Исследование и разработка метода ультразвукового контроля динамических параметров воздушной среды

• Автор: Коротков, Михаил Михайлович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 162 с.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ПОТОКА
§1,1. Акустические средства измерения температуры
§1.2. Акустические методы и средства измерения скорости и направления потока
ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА И ВЫБОР МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СО СРЕДОЙ
§2.1. Исследование функциональных зависимостей скорости звука от
параметров газа
§2.2. Выбор модели поглощения звуйа в газе и определение потерь энергии
звуковой волны при ее распространении
§2.3. Исследование зависимости акустического импеданса от влажности воздуха
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МЕТОДА И ОПРЕДЕЛЕНИЙ УСЛОВИЙ РЕАЛИЗУЕМОСТИ
§3.1. Задача определения направления вектора скорости на плоскости
§3.2. Система уравнений для определения направления вектора скорости в
пространстве
§3.3. Дифракционные поправки к скорости звука и учет сноса ультразвукового луча
ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ НА МАЛОИМПЕДАНСНУЮ НАГРУЗКУ
§4.1. Обоснование выбора типа первичного преобразователя
§4.2. Исследование параметров акустического поля преобразователя и характеристик направленности
§4.3 Расчеты дифракционного ослабления и влияние поглощения ультразвука
в среде на выбор оптимальной частоты преобразователя
§4.4 Согласование преобразователя с газовой средой и экспериментальное
определение характеристик направленности
§4.5 Конструкция блока первичных преобразователей и учет температурных изменений базы прозвучивания
ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННЫХ БЛОКОВ УСТРОЙСТВА, АНАЛИЗ
ПОГРЕШНОСТЕЙ И МЕТОДОВ ИХ УМЕНЬШЕНИЯ
§5.1. Разработка структурной схемы устройства
§5.2. Разработка принципиальных схем устройства
§5.3. Анализ факторов определяющих точность измерения и способов уменьшения погрешностей
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время ультразвуковую контрольно-измерительную аппаратуру применяют в различных областях науки и техники: в дефектоскопии, медицинской диагностике, контроле геометрических размеров объектов и т.д. В большинстве случаев ультразвуковые методы применяются для контроля твердых и жидких сред. Причина этого - очень малое акустическое сопротивление газа, что затрудняет получение ультразвуковых колебаний достаточной интенсивности. Для создания ультразвуковых колебаний в газе приходилось использовать преобразователи, которые обладали значительными габаритными размерами или понижать частоту ультразвуковых колебаний, переходя при этом в область частот звукового диапазона. Лишь в течении последних 15 лет, благодаря появлению пленочных пьезоэлектрических преобразователей, они стали находить свое применение для контроля параметров газовых сред, таких как температура, скорость газового потока и его направления.
Причем наибольшее развитие получили ультразвуковые методы контроля динамических параметров газа - скорости потока, его направления и температуры. Преимущественное развитие ультразвуковых методов измерения температуры, скорости и направления обусловлено их специфическими особенностями, делающими их в ряде конкретных случаев практически незаменимыми, а также значительным прогрессом средств регистрации импульсных и переменных электрических сигналов, и цифровой обработки результатов измерений.
Всю совокупность средств измерений температуры, скорости и направления можно разделить на несколько групп, различающихся по природе используемых физических эффектов и, соответственно, по типу и особенностям выполнения первичных преобразователей и вторичной измерительной аппаратуры.
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 контроля к другому; возможность распространения

Если скорость потока У1 не равна нулю, то положение максимума функции взаимной корреляции смещается на коррелограмме относительно нулевой точки отсутствия временной задержки. Смещение максимума на величину возникает из-за рассеяния звука на случайных неоднородностях потока, приводящее к развороту фронта звуковой волны в направлении скорости течения. Новое положение вектора переноса звукового поля Е3 определяется по правилу сложения векторов: относительно вектора скорости звукового поля при наличии потока вектор Е3 сдвинут на угол а, это и приводит к смещению максимума взаимной корреляции на коррелограмме.
По величине и знаку смещения максимума определяется скорость течения. Для вычисления горизонтальной составляющей скорости используется формула

V, = г —, где с1 -расстояние между приемниками 3. Определение других

составляющих скорости потока проводится по этому способу аналогично путем размещения ортогональной пары преобразователей звукового давления относительно исходной пары 3.
Предложенный способ не нашел широкого применения в практике ввиду сложности реализации и применяется в основном в океанографических исследованиях [57]. Для измерения скорости и направления газовых потоков наибольшее применение нашли ультразвуковые измерители, использующие фазовые схемы измерения [51, 52, 54, 55].
Принцип определения направления потока заключается в определении двух составляющих вектора скорости потока в двух измерительных каналах, прозвучивание в которых осуществляется по двум взаимно перпендикулярным направлениям (рис. 1.10.). При изменении направления вектора скорости будет изменяться его проекция на соответствующие направления прозвучивания, что в свою очередь приведет к изменению времени прохождения ультразвуковой волны в измерительных каналах, по которому определяют направление вектора скорости. Следует отметить недостаток таких измерителей направления. Реально направление распространения потока происходит не в одной горизонтальной плоскости и определяется двумя составляющими (горизонтальными), но есть еще и вертикальная