УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК H04R17/00 

Предлагаемое техническое решение относятся к области приборостроения, и может быть использовано для измерения параметров контролируемой среды в трубопроводе с более высокой точностью и меньшим влиянием внешних помех.

Аналогичные технические решения известны, см. например, патент США №4297607, который содержит следующую совокупность существенных признаков:

- патрубок;

- стальной протектор, закрепленный в области нижнего конца патрубка;

- пустотелый цилиндрический корпус, расположенный внутри патрубка и установленный своим нижним основанием на верхней поверхности стального протектора;

- звукопровод, выполненный из электропроводящего материала, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности стального протектора;

- пьезоэлемент, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода;

- составной демпфер, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента;

- изолятор, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный на верхней поверхности составного демпфера;

- крышку, установленную на верхнем конце патрубка и расположенную своей внутренней поверхностью на верхней поверхности изолятора и на верхнем основании пустотелого цилиндрического корпуса.

Общими признаками предлагаемого технического решения и выше охарактеризованного аналога являются:

- патрубок;

- пустотелый цилиндрический корпус, расположенный внутри патрубка;

- звукопровод, выполненный из электропроводящего материала и расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, в области его нижнего основания;

- пьезоэлемент, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода;

- демпфер, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента;

- изолятор, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса;

- крышка, установленная на верхнем конце патрубка и расположенная своей внутренней поверхностью на верхнем основании пустотелого цилиндрического корпуса;

Известно также аналогичное техническое решение (см. патент США №3925692), которое выбрано в качестве прототипа и которое содержит следующую совокупность существенных признаков:

- патрубок;

- звукопровод, выполненный из электропроводящего материала и установленный внутри нижнего конца патрубка;

- пустотелый цилиндрический корпус, расположенный внутри патрубка и установленный своим нижним основанием на верхней поверхности звукопровода;

- пьезоэлемент, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода;

- демпфер, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента;

- пружину, расположенную внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленную своим нижним концом на верхней поверхности демпфера;

- изолятор, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный на верхнем конце пружины;

- крышку, установленную на верхнем конце патрубка и расположенную своей внутренней поверхностью на верхней поверхности изолятора и на верхнем основании пустотелого цилиндрического корпуса.

Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются:

- патрубок;

- звукопровод, выполненный из электропроводящего материала и установленный внутри нижнего конца патрубка;

- пустотелый цилиндрический корпус, расположенный внутри патрубка и установленный своим нижним основанием на верхней поверхности звукопровода;

- пьезоэлемент, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса;

- демпфер, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента;

- пружина, расположенная внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленная своим нижним концом на верхней поверхности демпфера;

- изолятор, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса;

- крышка, установленная на верхнем конце патрубка и расположенная своей внутренней поверхностью на верхнем основании пустотелого цилиндрического корпуса.

Технический результат, который невозможно достичь ни одним из аналогичных технических решений, заключается в исключении попадания на пьезоэлемент напряжений, появляющихся в трубопроводе с контролируемой средой за счет блуждающих токов, и напряжений от работающего электрооборудования (насосы и т.д.), попадающих в трубопровод с контролируемой средой.

Причиной невозможности достижения вышеуказанного технического результата является то, что сложившаяся практика создания ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей вопросу, связанному с защитой пьезоэлементов от ложных электрических сигналов, возникающих от напряжений, появляющихся в трубопроводе с контролируемой средой за счет блуждающих токов, и напряжений от работающего электрооборудования (например, насосов и т.д.), должного внимания не уделяет.

Учитывая характеристику и анализ известных аналогичных технических решений, можно сделать вывод, что задача по созданию ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, обладающих необходимой защитой от ложных электрических сигналов, возникающих от напряжений, появляющихся в трубопроводе с контролируемой средой из-за наличия блуждающих токов, и напряжений от работающего электрооборудования и, как следствие, имеющих более высокую помехозащищенность ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, является актуальной на сегодняшний день.

Технический результат, указанный выше, достигается тем, что в ультразвуковом пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем патрубок, звукопровод, установленный внутри нижнего конца патрубка, пустотелый цилиндрический корпус, расположенный внутри патрубка и установленный своим нижним основанием на верхней поверхности звукопровода, пьезоэлемент, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, демпфер, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента, пружину, расположенную внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленную своим нижним концом на верхней поверхности демпфера, изолятор, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, и крышку, установленную на верхнем конце патрубка и расположенную своей внутренней поверхностью на верхнем основании пустотелого цилиндрического корпуса, при этом демпфер выполнен из электроизоляционного материала, изолятор установлен своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода и своей верхней поверхностью на нижней поверхности пьезоэлемента, а верхний конец пружины расположен на внутренней поверхности крышки.

Выполнение демпфера из электроизоляционного материала, расположение изолятора и верхнего конца пружины, как это указано выше, позволяет создать конструкцию предлагаемого ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, в котором при подаче на выводы пьезоэлемента напряжения с выхода источника электрических сигналов ультразвуковой частоты, преобразовать это напряжение в ультразвуковые сигналы и обеспечить излучение части их через изолятор и звукопровод в контролируемую среду трубопровода и обеспечить поглощение другой их части демпфером. А при появлении напряжений от блуждающих токов и напряжений от работающего электрооборудования (например, насосов и т.д.), попадающих в трубопровод с контролируемой средой, предотвратить их поступление на пьезоэлемент как со стороны звукопровода, так и со стороны подпружиненного относительно внутренней поверхности крышки демпфера и обеспечить таким образом необходимую защиту от ложных электрических сигналов. В чем и проявляется достижение технического результата, указанного выше.

Предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь поясняется нижеследующим описанием и чертежом, на котором представлен ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь.

Предлагаемый ультразвуковой пьезопреобразователь содержит:

патрубок - 1;

звукопровод - 2, выполненный, например, из нержавеющей стали и установленный внутри нижнего конца патрубка - 1;

- пустотелый цилиндрический металлический корпус - 3, расположенный внутри патрубка - 1, установленный своим нижним основанием на поверхности верхнего основания звукопровода - 2;

- изолятор - 4, выполненный, например, из поликора и установленный своей нижней

поверхностью на верхней поверхности звукопровода - 2;

- пьезоэлемент - 5, расположенный внутри пустотелого цилиндрического металлического корпуса - 3, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности изолятора - 4 и подсоединенный проводниками - 10 к выводам источника электрических сигналов ультразвуковой частоты (позиция источника электрических сигналов ультразвуковой частоты на чертеже не приведена);

- демпфер - 6, расположенный внутри пустотелого цилиндрического металлического корпуса - 3 и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента - 5, при этом демпфер - 6 выполнен из электроизоляционного материала, например из стекловолокнита;

- пружину - 7, расположенную внутри пустотелого цилиндрического металлического корпуса - 3 и установленную своим нижним концом на верхней поверхности демпфера - 6,

- крышку - 8 с отверстием - 9, установленную на верхнем конце патрубка - 1 и расположенную своей внутренней поверхностью на верхней поверхности основания пустотелого цилиндрического металлического корпуса - 3 и на верхнем конце пружины - 7.

Предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

Посредством резьбового соединения или сваркой закрепляют корпус патрубка - 1 ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя в отверстии, выполненном в стенке трубопровода, для того, чтобы нагрузить пьезоэлектрический преобразователь на контролируемую среду. При этом неизбежно возникает электрический контакт между трубопроводом с контролируемой средой, с одной стороны, и элементами предлагаемого ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, с другой стороны, вследствие чего напряжения от блуждающих токов и напряжения от работающего электрооборудования (например, насосов и т.д.), из трубопровода с контролируемой средой могут попасть на пьезоэлемент - 5 ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя и вызвать появление ложных сигналов.

При подаче на выводы пьезоэлемента - 5 через проводники -10 напряжения с выхода источника электрических сигналов ультразвуковой частоты, пьезоэлемент - 5 преобразует это напряжение в ультразвуковые сигналы и излучает их. При этом часть энергии ультразвуковых сигналов излучается в демпфер - 6 и поглощается им, а часть энергии ультразвуковых сигналов излучается в изолятор -4 и через него в звукопровод - 2, длина которого равна длине ближней зоны диаграммы направленности пьезоэлемента - 5 в материале звукопровода, что обеспечивает фокусировку ультразвукового пучка на конце звукопровода (внешняя, нижняя поверхность) и излучение ультразвуковых сигналов в контролируемую среду трубопровода. При воздействии на пьезоэлемент - 5 напряжений от блуждающих токов и напряжений от работающего электрооборудования (например, насосов и т.д.), попадающих в трубопровод с контролируемой средой, которые могут достигать довольно больших значений, в нем возбуждаются ложные сигналы. Для устранения данного явления в предлагаемом ультразвуковом пьезоэлектрическом преобразователе между верхней поверхностью звукопровода - 2 и нижней поверхностью пьезоэлемента - 5 устанавливают изолятор - 4, который предотвращает поступление напряжений, появляющихся в трубопроводе с контролируемой средой от блуждающих токов, и напряжений от работающего оборудования, попадающих в трубопровод с контролируемой средой, на пьезоэлемент - 5, и обеспечивает, таким образом, необходимую защиту пьезоэлемента - 5 от ложных электрических сигналов.

Таким образом, предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, за счет изоляции пьезоэлемента от звукопровода и корпуса, предотвращает поступление напряжений от блуждающих токов и напряжений от работающего электрооборудования, появляющихся в трубопроводе с контролируемой средой, на пьезоэлемент и обеспечивает его защиту от электрических ложных сигналов. Что, в свою очередь, при использовании предлагаемого ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя в различных системах ультразвукового контроля параметров контролируемой среды в трубопроводе обеспечивает более высокую точность измерений. Поэтому предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь займет достойное место среди известных объектов аналогичного назначения.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь содержит патрубок (1), звукопровод из электропроводящего материала (2), изолятор (4), обеспечивающий непоступление на пьезоэлемент (5) напряжения от блуждающих токов и напряжений от работающего электрооборудования в трубопроводе с контролируемой средой, пьезоэлемент (5), подводящие проводники (10), демпфер из электроизоляционного материала (6), пружину (7), пустотелый цилиндрический корпус (3) и крышку (8) с отверстием (9), которая обеспечивает жесткую фиксацию деталей. Техническим результатом изобретения является обеспечение защиты от ложных электрических сигналов. 1 ил.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, содержащий патрубок, звукопровод, установленный внутри нижнего конца патрубка, пустотелый цилиндрический корпус, расположенный внутри патрубка и установленный своим нижним основанием на верхней поверхности звукопровода, пьезоэлемент, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, демпфер, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента, пружину, расположенную внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленную своим нижним концом на верхней поверхности демпфера, изолятор, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, и крышку, установленную на верхнем конце патрубка и расположенную своей внутренней поверхностью на верхнем основании цилиндрического пустотелого корпуса, отличающийся тем, что демпфер выполнен из электроизоляционного материала, а изолятор установлен своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода и своей верхней поверхностью на нижней поверхности пьезоэлемента, а верхний конец пружины расположен на внутренней поверхности крышки.