SEKUNDARNI AKUSTIČNI TERMOMETER Z VALOVODOMTavčar, Rok (Avtor) Beguš, Samo (Mentor) Bojkovski, Jovan (Komentor) temperaturaakustikatermometerhitrost zvokaakustični valovodCilj doktorske disertacije je izvedba meritev temperature z akustičnimi parametri. Primarni termometri, ki temeljijo na principu merjenja hitrosti zvoka v plinih v akustičnem resonatorju, so eden izmed najbolj točnih termometrov in so bili uporabljeni za novo definicijo enote za termodinamično temperaturo kelvin, zasnovano na Boltzmannovi konstanti. Vendar imajo to pomanjkljivost, da gre za velike, okorne in občutljive naprave. V doktorski disertaciji je opisana izdelava praktične izvedbe akustičnega termometra, ki je primeren za industrijske meritve v območju med –100 in 300 °C. Industrijske meritve temperature se običajno izvajajo s standardiziranimi uporovnimi termometri PT100 ali s termočleni. Kljub njihovi razširjenosti so taki senzorji običajno občutljivi na motnje. Še posebno občutljivi so na lezenje, ki je posledica izpostavljenim zahtevnim okoljem. To so okolja, kjer so prisotni visoka temperatura, vlažnost ali sevanje … Zaradi tega smo raziskali potencial uporabe akustične termometrije z akustičnim valovodom za meritve v industrijskih okoljih. Razlika med primarnim in sekundarnim termometrom je v tem, da je treba sekundarni termometer umeriti z drugim termometrom ali fiksno točko. Sekundarni akustični termometer (v angleški literaturi se pojavlja tudi izraz praktični akustični termometer, PAT) ima pred ostalimi načini merjenja temperature nekaj večjih prednosti: umerjanje v eni temperaturni točki in sledljiva uporaba na širokem temperaturnem območju, od vrelišča uporabljenega plina do tališča ohišja oziroma meje, kjer temperatura povzroči prevelike mehanske spremembe termometra. Pri temperaturah blizu vrelišča plina je treba v termometru vzdrževati tlak, ker pri nizkem tlaku prihaja do prevelikega dušenja zvočnega valovanja. Pri višjih tlakih ni potrebno vzdrževanje točno določenega tlaka, vendar ga je vseeno treba meriti. Odporen je na električne in magnetne motnje, zaradi svojega merilnega principa in enostavne zamenjave merilnega medija (plin v ohišju) je tudi primeren za uporabo v jedrski industriji, kjer je treba zaradi ionizirajočega sevanja ostale vrste klasičnih termometrov pogosto menjavati. Druga dobra lastnost je, da lahko meri povprečno temperaturo v velikem volumnu, kar je primerno za kemijske reaktorje, prav tako pa je mogoče tak termometer vgraditi v napravo, kjer se bodo izvajale meritve, recimo v motor z notranjim izgorevanjem, saj je treba predhodno dodati samo zrakotesno cev, na koncu katere namestimo potrebno elektroniko po končani izdelavi. Glavni cilj doktorske disertacije je bila izdelava sekundarnega akustičnega termometra, ki je primeren za meritve v industrijskem okolju s temperaturnim območjem od –100 do 300 °C, z razširjeno merilno negotovostjo manjšo od 1 ℃, njegovo umerjanje in preizkušanje. Da je izdelan termometer uporaben v industrijskem okolju, je treba zagotoviti naslednje lastnosti: odpornost na zunanje dejavnike, kot so tresljaji, magnetno in električno polje; zanesljivost, točnost, ponovljivost, obnovljivost in enostavna uporaba. Druge motilne dejavnike, na primer hrup in okoliško temperaturo, pa je treba kompenzirati ali zagotoviti odpornost s primerno izvedbo termometra. Pri zanesljivosti je največji poudarek na preizkušanju, pod kakšnimi pogoji bo izdelan termometer prikazal pravilno temperaturo. Točnost in negotovost meritve je treba preveriti na izdelanem termometru, da ugotovimo, kako veliki so posamezni prispevki k skupni negotovosti in če je termometer še posebno občutljiv na kakšen motilni dejavnik. Dobra lastnost je tudi enostavna uporaba, ker je pomembno, da termometer ne potrebuje stalnega vzdrževanja in dodatne opreme za delovanje. V prvem poglavju je opisano meroslovje, ki je znanstvena veda in zajema vsa merjenja. Predstavljena je razdelitev meroslovja na znanstveno meroslovje, zakonsko meroslovje in industrijsko meroslovje. Mednarodni sistem enot SI definira sedem osnovnih enot oziroma konstant in njihovih definicij. Bolj podrobno je predstavljena termodinamska temperatura. Kjer je predstavljena definicija enote in možnost njene realizacije v laboratoriju. Nato so predstavljeni štirje zakoni termodinamike. Prvi zakon je razširjena različica zakona o ohranitvi energije, ki vsebuje tudi toplotno energijo. Drugi zakon pojasnjuje neobrnljivost naravnih procesov in definira količino, imenovano entropija. Tretji zakon poda limito entropije, ko se sistem približuje temperaturi absolutne ničle. Tako imenovani ničti zakon termodinamike definira temperaturo. Na koncu poglavja je predstavljena temperaturna lestvica iz leta 1990 (ITS-90), v kateri so dogovorjene temperature določenih točk (trojne točke, vrelišča, strdišča) čistih materialov. Ta lestvica je pomembna za primarno realizacijo temperature v laboratorijih. Nato sta opisana umerjanje in sledljivost. Umerjanje je postopek, kjer se ugotavlja povezava med vrednostmi veličine in merilno negotovostjo, ki jo daje etalon, ter vrednostjo, ki jo daje merilni sistem. Sledljivost je lastnost merilnega rezultata, ki povezuje neprekinjeno verigo umeritev, od katerih vsaka prispeva k merilni negotovosti. Na koncu poglavja je predstavljena razdelitev merjenj temperature na primarna in sekundarna merjenja. Opisani so primarni in sekundarni termometri. Med primarnimi termometri so tako predstavljeni: klasični plinski termometer, šumni termometer, termometer celostnega sevanja in monokromatski sevalni termometer. Od sekundarnih termometrov so predstavljeni uporovni termometer, termočlen in tekočinski termometer. Za vsak opisan termometer so podani osnovni fizikalni model in kratek opis principa delovanja, njihove slabosti in uporabno temperaturno področje. V drugem poglavju je bolj podrobno opisan akustični termometer, tako primarna kot sekundarna različica, ki je tudi v središču te doktorske disertacije. Najprej sta opisani trenutno najnovejši izvedbi primarnega in sekundarnega akustičnega termometra z njunimi dobrimi in slabimi lastnostmi. Večji poudarek je na sekundarnem akustičnem termometru, ki je predmet te doktorske disertacije. Nato je predstavljeno fizikalno ozadje prenosa zvoka v različnih faznih stanjih snovi. Ker se teorija o hitrostih zvoka v plinih ne ujema z izmerjenimi hitrostmi zvoka, je predstavljena tudi določitev hitrosti zvoka v realnih plinih. Velik vpliv na hitrost zvoka ima tudi uporaba cevi za zvočni valovod. Tako je predstavljen izračun konstante širjenja potovanja zvoka v cevi. Za točne meritve temperature potrebujemo točne podatke o hitrosti zvoka. V PAT je za merilni plin uporabljen argon. Za argon to hitrost izračunamo z enačbo stanja. Na koncu so predstavljene še enačbe za izračun transportnih parametrov za argon, ki jih potrebujemo za izračun konstante širjenja zvoka v ceveh. S tem poglavjem je končan opis teorije delovanja. V naslednjih poglavjih sledi opis izvedenih del. V tretjem poglavju so opisane možnosti izbire posameznih sklopov, potrebnih za delovanje termometra. Izbira se začne pri različnih postavitvah cevi, kjer so opisane lastnosti različnih postavitev cevi in možnost uporabe posameznih algoritmov za izračun hitrosti zvoka. Nato je opisan problem prekrivanja akustičnega signala in s tem poslabšanja meritve hitrosti zvoka. Podani sta dve možni rešitvi, prva je z izničenjem neželenega akustičnega signala, ki povzroči prekrivanje, druga predstavljena možnost pa je izbira ustreznih dimenzij akustičnega valovoda, ki preprečijo prekrivanje signalov na določenem temperaturnem področju. Drugi opisan problem in njegova rešitev je mešanje plinov v ohišju termometra. Ta problem rešimo z vakuumiranjem ohišja in polnjenjem s čistim plinom. Tukaj je tudi opisana izvedba meritev tlaka, ki jih potrebujemo za izračun hitrosti zvoka. Sledi primerjava algoritmov za izračun hitrosti zvoka s kvalitativno določenimi lastnostmi posameznega algoritma. Naslednja večja izbira je izbira zvočnikov in mikrofonov. Opisani so različni tipi akustičnih pretvornikov, ki so uporabni v ceveh. Največja prisotna omejitev so ravno dimenzije (zunanji premer) cevi, ki so manjše od 10 mm. Zadnja večja izbira je izbira vzbujevalnih signalov in algoritmov za določitev hitrosti zvoka. Predstavljene so različne kombinacije signalov in njihove lastnosti v povezavi s primernostjo uporabe predstavljenih algoritmov. V četrtem poglavju je opisan izdelan akustični termometer, nekaj besed je tudi namenjenih izdelavi termometra. Predstavljeni so štirje sklopi: mehanski sklop, akustični sklop, električni sklop in programski sklop ter algoritmi. Pri mehanskem sklopu je najprej predstavljeno temperaturno raztezanje uporabljenega jekla. Sledi opis merilnega dela izdelanega termometra in ohišja z vsemi priključki. Pri akustičnem sklopu sta opisana akustični valovod in posebni nastavek, ki povezuje mikrofon, zvočnik in akustični valovod. V električnem sklopu so opisani vsi narejeni ojačevalniki in njihove karakteristike ter uporabljena sistema ADC in DAC (zvočna kartica). Pri algoritmih so opisani: generiranje signalov, oddaja in zajem signalov ter obdelava signalov. Med obdelavo signalov uvrščamo filtriranje signalov, izračun zakasnitve akustičnega signala in na koncu preračun v temperaturo. V zadnjem, petem poglavju so opisane vse meritve izdelanega termometra in rezultati. Preizkušeni so bili različni motilni vplivi in meroslovne značilnosti termometra. Preizkušene meroslovne značilnosti so: občutljivost, ločljivost, ponovljivost, obnovljivost, linearnost, histereza in negotovost. Prikazano je tudi umerjanje v mešanici ledu in vode.20202020-11-13 18:15:07Doktorsko delo/naloga121988sl