в при випуску з виробництва не в!др!зняються вщ аналопчних операщй при випуску з виробництва термометр!в термоелектричних. Багатозонний !мпульсний УЗТ може перев!рятися на устаткуванш ! за методикою, яка призначена для перев!рки кабельних термометр!в термоелектричних. Однозонш ¡мпульстп або резонансн! УЗТ можуть перев!рятися в реперних точках затверд!вання метал1в високо'У чистота. Для перев!рки НСХ та дослщжень стабшьност! параметр!в !мпульсних та резонансних УЗТ нами була створена спещальна конструкщя для визначення Ух параметр!в в репершй точщ затверд!вання н1келю. Проводився

комплекс дослщжень по виршенню проблеми верифжаци контактних УЗТ пщ час експлуатацп, причому акцент ставився на процедуру верифшацН без демонтажу.

Якщо ЧЕ являсться елементом об'екту, температура якого вим!рюеться, то з методично! точки зору верифжащя таких УЗТ представляе собою набагато складншу задачу, шж для контактних вар1а!тв. Це визначаеться рЬномашттспо об'ек-пв за конструкщею, розм^рами, складом середовища. На практищ бажано передбачати можливють тимчасового встановлення на об'ек-п контрольних термометр!в для початково! прив'язки НСХ до реального значения температури, а також для перюдично! переварки параметр1в УЗТ в процеа експлуатацп. Особливо це стосуеться об'ек-пв з1 змшними параметрами середовища (змша х1м!чного складу, забруднення, швидкосп руху та !н.). Якщо на об'ек-п передбачене встановлення контрольно-вим!рювально! апаратури для контролю параметр1В середовища, то цю шформацда дощльно використовувати для автоматично! корекци показ1в УЗТ.

5. принципи вибору та застосування матер1ал1в при створенн1 ультразвуковых термометр1в.

В глав! розглянуп критерп, за якими необхщно вибирати матер1али для УЗТ, та представлен! результата експериментальних дослщжень перспективних матер!ал!в.

В газових ЧЕ доцшьно застосовувати гази, що по сво!х властивостях наближаються до щеального. В реальних газах в бшьшосп випадшв змша швидкост! з температурою складае 0,3...0,8 м/с-К при 273-293 К. В рщинних УЗТ застосовують рщини, для яких температурна залежшсть швидкосп близька до л!н!йно!. До них можна вщнести ряд оргашчних сполук та рщк! метали (натрш, калш, !х сум1ип). Для твердих матер!ал!в рекомендовано по можливосп притримуватись умови Ттах<0,5Тпл , де Ттах-максимальна вим1рювана

температура, Тт- температура плавления матер!алу ЧЕ.

На рис.16 показан! температурш залежносп резонансноУ частота ЧЕ з р1зних метал1в в склад1 резонансних УЗТ, на рис. 17-температурш залежносп модуля Юнга ряду матер1ал1в, отримаш за результатами градуювання ¡мпульсних УЗТ. Як видно, монокрисгашчному вольфраму притаманна ашзотрогая пружних властивостей при високих температурах, а залежшсть "частота -температура" д1 литься на дв1 майже прямолшшш дшянки.

Рис. 16. Температурш залежносп резонасно! частота ультразвукових термометров з ЧЕ з р1зних матер1ал!в.

За кристалограф1чними напрямками [001], [101] та [111] усереднене значения для змши частота з температурою вщповщно складае на низькотемпературшй дшянщ 9,4; 5 i 4,5 Гц/К, на високотемпературшй -14,8; 7,8 i 6,5 Гц/К. Значения температури, яю вщповщають переходам м!ж дшянками,складають 1840, 1470, 1350 К

вщповщно для напрямюв [001], [101], [111]. Характерним для бшыиосп наведених на рис. 16,17 кривих е зростання чутливосп з ростом температури та злами кривих, як1 вщповщають переходу вщ нерелаксованого модуля пружносп до релаксованого i р1зкому зростанню внутршшього тертя (ВТ). Пор1вняння значень температур, як1 вщповщають згаданим зламам, з температурою плавления Тт показало, що вони корелюють i3 значениям 0,5Тт, дещо перевищуючи його.

У пол1кристашчних вольфраму, ¡рщта та решю спостеркалися релаксацшш шки тертя вщповщно при 2110, 2100 та 2330 К . У монокристал1чних зразюв Bcix напрямкчв спостерпгався деякий pier

Рис. 17. Температурш залежносп модуля пружносп метал ¡в та сплав1в, отримаш за результатами досшджень ¡мпульсних УЗТ.

р1вня ВТ в даапазош температур 600 -1500 К. Для напрямюв [101],

[111] можна зауважити окрем1 слабо виражеш тки ВТ вщповщно

при 820 i 1120 К. Для напрямку [001] це наростання займае бшьш

широкий температурний дгапазон. При термоциклюванш

монокристал1в згаданого напрямку спостерпгаеться роздвоення

широкого шку тертя. 1з збшыпенням кшькосп термоцикл1в амшитуда

максиму,\пв зростае, а шсля 50 циюпв з'являеться додатковий шк тертя при 2110 К. Це вказуе на те, що новоутвореш в монокристал1 дислокацшш пстл! та стшки поводять себе по вщношенню до зерногранично! релаксаци так само, як границ! зерен в полшристшичних матер1алах. Низькотемпературш тки ВТ у монокристал1чному вольфрам!, за нашим припущенням, зв'язаш з розаянням енергй при руа дислокацш, що пщтверджуеться меншим р1вием тертя в цьому д!апазош температур в полкристал1чному вольфрам!. Такий самий висновок випливае з результате по вивченню впливу швидюсного охолодження на ВТ. Допускаеться, що за деформащю в обласп мкротекучосп вщповщальш крайов! дислокацц або крайов1 компонента дислокаций, причому встановлено, що характер руху дислокацш не е резонансний. Р1зниця в значениях температури, яю вщповщають низькотемпературним максимумам в монокристалдчному вольфрам!, пояснена дезор!ентац!ею кристалограф!чних систем ковзання по вщношенню до напрямку поширення УЗ хеши. Зокрема, на це вказуе факт появи додаткових максимум!в при термоциклюванш зразк!в напрямку [001].

Вивчення стабшьносп пружно-в'язких властивостей матер!ал!в проводилось в процес! тривалого нагр!ву ЧЕ УЗТ до 2100 К. Змши параметр!в вщбувалися. за законом, близьким до експоненцшного. Процес стабшзацн характеристик зразюв пол!кристал1чних вольфраму ! молибдену фактично завершувався за 4 год., сплаву йУ+ЮУоЯе, монокристал1чного вольфраму, полжристжичного рен!ю та ¡рщпо - за 2 год. Пор!вняння стаб!льност! зразк!в ЧЕ з монокристал!чного вольфраму р1зних кристалограф!чних напрямюв показало, що краий властивосп притаманш зразкам напрямюв [001] та [111]. Високу стабшьшсть при дослщженнях проявили ЧЕ ¿з сплава \У+Ю%Яе. Додатков! дослщження показали, що вм!ст легуючого елементу та фазовий стан сплаву при нагр1в! не змшився, але

змшився розподш решю. Якщо перед нагр1вом коливання вм1сту решю не перевищувало ±3%, то теля нагр1ву на протяз! 25 год,- ±15% з утворенням сегрегацш з шдвшценим вм1стом решю, яю характеризувалися тдвищеною М1кротверд1стю. Дослщження електронноТ мшроструктури сплаву Ш+10%Яе показали наявн1сть невеликих видшень, яю коагулюють при гомогешзуючому вщпал1 1 зростають у розм!рах теля 5 год. нагр1ву, що супроводжуеься вщносним зростанням залишкових миеронапружень.

Вплив мехашчноУ деформаци на характеристики ЧЕ УЗТ дослщжувався створенням деформаци кручення, стушнь яко!

визначався хз стввщношення

nd

D = --100%,

I . де п- число обер-пв на

закручування, d- д1аметр, I- довжина. Деформащя ЧЕ ¡з пол!криста;пчних вольфраму та решю викликае зменшення значения модуля пружносп та зростання ВТ (рис.18). 3 врахуванням даних

(Q/Qo)-' МГц

1,5

0,5

131 130

129

0

(Q/Qo)-1 к Re

H

г W

2 4 6 8 D,%

Рис. 18. Вплив деформаци на резонансну частоту i внутршше тертя в ЧЕ УЗТ

шших автор1в можна вважати, що основною причиною зниження модуля при деформуванш обумовлено процесами вщриву та розмноження дислокащй. Як видно з рис.18, ВТ при деформуванш плавно наростае, що може бути зв'язано Î3 збшыненням довжини

о

дислокацшних петель, обумовлених зривом дислокацш з м1сць закршлення. Неперервний характер змши (О/Од)'1 дозволяе

припустити, що лши дислокацн в матер!ал1 закртлтоються з ргзним ступеней жорсткосп, так що ¡з збшьшенням В р1зш дислокацн зриваються поступово. Деформащя полжристал^чного вольфраму викликала пщвшцення р1вня ВТ, збшьшення висоти релаксацшного тку тертя 1 зменшення модуля пружносп, але вщносш змши останнього були мешш, шж аналопчш змши в ренц. Що стосуеться монокристал1чних матер1ал1в, то як вщомо, 1х деформування приводить до збшьшення густини лшшних та точкових дефектов та збшьшення локальних внутряпшх напружень. Очевидно, одночасний вплив декшькох фактор1в, кожний з яких по р1зному залежить вщ ступеня деформаци, визначас бшьш складиий характер змш ВТ у монокристал1чних зразках. При охолодженш з1 швидмстю 1200-1500 К/с вщ температури 2700-2800 К у монокристалл1чних ЧЕ спостер1галося зниження висоти низькотемпературних максимум1В 1 збшьшення модуля пружносто у вщповщному д1апазош температур. Мжроскошчний анал1з шл1ф1в показав часткове розчинення карбщв. Про утворення перенасиченого твердого розчину свщчило також пщвшцення мжротвердосто.

Ощнка енергй активаци за результатами дослщжень температурних залежностей ВТ для полжристал1чного вольфраму дала значения 380 кДж/моль, для решю- 410 кДж/моль. Енерпя активацп низькотемпературних максимум1в ВТ в монокристал1чному вольфрам! становила 134 1 184 кДж/моль вщповщно для напрямшв [101] 1 [111].

Для забезпечення стабшьносто пружних властивостей ЧЕ рекомендовано вжити заходгв для стабтзацп структури матер1алу вщпалом при максимальнш температур! майбутньо! експлуатацп, або створенням псевдобшарних систем за типом "вольфрам-дисперсна

фаза впровадження", в яких згадана фаза знаходиться у р!вноваз1 з нелегованим вольфрамом. При цьому дисперсна фаза мае бути темодинам!чно стабшьна в умовах сплавоугворення, утворюючи при цьому дисперсш частинки д!аметром 300-500 А, яким не притаманне укрупнения при нагр!вь На приклад! вольфраму до таких систем можна вщнести системи: \¥-МехОу (У203, П02, Щ02 ); \V-MeC (Н/С, ггС); W-MeN (2гК Н/Ы); \У-МеВ2 (Н/В2, 2гВ2).

3 врахуванням результа-пв проведених дослщжень та даних шших автор1в зроблено висновок, що ¡з метал1чних матер!ал!в в шертному середовшщ (або у вакуум!) для ЧЕ можна застосовувати алюмшш (до 810 К), нержав поч! стал! (1350 К), рутешй та молибден (2640 К), тантал (2730 К), ренш (3340 К), у водш -тантал, ренш, вольфрам, в окислювальному середовшщ-нержавноч! стал!, ¡рщш (2400 К), в рщкому иатрп-нержавшч! стал!, у вуглецевому середовшцьренш (1800 К), тантал (2700 К). В резонансних УЗТ ефективн! ЧЕ з платини (1520 К), рутенпо, вольфраму, ренш, сплав!в вольфраму з решем.

УЗ методи та реал1зоваш на !х принципах УЗТ мають широк! потенцшш можливосп саме тому, що в номенклатуру матер!ал!в для ЧЕ можна включите керам1чш материи, оксиди, карбщи, штриди. Певш утруднення при застосуванш цих матер1ал1в на сучасному еташ зв'язаш з сильним впливом технолопчного режиму виготовлення на IX ф!зичш властивосгп. Були проведен! експерименти з сапф!ровим ЧЕ 04 ммх 85 мм в склада ¡мпульсного однозонногоУЗТ, як! дали позитивн! результата, та з ЧЕ ¡з зразкгв низькопористого корунду в!тчизняного виробництва. Останш характеризувалися великим розкидом результа-пв вщ зразка до зразка (>3 %). Складним питаниям виявилося з'еднання сапф!рових та корундових ЧЕ ¡з звукопроводом, тому рекомендовано виготовлення ЧЕ ! звукопроводу ¡з одного стержня, а з'еднання здшснювати в

р; , кг/м3

Рис.19. Представления характеристик матер1ашв в координатах "густина-модулъ пружносгт" (показан! лиш р1вних швидкостен 11мпеданс1в)

низькотемпературнш частиш.

Отримаш температуры залежност дозволяють представити у

нагляднш форм! взаемозв'язки теплоф1зичних та акустичних

властивостей матер1ал1в, що мае велике значения для процедури

розробки УЗТ, полегшуючи процедуру вибору матер1ал1в для ЧЕ та

звукопровод1в, узгодження 1мпеданс1в в мкцях з'еднання.

Значения швидкостей та хвильових опор!в представлен! на

рис. 19 в систем! координат "питома густина - модуль пружноспй" , з якого легко визначити матер!али, ям е сумюними за своши акустичними параметрами. ЕЦ ж графики можна застосовувати при вибор! захисно! арматури. Основними факторами, що визначають виб1р матер1алу та конструкцп звукопроводу, е мппмальне затухания сигналу в робочому .щапазош частот та температур, вщсутшсть дисперсн, добра сум!стим1сть з матер1алом ЧЕ, захисно! арматури та складовими робочого середовища об'екту вим1рювання, мехашчна мщшсть. Для виготовлення звyкoпpoвoдiв рекомендовано застосовувати: вольфрам, ренш та !х сплави, нержавночу сталь, рутенш та його сплави, нюбш, сапф1р, мол1бден, графгг, торований вольфрам. 3 метою економп дорогощнних та рщких метал1в звукопроводи можна формувати ¿з вщр1зюв р1зних матер1ал1в при умов! яисного акустичного узгодження в м!сщ з'еднання. Для захисту ЧЕ та звукопроводу вщ впливу зовшшнього середовища можна застосовувати чохли ¿з корунду, оксиду бериллпо, оксиду торт, оксиду цирконйо, а також з вольфраму та його сплав ¡в з решем, танталу, карбщу кремшю та ш. Можна скористатись багатим досвщом розробки та експлуатацГ! перетворювач!в термоелектричних для високих температур. Позитивш результата були отримаш також при застосуванш для звукопровод!в молибдену та нержавдачих сталей 12Х18Н9Т \ 12Х18Н10Т, а для захисно! арматури -вольфрамових трубчатих чохл!в, виготовлених методами порошково! металургп.

Висновки

1.На основ! критичного анал!зу ¡снуючо! номенклатури метод!в та засоб!в вим!рювання середн!х! високих температур та попередньо: теоретично! ощнки можливостей ультразвукових метод!! вим!рювання зроблеш висновки про перспектившсть останн!х б

галуз! температурних вилпрювань.

2.На оснсш теоретичного анал!зу можливостей ультразвукових метод ¡в вим1рювання параметр1в стану об'екту виконано прогнозування перспективних напрямюв розвитку ультразвукових методов вим1рювання температури в залежност! вщ виду коливань, типу об'екту, типу електроакустичного перетворювача та ш.

3.Визначеш шляхи побудови ¡мпульсних 1 резонансних термометр1в та методолопя Ух створення для р1зних тишв об'екпв, умов експлуатацп. Синтезоваш та критично проанал1зоваш структурш схеми вищезгаданих термометр1в. Дослщжеш питания побудови оптимально структур та алгоритм ¡в з оцшкого похибки 1 вибору елементноУ бази, як1 вщповадають конкретним критер1ям якосп.

4.Проведеш теоретичн1 дослщження з створення та оптимозаца характеристик первинних перетворювач1в ¡мпульсних та резонансних термометров, Ух експерименгальна апробацоя. Сформульовано комплекс рекомендации для практичноУ шженерноУ реал1зацп згаданих перетворювач^в та пропозицп з корекщУ розкиду Ух початкових параметр ¡в. Обгрунтовагп пропозицп' по конструюванню 1 практичнш реалозацоУ спецоал1зованих електроакустичних перетворювач1в для ультразвукових термометр1в.

5.Розроблеш принципи побудови та схемно'У реал1зацп р1зних тишв термомегр1в, сформульоваш пропозицп по схемотехшчнш реал1зацн найбшын вщповщальних ланок ¡мпульсних та резонансних термомецнв, рекомендацн з оптим1зацй Ух характеристик ¡з застосуванням сучасноУ елементноУ бази.

6.Проведено комплексов експериментальш дослщження низки матер1ал1в, попередньо ощнених, як перспективних для виготовлення конструкщйних елемента давач1в термометр1в, У зроблеш висновки про доцшыисть Ух застосування в ультразвуковш термометр».

Визначеш умови найбшып ефективного застосування того чи ¡ншого матер1алу (щапазон температур, середовище об'екту). Сформульоваш критерй та рекомендацй для коректного вибору матер1ал1в чутливих елемента термометр ¡в. Дослщжено корелящю м1ж пружно-в'язкими та електроф!зичними характеристиками матер!ал1в з врахуванням дислокацшних та вакансшних мехашзм1в релаксацй.

7.Проведено детальний теоретичний анализ метролопчних параметр1в ¡мпульсних та резонансних термометр1в, запропоноваш порядок розрахунку як окремих складових похибки, так 1 вирази для розрахунку сумарно! похибки вим1рювання. Виконана 1х експериментальна перев!рка та зазначеш шляхи покращення метролопчних характеристик ультразвукових термометр1в. Сформульоваш принципи верифцсацй тсрмометр1в при випуску з виробництва та експлуатацй.

8.Проведено узагальнення отриманих результата I на його основ1 розвинуп системш аспекта проектування ультразвукових термометр!в, що дозволило запропонувати процедуру розробки термометр1в з прогнозованими метролопчними характеристиками вщ формування вимог до оцшки 'Ух метролопчних парам етр1в. Розроблеш рекомендацй для практичного створення одно- та багатозонних термометр 1в для д1апазошв середшх та високих температур, а також зазначено принципи створення прилад1в з розширеними функцюналышми можлйвостями для ф1зичних дослщжень, зокрема, для визначення динам1чного модуля пружност1 зразюв з малими габаритними розм1рами \з твердосплавних матер!ашв в широкому даапазош температур, а також сгворст експериментальш зразки прилад1'в для безшерцшного контролк аваршних ситуацш, як! супроводжуються швидким наростанняы температури.

Результат*! дисертацшно* роботи висв1ТЛЕН1 у 65 наукових

працях, основними 3 яких е:

1Луцик Я.Т., Стадаык Б.И. Ультразвуковая тфмометрия. М.: Энфгоатомщцат, 1992,112 с.

2.Темпфатурные гомерения/ОАГеращенко, А.Н.Гордов, В.ИЛах, Я.ТЛуцик и др. Спраючник//Подред.ОА.Гфащенко.К: Наукова думка, 1989.

ЗЛуцик Я.Т. Ультразвук в кошрольно-гомеригельной технике и приборах. В кн.: Датчики и методы повышения их точности. Вып.4. Киев: Выща школа, 1989.С.165-215.

4.Сгадаык Б.И., Луцик Я.Т., Лах В.И. Резонансный ультразвуковой метод измерения темпфатуры// Измерительная техника. 1977. №2. С.64-65.

5Луцик Я.Т. Теоретические и экспфимешальные исследования высокотемпфатурных акустических тфмометров с вольфрамовыми резошторами/ЛГеплофизика высоких темпфатур, т.15,1978. №1. С.214-216.

6Луцик Я.Т., Столярчук П.Г., Киц И.И. Акустические преобразователи темпфатуры с резонаторами из тугоплавких металлов// Контрольно-измерительная техника. 1979. Вып.25. С. 126-129.

7.Кислый П.С., Луцик Я.Т., Столярчук П.Г. Установка для исследования ультразвуковых преобразователей темпфатуры//Заводская лаборатория, 1979, №8. С.738-739.

8 Луцик Я.Т., Кислый П.С., Стаднык Б.И., Столярчук П.Г. Исследование возможности использования монокрисгаллического вольфрама в ультразвуковой тфмометрии//Метрология, 1982, №7. С.35-40.

9Луцик Я.Т., Тарнавская Р.Ю. Ультразвуковые тфмомегры и перспективы их дальнейшего развигия//Кошролыю-измфшельная техника, вып.35,1984. С.79-85.

10 Луцик Я.Т. Особенности конструирования чувствительных элементов ультразвуковых резонансных термометров //Контрольно-измерительная техника, вып.36,1984.С.82-85.

11.Мотало В.П., Луцик Я.Т. Методы измерения модулей упругости тугоплавких мегаллокфамических материалов при высоких темпфатурах//Кошрольно-шмфительнаятехника, вып.38,1985. С.50-54.

12.Бельпоков OA., Киц И.И., Луцик Я. Т., Цриспшко РА. Технологические аспекты проблемы изготовления гибких ультразвуковых тфмопреобразователей// Контрольно-измерительная техника, вып.39, 1986. С.38-40.

13Луцик Я.Т., Сголярчук П.Г. Влияние механической деформации и термической закатки на характеристики акустических термометров// Котрольно-измершельная техника, вып.41,1987. С.57-61.

14Луцик Я.Т. Конструктивные параметры чувствительных элементов резонансных акустических термометров//Мегрология, 1987, №4. С.45-52.

15ЛуцикЯ.Т., Лозбин В.И., Лихновский И.С. Особенности применения акустических термометров для измерения температуры газовых потоков// Кошрольно-измеригельиая техника, 1986, выл.40. С.54-57.

16Луцик Я.Т., Чех Р.И. Особенности измерительных устройств ультразвуковых термометров// Измерительная техника, 1985, №10. С.31-33.

17.Чех Р.И., Луцик Я.Т. Влияние внутреннего трения и согласования с линией на эхо-сигнал ультразвукового термометра./ Кошрольно-измерительная техника. 1987, вып.42. С.61-64.

18 Луцик Я.Т., Сголярчук П.Г., Чех Р.И., Лихновский И.С. Погрешности ультразвуковых резонансных термометров с фазовым анализом эхо-ситала // Измерительная техника. 1988,№7.С.35-37.

19Лихновский И.С., Луцик Я.Т., Чех Р.И. Ультразвуковые импульсные тонкопроволочные термометры для высокотемпературных измфений// Контрольно-измерительная техника. 1988,вып.43. С.45-50.

20Лихновский И.С., Луцик Я.Т., Левчук Н.Ю., Сголярчук П.Г. Многозонные чувствительные элементы импульсных, ультразвуковых термометров// Контрольно-измерительная техника, 1988,вып.44. С.77-80.

21 Луцик Я.Т., Сголярчук П.Г. Исследование монокристаллического вольфрама с целью применения в высокотемпературной акустической термометрии// Высокочистые и монокристаллические металлические материалы/Под ред. А.И.Манохина. М.: Наука, 1987. С.213-216.

22Лихновский И.С., Луцик Я.Т., Левчук Н.Ю. Устройство ввода-вывода

цифровой информации ультразвукового измерительного комплексаУ/Весшик Львовского политехи. ин-та"Технические средства автоматизации измерений и управления научными исследованиями", 1990, №248.

23Левчук Н.Ю., Лихновский И.С., Луцик Я.Т. Использование крутильных колебаний в ультразвуковых импульсных термометрах// Кошрольно-измфшельная техника, 1990, вып.48. С.74-80.

24Ллхновський 1.С., Луцик Я.Т., Героя Т.В. Формування чугливих елеменпв ¡мпульсних акусгачних тфмомегрш// Вюгопс ЛГП "Техтчгл засоби автоматизацц вшф^в та кфування науковими досщдженнями", 1992, №267. С.70-73.

25Лихновскии И.С., Луцик Я.Т., Сгаднык Б.И. Ультразвуковые многозонные термометры для контроля в технологических процессах. В кн.: Средства и системы управления в технике и технологии. Новочеркасск, 1990. С.49-54.

26Луцик Я.Т., Дорожовец М.М., Лихновский И.С. Погрешности импульсных ультразвуковых термометров// Измерительная техника, 1992, №6. С37-38.

27 Луцик Я.Т., Лшювський 1.С. Чушта еяемеши одно- та багагюзонних ¡мпульсго1хтфмометр1в.//Кошрольно-вим1рювальштехшка, 1993. С.59-63.

28Луцик Я.Т., Дорожовець М.М., ЛЬаювський Ю.Похибки ультразвукових резонансних термомегр!в//Вим1рювальна технжа 1 мегролопя, 1995, №51. С.24-27.

29 Ас. 877361 СССР, МКИ С01к11/26. Ультразвуковой преобразователь температуры/ Я.ТЛуцик, П.С.Кислый, Б.И.Сгаднык, ПГ.Столярчук// Огкрьпия, изобретения. 1981, №40.

30А.с. 699000 СССР, МКИ <301к1/12. Огнеупорная замазка/ Я.ТЛуцик, Б.И.Сгаднык, ПГ.Столярчук и др. //Огкрьпия, изобретения. 1979, №43.

31 Ас. 1234732 СССР, МКИ Шк11/26. Ультразвуковой преобразователь температуры/ Я.ТЛуцик, Р.И.Чех, ЗАКолодий// Огкрьпия. Изобретения. 1986, №20.

32 Ас. 1247685 СССР, МКИ С01к11/24. Ультразвуковой

термоме1р/Р.И.Чех, Я.ТЛуцик// Опфытия. Изобретения. 1986. №28.

ЗЗА.с. 1343341 СССР, МКИ G01k29/00. Устройство для определения температурной зависимости модуля упругости материалов/ Я.ТЛуцик, Р.И.Чех, И.СЛихновский, В.П.Мотало, В.В.Паракуда// Открытия. Изобретения. 1987. №37.

34А.с. 1415081 СССР, МКИ G01kll/24. Акустический термометр/ Я.ТЛуцик, Р.И.Чех, ПГ.Столярчук// Открытия. Изобретения. 1988. №29.

35А.с. 1538063 СССР, МКИ GOlkl 1/24. Ультразвуковой преобразователь температуры/ Я.ТЛуцик, Б.И.Гиль, П.Р.Гамула, И.СЛихновский //Открытая. Изобретения. 1990№3.

36А.с. 1397751 СССР. МКИ GOlkl 1/24. Ультразвуковой измеритель температуры/ Б.И.Сгаднык, Я.ТЛуцик, И.СЛихновский, Р.И.Чех, М.П.Ковальская//Открытая. Изобретения. 1988. №19.

37А.с. 1456867 СССР, МКИ G01N 29/00. Способ определения модуля упругости материалов/ Я.ТЛуцик, В.П.Мотало, Б.И.Сгаднык // Открытия. Изобретения. 1989. №5.

38А.с. 1566231 СССР, МКИ G01kll/24. Ультразвуковой термометр/ Я.ТЛуцик, Н.ЮЛевчук, И.СЛихновский, Б.И.Стаднык// Открьпия. Изобретения. 1990. №19.

39.A.C. 1523998 СССР, МКИ G01N29/04. Устройство для определения модуля упругости материалов/ Б.И.Сгаднык, Б.ВДунец, Я.ТЛуцик, В.П.Мотало//Открытая. Изобретения. 1989. №43.

40А.с. 1652899 СССР, МКИ G01N29/00. Устройство для определения температурной зависимости модуля упругости материалов/ Н.ЮЛевчук, И.СЛихновский, Я.ТЛуцик, Б.И.Сгаднык Открытая. Изобретения. 1991.№20.

41Луцик Я.Т., Лихновский И.С., Волков Е.Н. Принципы построения передающего устройства ультразвукового импульсного

термометра//Тездокл.У1Всесоюзлсонф. "Электрические методы и средства измерения температуры 'Электротермомефия-88", Луцк, 1988, ч.2. С.264.

42.Дорожовец М.М., Кузий А.И., Луцик Я.Т., Сгадаык Б.И. Восстановление локальных температур газовых сред на основании

бесконтактного измерения интегральных значений темпфатуры//Гез. доклЯУ Всесоюзжонф. "Метрологическое обеспечение температурных и тегаюфизических измерений в области высоких температур", Харьков, 1990. С.355-356.

43Луцик Я.Т., Сголярчук П.Г., Чех Р.И. Принципы построения измерительных устройств ультразвуковых резонаншеъинтерференционных термометров// Тез,цокл. Всесоюз.конф." Состояние и перспективы развития средств измерения темпфатуры контактными и бесконтактными методами "Температура-84", Львов, 1984,т.2 С.163-164.

44Луцик Я.Т., Колодий ЗА., Чех Р.И. К вопросу определения динамических характеристик ультразвуковых термометров// Тездокл. Всесоюзхонф."Сосгояние и перспективы развития средств измерения температуры контактными и бесконтактными методами 'Темпфатура-84", Львов, 1984, т.2. С. 167.

45.Lutsyk Ja., Levchuk N.. Lichnovskiy I., Stadnyk B. Microprocessor ultrasonic complex for temperature measurement// IMECO Simposium on Microprocessors in temperature and thermal measurement, Lodz, 1989.P.169-175. •

46 Луцик Я.Т., Левчук Н.Ю., Лихновский И.С., Стадаык Б.И. Измерение темпфазуры в промышленности ультразвуковыми методами// Тез докл.ме5здугар. конф.''МегепНф1о1ургшпуз1и" Прага, 1989. С.33-40.

47,Lutsyk Ja., Levchuk N., Lichnovskiy I., Stadnyk B. Temperature measurement by resonance acoustic method// 4-th symposium on temperature and thermal measurement in Industy and Science "Tempmeko-90", Хельанки, Фшлянда, 1990. C.164-171.

48.Lutsyk Ja., Stadnyk B. Rezonansna metoda pomiaru sprezystych wlasnosci wytaymalosdowych na malogabarytowych probkach materialowych// Матер1али 20! конф. по нфуйшвному кошролю, Щирк, Польша, 1991. С.73-76.

49Луцик Я.Т. Сенсори дня вимровання темпфатури улыразвуковими методами// Тези мЬкнар. конф. "1-st International modelling school - Rrym Autumn'96,8ф1етЬег 12-17,1996, Alushta, Ukraine. C.46.

Луцык Я.Т. Ультразвуковая термометрия - концепция, синтез, реализация.

Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.11.04-приборы и методы измерения темовых величии, Государственный университет "Львтсъкапомтехшка", Львов

1УУ0.

Защищается 65 работ, в том числе монография и 12 авторских свидетельств, которые формулируют концепцию создания ультразвуковых импульсных и резонансных термометров для измерений средних и высоких температур в объектах с особо сложными условиями эксплуатации Представлены результаты комплекса теоретических и экспериментальных исследовании по математическому моделированию, расчету характеристик и выоору материалов чувствительных элементов термометров, конструированию электроакустических преобразователей. Изложены принципы схемотехнических решении модификаций термометров, проиллюстрированные примерами, выполнен анализ составляющих погрешности измерения, показаны пути их уменьшения и представлены выражения для расчета суммарной погрешности Изложены принципы верификации термометров при выпуске из производства созданы модификации резонансных и импульсных (в том числе многозонных) термометров, а также прибор для исследований упруго-вязких свойств металлокерамических материалов.

Lutsyk Ja.T. Vitrasonics thermometry - conseption, synthesis, realization.

Dissertation as manuskript for obtaining of the degree of doctor of technical sciences, speciality 0S.11.04-Devices and methods for measuring thermal values, State University 'Lviv Polytechnic", Lviv, 1996.

Ultrasonics impulse and rezonance thermometres for mean and high temperature measuring in the object complex exploatktion medium design conception is represented in 65 papers, i.e. one monograph and 12 patents. Theoretical and mathematic simulation experimental investigation rezults, characteristics calculation and sensor material choosing, electroacoustic transducer constructions are considered I he schemotechnic thermometre modification decision principles are Ulustrated by concrete examples. The measurement errors analisis is made, the error decreasing ways are shown and the summary error calculation expression are found. The thermometre varmcation principles during their manufacturing are presented. The impulse (i e multizones) and resonance thermometre modifications and metalceramic material tension-velosity properties investigation device are designed.

RrttoHoei слова: температура, втйрювання, термометр, ультразвук, акустичний.

1йдп. до друку 3.IÎ-96 . Формат 60x84 /16 Папзр друк. Jf» 2. Офс.друк. Умов.друк.арк.З Умов.фаро,-вгдб. э Умовно-видав.арЕ. s.is Тираж J op прим. Зам.»/у . Еезплатно

ДДП 290646 Льв!в-13, Ст.Бандери. 12

Дмьниця оперативного друку ДУМ JIbBiB, вул. Городоцька, 266