Актуальность.

 

Материаловеды с растущим интересом обращаются к исследованию структурных превращений в жидких металлах  и сплавах в связи с их влиянием на свойстве кристаллических и аморфных твердых тел. Как известно, после плавки сплава его кристаллизация происходит в соответствии с диаграммой состояния образующих элементов для данного сплава, являющейся графическим изображением соотношений между параметрами состояния физико-химической системы (температурой, давлением и др.) и её составом. Одним из наиболее эффективных и  часто используемых способов исследования структуры расплава является измерение кинематической вязкости.

В технологических процессах по производству и переработке металлов и их сплавов контроль за их состоянием осуществляется за результатами измерения физических параметров, как которые чаще всего выступают плотность, вязкость и адиабатическая сжимаемость. Эти параметры являются отражением фундаментальных свойств жидкостей, которые определяют их состояние. Так плотность характеризует структуру, а вязкость и адиабатическая сжимаемость – силы межмолекулярного притяжения и отталкивания, соответственно.

При изготовлении цельнолитых изделий сложной формы из стали и ее сплавов, а также в процессе непрерывного разливания стали важным заданиям является контроль вязкости стали, находящейся в расплавленном состоянии. Это связано с контролем необходимой жидкотекучести сплава для: равномерного заполнения формы при минимальных расходах энергоносителей на разогревание сплава в случае цельнолитых изделий; избежание преждевременного износа кристаллизатора, который испытывает давление при контакте с потоком расплавленного металла в случае непрерывной разливки стали.

При разработке новых марок разных сплавов металлов создаются соответствующие диаграммы состояния, которые отображают все необходимые сведения о сплаве на протяжении всего процесса его изготовления. Для решения такого рода заданий необходимо вести постоянный контроль структуры расплава с целью выявления структурных превращений. В связи с трудоемкостью процесса постоянного пробоотбора, целесообразным является использование приборов контроля физических параметров сплава, непосредственно связанных с его структурным строением, наиболее информативным из которых является вязкость.

 

Постановка задачи.

 

В процессе анализа существующих методов многие из них оказались неприменимыми для измерения вязкости металла (капиллярные, с падающим шариком, основанные на взаимном перемещении двух цилиндров). Наиболее распространенными на данный момент методами такого контроля является ротационная и вибрационная вискозиметрия. Но использование указанных методов в описанной ситуации связано с рядом трудностей, основным из которых есть непосредственный контакт чувствительного элемента вискозиметров с агрессивной средой, ведущий к его преждевременному износу, невозможность беспрерывного экспресс контроля. Поэтому появились предпосылки для разработки бесконтактного метода экспресс контроля вязкости расплавов.

 

Решение задачи.

 

В основе предлагаемого способа экспресс-контроля лежит измерение акустических характеристик исходного сырья (коэффициента поглощения, скорости распространения ультразвука) методами молекулярной акустики.
По скорости звука можно определить такие характеристики вещества, как сжимаемость, отношение теплоёмкостей, упругие свойства твёрдого тела и др., а по поглощению звука — значения сдвиговой и объёмной вязкости, время релаксации и др. В жидкости, вычисляя скорость звука на основании модели жидкости и сравнивая результаты расчёта с опытными данными, в ряде случаев можно оценить правдоподобность используемой модели и определить энергию взаимодействия молекул. На скорость звука влияют особенности молекулярной структуры, силы межмолекулярного взаимодействия и плотность упаковки молекул.

При наличии релаксационных процессов энергия поступательного движения молекул, которую они получают в звуковой волне, перераспределяется на внутренние степени свободы. При этом появляется дисперсия скорости звука, а зависимость произведения коэффициента поглощения на длину волны от частоты имеет максимум на некоторой частоте, называется частотой релаксации. Величина дисперсии скорости звука и величина коэффициента поглощения зависят от того, какие именно степени свободы возбуждаются под действием звуковой волны, а частота релаксации, равная обратному значению времени релаксации, связана со скоростью обмена энергией между различными степенями свободы. Таким образом, измеряя скорость звука и поглощение в зависимости от частоты и определяя время релаксации, можно судить о характере молекулярных процессов и о том, какой из этих процессов вносит основной вклад в релаксацию. Этими методами можно исследовать возбуждение колебательных и вращательных степеней свободы молекул в жидкостях, процессы столкновения молекул, перестройку молекулярной структуры в жидкостях, процессы сдвиговой релаксации в очень вязких жидкостях и полимерах, и др.

В молекулярной акустике применение ультразвука связано как с высоким развитием техники его излучения и приёма и большой точностью измерений в этом диапазоне частот, так и с тем, что работа на более низких частотах потребовала бы очень больших объёмов исследуемого вещества, а на более высоких частотах поглощение звука становится столь большим, что многие акустические методы оказываются неприменимыми.

 

Проэктирование прибора

Разработка структурной схемы

 

 

 На схеме обозначены устройства:
Г – генератор
БУП – Блок ультразвуковых преобразователей
         И – излучатель
         П – приемник
ДТ – датчик температуры
Нпр - нормирующий преобразователь,  
МАС - мультиплексор аналоговых сигналов; 
АЦП - аналого- цифровой преобразователь; 
МПУ(УиО) - микропроцессорное устройство  (управления и  обработки); 
ДОИ - дисплей отображения информации;       
сигналы:  ФХПОК - физико-химический параметр объекта контроля; 
ЭС - электрический сигнал; 
ЭС (Вх АЦП) - электрический сигнал  входа АЦП;  
ДКИК - двоичный код измерительного канала; 
ФХПОК(ЦФ)  - физико-химический параметр объекта кконтроля (цифровая форма);  
ФХПОК(ПИ)  - физико-химический параметр объекта контроля (перцетивная информация); 
СУ1, СУ2, СУ3, СУ4 - сигналы управления соответственно МАС, ГЗИ, АЦП, ДОИ.

 

Алгоритм работы прибора.

 

Разработанный алгоритм работы для проектируемой измерительной        системы имеет вид, представленный на рисунке 1

 

Рис.1– Алгоритм работы измерительной системы

 

Подробный алгоритм осуществления процесса измерения представлен на рисунке 2

 

Рис. 2– Алгоритм осуществления процесса измерения

 

Разработка ультразвуковой измерительной системы

 

Предложен метод измерения локальных значений скорости и затухания вытекающих акустических волн, основанный на регистрации поля вытекающей волны с помощью неподвижной решетки ультразвуковых преобразователей. По сравнению с известными методами, в которых используется механическое сканирование сфокусированных одиночных преобразователей относительно исследуемой области образца, предложенный метод обладает большим быстро­действием за счет электронного переключения приемных каналов решетки и не требует применения прецизионных механических сканеров. Предложена лучевая модель измерительной ультразвуковой системы с решеткой ультразвуковых преобразователей и электронным сканированием (рис. 3).

В настоящее время ультразвуковые системы, пред­назначенных для измерения локальных значений упругих параметров объекта, основаны на обработке пространственно-временных сигналов, получаемых при механическом перемещении сфокусированных пре­образователей относительно образца. В количественной акустической микроскопии наибольшее распространение получил метод, заключа­ющийся в сканировании сфокусированного преобразователя перпен­дикулярно поверхности образца [1]. Недавно была предложена схема измерений с передающим и приемным преобразователем, фокусы которых располагаются в плоскости образца, а выходной сигнал реги­стрируется при перемещении приемного преобразователя параллельно этой плоскости [2,3]. Путем обработки выходного сигнала подобных систем в пространственно-временной или спектральной области возможно восстановление коэффициента отражения ультразвуковой волны в зависимости от угла падения на поверхность раздела среда распространения-образец и определение локальных значений фазовой скоро­сти и коэффициента затухания вытекающих акустических волн, таких как волны Рэлея, Лэмба, скользящие продольные волны.

 

Рис. 3. Лучевая модель ультразвуковой измерительной системы (УИС) с приемной решеткой преобразователей.

 

Вследствие необходимости механического перемещения преобразо­вателей указанные системы имеют общие недостатки, выражающиеся в медленности процесса измерения и наличии механических узлов, погрешность которых ограничивает точность измерений.

В качестве чувствительного элемента предлагается измерительная ультразвуковая система, в которой акустическое поле вытекающей волны принимается неподвижной решеткой ультразвуковых преобразователей (из семейства метериалов, изоморфных галлогерманату кальция), а выходной пространственно-временной сигнал формируется путем электронного переключения приемных каналов.

Предложенный метод измерений может быть объяснен с помощью лучевой модели, представленной на рис. 1. Пусть вытекающая акустическая волна возбуждается некоторым преобразователем, расположенным левее точки B1 и распространяется вдоль поверхности образца 1, переизлучаясь в направлении приемной одномерной решетки преобразователей 3, наклоненной на угол 0 по отношению к  плоскости образца и имеющей пространственный период O1O2 = p.
Определим относительную временную задержку Dt и отношение амплитуд откликов двух соседних элементов решетки, положение которых определяется точками O1и 02. Возбуждение этих откликов производится соответственно акустическими лучами В101 и B202, распространяющимися под критическим углом R.

Опустим перпендикуляр 01Е на отрезок B202. Поскольку время распространения вытекающей волны до точек 01 и Е одинаково, то второй отклик оказывается задержанным относительно первого на время прохождения отрезка ЕО2. Таким образом,

 

(1)

 

где С — скорость волны в среде. Измеряя задержку откликов Dt соседних элементов решетки, можно определить критический угол вытекающей волны       R, а следовательно, и ее скорость

 

(2)

 

Отношение амплитуд гармонических откликов соседних элементов решетки А2/А1 определяется коэффициентом затухания ультразвука в пространстве между образцом и УИС w и коэффициентом затухания вытекающей волны:

 

(3)

 

Коэффициент затухания ультразвука в воздушно-газовой среде, характерной для предповерхностного слоя расплава металла определяется зависимостью:

 

, дБ/км

 

Проведем B2D параллельно 0102. Тогда В1О1-В2О2 = B1D. Далее из треугольника В1В2D по теореме синусов имеем

 

(4)

 

Окончательно для отношения амплитуд получим:

 

(5)

                      

Таким образом, измерив отношение N и критический угол R и зная коэффициент затухания в воздушной среде w, можно определить коэффициент затухания вытекающей волны .

 

 

Рис. 4. Схема ультразвуковой измерительной системы с решеткой приемных преобразователей и электронным сканированием.
(GIF-анимация: количество кадров - 12; число повторений - бесконечно;
размер - 452х187; объем - 41,1 кБ)

 

Схема экспериментальной системы, построенной по предложенному принципу, представлена на рис. 2. Зондирующая ультразвуковая волна создается сфокусированным преобразователем IS-HR-1/4-20 (XACTEX Inc., USA), имеющим центральную частоту 20MHz, диаметр апертуры 6mm и фокусное расстояние 19mm. Приемная решетка состоит из 11 одинаковых квадратных преобразователей со стороной 1.25 mm, схема расположения которых приведена на рисунке справа. Такое расположение элементов решетки позволило получить пространственный период в направлении регистрации вытекающей волны, равный p = 0.884 mm. Преобразователи выполнены из ниобата лития PZT-5, толщина которой соответствует центральной частоте 20 MHz. Внешняя поверхность пьезоэлементов покрыта общим тонкопленочным земляным электродом, а их внутренние стороны для обеспечения широкополосности соединены с акустически согласованным демпфером.

Сфокусированный преобразователь и решетка наклонены по от­ношению к вертикальной оси на угол0 = 27.0o. Расстояния между преобразователем, решеткой и образцом должны быть выбраны таким образом, что бы зеркальное изображение фокуса F находилось в области между преобразователем и поверхностью расплава слева от решетки так, как это показано на рис. 2. Таким образом, луч OF, зеркально отраженный от поверхности образца, проходит мимо приемных элементов, а выходной сигнал решетки целиком определялся откликами вытекающей волны.

Элементы приемной решетки последовательно подключаются посредствам мультиплексора (M) ко входу широкополосного (1-30 MHz) усилителя стандартной ультразвуковой системы. Время сбора полного набора данных V(n, t), где n = 1,..., 11 — номер канала, не превышает 100 ms.

Для измерения скорости вытекающей волны необходимо регистрировать временные задержки принятых в каждом канале импульсов, и рассчитыва­ть среднее значение относительной задержки Dt. Для определения коэффициента затухания вытекающей волны отклики V(n, t) подвергаются сначала спектральному анализу и рассчитывается для некоторой частоты среднее значение отношения амплитуд откликов соседних элементов решетки N. Скорость Cr и коэффициент затухания вытекающей волны рассчитываются затем по выведенным выше формулам (1), (2) и (5).

Для экспериментальной апробации предложенного метода было проведено исследование ряда материалов, акустические свойства которых были определены независимым способом. В качестве характерного примера в таблице приведены результаты, полученные для плоскопараллельных образцов из плавленого кварца и алюминиевого сплава.

Измерение скорости продольной VL и поперечной Vs волн проводилось эхоимпульсным методом [4] с использованием соответственно преобразователей V205 и V156 (Panametrics, USA). По полученным значениям VL, Vs и плотности материала находились полюса коэффициента отражения плоской волны от поверхности раздела газовая среда-образец, по действительной и мнимой частям которых рассчитывались скорость C*R и коэффициент затухания * вытекающей рэлеевской волны соответственно [3].

Сравнение рассчитанных величин скорости и затухания вытекающих волн со значениями CR и , измеренными системой с ультразвуковой решеткой преобразователей и электронным сканированием, демонстрирует удовлетворительное соответствие, что может рассматриваться как экспериментальное подтверждение предложенного метода.

 

Таблица 1

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

 

ИСПОЛЬЗОВАНЕ ИСТОЧНИКИ

1.      Линчевский Б. В. Техника металлургического эксперимента, «Металлургия». - М., 1967. - 239 с.

2.      Михайликов С.В., Штенгельмейер С.В., Ершов Г.С., Изв. Ан СССР. Металлургия и горное дело. - №1, 1964.

3.      Новохатский И.А., Скрябин В.Г., Белова С.М., Гайдаренко И.А. Журнал физической химии, 1978, 52 №2, стр. 272.

4.      Мазурин   О.В.,  Стрельцина   М.В.,   Швайко-швайковская   Т.П.  Свойства  стекол  и стеклообразующих расплавов. Справочник, Т.1, стр. 444.

5.      Измерения в промышленности. Дел. издательство В 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура. Пер. с англ. под ред. Профоса П. М.: Металлургия, 1990. - 384 с.

6.      Технологические измерения и приборы для химических производств, «Машиностроения». - М., 1983. - с. 424.

7.      Реология. Концепции, методы, дополнения, Профессия - М.,  2007 -  560 с.

8.      Михайлов И.Г., Соловьев В.А., Сирников Ю.П. Основы молекулярной акустики - М.: Наука, 1964. - 516 с.

9.      Виноградов Г. С., Малкин А. Я. Реология полимеров.  М.: Химия, 1977.-440 с.

10.   Рябцева Е.Н. Флоуметры фирмы "Transonic Systems Inc." эл. ресурс: http://www.transonic.ru/books/book97/rjabts7.html