Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время ультразвуковую контрольно-измерительную аппаратуру применяют в различных областях науки и техники. До настоящего времени ультразвук применялся для контроля твердых и жидких сред и лишь в последнее время находит свое применение для контроля параметров газа, в частности температуры, скорости потока газа и его направления. Причем ультразвуковые методы контроля перечисленных параметров находят все большее применение. Об этом свидетельствует анализ динамики роста числа публикаций в научной литературе и среди охранных документов за последние 20 лет, что косвенно подтверждает актуальность проводимых исследований.
Преимущественное развитие ультразвуковых методов измерения температуры, скорости и направления обусловлено их специфическими особенностями, делающими данные методы в ряде конкретных случаев практически незаменимыми, а также значительным прогрессом средств регистрации импульсных и переменных электрических сигналов, и цифровой обработки результатов измерений.
К числу специфических особенностей ультразвуковых измерителей температуры, скорости и направления потока можно отнести такие факторы, как ярко выраженная зависимость от измеряемых параметров, что позволяет сравнительно легко реализовывать однопараметрические режимы измерения; универсальность акустических явлений, существующих в газах, позволяет сравнительно легко переходить от одного объекта коїпроля к другому; возможность распространения акустических колебаний в материальных средах и объектах на расстояния, причем характеристики этих колебаний несут информацию об измеряемом параметре.
Однако, нельзя не отметить и недостатки ультразвуковых измерителей динамических параметров газа. Например, показания ультразвуковых термометров в значительной степени зависят от перемещений самой среды и, наоборот, работа измерителей скорости потока и направления зависит от изменений температуры. Это в свою очередь вызывает необходимость применять сложные конструктивные решения и значительно усложнять электронные схемы обработки, что порой, не всегда удается реализовать на практике и не дает нужного результата. Другой недостаток обусловлен тем, что в качестве первичных датчиков преимущественно используются преобразователи на основе пьезополимерных пленок, применение которых ограничивается узким диапазоном рабочих температур. Наличие недостатков обусловило проведение исследований в данной области.
Актуальность подтверждается и тем, что работы в данной области активно ведутся иностранными фирмами, в частности, KAIJO corporation в Японии и BJRAL в Англии.
Следует отметить, что тематика данной работы связана с государственными бюджетными программами. Финансовая поддержка проводимых исследований осуществлялась в рамках региональной программы развития "Прогресс и Регион" (1996 -2000 гг.)
Цель
Разработка метода ультразвуковой анемометрии и технических решений для его осуществления, определение критериев и границ применимости.
Задачи
Для достижения указанной цели требуется решить следующие основные задачи:
Исследовать величины отклонения скорости звука в газе как функции его температуры по отношению к линейной, в зависимости от ширины температурного диапазона.
Провести анализ влияния на скорость распространения звука влажности газа и его давления, и выбрать модель поглощения для определения частотного диапазона колебаний в предположении распространения в среде плоской волны.
Исследовать возможности применения единого принципа измерений для получения информации о динамических параметрах газа
Разработать математическую модель метода и определить условия реализуемости.
Исследовать акустическое поле преобразователя и характеристики направленности с целью выбора оптимальных частот колебаний с учетом дифракционного ослабления.
Разработать первичный преобразователь, согласованный с малоимпедансной нагрузкой.
Провести анализ возможных погрешностей и методов их уменьшения.
Разработать технические решения обеспечивающие реализацию метода.
Научная новизна
Для многоканальной ультразвуковой анемометрии разработаны алгоритм определения динамического состояния воздушной среды, в котором впервые реализован принцип разделения информации о скоростях потока воздуха и его температуры путем сопоставления сигналов противоположных направлений распространения ультразвука.
Установлено, что увеличение импеданса первого переходного слоя позволяет повысить эффективность работы преобразователя в режиме излучения - приема в отличие от известных систем с последовательным уменьшением импеданса переходных слоев.
Практическая ценность
Получена система уравнений, решение которой позволяет получать информацию о скорости газового потока, его направлении и температуре по измерениям времени прохождения ультразвуковой волны в контролируемой среде.
Разработан способ согласования импеданса пьезопластины с малоимпедансными нагрузками, за счет искусственного увеличения импеданса переходного слоя.
Разработан способ понижения резонансной частоты преобразователя по сравнению с резонансной частотой пьезоэлемента, позволяющий формировать акустическое поле с заданными параметрами.
Определены области значений параметров, при которых базовая система уравнений имеет решение и сформулированы условия к выбору направления прохождения волны в рассматриваемой геометрии контроля.
Получены зависимости акустического импеданса от влажности, позволяющие реализовать импедансный метод измерения влажности
Получены численные значения величин отклонения скорости звука в газе как
функции его температуры по отношению к линейной, в зависимости от ширины температурного диапазона.
Разработана схема генератора импульсов возбуждения, отличающегося от
традиционных
Тезисы, выносимые на защиту
На защиту выносится совокупность установленных закономерностей и разработанные на их основе технические решения
Апробация работы
Результаты работы были представлены на конференциях различного уровня, симпозиумах и семинарах.
Вторая областная научно практическая конференция молодежи и студентов "Современная техника и технологии" - г. Томск, 1996 г.
Международная юбилейная научно-техническая конференция "Физика и техника ультразвука" - г. Санкт-Петербург, 1997 г.
Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды" - г. Томск, 1998 г.
Пятая областная научно-практическая конференция молодежи и студентов "Современная техника и технологии" - г. Томск, 1999 г.
15 Российская научная конференция "Неразрушающий контроль и диагностика" -г. Москва, 1999 г.
Использование полученных результатов
Результаты работы использованы при разработке ультразвукового термоанемометра в НИИ оптического мониторинга СОРАН г. Томск. Разработанный пьезоэлектрический преобразователь, согласованный с газовой средой, используется в ультразвуковом термоанемометре ТАУ-1. Материалы работы используются в учебном процессе на кафедре "Физических методов и приборов контроля качества".
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 159 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 13 таблиц. Список литературы включает 113 наименований. Прнложеіше содержит справку об использовании результатов работы, акт внедрения первичного преобразователя в ультразвуковом термоанемометре.
