Пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1992 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано при измерении расхода жидкости ультразвуковым методом.

Известен пьезопреобразователь для жидких сред, состоящий из корпуса, в котором соосно расположен протектор, диск, пьезоэлемент, профилированный демпфер, изоляционные втулки, пружина, ввертыш, высокочастотный разъем,

В известном преобразователе для обеспечения акустического контакта между диском и протектором используется акустическая смазка.

Известный акустический контакт недостаточно обеспечивает требуемую прозрачность и стабильность. При высыхании акустической смазки нарушается прилегание контактного диска к протектору, вследствие чего возникает ситуация, в которой, наряду со значительным уменьшением по амплитуде сигналов приемной последовательности, декремент ее затухания резко уменьшается, Этот эффект усиливается, если коэффициент отражения амплитуды аку- стического давления на границе протектора с контролируемой жидкостью равен единице.

Наиболее близким по технической сути является ультразвуковой преобразователь, содержащий призму, пьезоэлемент, демпфер и установленный между протектором и пьезоэлементом согласующий элемент заданной толщины,

Известный преобразователь не обеспечивает достаточную стойкость и соответственно стабильность механоакустического контакта к динамическим воздействиям и особенно к перепадам температур, так как температурные коэффициенты линейного расширения материалов элементов преобразователя значительно различаются. Кроме того, известное обеспечение механоакустической связи элементов преобразователя недостаточно надежно к воздействию упругих колебаний на клеевой слой во время работы преобразователя.

Цель изобретения - улучшение чувствительности за счет стабилизации акустического контакта.

Это достигается тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем корпус, закрепленные в нем последовательно протектор, пьезоэлемент, демпфер и ус- тановленный между протектором и пьезоэлементом согласующий элемент заданной толщины, в согласующем элементе выполнены сквозные отверстия, ориентированные перпендикулярно рабочей поверхности пьезоэлемента, акустическое

сопротивление его равно акустическому сопротивлению пьезоэлемента, а акустическое сопротивление жидкости равно акустическому сопротивлению материала

протектора.

На чертеже схематично изображен пьезоэлектрический преобразователь.

Пьезоэлектрический преобразователь содержит корпус 1, в котором соосно распо0 ложены пьезоэлемент 2, лицевая сторона которого с помощью согласующего элемента 3 (выполненного в виде диска с отверстиями перпендикулярно рабочей поверхности пьезоэлемента, живое сечение которого за5 полнено контактной жидкостью) соединена с протектором 4, а тыльная сторона пьезоэлемента жестко соединена с демпфером 5, изоляционная втулка 6, расположенная ко- аксиально с корпусом, гайка 7, прижимаю0 щая протектор 4 к торцу корпуса 1 преобразователя, стопорное кольцо 8, примыкающее к тыльной стороне демпфера, и высокочастотный разъем 9. Диск с отверстиями жестко соединен с лицевым электродом

5 пьезоэлемента 2 (приклеен, припаян), одновременно обеспечивая гальваническую связь электрода пьезоэлемента с токопод- водящими проводниками высокочастотного разъема 9. Протектор выполнен из пласти0 ка, например из фторопласта, одновременно является как и элемент уплотнения, прижимающийся к торцу корпуса гайкой 7. Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом. При подаче

5 рабочего импульса на пьезоэлемент 2 звуковая волна через согласующий элемент 3 и протектор 4 уходит в контролируемую среду. Согласующий элемент 3 представляет собой диск с отверстиями с характеристиче0 ским импедансом, близким характеристическому импедансуматериала пьезоэлемента, чем обеспечивается полное прохождение упругой энергии без преображения сигнала на границе согласующий элемент-пьезоэле5 мент, что приводит к улучшению чувствительности преобразователя. Живое сечение диска (ячейки), заполненное контактной жидкостью с акустическим сопротивлением, близким или равным акустическому со0 противлению протектора, приводит к резкому снижению помех на границе контактная жидкость - протектор (из-за отсутствия рециркуляции эхо-сигнала), обеспечивая тем самым стабильную чувст5 вительность преобразователя.

Благодаря выполнению согласующего элемента в виде сотового заполнителя, ячейки которого заполнены контактной жидкостью, находящейся в замкнутом объеме, ограниченном стенками сотового заполнителя по периметру, тыльной стороной полимерного протектора 4 и лицевой стороной пьезоэлемента 2 обеспечивается стабильный акустический контакт и, как следствие, сохраняется постоянная чувствительность преобразователя (из-за снижения испарения и вытекания акустической смазки). С тыльной стороны пьезоэлемента 2 звуковая волна принимается демпфером 5, вследствие чего происходит гашение свободных колебаний пьезоэлемента 2. Согласующий элемент 3 за счет выбора заданной толщины обеспечивает постоянную чувствительность преобразователя. Таким образом за счет согласующего элемента улучшается чувствительность, повышается надежная и долговечная работа преобразователя.

Предлагаемый пьезоэлектрический преобразователь выполнен следующим образом. Так как преобразователь предназначен для ультразвукового контроля расхода агрессивной жидкости, то соответствующие элементы преобразователя подбирались из материала стойких к агрессивным средам. Корпус преобразователя выполнен из титана марки ВТЗ-1, протектор - из материала фторопласт-3, как наиболее инертного материала с высокой стойкостью ко всем химическим реагентам. Скорость ультразвука в материале составляет 1850 м/с. Акустическое сопротивление фторопласта хорошо согласуется с акустическим сопротивлением многих жидких сред.

Диск с отверстиями выбран из материала латунь с характеристическим импедансом, равным 37.7-1Q6 кг/(м2-с), который хорошо согласуется с пьезокерамикой ЦТС-19, импеданс которого равен 32-Ю5 кг/(м2 С). Исходя из конкретных условий эксплуатации преобразователя использовать и пластиковый согласующий элемент.

Для практики при расчете координатной сетки для сверления сквозных отверстий в диске следует руководствоваться следующим:

диаметр отверстия в сотовом заполнителе должен быть не менее А /2, то есть должно выполняться условие

Фотв -А /2 ,

где Фотв - диаметр отверстия в сотовом заполнителе,

А - длина продольной волны в преобразователе;

толщина стенок заполнителя не более А/4 (из-за дифракционных явлений), т.е. должно выполняться условие:

ьа /4,

где h - толщина стенки ячейки,

А -длина волны преобразователя; мертвое сечение сотового заполнителя должно быть не более 30%.

При увеличении мертвого сечения возрастают помехи, вызванные радиальными колебаниями, а также растут ревербераци- онные погрешности, вызванные рециркуляцией эхо-сигналом границы сотовый заполнитель - протектор. Диск с отверстия0 ми приклеивается или припаивается к электроду пьезоэлемента таким образом, чтобы образовалась гальваническая связь диск- электрод пьезоэлемента.

Далее к диску припаивается проводник

5 и через боковой пропил в пьезоэлементе проводник пропускается через тело демпфера и крепится к высокочастотному разъему 9. Неразъемный пакет, состоящий из демпфера, пьезоэлемента, диска, после

0 занесения в ячейки контактной жидкости прижимается к протектору 4 стопорным кольцом 8 с усилием 0,5-1 кг/см2 (перед прижатием пакета необходимо на протектор нанести тонкий слой контактной жидко5 сти). Выбор толщины согласующего элемента должен производиться с учетом требований, предъявляемых к величине коэффициента передачи и полосе пропускания преобразователя. Например, если

0 требуется преобразователь, формирующий короткие ультразвуковые импульсы, надо применять четвертьволновый протектор, согласующий элемент должен быть возможно тоньше.

3Если требуется только широкая полоса,

а к форме импульса жесткие требования не предъявляются, можно применять полувоч- новый протектор. Согласующий элемент в этом случае целесообразно выбрать при0 мерно четвертьволновой толщины. Для предлагаемого преобразователя согласующий элемент аыбран равным 0,6-0,7 мм. Толщина элемента соответствует четверти длины волны материала пьезоэлемента на

5 резонансной частоте 1.4 МГц.

Применение в предлагаемом устройстве согласующего элемента в виде диска с отверстиями, живое сечение (ячейки) которого заполнено контактной жидкостью, по0 зволяет расширить эксплуатационные возможности преобразователя, а именно, использовать его в особо агрессивной среде с постоянной чувствительностью, повышенной долговечностью и надежностью.

5Формула изобретения

Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий корпус, закрепленные в нем последовательно протектор, пьезоэлемент и демпфер и установленный между протектором и пьезоэлементом согласующий эле

мент заданной толщины, отличающий-высота элемента выбрана равной одной четс я тем, что, с целью улучшения чувствитель-верти длины волны ультразвука в материале

ности за счет стабилизации акустическогопьезоэлемента, акустическое сопротивление

контакта, в согласующем элементе выпол-его равно акустическому сопротивлению пьенены сквозные отверстия, ориентирован-5 зоэлемента, а акустическое сопротивление

ные перпендикулярно рабочей поверхностижидкости равно акустическому сопротивлепьезоэлемента и заполненные жидкостью,нию материала проектора.

Изобретение относится к неразрушающим средствам и методам контроля и может быть использовано, в частности при измерении расхода жидкости ультразвуковым методом. Целью изобретения является улучшение чувствительности за счет стабилизации акустического контакта. Это осуществляется посредством того, что в преобразователе, содержащем корпус 1, закрепленные в нем последовательно протектор 4, пьезоэлемент 2 и демпфер 5 и установленный между протектором и пьезо- элементом согласующий элемент заданной толщины, в последнем выполнены сквозные отверстия 3,ориентированные перпендикулярно рабочей поверхности пьезоэлемента и заполненные рабочей жидкостью. Высота элемента выбрана равной одной четверти длины волны ультразвука в материале пьезоэлемента, акустическое сопротивление его равно акустическому сопротивлению пьезоэлемента, а акустическое сопротивление жидкости - акустическому сопротивле нию материала протектора. 1 ил. т с VJ Ч Ю 4 ГО