Пьезоэлектрический преобразователь

(5) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ С В ИДЕТ ЕЛ Ь СТ(21) 4802937(28 (22) 16,03;90 (46) 30.10,92, Бю (71). Самарское ское бюро Научн динения "Нефте (72) Н.С,Марьин (56) Авторское с М 1329371, кл, 8 лизации 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 пьезоэлементом 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 протекторз. 1 ил.8 л. 1 Ф 40специальное консто-производственнохимавтоматика" ктор объеидетельство СССР01 К 29/04, 1985ТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБР(57) Изобретение отнощим средствам и методбить использовано, в чнии расхода жидкоститодом, Целью изобулучшение чувствител ится мко к неразрушаюнтроля и может ти при измереазвуковым меия является за счет стабистно ульт ре еевичявляется 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 изоб ретения - улучшение чувстви. тельности за счет стабилизации акустиче 30 35 40 45 ского контакта Это достигается тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем корпус, закрепленные в нем последовательно протектор, пьезоэлемент, демпфер и установленный между протектором и пьезоэлементом согласующий элемент заданной толщины, в согласующем элементе выполнены сквозные отверстия, ориентированные перпендикулярно рабочей поверхности пьезоэлемента, акустическое Изобретение относится к контрольноизмерительной 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.8 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 акустического давления на границе протектора с контролируемой жидкостью равен единице,Наиболее близким по технической сути 5 10 15 20 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 расположены пьезоэлемент 2, лицевая сторона которого с помощью согласующего элемента 3 (выполненного в виде диска с отверстиями перпендикулярно рабочей поверхности пьезоэлемента, живое сечение которого заполнено контактной жидкостью) соединена с протектором 4, а тыльная сторона пьезоэлемента жестко соединена с демпфером 5, изоляционная втулка 6, расположенная коаксиально с корпусом, гайка 7, прижимающая 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 пьезоэлемента 2 (приклеен, припаян), одновременно обеспечивая гальваническую связь электрода пьезоэлемента с токоподводящими проводниками высокочастотного разъема 9. Протектор выполнен из пластика, например из фторопласта, одновременно является как и элемент уплотнения, прижимающийся к торцу корпуса гайкой 7.Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом. При подаче 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 характеристическим импедансом, близким характеристическому импедансуматериала пьезоэлемента, чем обеспечивается полное прохождение упругой энергии без преображения сигнала на границе согласующий элемент-пьезоэлемент, что приводит к улучшению чувствительности преобразователя. Живое сечение диска (ячейки), заполненное контактной жидкостью с акустическим сопротивлением, близким или равным акустическому сопротивлению протектора, приводит к резкому снижению помех на границе контактная жидкость - протектор из-за отсутствия рециркуляции эхо-сигнала), Обеспечивая тем самым стабильную чувствительность преобразователя.Благодаря выполнению согласующего элемента в виде сотового заполнителя, ячейки которого заполнены контактной жидкостью, находящейся в замкнутом объеме, ограниченном стенками сотового запол 1772724510 20 25 30 43 40 45 50 55 нителя по периметру, тыльной стороной полимерного протектора 4 и лицевой стороной пьезоэлемента 2 обеспечивается стабильный акустический контакт и, как следствие, сохраняется постоянная чувствительность преобразователя (из-зэ 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 ВТ 3-1, протектор - из материала фторопласт, 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 10 кг/(м с), который хорошо согласуется с пьезокерамикай ЦТС, импеданс которого равен 32 106 кг/(м 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, та есть должно выполняться условиеФотвфА /2;где Фотв - диаметр отверстия в сотовом заполнителе,Л - длина продольной волны в преобразователе;толщина стенок заполнителя не более Л/4 (из-за дифракцион н ых я влений), т.е. должно выполняться условие:МХ /4,где й - толщина стенки ячейки,1 - длина волны преобразователя; мертвое сечение сотового заполнителя должно быть не более 30 О.При увеличении мертвого сечения возрастают помехи, вызванные радиальными колебаниями, а также растут реверберационные погрешности, вызванные рециркуляцией эхо-сигналом границы сотовый заполнитель - протектор, Диск с отверстиями приклеивается или припаивается к электраду пьезоэлемента таким образом, чтобы образовалась гальваническая связь диск- электрод пьезоэлемента,Далее к диску припаивэется проводник 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 занесения в ячейки контактной жидкости прижимается к протектору 4 стопарным кольцом 8 с усилием 0,5 - 1 кг/см (перед2 прижатием пакета необходимо на протектор нанести тонкий слой контактной жидкости). Выбор толщины согласующего элемента должен производиться с учетом требований, предъявляемых к величине коэффициента передачи и полосе пропускания преобразователя, Например, если требуется преобразователь, формирующий короткие ультразвуковые импульсы, надо применять четвертьволновый протектор, г согласующий элемент должен быть возможно тоньше,Если требуется только ширака.-, пооса, а к форме импульса жесткие требования не предъявляются, можно применять палува- новый протектор, Согласующий элемент в этом случае целесообразно выбрать примерна четвертьволнавой толщины, Для предлагаемого преобразователя согласующий элемент выбран равным 0,6 - 0,7 мм. Толщина элемента соответствует четверти длины волны материала пьезоэлемента на резонансной.частоте 1,4 М Гц.Применение в предлагаемом устройстве согласующего элемента в виде диска с отверстиями, живое сечение (ячейки) которого заполнено контактной жидкостью, позволяет расширить эксплуатационные возможности преобразователя, а именно, использовать его в особо агрессивной среде с постоянной чувствительностью, повышенной долговечностью и надежностью.Формула изобретения Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий корпус, закрепленные в нем последовательно протектор, пьезоэлемент и демпфер и установленный между протектором и пьезоэлементом согласующий эле1772724 Составитель Н.Марьин Техред М.Моргентал . Редактор Корректор Т.Палий Заказ 3842 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 мент заданной толщины, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью улучшения чувствительности за счет стабилизации акустического контакта, в согласующем элементе выполнены сквозные отверстия, ориентированные перпендикулярно рабочей поверхности пьезоэлемента и заполненные жидкостью,высота элемента выбрана равной одной четверти длины волны ультразвука в материале пьезоэлемента, акустическое сопротивление его равно акустическому сопротивлению пье зозлемента, а акустическое сопротивлениежидкости равно акустическому сопротивлению материала проектора,