Ультразвуковой пьезопреобразователь марьина

(51)5 В 06 ИЕ ИЗОБ ЕТЕН ОПИ МУ СВИДЕТЕЛЬСТВ АВТО конструктор- венного объе меры и счетностроение,ОПРЕОБРАприборостро ние в ультра стности при ред в трубоп ым сечением ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР 1(71) Самарское специальноеское бюро Научно-производстдинения "Нефтехимавтоматик(54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОВАТЕЛЬ МАРЬИНА(57) Изобретение относится кению и может найти применезвуковых приборах, в чаизмерении расхода жидких сроводах с малым проходн 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 преобра; зователь, 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 ореобразователя.Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является преобразователь расходомера, включающий 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 пьезоэлемент, 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 + 290 пьез), где Опьез - численное значение диаметра пьезоэлемента. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. 4 корпус, изолятор, демпфер, пьезоэлемент и протектор. СОНедостатком известной конструкции ( 1 является обязательное требование защиты элементов преобразователя (демпфера, О пьезоэлемента токоподводящих проводов) а также защиты механоакустической связи пьезоэлемента с протектором, оно может а 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 контролируемой среды и, следовательно, в известном решении снижается эффективность излучения (приема) преобразователя.У известного преобразователя ограничена стойкость к перепадам температур изза резкого отличия термических коэффициентов линейного расширения элементов в конструкции преобразователя,Цель изобретения - упрощение конструкции преобразователя и повышение чувствительности за счет повышения коэффициента передачи и уменьшения эхосигналов,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 соотношениемОиэ ь (Ольез2/Овцев) М,где Рпьез - 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 оттыльной стороны демпфера, не возвращается к пьезоэлементу, Следовательно, в контролируемой среде последовательностьэхо-сигналов, вызванная рециркуляцией5 ультразвуковых колебаний между границейпьезоэлемент-протектор и свободным торцом демпфера, отсутствует, Таким образом,наиболее опасный эхо-сигнал, вызванныйотражением от тыльной стороны демпфера,способный нарушить работу ультразвуково 10 го расходомера сведен до минимума.Для уменьшения сигналов, излученныхв протектор и демпфер и отраженных от ихбоковых поверхностей, создающих реверберационные шумы, вызванные радиальны 15 ми колебаниями пьезоэлемента 2, ведущиек возникновению поперечных волн, междукорпусом и граничной поверхностью резонатора выполнена полость, заполненнаяконтролируемой жидкостью, протекающейпо измерительному участку трубопровода20 (не показан),Благодаря отсутствию сдвиговой упругости жидкости достигается снижение реверберационных шумов, обусловленныхмногократными отражениями ультразвука вэлементах конструкции предлагаемого уст 25 ройства.Таким образом, резкое снижение реверберационных шумов значительно повышаеткоэффициент передачи преобразователя.Крепление колебательной системы с по 30 мощью опорного дискового изолятора позволяет преобразователь полностьюосвободить от короткого акустического замыкания и, как следствие, свести до минимума отсос полезной колебательной35 энергии, т,е. повысить эффективность пьезоэлектрического преобразователя.Коме того, повысить эффективность излучения (приема) преобразователя можноза счет акустического согласования характе 40 ристических импедансов протектора, демпфера с акустическим импедансомконтролируемых жидких сред (варьируяпроцентным содержанием наполнителя в45 композициях).Предлагаемая конструкция пьезопреобраэователя позволяет использовать егодля измерения расхода жидкостей в трубопроводах с малым проходным сечением, где50 требуется использование в качестве активного элемента преобразователя пьезоэлемента малого диаметра, т,е. с малойактивной площадью излучения (приема) информативных сигналов.55 Гальваническое отделение электродовпьезоэлемента от корпуса преобразователяпозволяет сократить число источников пита50 я 55 Преобразователи помещают в сосуд сжидкостью на расстоянии друг отдруга, равном 300 мм, На один из преобразователей (излучающий) подают напряжение с генерания электронной схемы расходомера и в конечном итоге повысить его надежность.В качестве активного элемента в преобразователе используется пьезокерамика типа ЦТС. Резонансная частота пьезоэлемента 10 = 1 МГц, диаметр пьезоэлемента 10 мм. Пьезоэлемент при определеннойй 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 композитных 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 формулед - и - ,1 А% -х А 2где А 1 и А 2 - амплитуды сигналов, прошедшие через образцы длиной 1= Х 2 и 1= Х 1,С помощью этих кривых можно оценить необходимые толщины демпферов, т.е. высотудемпфера 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 О для пьезоэлемента, работающего на резонансной частоте 1 = 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 равной60 дБ,см15 дБТаким образом, ослабление упругого ультразвукового сигнала на противоположном конце демпфера от тыльной стороны пьезоэлемента в 1000 раз, так как 50 дБ = 1025, а 60 дБ =10Следовательно, 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 рассеяни энергии в композитном материале к пьезо элементу не вернется совсем, Обосновани 10 15 20 25 50 45 50 45 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 демпфера1 был больше диаметра пьезоэлемента на -2 длины волны на резонансной частоте преобразователя,Далее, исходя из условия прочности и ослабления сдвиговых колебаний, диаметр опорного дискового изолятора следует выбирать из соотношенияОо,д.и. ), Оп+2)Оп.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 равенствай =и4где п =1,2,3;А - длина волны, четвертьволновая толщина способствует ослаблению сигнала,В целях исключения дополнительных элементов в конструкции преобразователя для крепления резонатора (которые могут быть выбраны из различных материалов с различными акустическими свойствами и, как следствие, возникновения дополнительных реверберационныхшумов), 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 пои 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.Составитель Н.МарьинТехред М,Моргентал рректор Э.Лончакова Голова Редак Заказ 1954 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина,тора импульсов типа Г 5-15 амплитудой, равной 30 В. К приемному преобразователю подключают осциллограф типа С 1-70, 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 составляет 300-400 мВ, Из приведенных сравнений следует, что эффективность предлагаемого решения в 3 раза выше, чем у известного преобразователя. Кроме того, устройство обладает высокой Формула изобре гения5 1, Ультразвуковой пьезопреобразователь, содержащий корпус, в котором оазмещены изолятор и пьезоэлемент,установленный между демпфером и протектором, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью10 упрощения конструкции, изолятор, демпфер и протектор выполнены в виде единого блока из композитного материала наоснове эпоксидной смолы,2, Пьезопреобразователь по п,1, о т л и 15 ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличениячувствительности за счет повышения коэффициента передачи и уменьшения эхо-сигналов, блок из композитного материалаустановлен в корпусе с зазором от 0,05 до20 0,25 длины волны резонансной частоты преобразователя, высота изолятора кратна четверти длины волны резонансной частотыпреобразователя, а диаметр Оиз изолятораопределен соотношением25 ОизОпьез+ 2 фпьез),где Опьез - численное значение диаметрапьезоэлемента,