Ультразвуковой пьезопреобразователь Марьина Советский патент 1992 года по МПК B06B1/06 

Изобретение относится к приборостроению и может найти применение в ультразвуковых приборах, в частности при измерении расхода жидких сред в трубопроводах с малым проходным сечением.

Известен пьезоэлектрический преобразователь, состоящий из корпуса, резонатора, включающего в себя пьезоэлемент, расположенный соосно с протектором и демпфером, из элементов герметизации, элементов электроакустического экрана и элементов, обеспечивающих благоприятную обстановку (гидродинамическую) возле активной зоны преобразователя.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является преобразователь расходомера, включающий

корпус, изолятор, демпфер, пьезоэлемент и протектор.

Недостатком известной конструкции является обязательное требование защиты элементов преобразователя (демпфера, пьезоэлемента, токоподводящих проводов), а также защиты механоакустической связи пьезоэлемента с протектором, оно может быть клеевым, металлизированным, жидкостным и т.д., что в конечном итоге усложняет такую конструкцию. Известный преобразователь обладает недостаточной чувствительностью, это связано с тем, что донышко фторопластовой оболочки имеет постоянный акустический импеданс, что затрудняет производить согласование протектора и демпфера с акустическим импедансом контро 4

СО 00

со

ч1

о

лируемой среды и, следовательно, в известном решении снижается эффективность излучения (приема) преобразователя.

У известного преобразователя ограничена стойкость к перепадам температур из- за резкого отличия термических коэффициентов линейного расширения элементов в конструкции преобразователя.

Цель изобретения - упрощение конструкции преобразователя и повышение чув- ствительности за счет повышения коэффициента передачи и уменьшения эхо- сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем корпус, в котором размещены изолятор и пьезоэлемент, установленный между демпфером и протектором, изолятор, демпфер и протектор выполнены в виде единого блока из композитного материала на основе эпоксидной смолы, кроме того, блок из композитного материала установлен в корпусе с зазором 0,05-0,25 длины волны резонансной частоты преобразователя, высота изолятора кратна четверти длины волны резонансной частоты преобразователя, а диаметр изолятора определен соотношением.

Оиз Ъ (Опьез + 2уОпьез) М, где Опьез - численное значение диаметра пьезоэлемента.

На фиг, 1 представлен преобразователь, поперечное сечение; на фиг. 2 -усредненные значения коэффициентов затухания продольных волн в демпферах.

Пьезопреобразователь содержит корпус 1, пьезоэлемент 2, помещенный в композиционный материал соосно протектору 3 и демпферу 4, выполненным за одно целое с опорным дисковым изолятором 5, и по периметру с помощью эластичной прокладки 6 и ввертыша 7, соединенным с корпусом, полость 8.

Преобразователь для жидких сред работает следующим образом.

При подаче рабочего импульса на пьезоэлемент 2 звуковая волна через протектор 3 уходит в контролируемую среду. С тыльной стороны пьезоэлемента 2 звуковая волна принимается демпфером 4. Благодаря креплению резонатора, включающего в себя пьезоэлемент 2, протектор 3 и демпфер 4 по периметру опорного дискового изолятора 5, в котором достаточно снижена упругая колебательная энергия, так как длина (высота) демпфера 4 от опорного дискового изолятора до тыльной стороны пьезоэлемента 2 обеспечивает затухание ультразвука на 50-60 дБ, то отношение сигнал-помеха минимально (в месте крепления

резонатора), а эхо-сигнал, отраженный от тыльной стороны демпфера, не возвращается к пьезоэлементу. Следовательно, в контролируемой среде последовательность эхо-сигналов, вызванная рециркуляцией

ультразвуковых колебаний между границей пьезоэлемент-протектор и свободным торцом демпфера, отсутствует. Таким образом, наиболее опасный эхо-сигнал, вызванный отражением от тыльной стороны демпфера, способный нарушить работуультразвуково0 го расходомера сведен до минимума.

Для уменьшения сигналов, излученных в протектор и демпфер и отраженных от их боковых поверхностей, создающих ревер- берационные шумы, вызванные радиальны5 ми колебаниями пьезоэлемента 2, ведущие к возникновению поперечных волн, между корпусом и граничной поверхностью резонатора выполнена полость, заполненная контролируемой жидкостью, протекающей по измерительному участку трубопровода

0 (не показан).

Благодаря отсутствию сдвиговой упругости жидкости достигается снижение ре- верберационных шумов, обусловленных многократными отражениями ультразвука в элементах конструкции предлагаемого уст5 ройства.

Таким образом, резкое снижение ревер- берационных шумов значительно повышает коэффициент передачи преобразователя. Крепление колебательной системы с по0 мощью опорного дискового изолятора позволяет преобразователь полностью освободить от короткого акустического замыкания и, как следствие, свести до минимума отсос полезной колебательной

5 энергии, т.е. повысить эффективность пьезоэлектрического преобразователя.

Коме того, повысить эффективность излучения (приема) преобразователя можно за счет акустического согласования характе0 ристических импедансов протектора, демпфера с акустическим импедансом контролируемых жидких сред (варьируя процентным содержанием наполнителя в

5 композициях).

Предлагаемая конструкция пьезопре- образователя позволяет использовать его для измерения расхода жидкостей в трубопроводах с малым проходным сечением, где

0 требуется использование в качестве активного элемента преобразователя пьезоэлемента малого диаметра, т.е. с малой активной площадью излучения (приема) информативных сигналов.

5 Гальваническое отделение электродов пьезоэлемента от корпуса преобразователя позволяет сократить число источников питания электронной схемы расходомера и в конечном итоге повысить его надежность.

В качестве активного элемента в преобразователе используется пьезокерамика ти- па ЦТС-19. Резонансная частота пьезоэлемента f0 1 МГц, диаметр пьезоэ- лемента 10 мм. Пьезоэлемент при определенной технологии помещен в композитный материал, состоящий из порошка феррита бария и эпоксидного компаунда. С целью подавления ложных сигналов, вызванных отражением ультразвуковых импульсов от противоположной стороны демпфера (вызывающие рециркуляцию колебаний на границе пьезоэлемент-протектор и свободным торцом демпфера), проведено ряд экспериментальных работ, Для большинства компо- зитных материалов достаточное ослабление ультразвукового сигнала составляет 50-60 дБ. На фиг. 2 даны средние значения коэффициентов затухания продольных волн при 1 и 2 МГц в демпферах с различными концентрациями наполнителей, рассчитанные по формуле 1

д

, AI

Xz-xi |П7Ј

где AI и Да - амплитуды сигналов, прошедшие через образцы длиной I Х2 и I Xi.

С помощью этих кривых можно оценить необходимые толщины демпферов, т.е. высоту демпфера из композиционного материала от тыльной стороны пьезоэлемента до опорного дискового изолятора, которая обеспечивает требуемое затухание звука.

Например, если требуется определить толщину демпфера из композитного материала с наполнителем из порошка феррита бария с процентным содержанием 60% для пьезоэлемента, работающего на резонансной частоте f 1 МГц, с затуханием в нем, равным 60 дБ, то согласно таблице, при ослаблении ультразвукового сигнала на 60 дБ из выбранного композитного материала, потребуется толщину (высоту) демпфера выбрать равной

бОдБ.смм

15дБ

Таким образом, ослабление упругого ультразвукового сигнала на противоположном конце демпфера от тыльной стороны пьезоэлемента з 1000 раз, так как 50 дБ 1025, а 60 дБ 103.

Следовательно, если поместим дисковый изолятор на расстоянии, равном 4 см от тыльной стороны пьезоэлемента, то отраженный эхо-сигнал от тыльной стороны демпфера за счет диссипации и рассеяния энергии в композитном материале к пьезо- элементу не вернется совсем. Обоснование

выбора диаметра опорного дискового изолятора следующее. Например, если диаметр пьезоэлемента равен 10 мм, то соответственно демпфер должен равняться в поперечном сечении, так же поперечному сечению пьезопластины для более эффективного демпфирования колебаний. Пьезоэлемент должен быть капсулирован в

композитный материал, поэтому для практики достаточно, чтобы диаметр демпфера

был больше диаметра пьезоэлемента на кдлины волны на резонансной частоте преобразователя,

Далее, исходя из условия прочности и ослабления сдвиговых колебаний, диаметр опорного дискового изолятора следует выбирать из соотношения

Оо.ди. Ъ Dn + 2VDn.

Так как диаметр пьезоэлемента равен 10 мм, то диаметр опорного дискового изолятора должен быть равен 16,6 мм. Толщину дискового изолятора выбирают также, исходя из условия прочности и ослабления сигнала (паразитного) из равенства

h п

где п 1,2,3;

А - длина волны, четвертьволновая толщина способствует ослаблению сигнала.

В целях исключения дополнительных элементов в конструкции преобразователе для крепления резонатора (которые могут быть выбраны из различных материалов с

различными акустическими свойствами и, как следствие, возникновения дополнительных реверберационных шумов), дисковый опорный изолятор отлит за одно целое из одного и того же материала, что и демпфер,

т е. акустические сопротивления одинаковы.

Капсулирование пьезоэлемента в композитный материал при эксплуатации сохраняет постоянную амплитудно-частотную характеристику, так как не требует постоянного поджима элементов преобразователя, т.е. чувствительность предлагаемого устройства сохраняется при вибрационных нагрузках при индустриальных шумах, грохоте и т.п. Кроме того, исключено попадание сернистых соединений на пьезоэлемент, который присутствует на всех промышленных объектах.

Положительный эффект, достигаемый предложенным техническим решением, определяется следующим образом.

Преобразователи помещают в сосуд с жидкостью на расстоянии другот друга, равном 300 мм. На один из преобразователей (излучающий) подают напряжение с генератора импульсов типа Г5-15 амплитудой, равной 30 В. К приемному преобразователю подключают осциллограф типа С1-70, по которому фиксируют приемный сигнал. Электрический сигнал, снимаемый с преобразователя, состоит из трех полуволн, причем амплитуда второй полуволны в 5 раз больше амплитуды первой и третьей полуволны. Максимальная амплитуда приемного сигнала 1000 мВ. В системе излучатель - приемник подключены два коаксиальных кабеля по 150 м и нагрузка, равная 50 ом. Импульсы радиальных колебаний (паразитных) пьезопластины отсутствуют. Отраженный от протектора эхо-сигнал, трижды прошедший через жидкость по амплитуде, составляет 20 мВ. Проверка амплитудно-частотных характеристик преобразователей, конструктивно изготовленных по прототипу (характеристики и геометрические размеры пьезоэлементов те же, что и в предлагаемом устройстве), показало, что электрический приемный сигнал составляет300-400 мВ, Из приведенных сравнений следует, что эффективность предлагаемого решения в 3 ра- за выше, чем у известного преобразователя. Кроме того, устройство обладает высокой

помехоустойчивостью и простотой в изготовлении.

Формула изобретения

1.Ультразвуковой пьезопреобразова- тель, содержащий корпус, в котором размещены изолятор и пьезоэлемент, установленный между демпфером и протектором, от л и ч а ю щи и с я тем, что, с целью упрощения конструкции, изолятор, демпфер и протектор выполнены в виде единого блока из композитного материала не основе эпоксидной смолы.

2.Пьезопреобразователь по п,1, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности за счет повышения коэффициента передачи и уменьшения эхо-сигналов, блок из композитного материала установлен в корпусе с зазором от 0,05 до 0,25 длины волны резонансной частоты преобразователя, высота изолятора кратна четверти длины волны резонансной частоты преобразователя, а диаметр Оиз изолятора определен соотношением

D

из

(Dr

Р.-Ч +

2J/D

пьез)

где Опьез - численное значение ди лметра пьезоэлемента.

Изобретение относится к приборостроению и может найти применение в ультразвуковых приборах, в частности при измерении расхода жидких сред в трубопроводах с малым проходным сечением. Цель изобретения - упрощение конструкции и увеличение чувствительности за счет повышения коэффициента передачи и уменьшения эхо-сигналов. Ультразвуковой пьезопреобразователь содержит корпус, в котором размещены изолятор и пьезоэле- мент, установленный между демпфером и протектором. Новым в преобразователе является выполнение демпфера и протектора в виде единого блока из композитного материала на основе эпоксидной смолы. Кроме того, блок из композитного материала установлен в корпусе с зазором от 0,05 до 0,25 длины волны резонансной частоты преобразователя, высота изолятора кратна четверти длины волны резонансной частоты преобразователя, а диаметр изолятора определен соотношением Оиз (Опьез + 2 0пьез), где Опьез- численное значение диаметра пьезо- элемента. 1 з.п ф-лы, 2 ил. СО С

Редактор О. Головач

Составитель Н.Марьин Техред М.Моргентал

so to -. -

Фиг. Ј

Корректор Э.Лончакова