Пьезоэлектрический преобразователь

Пьезоэлектрический преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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 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 протектора. 1 ил. т с VJ Ч Ю 4 ГО

сОюз сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 29/04,.8

5 о

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

il0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4802937/28 (22) 16,03;90 (46) 30.10.92. Бюл. N 40 (71) Самарское специальное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Нефтехимавтоматика" (72) Н.С.Марьин (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1329371, кл. G 01 N 29/04, 1985 (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к неразрушающим средствам и методам контроля и может бь1ть использовано, в частности при измерении расхода жидкости ультразвуковым методом, Целью изобретения является улучшение чувствительности эа счет стаби„, 5U „„1772724 А1 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 за пол не н н ые рабочей жидкостью. В ы сота элемента выбрана равной одной четверти длины волны ультразвука в материале пьезоэлемента, акустическое сопротивление его равно акустическому сопротивлению пьезоэлемента, а акустическое сопротивление жидкости — акустическому сопротивле- ф нию материал" протектора. :.ил.

1772724

10

30

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использîBàно при измерении расхода жидкости ультразвуковым методам.

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 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 изоб ретения — улучшение чувстви. тельности за счет стабилизации акустического 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 сопротивление его равно акустическому сопротивлению пьезоэлемента, а акустическое сопротивление жидкости равно акустическому сопротивлению материала протектора.

ka 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 хэрактеристическим 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-

1772724

10

25

43

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 3а 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 ВТ3-1, 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 10 кг/(м -с), который хорошо согласуется с пьезокерамикай

ЦТС-19, импеданс которого равен 32 10

6 кг/(м с). Исходя из конкретных условий эксплуатации и реобразователя 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

@отв>А. /2; где Ф >т — диаметр отверстия в сотовом заполнителе.

Л вЂ” 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 h — толщина стенки ячейки, iL — длина волны преобразователя; мертвое сечение сотового заполнителя должно быть не более 30

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 электроду пьезоэлемента таким образом, чтобы образовалась гальваническая связь дискэлектрод 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 стопорным кольцом 8 с усилием 0,5 — 1 кг/см (перед

2 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 широкая ilopэса, а к форме импульса жесткие требования не предъявляются, можно применять полуво»новый протектор. Согласующий элемент в этом случае целесообразно выбрать примерно четвертьвалновой 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, f10зволяет 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 H.Ìàðüèí

Техред M.Moðãåíòàë .

Редактор

Корректор Т.Палий

Заказ 3842 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СCCP

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". r, Ужгород, yn,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 пье5 зозлемента, а акустическое сопротивление жидкости равно акустическому сопротивлению материала проектора.