Медицинские и биологические измерения
4. Будник В. М. // Вестник офтальмологии. — 1997. — Т. 113. — № 2. — С. 37.
5. Silverstone D. E., Hirsh J. Automated visual field testing: Techniques of examination and interpretation. — Norwalk: Apple-ton-Century-Crofts, 1986. — P. 308.
6. Ендриховский С. Н. // Клиническая физиология зрения: Сб. науч. трудов. — М.: Русомед, 1993. — С. 261.
7. А. с. 1711812 СССР / Г. И. Немцеев // Открытия. Изобретения. — 1992. — № 6.
8. Немцеев Г. И., Кривошеев А. А. // Нейроиммунология, нейроинфекции, нейроимидж: Матер. 4-й науч. конф. — СПб.: Лики России, 1995. — С. 83.
9. Немцеев Г. И., Прокопенко В. Е. // Матер. юбилейной науч.-практич. конф. «Вопросы офтальмологии». — Омск: Омская государственная медицинская академия, 1997. — С. 77.
10. Zavalishin I. A. e. a. // Acta Neurol. (Napoli). — 1985. — V. 7. — N 3. — Р. 4.
11. Юбилейный сборник научных работ московского НИИ глазных болезней им. Гельмгольца // Актуальные вопросы офтальмологии. — М., 2000. — Вып. 41. — С. 172.
Дата одобрения 26.05.2005 г.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
534.533.22+539.3
Применение ультразвукового интерферометра
W W ^ W
для измерении в критическом области легкой
и тяжелой воды
Н. Ф. ЕРОХИН, В. И. КОМПАНИЕЦ, Ю. В. ЛЕОНОВ
Таганрогский государственный педагогический институт,
e-mail: erokhin4@yandex.ru
Разработаны интерферометр и методика измерений скорости и коэффициента поглощения ультразвука в легкой и тяжелой воде вблизи критической точки.
Ключевые слова: ультразвуковой интерферометр, скорость и коэффициент поглощения ультразвука, пьезопреобразователь.
The interferometer and method for velocity and absorption factor of ultrasound measurements in light and heavy water near critical point are developed.
Key words: ultrasound interferometer, velocity and absorption factor of ultrasound, piezoelectric transducer.
Измерения скорости и коэффициента поглощения ультразвука в критической области состояний легкой и тяжелой воды представляют не только самостоятельный интерес в акустике, но чрезвычайно важны для дальнейшего развития теории жидкого состояния (фазовых переходов, уравнения состояния, термодинамических свойств) и для теплоэнергетики, физической химии и т. п. Однако высокие критические параметры легкой и тяжелой воды (соответственно Тк = 373,946 °С, рк = 22,064 МПа и Тк = 370,74 °С, рк = = 21,671 МПа [1]), высокая химическая активность и электропроводность привели к тому, что эта область состояний оказалась практически не изучена. Для корректной проверки различных теоретических гипотез требуются данные систематических измерений скорости и коэффициента поглощения ультразвука повышенной точности, при этом физичес-
кое состояние воды должно быть адекватно измеряемым параметрам. Пренебрежение учетом длительности установления равновесия в критической области приводит к гисте-резисным явлениям. Поэтому возникла необходимость в новых конструктивных решениях и методиках исследования скорости и коэффициента поглощения ультразвука при высоких температурах и давлениях воды. Существенный вклад в решение поставленных проблем могут внести интерферо-метрические методы, позволяющие выполнять измерения при большом поглощении энергии ультразвука [2]. Однако известные методы измерения скорости и коэффициента поглощения ультразвуковым интерферометром с одним или двумя генерирующими пьезопреобразователями, с одним генерирующим и одним приемным пьезопреобразователя-ми имеют ряд недостатков. В одних случаях требуется опре-
делять большое число величин, дополнительно строить графики, что усложняет процедуру расчета, снижает точность измерений; в других — наличие даже незначительных сателлитов на кривой реакции приводит к значительным погрешностям; в третьих — измерения скорости и коэффициента поглощения ультразвука сдвинуты по времени (осуществляются раздельно), а следовательно, их значения отнесены к разным состояниям вещества, либо эти методы недостаточно чувствительны при высоких температурах и давлениях.
Перед авторами стояла задача создания конструкции ультразвукового интерферометра и разработки методики измерений скорости и поглощения ультразвука в легкой и тяжелой воде в зависимости от температуры, давления и частоты с малым шагом их изменений вдоль различных термодинамических путей (изотермы, изохоры, в жидкой и паровой фазах по линии равновесия) в критической области. При этом точность измерений, например, скорости ультразвука не должна уступать точности измерений равновесных или кинетических свойств, что необходимо для корректных расчетов и анализа других свойств (адиабатической сжимаемости, объемной вязкости, дисперсии скорости, времени релаксации и др.).
В ходе исследований созданы и испытаны различные типы интерферометров, работающих в режимах стоячей и бегущей волны, а также в импульсном режиме. Оказалось, что только интерферометр, работающий в режиме бегущей волны с переменной базой и двумя пьезопреобразователя-ми, расположенными непосредственно в жидкой или паровой фазах легкой или тяжелой воды в автоклаве, является наиболее чувствительным, многофункциональным при измерениях вблизи критической точки. Интерферометром, работающим в импульсном режиме, из-за его недостаточной чувствительности не удалось измерить поглощение ультразвука в критической области воды.
Основные методические, технологические и аппаратурные решения, связанные со спецификой измерений в легкой и тяжелой воде в критической области, заключались в следующем. Проводился поиск материала для пьезопреоб-разователей, которые при непосредственном контакте не растворялись бы в паровой или жидкой фазе воды и обладали высокими точкой Кюри и коэффициентом электромеханической связи. Проведены испытания в малых автоклавах с водой при высоких температурах (до 600 °С) и давлениях (до 60 МПа) цирконата-титаната свинца, кварца и нио-бата лития с длительностью контакта более трех месяцев. Если первые подвергались сильному растворению, то монокристаллы ниобата лития оказались нерастворимы, не обнаружено никаких следов разложения или коррозии (наблюдалось незначительное изменение цвета до светло-бежевого, а поверхность сколов всегда оставалась блестящей), и они сохраняли свою высокую чувствительность и резонансные свойства при испытаниях. Многократное превышение коэффициента электромеханической связи ниобата лития по сравнению с кварцем позволяло находить приемлемые условия измерений скорости и коэффициента поглощения ультразвука. Более того, ниобат лития не изменил показатель преломления, прозрачность и электропроводность воды. Эти положительные качества ниобата лития послужили основанием для изготовления из него всех элементов электроизоляции внутри электровводов и автоклава. Дополнительные испытания различных материалов для их при-
менения в конструкции ультразвукового интерферометра (электровводы высокого давления, редуктор, механические части интерферометра и автоклава, держатели пьезопре-образователей и т. п.) показали, что наиболее подходящим конструкционным материалом является нержавеющая и кислотоупорная сталь Х18Н10Т. Соответствие измеряемых параметров физическому состоянию образца воды обеспечивалось высокой точностью поддержания и измерения температуры и давления, малым балластным объемом, приборным обеспечением и конструктивными особенностями установки [3]. Для измерения температуры использовали образцовый платиновый термометр сопротивления ПТС-10 с погрешностью ±0,01 °С и потенциометр Р348 класса точности 0,002. Температуру в автоклаве с образцом воды поддерживали при помощи жидкостного селитряного термостата с погрешностью ±0,01 °С. Градиент температуры вдоль автоклава длиной 30 см при 400 °С не превышал 6 ■ 10-4 К/см. Давление измеряли поршневым манометром МП-600 класса точности 0,05 через ртутный разделитель. Была разработана конструкция основных частей непрерывного интерферометра переменной базы: электромеханическое устройство, предназначенное для изменения базы интерферометра с высокой точностью, и электрическая часть, необходимая для получения акустического сигнала и создания условий возникновения и контроля суперпозиции сигналов. Электромеханическое устройство и электромагнитный узел схематически изображены на рис. 1. Основной несущей платформой, на которой крепятся все узлы электромеханического устройства, является верхний фланец 1, герметично присоединяемый к автоклаву способом «конус на конус» 2 без прокладок, ухудшающих чистоту исследуемой воды. Через него же проходят все коммуникации интерферометра.
Механическая часть интерферометра расположена внутри направляющего цилиндра 3, связанного с фланцем. Она состоит из редуктора 4, который передает вращательное движение микрометрическому винту 5, расположенному во внешней обойме подшипника 6, между которыми засыпаны шарики 7 диаметром 3,15 мм. Редуктор изготовлен из нержавеющей стали Х18Н10Т и имеет коэффициент редукции 9:1 с модулем шестерен 0,3. Особое внимание уделено технологии изготовления микрометрического винта, так как люфты, высокая вязкость нержавеющей стали, низкая степень чистоты обработки поверхностей могли создать вибрации винта 5 и поршня 8, привести к снижению точности измерения перемещения поршня и ухудшению условий получения интерференции. Окончательная обработка винта (посадочные места в подшипнике, нарезка резьбы М100,5) выполнена на резьбошлифовальном станке алмазным инструментом. Всю поверхность микрометрического винта хромировали и после этого доводили пастой ГОИ. Для перемещения поршня микровалом вдоль оси цилиндра на последнем закреплен направляющий винт 10, а на поршне прорезан паз 9. Поверхности цилиндра и поршня, резьбы микрометрического винта и гайки на поршне, посадочные места винта и внешней обоймы подшипника притирали, хромировали, а затем полировали с целью увеличения твердости поверхностей и уменьшения трения.
Электропроводная часть интерферометра, предназначенная для подведения (отведения) электрического сигнала к излучающему и приемному пьезопреобразователям, должна создавать надежные условия для получения ста-
Рис. 1. Схема электромеха
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.