Актуальність

 

Матеріаловеди із зростаючим інтересом звертаються до дослідження структурних перетворень в рідких металах і сплавах у зв'язку з їх впливом на властивості кристалічних і аморфних твердих тіл. Як відомо, після плавки сплаву його кристалізація відбувається відповідно до діаграми стану створюючих елементів для даного сплаву, що є графічним зображенням співвідношень між параметрами стану физико-хімічної системи (температурою, тиском і ін.) і її складом. Одним з найбільш ефективних і часто використовуваних способів дослідження структури розплаву є вимірювання кінематичної в'язкості.

У технологічних процесах по виробництву і переробці металів і їх сплавів контроль за їх станом здійснюється за результатами виміру фізичних параметрів, як які найчастіше виступають щільність, в'язкість і адіабатична стисливість. Ці параметри є віддзеркаленням фундаментальних властивостей рідин, які визначають їх стан. Так щільність характеризує структуру, а в'язкість і адіабатична стисливість – сили міжмолекулярного тяжіння і відштовхування, відповідно.

При виготовленні суцільнолитих виробів складної форми із сталі і її сплавів, а також в процесі безперервного розливання сталі важливим завданням є контроль в'язкості стали, що знаходиться в розплавленому стані. Це пов'язано з контролем необхідної рідко текучості сплаву для: рівномірного заповнення форми при мінімальних витратах енергоносіїв на розігрівання сплаву в разі суцільнолитих виробів; уникнення передчасного зносу кристалізатора, що випробовує тиск при контакті з потоком розплавленого металу в разі безперервного розливання сталі [1–2].

При розробці нових марок різних сплавів металів створюються відповідні діаграми стану, які відображують всі необхідні відомості про сплав впродовж всього процесу його виготовлення. Для вирішення такого роду завдань необхідно вести постійний контроль структури розплаву з метою виявлення структурних перетворень. У зв'язку з трудомісткістю процесу постійного пробо відбору, доцільніше є використання приладів контролю фізичних параметрів сплаву, безпосередньо пов'язаних з його структурною будовою, найбільш інформативною з яких є в'язкість.

 

Постановка завдання.

 

В процесі аналізу існуючих методів багато хто з них виявився непридатним для вимірювання в'язкості металу (капілярні, з падаючою кулькою, засновані на взаємному переміщенні двох циліндрів). Найбільш поширеними на даний момент методами такого контролю є ротационна і вібраційна віскозиметрія. Але використання вказаних методів в описаній ситуації пов'язано з рядом труднощів, основною з яких є безпосередній контакт чутливого елементу выскозиметру з агресивним середовищем, ведучий до його передчасного зносу, неможливісты безперервного експрес контролю. Тому з'явилися передумови для розробки безконтактного методу експрес контролю в'язкості розплавів.

 

Рішення завдання.

 

У основі пропонованого способу експрес-контролю лежить вимір акустичних характеристик вихідної сировини (коефіцієнт поглинання, швидкість ультразвуку) методами молекулярної акустики, розділу фізичної акустики, в якому властивості речовини і кінетика молекулярних процесів досліджуються акустичними методами. Основними методами молекулярної акустики є вимірювання швидкості звуку і поглинання звуку і залежностей цих величин від різних фізичних параметрів: частоти звукової хвилі, температури, тиску та ін.

За швидкістю звуку можна визначити такі характеристики речовини, як стисливість, відношення теплоємкостей, пружні властивості твердого тіла та ін., а по поглинанню звуку — значення зсувової і об'ємної в'язкості, час релаксації і ін. У рідині, обчислюючи швидкість звуку на підставі тієї або іншої моделі рідини і порівнюючи результати розрахунку з дослідними даними, у ряді випадків можна оцінити правдоподібність використовуваної моделі і визначити енергію взаємодії молекул. На швидкість звуку впливають особливості молекулярної структури, сили міжмолекулярної взаємодії і щільність упаковки молекул. Так, наприклад, збільшення щільності упаковки молекул, поява водневих зв'язків, полімеризація наводять до збільшення швидкості звуку, а введення в молекулу важких атомів — до її зменшення.

За наявності релаксаційних процесів енергія поступальної ходи молекул, яку вони отримують в звуковій хвилі, перерозподіляється на внутрішні міри свободи. При цьому з'являється дисперсія швидкості звуку, а залежність твору коефіцієнта поглинання на довжину хвилі від частоти має максимум на деякій частоті, називається частотою релаксації. Величина дисперсії швидкості звуку і величина коефіцієнта поглинання залежать від того, які саме міри свободи збуджуються під дією звукової хвилі, а частота релаксації, рівна зворотному значенню часу релаксації, зв'язана із швидкістю обміну енергією між різними мірами свободи. Таким чином, вимірюючи швидкість звуку і поглинання залежно від частоти і визначаючи час релаксації, можна судити про характер молекулярних процесів і про те, який з цих процесів вносить основний вклад в релаксацію. Цими методами можна досліджувати збудження коливальних і обертальних мір свободи молекул в рідинах, процеси зіткнення молекул, перебудову молекулярної структури в рідинах, процеси сдвигової релаксації в дуже в'язких рідинах і полімерах, і ін.

У молекулярній акустиці для досліджень зазвичай застосовується ультразвук. Це пов'язано як з високим розвитком техніки випромінювання і прийому ультразвуку і з великою точністю вимірів в цьому діапазоні частот, так і з тим, що робота на нижчих частотах зажадала б дуже великих обсягів досліджуваної речовини, а на вищих частотах поглинання звуку стає настільки великим, що багато акустичних методів виявляються непридатними.

 

Проектування приладу

Розробка структурної схеми

 

Рисунок 1 – Структурна схема вимірювальної системи, що розроблюється

 

 На схемі позначені пристрої:
ГЗІ – генератор задаючих імпульсів;
БУП – Блок ультразвукових перетворювачів;
            В – випромінювач;
            П – приймач;
ДТ – датчик температури;
Нпр - нормуючий перетворювач; 
МАС - мультиплексор аналогових сигналів;
АЦП - аналого- цифровий перетворювач;
МПУ(УіО) - мікропроцесорний пристрій  (управління і  обробки);
ДВІ - дисплей відображення інформації;      
УП – управляючий пристрій;
сигнали:  ФХПОК - фізико-хімічний параметр об'єкту контролю;
ЕС (Вх АЦП) - електричний сигнал  входу АЦП; 
ДКВК - двійковий код вимірювального каналу;
ФХПОК(ЦФ)  - фізико-хімічний параметр об'єкту контролю (цифрова форма); 
ФХПОК(ПІ)  - фізико-хімічний параметр об'єкту контролю (перцетивна інформація);
СУ1, СУ2, СУ3, СУ4 - сигнали управління відповідно МАС, ГЗІ, АЦП, ДОІ.

 

Алгоритм роботи приладу.

 

Розроблений алгоритм роботи для проектованої вимірювальної системи має вигляд, представлений на рисунку 2

 

Рисунок 2 – Алгоритм роботи вимірювальної системи

Детальний алгоритм здійснення процесу виміру представлений на рисунку 3

 

Рисунок 3 – Алгоритм здійснення процесу виміру

Розробка ультразвукової вимірювальної системи

 

Запропонований метод виміру локальних значень швидкості і загасання витікаючих акустичних хвиль, заснований на реєстрації поля витікаючої хвилі за допомогою нерухомої решітки ультразвукових перетворювачів. В порівнянні з відомими методами, в яких використовується механічне сканування сфокусованих одиночних перетворювачів відносно досліджуваної області зразка, запропонований метод володіє великою швидкодією за рахунок електронного перемикання приймальних каналів решітки і не вимагає вживання прецизійних механічних сканерів. Запропонована променева модель вимірювальної ультразвукової системи з решіткою ультразвукових перетворювачів і електронним скануванням (див. рис. 4).

 В даний час ультразвукові системи, призначені для виміру локальних значень пружних параметрів об'єкту, засновані на обробці просторово-часових сигналів, що отримуються при механічному переміщенні сфокусованих перетворювачів відносно зразка|взірця|. У кількісній акустичній мікроскопії найбільшого поширення набув метод, що полягає в скануванні сфокусованого перетворювача перпен­дикулярно поверхні зразка [1]. Нещодавно була запропонована схема вимірів з передавальним і приймальним перетворювачем, фокуси яких розташовуються в площині зразка, а вихідний сигнал регіструється при переміщенні приймального перетворювача паралельно цій площині [2,3]. Шляхом обробки вихідного сигналу подібних систем в просторово-часової або спектральної області можливе відновлення коефіцієнта відбиття ультразвукової хвилі залежно від кута падіння на поверхню розділу середа поширення-зразок і визначення локальних значень фазової скоро­сті і коефіцієнта затухання витікаючих акустичних хвиль, таких як хвилі Релея, Лемба, ковзаючі подовжні хвилі.

 

Рисунок 4 Променева модель ультразвукової вимірювальної системи (УВС) з приймальною решіткою перетворювачів.

 

Унаслідок необхідності механічного переміщення перетворювачів вказані системи мають загальні недоліки, що виражаються в повільності процесу виміру і наявності механічних вузлів, погрішність яких обмежує точність вимірів.

Як чутливий елемент пропонується ультразвукова си­стема, в якій акустичне поле витікаючої хвилі приймається нерухомою решіткою ультразвукових перетворювачів (з сімейства матеріалів, ізоморфних галлогерманату кальцію), а вихідний просторово-часовий сигнал формується шляхом електронного перемикання приймальних каналів.

Запропонований метод вимірів може бути пояснений за допомогою променевої моделі, представленої на рисунку 4. Хай акустична хвиля, що витікає, збуджується деяким перетворювачем, розташованим лівіше за точку B1 і поширюється|розповсюджується| уздовж поверхні зразка 1, знов випромінюється у напрямі приймальної одновимірної решітки перетворювачів 3, нахиленою на кут 0 по відношенню до  площини зразка і що має просторовий період O1O2 = p.

Визначимо відносну тимчасову затримку Dt і відношення амплітуд відгуків двох сусідніх елементів грати, положення яких визначається точками O1 і 02. Збудження цих відгуків виробляється відповідно акустичними променями В101 і B202, що поширюються під критичним кутом R.

Опустимо перпендикуляр 01Е на відрізок B202. Оскільки час поширення витікаючої хвилі до крапок 01 і Е однаковий, то другий відгук виявляється затриманим відносно першого на якийсь час проходження відрізання ЕО2. Таким чином

 

(1)

 

де С — швидкість хвилі в середовищі. Вимірюючи затримку відгуків Dt сусідніх елементів решітки, можна визначити критичний кут витікаючої хвилі R, а отже, і її швидкість

 

(2)

 

Відношення амплітуд гармонійних відгуків сусідніх елементів решітки А2/А1 визначається коефіцієнтом затухання ультразвуку в просторі між зразком і УВС
w і коефіцієнтом затухання витікаючої хвилі :

 

(3)

 

Коефіцієнт затухання ультразвуку в повітрянно-газовому середовищі|середі|, характерному для зверхнього шару розплаву металу визначається залежністю:

 

, дБ/км

 

Проведемо B2D паралельно 0102. Тоді В1О1-В2О2 = B1D. Далі з трикутника В1В2D по теоремі синусів маємо

 

(4)

 

Остаточно для відношення амплітуд отримаємо:

 

(5)

                      

Таким чином, вимірявши відношення N і критичний кут R і знаючи коефіцієнт затухання в повітряному середовищіw, можна визначити коефіцієнт затухання витікаючої хвилі.

 

 

Рисунок 5 - Схема ультразвукової вимірювальної системи з решіткою приймальних перетворювачів і електронним скануванням.
(GIF-анімація: кількість кадрів - 12; число повторень - нескінченно;
розмір - 452х187; обсяг - 41,1 кБ)

 

Схема експериментальної системи, побудованої згідно з розглянутим принципом, представлена на рисунку 5. Ультразвукова хвиля, що зондує,  створюється сфокусованим перетворювачем IS-HR-1/4-20 (XACTEX Inc., USA), що має центральну частоту 100 kHz, діаметр апертури 6mm і фокусну відстань 19mm. Приймальні грати складаються з 11 однакових квад­ратних перетворювачів із стороною 1.25 mm, схема розташування яких приведена на малюнку справа. Таке розташування елементів решітки дозволило отримати просторовий період у напрямі реєстрації витікаючої хвилі, рівний p = 0.884 mm. Перетворювачі виконані з галій германату кальцію SNGS, товщина якої відповідає центральній частоті 20 MHz. Зовнішня поверхня п`єзоелементів покрита загальним тонко плівковим земляним електродом, а їх внутрішні сторони для забезпечення широкосмугової сполучені з акустично сполученим демпфером.

Сфокусований перетворювач і решітка нахилені по відношенню до вертикальної осі на кут 0 = 27.0o. Відстані між перетворювачем, решіткою і зразком мають бути вибрані таким чином, що б дзеркальне зображення фокусу F знаходилося в області між перетворювачем і поверхнею розплаву зліва від решітки так, як це показано на рисунку 5. Таким чином, промінь OF, дзеркально відбитий від поверхні зразка, проходить мимо приймальних елементів, а вихідний сигнал решітки цілком визначається відгуками витікаючої хвилі.

Елементи приймальної решітки послідовно підключаються за допомогою мультиплексору (M) до входу широкосмугового (10-300 kHz) підсилювача стандартної ультразвукової системи. Час збирання повного набору даних V(n, t), де n = 1,..., 11 — номер каналу, не перевищує 100 ms.

Для виміру швидкості витікаючої хвилі необхідно реєструвати часові затримки прийнятих в кожному каналі імпульсів, і розраховувати середнє значення відносної затримки Dt. Для визначення коефіцієнту затухання витікаючої хвилі відгуки V(n, t) піддаються спочатку спектральному аналізу і розраховується для деякої частоти середнє значення відношення амплітуд відгуків сусідніх елементів решітки N. Швидкість Cr і коефіцієнт затухання a  витікаючої хвилі розраховуються потім по виведених вище формулах (1), (2) і (6).

Для експериментальної апробації запропонованого методу було про­ведено дослідження ряду матеріалів, акустичні властивості яких були визначені незалежним способом. Як характерний приклад в таблиці приведені результати, отримані для плоских паралельних зразків з плавленого кварцу і алюмінієвого сплаву.

Вимір швидкості подовжньої VL і поперечною Vs хвиль проводилось луно -імпульсним методом [4] з використанням відповідних перетворювачів V205 і V156 (Panametrics, USA). По набутих значень VL, Vs і щільність матеріалу знаходилися полюси коефі­цієнту віддзеркалення плоскої хвилі від поверхні розділу газова середовище-зразок, по дійсній і уявній частинах яких розраховувалися швидкістьC*R і коефіцієнт затухання * витікаючої релеєвської хвилі відповідно [3]. Результати наведені в таблиці 1.

Порівняння розрахованих величин швидкості і затухання витікаючих хвиль із значеннями CR и , виміряними системою з ультразвуковою решіткою перетворювачів і електронним скануванням, демонструє задовільну відповідність, що може розглядатися як експериментальне підтвердження запропонованого методу.

 

Таблиця 1

Матеріал	VL, m/s	Vs, m/s	C*R, m/s	* , 1/mm (4MHz)	CR, m/s	, 1/mm (4 MHz)
Плавлений кварц	5959	3767	3426	0.28	3430	0.30
Алюмінієвий сплав	6393	3163	2960	0.24	2973	0.28

 

ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА

1.      Лінчевський Б.В., Техніка металургійного експерименту, «Металургія». - М., 1967. — 239 С..

2.      Міхайліков С.В., . Штенгельмейер С.В,  Ершов Г.С., Ізв. АН СРСР. Металургія і гірська справа. — №1, 1964.

3.      Новохатський І.А., Ськрябін В.Г., Белова С.М., Гайдаренко І.А. Журнал фізичної хімії, 1978, 52, №2, 272.

4.      Мазурін   О.В.,  Стрельцина   М.В.,   Швайко-Швайковськая   Т.п.  Властивості  стекол  і стеклообразующих розплавів. Довідник, Т.1, с. 444.

5.      Виміри в промисловості. Справ. видавництво У 3-х кн. Кн. 2. Способи виміру і апаратура. Пер. з йому. /Пiд ред. Профоса П.М.: Металургія, 1990. - 384 c.

6.      Технологічні виміри і прилади для хімічних виробництв, «Машинобудування». – М., 1983. – Стор. 424.

7.      Реологія. Концепції, методи, додатки, Професія – М.,  2007 -  560 с.

8.      Міхайлов І.Г., Соловьев В.А., Сирников Ю.П. Основи молекулярної акустики / М.: Наука, 1964. – 516 с.

9.      Виноградов Р. С., Малкин А. Я. Реологія полімерів.  М.: Хімія, 1977.-440 с.

10.      Рябцева Е.Н. Флоуметри фірмы "Transonic Systems Inc." ел. ресурс: http://www.transonic.ru/books/book97/rjabts7.html