Вступ
Акустичні методи в даний час надійно ввійшли до арсеналу засобів вимірювання та контролю в промисловості та енергетиці. Це пов’язано із загальним прогресом в акустиці, розвитку фізики твердого тіла, мікроелектроніки. Були розроблені більш досконалі засоби випромінювання та прийому акустичних хвиль, які дозволили підвищити якість вимірювання приладів і розширити верхню границю частотного діапазону до області гіперзвукових (до 1013 Гц) частот.
Застосування акустики характеризується широким різноманіттям. Створені ультразвукові рівнеміри, витратоміри, віскозиметри. Як окремий напрямок сформувався та існує ультразвукова дефектоскопія, можливості якої відчутно виросли. Розвиваються нові напрямки, такі як акустоелектроніка, акустооптика, акустична голографія, ультразвукова медична діагностика. В фізиці твердого тіла ультразвукові методи дозволяють визначити пружні сталі (модуль Юнга, модуль зсуву), ряд теплофізичних властивостей, дослідити властивість і розподіл неоднорідностей, особливості дислокаційної структури. При цьому застосовується ультразвук малої інтенсивності. Самі процеси вимірювання порівняно просто піддаються автоматизації, що дозволяє проводити дистанційне вимірювання в хімічно активних і вибухонебезпечних середовищах, а також здійснювати непереривний контроль в важкодоступних місцях. В 60-тих були розроблені перші ультразвукові термометри, випробування яких показали наявність ряду переваг перед традиційними засобами вимірювання температури – термоелектричними і терморезистивними термометрами. До цих переваг відноситься:
широкий вибір матеріалів для чутливих елементів, включаючи крім металів і металічних сплавів кераміку та металокерамічні матеріали, гази, рідини;
можливість використання елементів контролюючого об’єкту в якості чутливого елемента термометра;
відсутність необхідності застосування високотемпературної електричної ізоляції;
можливість створення на базі одного чутливого елемента багатозонного термометра для вимірювання поширення температури;
можливість вимірювання температури об’єкту без порушення його герметизації;
можливість заміни робочої рідини чутливого елемента (газового або рідинного) в процесі експлуатації.
Переваги ультразвукових термометрів особливо яскраво проявились при їх випробовуванні та експлуатації в реакторних і енергетичних установках, що зумовило інтенсифікацію досліджень в області ультразвукової термометрії.
1.Теоретичні основи використання акустичних методів
Температура є важливою характеристикою природних об’єктів, технічних пристроїв, технологічних процесів. Весь теоретично можливий діапазон температур складає 0 – 1012 К, але на практиці переважно вимірювання необхідно проводити в межах до 3700 К. Широкий діапазон вимірювання температур та велике різноманіття умов проведення вимірювання обумовило появі цілої гами методів і засобів вимірювання температури. В сучасному промисловому виробництві переважно використовують термопари, термометри опору, пірометри, які випускаються серійно заводами виробниками.
Але, не зважаючи на великий різновид розроблених приладів, з їх допомогою не вдається, тай можливо не вдасться задовольнити всі вимоги, які постійно висувала й висуває наука та промисловість. Це пов’язано з особливостями вимірювання в тонких фізичних та біологічних експериментах з посиленими вимогами до економічності і безпеки енергетичних установок, ускладненням умов експлуатації термометрів в об’єктах нової техніки, необхідністю підвищення точності вимірювання і т.п. При цьому деколи потрібні значні затрати і відчутне ускладнення (і подорожчання) вимірювальних приладів, але кінцевий економічний виграш може виправдати дані витрати (наприклад, виграш за рахунок відчутного зниження браку в металургії або оптимізації режиму роботи топочного котла електростанції).
При вивченні рідин і газів все ширше застосовують методи молекулярної акустики, основу якої складає релаксаціонна акустика. Ці методи дають можливість виявити особливості молекулярної структури, оцінити енергію взаємозв’язку молекул.
В фізиці твердого тіла ультразвукові методи дозволяють виявити теплопровідність і теплоємкість,дослідити характер і роз приділення неоднорідностей.
При вирішенні задач вимірювання температури в ядерних реакторах (зокрема, температури теплоносія і температури в середині тіла), проблем оптимізації температурних режимів великогабаритних об’єктів (топкових котлів) і вимірювання розподілу температури при малих габаритах об’єкту та обмеженому доступі до нього ряд винахідників висловили припущення, що згадувані задачі можуть бути вирішені з допомогою ультразвукових методів, використовуючи температурну залежність швидкості ультразвуку в середовищі.
Успішно розвиваються дослідження, пов’язані із забезпеченням контролю за поширенням температури в топкових котлах та злитках металу за допомогою сканування об’єму ультразвуковим сигналом. Для наочності графічно представлені деякі дані (рис. 1.1), на яких можна побачити технічні можливості ультразвукових термометрів порівняно з деякими відомими типами термометрів. Також порівняти їхню вартість та складність виконання.
Рис. 1.1. Порівняльні характеристики деяких термометрів
Ультразвуковий термометр – це досить складний пристрій, створення якого вимагає сучасного рівня знань акустики, матеріалознавства, електронної техніки, інформаційно-вимірювальної техніки, метрології, окремих спеціальних технологічних процесів.
1.1. Фізичні основи використання ультразвуку для контролю і вимірювання величин
Фізична природа всіх єдина і немає суттєвої різниці між ультразвуком та слуховим звуком. Можна говорити лише про фізіологічні відмінності через різні реакції людського вуха на хвилі того чи іншого діапазону частот, хоча повної різниці між звуковими та ультразвуковими хвилями немає, тому що із збільшенням частоти міняється ряд властивостей коливань, відповідно, характер їхньої взаємодії із середовищем.
Частина довжини хвилі обумовлює характер поширення ультразвукових хвиль, і поблизу випромінювача хвиль поширюється у вигляді пучка з поперечним розміром, близьким до розміру випромінювача. Попадаючи на великі перешкоди або неоднорідності, такий хвильовий пучок випробовує регулярне відображення і переломлення, а перешкоди малих розмірів приводять до появи розсіяної хвилі.
Ультразвукові коливання, завдяки малій довжині хвиль, можна фокусувати за допомогою акустичних лінз, рефлекторів і формувати задані характеристики направленості випромінювача з високою щільністю випромінювання. Крім того, ультразвукові сигнали можна випромінювати у вигляді коротких акустичних імпульсів, здійснюючи тим самим досить точну часову селекцію поширюючи сигналів.