УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК H04R1/44 H04R17/00 B06B1/06 

Изобретение относится к ультразвуковому преобразователю для излучения в текучие среды, включающему корпус, оканчивающийся плотной мембраной, которая установлена во внешней раме и имеет в качестве колебательного элемента пьезоэлектрический диск, установленный в центре корпуса и электрически соединенный с помощью электродов по обеим сторонам.

Известны многочисленные конструкции такого типа, основная форма которых была разработана в конце первой мировой войны для определения местонахождения объектов под водой. В DK 151676 описан такой преобразователь с современными деталями для использования, среди прочего, в нагревательной установке для измерения скорости потока в трубах. В указанном источнике описан пьезоэлектрический керамический диск, снабженный электродами спереди и сзади, который поддерживается только около края. С передней стороны он снабжен защитной пленкой. Эта конструкция имеет отличные характеристики при использовании в качестве ультразвукового передатчика, если гарантируется, что статическое давление снаружи и внутри не слишком высоко и что всегда имеется избыточное давление на той стороне. Однако эта конструкция не годится для универсального применения, например, когда разность между давлениями спереди и сзади становится отрицательной или когда имеют место большие положительные разности давлений. В описанной конструкции это приводит либо к вытягиванию, либо к разрушению пьезоэлектрического элемента; в обоих случаях преобразователь выйдет из строя. Кроме того, электрический экран преобразовательного узла недостаточен для того, чтобы его можно было использовать в качестве приемника. Это является большим недостатком в тех конструкциях, в которых потенциал корпуса преобразователя не равен "земле" устройства.

Целью изобретения является создание ультразвукового преобразователя описанного выше типа, который допускает универсальное использование как в качестве передатчика, так и в качестве приемника при любом встречающемся на практике статическом давлении и который имеет эффективный экран для защиты от электрических щумовых помех.

Эта цель достигается тем, что в конструкции согласно изобретению центрирующие средства составляют часть электрического экрана, который размещен между опорой и пьезоэлектрическим элементом.

Согласно пункту 2 пьезоэлектрический элемент эффективно поддерживается за счет образования тесного контакта с поддерживающим корпусом на большой части поверхности.

Благодаря тому, что передний электрод простирается по поверхности диска, захватывая его край, пальцы экрана/центрирующие средства одновременно могут обеспечивать контакт.

Таким образом, экран полностью закрывает диск и прерывается только в месте, где выполнено отверстие, через которое может быть пропущен внутренний проводник, а поверхность, окружающая это отверстие, может быть соединена с экраном используемого коаксиального кабеля.

Благодаря тому, что экран образован расплетенным концом экрана соединительного кабеля, в котором каждый проводник проложен, главным образом, по радиусу по задней стороне пьезоэлектрического диска, получается простая и дешевая конструкция. Преимущество конструкции состоит в том, что достигается центрирование без использования дополнительного центрирующего элемента внутри поддерживающей чаши благодаря тому, что концы проводников коаксиального кабеля охватывают края диска.

В результате заделки проводников в слой клейкого материала между опорой и пьезоэлектрическим элементом обеспечивается его крепление, а выполнение этого слоя достаточно толстым уменьшает опасность возникновения местных напряжений в пьезоэлектрическом диске, где два проводника пересекаются друг с другом.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения проводники проложены между изолирующим конусом и конусообразным пазом в опоре так, что обеспечивается их изоляция и защита. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрена пружина, один конец которой опирается на внутреннюю поверхность изолирующего конуса для крепления центрального проводника коаксиального кабеля к заднему электроду пьезоэлектрического диска.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрены простые средства ослабления тянущего усилия, состоящие из узла на кабеле, помещенного без возможности поворота в колодцеобразной выемке в поддерживающем элементе.

Конструкция является чрезвычайно технологичной, так как все сборочные операции включают приложение давления в осевом направлении, поскольку между всеми поверхностями устанавливается заранее изготовленный слой из клейкого материала. Кроме того, этот слой действует как электрическая изоляция. Соединительная гайка не используется, однако фиксация в осевом направлении достигается пружинным кольцом в канавке рамы вблизи той стороны преобразователя, с которой осуществляется его соединение, а уплотнительное кольцо на противоположном конце корпуса обеспечивает начальное давление.

Изобретение поясняется чертежами, на которых
фиг. 1 изображает продольный разрез ультразвукового преобразователя во внешней раме и
фиг.2 - другой вариант выполнения ультразвукового преобразователя согласно изобретению.

Внешняя рама 1, которая может представлять собой, например, стенку трубы или контейнера или часть измерителя скорости потока, имеет колодцеобразный паз 2, а два уплотнительных кольца 3 и 4 обеспечивают уплотнение относительно корпуса 5 преобразователя. Корпус преобразователя оканчивается мембраной 6, на которую устанавливается уплотнительное кольцо 4. Пьезоэлектрический элемент 7 покрыт металлом частично на передней стороне, образуя передний электрод 8, частично на задней стороне, образуя задний электрод 9, при этом эти два электрода разделены широким непокрытым кольцом 10. Вокруг пьезоэлектрического диска размещено кольцо, образованное пальцами 11, которое переходит в экранную пластину 12, имеющую с внутренней стороны платформу 13 в виде консервной банки. Диск 7 и экран установлены в чашеобразной опоре 14, имеющей боковую стенку 15 в виде юбки, окружающую кольцо из пальцев 11 и обеспечивающую центрирование конструкции в корпусе 5. Задний электрод 9 соединен с центральным проводником 16 коаксиального кабеля 17, экран которого соединен с платформой 13. Коаксиальный кабель 17 проходит через уплотнение 19 в корпусе 5.

Все поверхности снабжены заранее изготовленным слоем Т клейкого материала, так что сборка может быть выполнена путем присоединения кольца из клейкого материала к опоре 14, которая после этого закрепляется в корпусе 5. Аналогично кольцо из клейкого материала присоединяется к нижней стороне экрана 12, который затем закрепляется в опоре 14, центрируемый пальцами 11 и юбкой 15. Кольцо из клейкого материала также присоединяется к задней стороне пьезоэлектрического диска 7, который затем закрепляется на экранной пластине 12, при этом пальцы 11 центрируют диск 7 по его кромке. Небольшой диск из клейкого материала присоединяется к пьезоэлектрическому диску таким образом, что он выступает за край корпуса 5, за которым установлена мембрана 6. Уплотнительные кольца 3 и 4 размещены каждое в своей канавке, а корпус 5 установлен во внешней раме 1. В канавке внешней рамы 1 у задней части корпуса 5 установлено запорное кольцо 20. Соединение коаксиального кабеля 17 не описано, так как оно известно специалистам в данной области. Для ослабления тянущего усилия в экране 18 коаксиального кабеля в месте его соединения с экраном 13 могут быть выполнены складки.

На фиг. 2 показано, как можно еще больше упростить реальную конструкцию ультразвукового преобразователя при сохранении всех преимуществ данного изобретения. На фиг. 2 элементы, которые присутствуют также на фиг. 1, имеют те же цифровые позиции. Здесь опора 14 простирается до задней стороны с образованием конусообразной чаши 14а. Экран 11, 12, 13, здесь полностью заменен экраном 18 коаксиального кабеля 17, который для этого расплетается и расплющивается, а затем закрепляется между слоем Т клейкого материала и пьезоэлектрическим диском, образуя электрический контакт с металлическим покрытием 8 на передней стороне. Таким образом, отпадает необходимость в специальном изготовлении экрана с платформой в виде банки и контактными лепестками. Центральный проводник 16 коаксиального кабеля 17 крепится к заднему электроду 9 посредством пружины 20. Другой конец этой пружины опирается на внутреннюю поверхность конуса 21 из политетрафторэтилена, размещенного вокруг изоляции центрального проводника и предохраняющего проводники 18 экрана от соприкосновения с пружиной 20 или электродом 9. Таким образом, расплетенные нити экрана кабеля находятся в безопасном месте - между конусообразной чашей 14а опоры и наружной поверхностью конуса 21 из политетрафторэтилена. На практике нет необходимости использовать все нити экрана кабеля, если расстояние между соседними нитями по периферии электрического диска 7 не превышает 3 мм. Слой клейкого материала между пьезоэлектрическим диском 7 и опорой 14 толще, чем остальные слои, чтобы две нити могли пересекаться, не создавая в пьезоэлектрическом диске вредных локальных напряжений, вызванных давлением.

В этом варианте выполнения ослабление тянущего усилия обеспечивается узлом 22 на коаксиальном кабеле. Чтобы исключить возможность поворота конца коаксиального кабеля, узел 22 помещен в цилиндрической выемке 14b, выполненной в опоре 14. Направляющая кривая для цилиндра имеет в основном овальную форму или форму цифры восемь для эффективного захвата узла. Узел 22 удерживается в выемке в помощью изолирующей втулки 23, помещенной изнутри в отверстие, выполненное в корпусе 2. С целью уплотнения этот узел может быть окружен клейкой массой.

Изобретение относится к ультразвуковым преобразователям для излучения в текучие среды и может быть использовано, например, для определения местонахождения объектов под водой. Возможность использования ультразвукового преобразователя как в качестве передатчика, так и в качестве приемника, при любом статическом давлении, способность противостоять высокому внешнему давлению достигается за счет того, что ультразвуковой преобразователь для излучения в текучие среды содержит корпус, заканчивающийся плотной мембраной, который установлен во внешней раме и имеет в качестве колебательного элемента пьезоэлектрический диск, поддерживаемый в центре корпуса и имеющий электроды на своих передней и задней сторонах, опору, которая закреплена в корпусе и в которой установлен пьезоэлектрический диск, и электрический экран, проложенный между опорой и пьезоэлектрическим диском и находящийся в электрическом контакте с электродом на передней стороне пьезоэлектрического диска. Часть электрического экрана образует центрирующие средства, которые центрируют пьезоэлектрический диск. 10 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Ультразвуковой преобразователь для излучения в текучие среды, содержащий корпус (2), заканчивающийся плотной мембраной, который установлен во внешней раме (1) и имеет в качестве колебательного элемента пьезоэлектрический диск (7), поддерживаемый в центре корпуса и имеющий электроды (8, 9) на своих передней и задней сторонах, отличающийся тем, что он содержит опору (14), которая закреплена в корпусе и в которой установлен пьезоэлектрический диск (7), и электрический экран (11, 12, 13, 18), проложенный между опорой (14) и пьезоэлектрическим диском (7) и находящийся в электрическом контакте с электродом (8) на передней стороне пьезоэлектрического диска (7), причем часть электрического экрана образует центрирующие средства, которые центрируют пьезоэлектрический диск (7). 2. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический диск (7), совершающий колебательное движение главным образом в направлении толщины, поддерживается по своей задней стороне на наибольшей части его поверхности вокруг заднего электрода (9). 3. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что электрический экран включает краевые средства (11), образующие контакт с передним электродом (8) пьезоэлектрического диска. 4. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что электрический экран имеет отверстие, край которого соединен с экраном (18) соединительного коаксиального кабеля (17). 5. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что электрический экран состоит из расплетенного конца экрана (18) соединительного коаксиального кабеля (17), в котором некоторое количество проводников проложено в основном по радиусу задней поверхности пьезоэлектрического диска (7). 6. Ультразвуковой преобразователь по п.5, отличающийся тем, что проводники заделаны в слой клейкого материала между опорой (14) и пьезоэлектрическим элементом (7). 7. Ультразвуковой преобразователь по п.3 или 5, отличающийся тем, что за участком, на котором проводники проходят параллельно диску, проводники уложены вокруг края диска (7) с внутренней стороны стенки (15) опоры для создания центрирующих средств для диска. 8. Ультразвуковой преобразователь по п.5 или 6, отличающийся тем, что проводники на своем пути между кабелем и местом крепления в слое клейкого материала проложены, в основном, по конической поверхности между пазом, выполненным в опоре, и изолирующим конусом (21). 9. Ультразвуковой преобразователь по п.8, отличающийся тем, что центральный проводник (16) коаксиального кабеля находится в контакте с электродом (9) благодаря давлению, создаваемому пружиной, на внутреннюю поверхность изолирующего конуса (21) и на центральный проводник (16). 10. Ультразвуковой преобразователь по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что средство ослабления тянущего усилия для коаксиального кабеля образовано выполненным на нем узлом (22), который помещен в цилиндрическую выемку, плотно прилегающую к узлу по его поверхности. 11. Ультразвуковой преобразователь по п.10, отличающийся тем, что узел окружен упругой, возможно клейкой, массой, когда помещается в выемку.