метрам, используют буферные пассивные элементы и волноводы, которые должны обеспечивать передачу ультразвукового сигнала с минимальными искажениями. Это условие выполнимо в двух случаях: d > >t н d < X, где d - диаметр пассивного элемента или волновода [948]. Первый случай реализуется в диапазоне высоких частот и на сравнительно малых расстояниях от преобразователя к чувствительному элементу (пассивные элементы типа дисков или пластин). Второй случай относится к длинным волноводам (звукопроводам). При выполнении условия (od/y < 1, где vt - фазовая скорость сдвиговой волны, в стержневых волноводах может распространяться только одна волна (продольная, изгибная или крутильная) 1948]. При увеличении частоты или диаметра свойства крутильной волны

Рис. 10.13. Вариант преобразователя, обеспечивающего герметизацию места ввода в объект измерения [55, 1423]:

/ - корпус; 2 - катушка; 3 - магнитострикциоиный преобразователь; 4 - звукопровод; 5 - капсула; 6 - чувствительный элемент; 7 - стенка корпуса объекта; 8 - место пайки или сварки

не меняются, а продольные и изгибные волны превращаются в поверхностные волны Рэлея, фазовая скорость которых меньше. Волны Рэлея распространяются без дисперсии и их фазовая скорость равна групповой [489]. При критических значениях (od/vt, когда диаметр стержня соизмерим с длиной поперечной волны, появляются волны порядка выше нулевых, характеризующиеся сложным распределением смещений по поперечному сечению стержня и сильной зависимостью фазовых и групповых скоростей от cйd/y Согласно Линнвосу и Мэзоиу, для неискаженной передачи акустического сигнала диаметр звукопровода акустического термометра не должен превышать 0,2Я для продольных колебаний и 1,2Х для крутильных [1423]. При подсоединении одного или нескольких звукопроводов к пьезо-или магнитострикциоиному преобразователю следует обеспечить согласование их акустических импедансов.

При одностороннем излучении магнитострикционного преобразователя на резонансной частоте нерабочий торец сердечника либо остается свободным (коэффициент отражения г -1), либо укрепляется на массивной жесткой опоре (коэффициент отражения г ж +1). Расстояние между катушкой и нерабочим торцом регулируется таким образом, чтобы обеспечить синфазное сложение прямого и отраженного от нерабочего торца сигналов. Это увеличивает амплитуду излучаемого сигнала в узкой полосе частот. Такие преобразователи используются в импульсных и узкополосных резонансных термометрах [1059, 1459]. В резонансных ультразвуковых термометрах требуется перестраивать частоту сигнала в широком диапазоне, поэтому для расширения диапазона рабочих частот пьезо- и магнитострикционных преобразователей применяют демпфирование сигнала со стороны нерабочего торца [1074]. В качестве демпфирующего материала можно использовать резину, иск.усствеиные смолы с добавками наполнителя [774]. Его состав, а также конструкция демпфера должны обеспечить мак-

симальио полные отвод и затухание колебаний без многократных отра-

При значительной длине звукопровода малого сечеиия сложным является его крепление й уплотнение. Так как опоры уплотнения могут быть источниками отражения, необходимо либо свести амплитуду этих отражений к минимуму, либо обратить это обстоятельство иа пользу (рис. 10.14, н) [1423]

В качестве уплотнений можно использовать работающие на сжатие конусы из мягкой резины, диафрагмы или тонкостенные капсулы

(рис. 10.13). В диапазоне частот л я с до 100 кГц капсулы можно изго-

тавливать из нержавеющей стали толщиной до 0,25 мм [55, 1423].

Акустическая изоляция между звукопроводом и защитной

Рис. 10.14. Разновидности конструкций чувствительных элементов импульсных ультразвуковых термометров

Рис. 10.15. Разновидности конструкций чувствительных элементов резонансных ультразвуковых термометров

арматурой (или капсулой на рис. 10.13), сводящая к минимуму ложные отражения от мест крепления, может осуществляться установкой шайб из резины, графита, фторопласта, проволочной оплеткой, присоединением лазерной сваркой тонких распорных проволочек, нанесением покрытия на внутреннюю стенку защитной арматуры [1576, 1652, 1658]. Эффективным является также принудительное относительное перемещение звукопровода и защитной арматуры с помощью внешнего привода [1100] либо с использованием различия температурных коэффициентов расширения материалов звукопровода и защитной арматуры [1576]. Перемещения являются также

надежной защитой от высокотемпературного диффузионного сваривания звукопровода с арматурой [1424], которое может вывести термометр из строя, так как ультразвуковой сигнал в этом случае практически пол ностью отражается от места сварки. Эффективным средством акустической изоляции в высокотемпературных ультразвуковых термометрах до 2673К являются покрытия на основе тория [1577].

ГЛАВА 11

ШУМОВЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ

10.3. Чувствительные элементы ультразвуковых термометров

Чувствительный элемент ультразвукового термометра, как и других типов термометров, является наиболее ответственным узлом, определяющим метрологические характеристики средства измерения. Разновидности чувствительных элементов импульсных термометров представлены на зис. 10.14, причем их разнообразие этими конструкциями не исчерпывается 1422, 1423, 1655].

В стержневом однозониом чувствительном элементе амплитуды первого и второго отраженных сигналов в линии связи равны между собой при условии, что коэффициент отражения в месте соединения элемента с линией связи равен ±0,618. В двухзонном элементе амплитуды отраженных сигналов равны при условии! = 0,6182,= 0,618, \г(\= 1 (рис. 10.14,6) [14231. В многозонном термометре необходимо соблюдать аналогичное условие !/ 1 = 0,618 -.

Разновидности чувствительных элементов резонансных термометров показаны на рис. 10.l5 [594, 596, 597, 1147, 1251, 1648. Характеристики элементов камертонного типа круглого и плоского сечения (рис. 10.15, ж, з), определенные экспериментальным путем для ряда материалов, приведены в табл. 10.8 [1648]. Добротность элемента без учета внутренних потерь в материале определяется формулами [596, 1148[ Q я/48 (рнс. 15, а), Q я/28 (рис. 10.15, б), Q я/4е2 (рис. 10.15, в), Q х п/2г (рис. 10.15, г), где 8= Pit/iSi/(p2t)2S2), р - плотность материала, v - скорость распространения ультразвуковых колебаний, S - сечение, индексы 1 и 2 относятся соответственно к участкам с меньшим и большим сечениями.

Для элементов с внутренними потерями можно воспользоваться соотношением [1251] (см. рис. 10.4)

Qi - Q,

Qi + Q2

Здесь Qi и Qa - составляющие добротности, определяемые соответственно потерями на излучение в звукопровод и потерями внутри элемента.

Перспективными материалами для чувствительных элементов являются монокристаллические тугоплавкие металлы, характеризующиеся существенно меньшим внутренним трением при высоких температурах по равнению с поликристаллическими [595].

Флуктуации скоростей носителей заряда в проводниках, обусловленные их тепловым хаотическим движением, приводят к тому, что на концах активного сопротивления создаются случайные пульсации напряжения. Амплитудные значения этого напряжения подчиняются нормальному закону распределения с нулевым математическим ожиданием и дисперсией, зависящей от температуры. Такие пульсации напряжения называют тепло- вым шумом.

Термошумовой метод основан на температурной зависимости флуктуирующей разности электрических потенциалов. Этот метод в отличие от других позволяет измерять термодинамическую температуру. Теоретической основой шумовой термометрии являются работы Эйнштейна, Найквиста и Джонсона [1032, 1348, 1485]! Хотя теоретические основы шумовой термометрии известны давно, переход к практическим измерениям произошел только в последнее время. Это связано с развитием микроэлектроники, позволившим создать сравнительно компактные приборы для спектральных измерений шумовых напряжений и мощности, характеризующихся чрезвычайно малыми значениями. Именно сложности, связанные с измерением параметров шума, явились существенным тормозом на пути развития шумовой термометрии, причем эти сложности до конца не устранены. Серийно шумовые термометры не выпускаются, существуют только лабораторные образцы. Тем не менее шумовые термометры обладают рядом существенных преимуществ, открывающих возможность прямой передачи термодинамической температурной шкалы для практических измерений. Поскольку результаты измерений не зависят от характера и структуры материала первичного преобразователя, шумовой термометр свободен от влииния таких факторов, как ионизирующее излучение, деформация, изменение структуры материала, химические превращения и т. п. В соответствии с формулой Найквиста спектральная плотность шумового напряжения на зажимах образца, который находится в термодинамическом равновесии, имеет вид

S(f) = AkT ReZ

Ы kT

где k - постоянная Больцмана, h - постоянная Планка, Re Z = R (J) - реальная часть комплексного сопротивления.

При f/T <: 10* Гц/К указанное соотношение превращается в классическую формулу Найквиста для среднего квадрата шумового напряжения

Й2 = J ikTR (/) dt.

Если сопротивление не зависит от частоты, то

= AkTRM.

Таким образом, среднее квадратичное значение напряжения теплового шума прямо пропорционально термодинамической температуре образца и может служить мерой этой температуры (рис. 11,1). Квантовые поправки

существенны только при высоких частотах и низких температурах. Погрешность измерения при 1 К составляет 10 %, тогда как при температуре затвердевания золота она составляет только 0,05 % [580]. Существенное влияние на погрешность шумового термометра оказывают собственные шумы аппаратуры, электрические помехи с неизвестным законом распределения (особенно носящие характер белого шума), нестабильность характеристик структурных элементов термометра 29].

В большинстве известных шумовых термометров используются контактные первичные преобразователи из платины, вольфрама, константана, нихрома, никеля, полупроводниковых материалов [97, 889, 1264, 1495, 1653].

Применяются также тонкопленочные резисторы [1060]. Для повышения помехоустойчивости преобразователь помещают в экран из хорошо

Рис. 11.1. Функциональная схема шумового термометра [29]: 7 - первичный преобразователь; 2 - линия связи; 3 - масштабный преобразователь; 4 - промежуточный преобразователь; 5 - система обработки н регистрации информации; 6 - система управления

тн9т

NiCr

WHe5[26

Рис. 11.2. Первичные преобразователи шумовых термометров для области средних и высоких температур [605]

проводящего материала, а уменьшения частотной зависимости сопротивления добиваются снижением еобственных индуктивности и емкости (рис. 11.2, 11.3).

Шумовые термометры, в которых сам объект измерения служит первичным преобразователем, применяются в случаях, когда нецелесообразно или невозможно размещение контактного преобразователя в объекте, а также для измерений температуры диэлектриков и плазмы. Известны ин-

дуктивные и емкостные преобразователи [345, 346], представляющие собой кварцевый канал для плазмы, размещенный соответственно либо в центре катушки индуктивности, либо между пластинами конденсатора.

Для исключения ошибок, связанных с влиянием линии связи, последняя должна иметь много меньшее сопротивление, чем чувствительный элемент, обеспечивать постоянный коэффициент передачи в заданной области частот и иметь надежную экранировку от внешних электромагнитных помех. При этом используют одинарное или двойное экранирование либо симметричную линию связи, подключаемую к входному дифференциальному усилителю. Целесообразно также применение линии связи из двух экранированных кабелей в комплекте с корреляционным промежуточным усилителем [29].

Особое внимание при разработке шумового термометра нужно уделять предусилителю масштабного преобразователя, поскольку уровень шума входного каскада является определяющим при обеспечении заданных метрологических характеристик. В современных предусилителях во входных каскадах применяют полевые транзисторы, шумы которых находятся на уровне лучших электронных ламп. Для низкотемпературных шумовых термометров используют принудительное охлаждение транзисторов входного каскада [936], а при использовании низ-коомных чувствительных элементов - несколько параллельно соединенных полевых транзисторов [29, 153]. Основной усилитель масштабного преобразователя представляет собой операционный усилитель с отрицательной обратной связью. Для исключения ошибок, связанных с медленным дрейфом, и влияния тепловых переходных процессов масштабный преобразователь следует термостатировать [1501], а для обеспечения стабильности полосы пропускания следует использовать пассивные фильтры, выполненные по лестничным схемам, либо активные /?С-фильтры [459 , 653].

Наиболее важным узлом промежуточного преобразователя является перемножитель (квадратор). Его можно выполнить по мостовой схеме с использованием полевых транзисторов на основе серийно выпускаемых перемножителей 525ПС1, 140МА1, а также на перемножающих устройствах на эффекте Холла [116, 184, 1634]. Однако аналоговые перемножители не позволяют получить погрешность ниже 0,3 %. Лучшими характеристиками обладают импульсные перемножители (погрешность ~0,01 %), но их частотный диапазон много уже. При использовании цифровых промежуточных преобразователей, включающих аналого-цифровые преобразователи и ЭВМ, можно осуществлять операции возведения в квадрат, перемножения сигнала, вычисление температуры и погрешности [919, 1501].

Одним из первых вариантов цифрового термометра был термометр, в котором температура определялась по числу импульсов, амплитуда которых превышала некоторое значение заданного напряжения [97, 821].

Рис. 11.3. Первичные преобразователи шумовых термометров для ядерных реакторов [29]:

1,1 - чувствительные элементы; 2,2 - изолятор; 3,3 - экран; 4,4 - подводящие провода; 5 - спай термопары