Измеритель мощности ультразвукового излучения Российский патент 2024 года по МПК G01H3/14 

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для измерения мощности ультразвукового излучения, падающего на поглощающую мишень в виде коллимированного, сфокусированного или немного расходящегося пучка ультразвуковой энергии в воде, генерируемого излучателями (датчиками) медицинского ультразвукового оборудования.

Известны приборы для измерения мощности ультразвука (УЗ) в воде (ультразвуковые ваттметры, ультразвуковые радиометры, измерители мощности ультразвука в воде и пр.), в основу работы которых положен метод гравитационного уравновешивания радиационного воздействия ультразвуковой волны, падающей вертикально сверху или снизу на находящуюся в воде мишень (отражающего или поглощающего типа). Радиационное воздействие (сила F) ультразвуковой волны связано с ее мощностью Р простым соотношением:

для идеальной поглощающей мишени

или для идеальной отражающей мишени

где с - скорость звука в среде распространения (в воде);

- угол между направлением распространения УЗ волны и нормалью к отражающей поверхности.

Для регистрации радиационное воздействие (силы F) в большинстве современных измерителей применяются электронные весы.

В стандарте Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) IEC 61161:2013 [1] и в гармонизированным с ним национальном стандарте ГОСТ Р МЭК 61161-2019 [2] в приложении F приведены 9 вариантов построения измерителей мощности ультразвукового излучения. Рассматриваемое изобретение можно отнести к компоновке В с поглощающей мишенью Фиг. 1.

Приведенная в ГОСТ Р МЭК 61161-2019 компоновка обладает следующими недостатками:

1) Непрозрачный бак для воды значительно усложняет контроль области измерений. В процессе установки преобразователя и при его работе на его активной поверхности могут появляться пузыри воздуха, оказывающие существенное влияние на результат измерений мощности ультразвука.

Непрозрачный бак для воды значительно усложняет юстировку излучателя над мишенью.

Крепление мишени к балке, передающей силу на весы, осуществляется с помощью гибкого крепежа - лески или тонкой проволоки. Такой способ крепления ведет к проблемам при эксплуатации. При измерениях мишень, подвешенная за 2 точки опоры в результате воздействия неравномерного акустического поля, может опрокидываться. Кроме того, поглощающая мишень может иметь положительную плавучесть, что приведет к ее всплытию на поверхность в измерительном баке.

Незакрепленный на измерителе держатель преобразователя требует большего пространства на месте эксплуатации измерителя и должен иметь собственную устойчивую опору, что ведет к усложнению производства.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является возможность построения измерителя мощности, обладающего лучшими показателями точности измерений, лучшей эргономикой при эксплуатации и меньшей стоимостью. Внешний вид измерителя представлен на фигуре 2, где 1 - измерительный бак, 2 - поглощающая мишень, 3 - коромысло мишени, 4 - измеритель массы (электронные весы), 5 - металлический корпус, 6 - стойки коромысла мишени.

Так в рассматриваемом измерителе измерительный бак 1 выполнен из прозрачного органического стекла, что позволяет производить визуальный контроль поверхности излучателя и мишени в подводном пространстве на наличие пузырей воздуха, что позволяет своевременно их удалить, повышая достоверность измерений. В [1] [2] и [3] сказано, что, выделяющиеся пузырьки воздуха на поверхности излучателя или мишени, приводят к существенному изменению результатов измерения мощности ультразвука, а своевременное их удаление снижает погрешность измерений. Применение в качестве материала измерительного бака прозрачного оргстекла позволяет снизить погрешности измерений мощности, возникающие при отражении боковых лепестков преобразователя от стенок бака. Оргстекло обладает значительно большим коэффициентом поглощения ультразвука, чем, например, силикатное стекло, ввиду своей низкой плотности и меньшей твердости. Также прозрачный бак значительно упрощает юстировку ультразвукового преобразователя строго над мишенью и позволяет обеспечить их соосность, что повышает достоверность измерений.

Если преобразователь круглый (что характерно для большинства ультразвуковых преобразователей), то идеальной является такая его установка над круглой мишенью, когда оси преобразователя и мишени совпадают. Поперечное смещение преобразователя относительно поглощающей мишени (т.е. оси остаются параллельными), радиус которой больше радиуса преобразователя настолько, что никакая значимая часть ультразвукового пучка не выходит за границы мишени, не сказывается на результатах измерений радиационной силы. Наклон преобразователя относительно мишени уменьшает проекцию радиационной силы пропорционально косинусу углу α между осями, что для реально достижимых α≤5° при визуальном контроле, уменьшает радиационную силу всего на 0,4%.

Поглощающая мишень 2 закреплена на коромысле 3 из нержавеющей стали, которое предотвращает опрокидывание мишени при падении на нее неравномерного акустического потока и делает неважным показатель плавучести мишени. Жесткое коромысло мишени обеспечивает более точную передачу добавочной радиационной силы ультразвука на чувствительный элемент измерителя массы за счет отсутствия деформации при измерениях. Если связь мишени с весами осуществляется с помощью подвеса на гибкой леске или проволоке, то необходимо обеспечить отрицательную плавучесть мишени, иначе измерения мощности будут некорректны. Даже мишень с отрицательной плавучестью может всплыть в процессе измерений, так как ультразвуковое воздействие приводит к ее нагреву и тепловому расширению. Коромысло в рассматриваемом измерителе изготавливается виде жесткой штанги, обеспечивающей передачу добавочной радиационной силы ультразвукового пучка на чашу весов. При этом поглощающая мишень приклеена к коромыслу, что исключает возможность опрокидывания или всплытия мишени. Поглощающая мишень измерителя, изготавливаемая из химически стойкого вспененного полиуретана, выполнена, с одной стороны, в виде поверхности, состоящей из пирамидоидальных выступов высотой 4-5 мм с углом наклона между боковыми поверхностями пирамидок 60°±2°. Такая форма поверхности мишени значительно снижает уровень отраженной от нее ультразвуковой мощности, улучшая ее поглощающие свойства.

Измеритель массы 4 запрессованы в металлический корпус 5 измерителя, что позволяет обеспечить надежное крепление измерителя массы и корпуса без применения крепежных изделий, таких как болты или саморезы. Такое крепление позволяет не нарушать гарантийных условий производителя измерителя массы при изготовлении измерителя мощности и приводит к удешевлению его обслуживания в целом. Измеритель массы при таком креплении к корпусу может быть заменен на измеритель массы с большим или меньшим НПВ при необходимости без нарушения целостности самих весов.

Конструкционные элементы измерителя, осуществляющие передачу добавочной радиационной силы ультразвукового излучения на чувствительный элемент измерителя массы выполнены в виде двух стоек коромысла мишени 6. Стойки расположены на против друг друга, что обеспечивает равномерное распределение передающегося на чувствительный элемент измерителя массы усилия. Такая конструкция, передающего радиационную силу ультразвука, механизма позволяет снизить погрешности измерений мощности, возникающие из-за бокового давления на шток чувствительного элемента измерителя массы. Стойки выполнены из прочного и легкого материала (например, алюминия), что позволяет снизить НПВ применяемых весов, что также ведет к удешевлению всего измерителя, так как весы с большим НПВ имеют большую стоимость. Также высокая прочность стоек обеспечивает более точный результат измерений мощности, за счет меньших деформаций (прогиба) при измерениях.

Применение предложенного технического решения повышает достоверность измерений мощности ультразвука, эргономичность измерителей мощности ультразвукового излучения, построенных по компоновке В с поглощающей мишенью по ГОСТ Р МЭК 61161-2019, и снижает стоимость обслуживания таких измерителей.

Литература

IEC 61161:2013 Ultrasonics - Power measurements - Radiation force balance and performance requirements

ГОСТ P МЭК 61161-2019 Государственная система измерений. Мощность ультразвука в жидкостях. Общие требования к выполнению измерений методом уравновешивания радиационной силы

IEC 62555-2013 Ultrasonics - Power measurement - High intensity therapeutic ultrasound (HITU) transducers and systems.

Изобретение относится к технической акустике. Измеритель мощности ультразвукового излучения выполнен в виде единой системы измерения, состоящей из измерительного бака, установленного на измерителе массы, запрессованном в металлический корпус. Измерительный бак выполнен из прозрачного органического стекла, в корпусе измерителя массы имеются отверстия: одно резьбовое отверстие - для установки стойки держателя преобразователя, два других - для установки устройства передачи ультразвуковой радиационной силы, выполненного в виде двух стоек коромысла мишени, на которых закреплено коромысло мишени с поглощающей мишенью, выполненной из поглощающего ультразвук вспененного полиуретана и имеющей с одной стороны поверхность, состоящую из пирамидальных выступов. Технический результат – повышение точности измерений. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Измеритель мощности ультразвукового излучения, выполненный в виде единой системы измерения, состоящей из измерительного бака, установленного на измерителе массы, запрессованном в металлический корпус, отличающийся тем, что измерительный бак выполнен из прозрачного органического стекла, в корпусе измерителя массы имеются отверстия: одно резьбовое отверстие - для установки стойки держателя преобразователя, два других - для установки устройства передачи ультразвуковой радиационной силы, выполненного в виде двух стоек коромысла мишени, на которых закреплено коромысло мишени с поглощающей мишенью, выполненной из поглощающего ультразвук вспененного полиуретана и имеющей с одной стороны поверхность, состоящую из пирамидальных выступов.

2. Измеритель мощности ультразвукового излучения по п. 1, отличающийся тем, что поглощающая мишень выполнена с одной стороны в виде поверхности, состоящей из пирамидальных выступов высотой 4-5 мм с углом наклона между боковыми поверхностями пирамидок 60±2°.

3. Измеритель мощности ультразвукового излучения по п. 1, отличающийся тем, что измеритель массы запрессован в металлический корпус и может быть извлечен из него без повреждений.

4. Измеритель мощности ультразвукового излучения по п. 1, отличающийся тем, что измеритель массы может быть заменен без нарушения целостности на измеритель массы с большим или меньшим наибольшим пределом взвешивания при необходимости.

5. Измеритель мощности ультразвукового излучения по п. 1, отличающийся тем, что стойки коромысла мишени выполнены из алюминия.

6. Измеритель мощности ультразвукового излучения по п. 1, отличающийся тем, что коромысло мишени выполнено из нержавеющей стали.