Рис. 10.4. Отражение и прохождение сигналов в случае нолуволнового (а) и четвертьволнового (б) резонаторов и формы прямого (в) и отраженного (г) сигналов (г - коэффициент отражения; t, f - коэффициенты прохождения; Пд- число периодов от начала отраженного сигнала до переворота фазы)

единичной амплитуды и при совпадении частоты заполняющего сигнала с резонансной частотой описывается выражениями (рис. 10.4) [596]: 2 / 1 - е

- 1 if для полуволнового резонатора),

4 = 1

1-t-e V 1 + е

2 / е - 1 \ 2(п-1)

-- 1 (для четвертьволнового резонатора),

+ )/

относится к меньшему сечению, 2 - к

1 + е V е где г = piViSi/ipViSi); индекс

большему (рис. 10.4). Огибающую отраженного сигнала можно аппроксимировать более традиционной экспоненциальной зависимостью [1148]

ял \

Л - Af)

2 ехр

-Q-j

Здесь Q - добротность резонатора без внутренних погерь, определяемая только излучением в звукопровод.

Отраженный сигнал характеризуется минимумом амплитуды, соответствующим повороту фазы на 180°, который наблюдается при совпадении частоты заполнения сигнала возбуждения с резонансной частотой резонатора (рис. 10.4, г). Блок-схема резонансного ультразвукового термометра, использующего условие поворота фазы на 180° в качестве критерия настройки электронной схемы, приведена на рис. 10.5 [599, 1101].

В электронной схеме термометра осуществляется усиление отраженного сигнала и формирование из него прямоугольных импульсов, выделение

Н дисплею

Рис. 10.5. Блок-схема ультразвукового резонансного термометра с фазовой настройкой:

1 - чувствительный элемент со звукопроводом и магнитострикционным преобразователем; 2 - модулятор; 3 - генератор; 4 - частотомер с преобразователем кода; 5 - усилитель-ограничитель; 6 - блок выделения групп; 7 - интегратор импульсов; S - интегратор управления; 9 - схема сброса уровня отсечки шумов в нуль и фазирования генератора; 10 - блок защиты: - делитель частоты; 12 - счетчик; 13 - индикатор

Рис. 10.6. Блок-схема ультразвукового термометра, функционирующего по методу синхрокольца [1547]:

/ - генератор импульсов; 2, 3 - преобразователи; 4 - чувствительный элемент; 5 - усилитель; 6 - формирователь; 7 - триггер; 8 - преобразователь период - напряжение; 9 - источник эталонного напряжения; 10 - пересчетное устройство; и - аналого-цифровой преобразователь

одинакового числа импульсов до и после минимума амплитуды (блок групп) и сравнение их с опорным сигналом с выхода генератора. Если условие переворота фазы не соблюдено (Аф 180°), то на выходе интегратора импульсов появляется сигнал рассогласования, который используется интегратором управления для перестройки частоты генератора. Перестройка осуществляется до уравнивания частот /ренер ~ рез- ГТосле этого производится измерение /ге ер частотомером и преобразование в значение температуры.

Техническая характеристика ультразвуковых резонансных термометров [1147, 1148, 1459] приведена ниже.

Диапазон измеряемых температур

Длительность сигнала передающего канала, мкс

Средняя частота заполнения, кГц

определяется материалом чувствительного элемента

~250 ~120

Частота следования, с~ 100 , 120

Максимальная температура элект- 600

роакустического преобразователя,

Допустимое затухание в звукопро- 30

воде, дБ

Добротность чувствительного элемента ~50

Погрешность измерения, % 0,1

На рис, 10,6 представлена блок-схема ультразвукового импульсного рмометра, работающего по принципу ошхрокольца (или автоциркуляции

импульса). Импульс от генератора преобразуется в акустический сигнал, проходящий через чувствительный элемент, а качестве которого может использоваться газ, жидкость или твердое вещество. Импульс с выхода приемного преобразователя после усиления и формирования используется для запуска генератора, работающего в режиме внешнего запуска. Поскольку временной интервал между посылкой импульса и приходом запускающего импульса определяется скоростью прохождения акустического сигнала по чувствительному элементу, зависящей от температуры, то частота следования импульсов на выходе генератора также является функцией температуры.

Для измерения высоких температур (выше 1200 К) необходимо разнести в пространстве электроакустический преобразователь и чувствительный элемент. В этом случае применяют режим работы на отражение. На рис. 10.7 показан импульсный термометр для измерения температуры жидкометалли-ческого теплоносителя реактора [1651].

Эффективен вариант импульсного термометра, в котором в качестве чувствительного элемента используется отрезок тонкой тугоплавкой проволоки 1422, 1423, 1425, 1664]. Электронная схема измеряет время т между импульсами, отраженными от начала и конца чувствительного элемента [1656]. Чувствительность такого термометра для случая продольных колебаний Ат 1 ,

Рис. 10.7. Ультразвуковой импульсный термометр для измерения температуры жидкого теплоносителя реактора:

/ - преобразователь; 2 - звуко-провод, 3 - стенка корпуса; 4 - жидкий теплоноситель; 5 - рефлекторы

1 dE

где щ - температурный коэффициент расширения, - - температурный коэффициент модуля Юнга,

Как следует из дан1ых табл, 10,5, чувствительность импульсного термометра максимальна при высоких температурах. Для ее повышения используют эффект многократного отражения ультразвукового импульса в чувствительном элементе, измеряя время между первым и третьим (или последующими) отраженными импульсами. Это эквивалентно увеличению длины чувствительного элемента соответственно в два и более раз.

Таблица 10.5. Чувствительность импульсного термометра [1035]

Техническая характеристика ультразвукового импульсного термометра Панатерм 5010 (рис, 10,8) приведена ниже.

Размеры чувствительного элемента, мм диаметр длина

Относительная чувствительность, %

при длине чувствительного элемента 50 мм

максимальная Погрешность измерения временного интервала дМежду импульсами при усреднении результата десяти измерений, мкс

Частота сигнала заполнения измеряемого временного интервала (частота дискретизации), МГц

Амплитуда импульсов, В

Установка стробирующих импульсов

Погрешность измерения температуры, %

Инерционность (без учета тепловой инерционности чувствительного элемента), с

Тип преобразователя магнитострикционный

Максимальная измеряемая температура. К, с

чувствительным элементом из:

алюминия 811

нержавеющей стали 1366

сапфира 1922

рутения, молибдена 2460

рения, тантала, вольфрама 3273

0,03...3 3 ,3000

<1 0,1 0,1

0,01 ,10,0

ручная

%рут, мкфм

Рис. 10,8. Градуировочные кривые ультразвукового импульсного термометра Панатерм-бОЮ

Если создано несколько точек отражения в чувствительном элементе введением акустических неоднородностей (канавок, отверстий, изгибов и т. п.), то импульсный термометр позволяет измерять температуру или ее распределение в нескольких зонах одним чувствительным элементом. Это осуществляется измерением временных интервалов между импульсами, выбранными по заданному алгоритму из серии отраженных сигналов.

6<

, t23/t ,

Рис. 10.9. Блок-схема ультразвукового импульсного многозонного термометра Блэк бокс [1576]:

/ - зeшниe регулировки; 2 - интервал; 3 - ручной пуск; 4 - хронирующее устройство; 5 - генератор развертки; 6 - регулировки; 7 - развертывающее устройство: 8 - усилитель; 9 - импульсный генератор; 10 - выбор катушки;

- катушки; 12 - генератор 100 МГц; 13 - индикатор минимума; 14 - 17 - счетчики; 18 - цифровой вольтметр; 19 - генератор; 20 - мультиплексор; 21 - шина передачи данных; 22 - шина управления; 23 - последовательный интерфейс; 24 - внешние данные; 25 - память на магнитной ленте; 26 - УВМ НР-9815-А; 27 - печатающее устройство

Система сбора данных Блэк бокс может обрабатывать информацию от четырех четырехзонных чувствительных элементов (рис. 10.9) [1576].

Техническая характеристика ультразвукового термометра с системой сбора данных Блэк бокс [1576] приведена ниже.

Материал чувствительного элемента W - 2 % ThOj

Длина чувствительного элемента, мм 50

Диапазон измеряемых температур, °С 20...2700

Число каналов 4

Число зон в канале 4

Частота дискретизации, МГц 100

Частота следования импульсов пере- 100 датчика, Гц

Разрешающая способность (при усред- ±1

неиии 100 результатов), не

Время измерения иа канал, с 1.0

Среднее квадратичное отклонение гра- 10

дуировочной характеристики, К

10.2. Способы возбуждения и регистрации ультразвуковых сигналов и их передачи в зону измерения температуры

Для генерации и регистрации ультразвуковых сигналов используются следующие электроакустические преобразователи: электростатические, магнитострикционные, пьезоэлектрические. Для регистрации ультразвуковых колебаний применяют также методы, основанные на принципах лазерной интерферометрии и мес-сбауэровские методы, использу- .- ющие регистрацию у-излучения колеблющегося источника. В ультразвуковых термометрах наиболее распространены пьезоэлек-

трические и магнитострикционные преобразователи, обеспечивающие высокую эффективность в режимах излучения и приема.

Основная характеристика магнитострикционного материала, используемого в одноименном электроакустическом преобразователе,- коэффициент маг-нитомеханической связи, характеризующий эффективность преобразования одного вида энергии в другой [55]:

Km -

(гцоХ,;

Рис. 10.10. Зависимость толщины пластин h от частоты для заданного маг-нитомеханического КПД:

сплошные линии - никель, штриховые - альфер [949]

где 117; - упругая механическая энергия, запасенная в материале, Wrn - энер!

магнитная проницаемость при постоянной деформации, ks - константа магнитострикции, Я - модуль упругости. Магнитная проницаемость и константа магнитострикции зависят от намагниченности материала, поэтому для повышения эффективности работы магнитострикционных преобразователей дополнительно задают постоянное смещающее магнитное поле. Оно может создаваться либо пропусканием постоянного тока через вспомогательную катушку, либо наложением постоянной составляющей тока на переменную составляющую в одной катушке возбуждения с разделением цепей постоянного и переменного токов индуктивными (дроссели) и емкостными (конденсаторы) элементами, либо наложением поля постоянного магнита. Смещающее поле выполняет и другую функцию. При отсутствии