RU2471155C1 - Ultrasonic flowmeter transducer - Google Patents
Ultrasonic flowmeter transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2471155C1 RU2471155C1 RU2011130325/28A RU2011130325A RU2471155C1 RU 2471155 C1 RU2471155 C1 RU 2471155C1 RU 2011130325/28 A RU2011130325/28 A RU 2011130325/28A RU 2011130325 A RU2011130325 A RU 2011130325A RU 2471155 C1 RU2471155 C1 RU 2471155C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- housing
- setting
- damper
- matching layer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Description
Заявляемое изобретение относится к области измерений объема или массы жидкостей или газов путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком, и измерением частоты фазового сдвига, времени распространения электромагнитных или других волн, например, к ультразвуковым расходомерам и может найти применение для измерения расхода жидкости или газа в напорных трубопроводах.The invention relates to the field of measuring the volume or mass of liquids or gases by passing them through a measuring device in a continuous stream, and measuring the frequency of the phase shift, the propagation time of electromagnetic or other waves, for example, ultrasonic flow meters and can find application for measuring the flow of liquid or gas in pressure pipelines.
Известен ультразвуковой преобразователь, международная заявка №2008/140998 с приоритетным номером US 20070746695 от 10.05.2007, опубл. 20.11.2008 г.Known ultrasonic transducer, international application No. 2008/140998 with priority number US 20070746695 from 05/10/2007, publ. November 20, 2008
Ультразвуковой преобразователь с пластиковым согласующим слоем, состоящий из корпуса погружной части, согласующего слоя с излучающей поверхностью, пьезоэлемента, прижатого к согласующему слою по плоскости, заднего согласующего (демпфирующего) слоя и заднего упорного слоя. Поджатие осуществляется пружиной. Преобразователь содержит электрические контакты, которые соединяются с коннектором, расположенным в упорном слое. Коннектор обеспечивает электрическое соединение контактов с пьезоэлементом. Преобразователь крепится в измерительную часть посредством резьбы.An ultrasonic transducer with a plastic matching layer, consisting of a submersible housing, a matching layer with a radiating surface, a piezoelectric element pressed against the matching layer along the plane, a back matching (damping) layer and a back stop layer. Preloading is carried out by a spring. The converter contains electrical contacts that are connected to a connector located in the thrust layer. The connector provides electrical connection of the contacts with the piezoelectric element. The transmitter is attached to the measuring part by means of a thread.
Недостатком такой конструкции преобразователя является невысокий коэффициент демпфирования пьезоэлемента вследствие небольшой площади контакта с демпфером. Также недостатком является отсутствие гибкости в выборе формы сигнала при импульсном возбуждении - сигнал будет иметь колоколообразную форму с частотой, соответствующей первой форме колебаний пьезоэлемента. Также недостатком является слабая акустическая развязка с корпусом измерительного прибора, так как генерирующий элемент почти напрямую связан с корпусом преобразователя (через согласующий слой и через демпфирующий и упорный слои), такой акустической развязки недостаточно для работы в средах с малым акустическим импедансом, например, в газах.The disadvantage of this design of the Converter is the low damping coefficient of the piezoelectric element due to the small area of contact with the damper. Another disadvantage is the lack of flexibility in choosing the waveform when pulsed excitation - the signal will have a bell-shaped shape with a frequency corresponding to the first form of the piezoelectric vibrations. Another disadvantage is the weak acoustic isolation with the meter housing, since the generating element is almost directly connected to the transducer housing (through the matching layer and through the damping and thrust layers), such acoustic isolation is not sufficient for operation in environments with a small acoustic impedance, for example, in gases .
Указанная конструкция ультразвукового преобразователя выбрана заявителем в качестве прототипа.The specified design of the ultrasonic transducer is selected by the applicant as a prototype.
Технической задачей предлагаемого изобретения, решаемой авторами, является повышение демпфирующих свойств чувствительного элемента за счет усиления демпфирования сигнала путем увеличения площади соприкосновения частотозадающего элемента с демпфером и увеличения деформаций частотозадающего элемента, а также расширение спектра излучаемого сигнала за счет создания в частотозадающем элементе двух близких по частоте резонансов.The technical task of the invention, solved by the authors, is to increase the damping properties of the sensitive element by increasing the damping of the signal by increasing the area of contact of the frequency-setting element with the damper and increasing the deformation of the frequency-setting element, as well as expanding the spectrum of the emitted signal by creating two resonances close in frequency to the frequency-setting element .
Поставленная задача достигается тем, что в ультразвуковом преобразователе расходомера жидких и газовых сред в напорных трубопроводах, содержащем корпус, связанный с согласующим слоем, установленный внутри корпуса чувствительный элемент, связанный с демпфером, согласно изобретения, внутри корпуса установлен частотозадающий резонансный элемент, связанный с чувствительным элементом, демпфером, согласующим слоем и отделенный от корпуса изолятором.The problem is achieved in that in the ultrasonic transducer of a liquid and gas medium flow meter in pressure pipelines containing a housing connected to a matching layer, a sensing element mounted inside the housing connected to a damper, according to the invention, a frequency-setting resonant element connected to the sensing element is installed inside the housing damper, matching layer and separated from the housing by an insulator.
Чувствительный элемент выполнен, например, из пьезокерамики.The sensitive element is made, for example, of piezoceramics.
Частотозадающий резонансный элемент выполнен в виде тонкостенного стакана.Frequency-setting resonant element is made in the form of a thin-walled glass.
Тонкостенный стакан выполнен, например, из металла.A thin-walled glass is made, for example, of metal.
Изолирующий элемент выполнен, например, в виде втулки.The insulating element is made, for example, in the form of a sleeve.
Демпфер и изолирующий элемент выполнены, например, из компаунда.The damper and the insulating element are made, for example, of a compound.
Наличие частотозадающего резонансного элемента и его связь с демпфером, чувствительным элементом и согласующим слоем позволяет сформировать наилучшую для условий применения частотную характеристику преобразователя за счет подбора геометрических параметров пьезоэлемента и частотозадающего элемента, усиливать или уменьшать демпфирование сигнала за счет уменьшения или увеличения площади контакта демпфера и частотозадающего резонансного элемента. Например, можно практически нивелировать влияние чувствительного элемента на частотную характеристику преобразователя, применив чувствительный элемент в виде тонкой пластины (так как тонкая пластина практически не изменит приведенную жесткость и массу частотозадающего элемента). Наличие частотозадающего резонансного элемента также позволяет увеличить амплитуду звукового давления, излучаемого сигнала, за счет повышения амплитуды колебаний поверхности частотозадающего резонансного элемента, соприкасающегося с согласующим слоем, в сравнении с амплитудой колебания поверхности чувствительного элемента.The presence of a frequency-setting resonant element and its connection with a damper, a sensitive element and a matching layer allows one to form the best frequency response of the transducer for the application conditions by selecting the geometric parameters of the piezoelectric element and frequency-setting element, to increase or decrease the signal damping by reducing or increasing the contact area of the damper and the frequency-setting resonant item. For example, it is possible to practically neutralize the influence of a sensitive element on the frequency response of the converter by applying a sensitive element in the form of a thin plate (since a thin plate practically does not change the reduced stiffness and mass of the frequency-setting element). The presence of a frequency-setting resonant element also allows you to increase the amplitude of the sound pressure of the emitted signal by increasing the amplitude of the surface vibrations of the frequency-setting resonant element in contact with the matching layer, in comparison with the amplitude of the surface vibration of the sensing element.
Наличие изолятора, отделяющего частотозадающий элемент и связанный с ним чувствительный элемент от корпуса преобразователя, позволяет сформировать оптимальную частотную характеристику ультразвукового преобразователя, за счет исключения из резонансной системы корпуса, имеющего существенную массу и жесткость. Также, за счет отделения частотозадающего элемента и связанного с ним чувствительного элемента от корпуса преобразователя, можно обеспечить улучшенную акустическую изоляцию от излучения/приема паразитных сигналов.The presence of an insulator separating the frequency-sensing element and the sensitive element associated with it from the transducer housing allows the optimal frequency response of the ultrasonic transducer to be formed due to the exclusion of the housing from the resonant system, which has significant mass and rigidity. Also, by separating the frequency pickup element and the associated sensing element from the converter housing, it is possible to provide improved acoustic isolation from radiation / spurious signals.
Выполнение чувствительного элемента, например, из пьезокерамики позволяет уменьшить габариты преобразователя.The implementation of the sensitive element, for example, of piezoceramics can reduce the dimensions of the transducer.
Выполнение частотозадающего резонансного элемента в виде, например, тонкостенного стакана технологично и позволяет разместить в нем чувствительный элемент и демпфер для достижения усиления демпфирующего эффекта за счет увеличения поверхности контакта с демпфером.The implementation of the frequency-setting resonant element in the form of, for example, a thin-walled glass is technologically advanced and allows you to place a sensitive element and a damper in it to achieve an amplification of the damping effect by increasing the contact surface with the damper.
Выполнение тонкостенного стакана, например, из металла технологично и придает повышенную жесткость конструкции.The implementation of a thin-walled glass, for example, of metal is technologically advanced and gives increased structural rigidity.
Выполнение изолятора, например, в виде втулки из демпфирующего не электропроводного материала технологично и позволяет увеличить демпфирующий эффект и одновременно обеспечить электроизоляцию чувствительного элемента.The implementation of the insulator, for example, in the form of a sleeve of a damping non-conductive material is technologically advanced and allows you to increase the damping effect and at the same time provide electrical insulation of the sensitive element.
Выполнение демпфера и изолятора, например, из компаунда позволяет существенно упростить сборку преобразователя.The implementation of the damper and the insulator, for example, from the compound can significantly simplify the Assembly of the Converter.
В результате проведенных патентных исследований не выявлено аналогичных технических решений, характеризуемых заявляемой совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение обладает «новизной» и «изобретательским уровнем», может найти применение при измерении объема или массы жидкостей или газов путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком, т.е. является «промышленно применимым».As a result of the patent research, no similar technical solutions were identified, characterized by the claimed combination of features, which allows us to conclude that the claimed technical solution has "novelty" and "inventive step", can find application in measuring the volume or mass of liquids or gases by passing them through continuous flow measuring devices, i.e. is “industrially applicable”.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид расходомера с ультразвуковым преобразователем; на фиг.2 - ультразвуковой преобразователь в разрезе; на фиг.3, 4 - формы рабочих колебаний системы чувствительный элемент - частотозадающий элемент, рассчитанные методом конечных элементов; на фиг.5, 6 - осциллограмма и частотное представление (АЧХ) электрического отклика ультразвукового преобразователя на «дельта-импульс»; на фиг.7, 8 - осциллограмма и АЧХ фактического принятого сигнала, полученного с преобразователей, установленных в расходомер.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 is a General view of a flowmeter with an ultrasonic transducer; figure 2 - ultrasonic transducer in section; figure 3, 4 - forms of operating oscillations of the system of the sensitive element is a frequency-setting element, calculated by the finite element method; figure 5, 6 - waveform and frequency representation (AFC) of the electrical response of the ultrasonic transducer to the "delta pulse"; 7, 8 - waveform and frequency response of the actual received signal received from the transducers installed in the flow meter.
Расходомер содержит ультразвуковые преобразователи 1 и 2, которые предназначены, в основном, для времяимпульсных расходомеров. В таких расходомерах ультразвуковые преобразователи 1 и 2 чаще всего расположены под некоторым углом к проточной части 3 расходомера.The flow meter contains
Ультразвуковой преобразователь 1 или 2 содержит корпус 4 с фланцем 5 для подсоединения к измерительному прибору (на фиг.1 не показано), согласующий слой 6, чувствительный элемент 7 (пьезоэлемент), демпфер 8, компенсатор 9, частотозадающий резонансный элемент 10, изолятор 11, электропровод 12 для подключения чувствительного элемента к измерительному прибору (на фиг. не показан).The
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
На чувствительный элемент 7 (пьезоэлемент) через подводящие провода 12 подается электрический импульс напряжения (величиной, обычно, 50-100 В). Под воздействием электрического напряжения чувствительный элемент (пьезоэлемент) деформируется и передает деформацию связанному с ним частотозадающему элементу 10. После релаксации вынужденной импульсом деформации механическая система «частотозадающий элемент 10 - чувствительный элемент 7 (пьезоэлемент)» начинает колебаться на частоте собственного резонанса. При наличии нескольких близких по частоте резонансов энергия колебаний может перетекать с одного резонанса на другой, т.е. могут возникать биения. Если форма колебаний частотозадающего элемента 10 такова, что происходят деформации в месте его соединения с согласующим слоем 6 в направлении акустической оси, то происходит излучение ультразвуковых волн через согласующий слой 6 в среду, в которой находится преобразователь. Так как частотозадающий элемент 10 связан с демпфером 8, основная энергия колебаний рассеивается в демпфере 8. Основные рабочие формы колебаний описываемой конструкции, рассчитанные методом конечных элементов, приведены на фиг.5, 6, приведены измеренные отклики на дельта-импульс, снятые с экспериментальных образцов преобразователей, электрический отклик позволяет наиболее точно проконтролировать возбуждающиеся в колебательной системе резонансы. Как видно из фиг.5, 6 основная энергия колебаний концентрируется как раз на частотах расчетных форм колебаний.An electrical impulse of voltage (typically 50-100 V) is supplied to the sensitive element 7 (piezoelectric element) through the lead wires 12. Under the influence of electric voltage, the sensitive element (piezoelectric element) is deformed and transmits deformation to the frequency-determining
После излучения в среду звуковая волна распространяется по внутренней полости расходомера от одного преобразователя 1 к другому 2 (или, наоборот, от 2 к 1). После прохождения через согласующий слой 6 ультразвуковая волна попадает на частотозадающий элемент 10 и возбуждает в нем вынужденные колебания. При совпадении частот собственных резонансов частотозадающего элемента 10 с частотами падающей волны происходит усиление колебаний частотозадающего элемента 10 за счет резонансного эффекта. Так как частотозадающий элемент 10 связан с чувствительным элементом 7 (пьезоэлементом), они колеблются совместно и, следовательно, в чувствительном элементе 7 (пьезоэлементе) генерируются электрические импульсы. Осциллограмма и АЧХ сигнала, прошедшего тракт передающий преобразователь-воздух-приемный преобразователь, представлена на фиг.7, 8. На осциллограмме четко виден эффект резонансного усиления принимаемого сигнала, выраженный в плавном нарастании амплитуды колебаний. На осциллограмме также четко видны биения, позволяющие существенно уменьшить ошибку измерения времени прихода сигнала за счет эффективного сжатия (укорочения) сигнала, для примера на том же графике пунктиром представлена огибающая сигнала в случае отсутствия биений - одночастотный сигнал.After radiation into the medium, a sound wave propagates through the internal cavity of the flowmeter from one
Таким образом, заявляемая конструкция ультразвукового преобразователя расходомера позволяет повысить демпфирующие свойства чувствительного элемента за счет усиления демпфирования сигнала путем увеличения площади соприкосновения частотозадающего элемента с демпфером и увеличения деформаций частотозадающего элемента, а также расширить спектр излучаемого сигнала за счет создания в частотозадающем элементе двух близких по частоте резонансов.Thus, the claimed design of the ultrasonic transducer of the flow meter can improve the damping properties of the sensing element by increasing the damping of the signal by increasing the area of contact of the frequency-setting element with the damper and increasing the deformation of the frequency-setting element, as well as expanding the spectrum of the emitted signal by creating two resonances close in frequency to the frequency-setting element .
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011130325/28A RU2471155C1 (en) | 2011-07-20 | 2011-07-20 | Ultrasonic flowmeter transducer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011130325/28A RU2471155C1 (en) | 2011-07-20 | 2011-07-20 | Ultrasonic flowmeter transducer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2471155C1 true RU2471155C1 (en) | 2012-12-27 |
Family
ID=49257543
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011130325/28A RU2471155C1 (en) | 2011-07-20 | 2011-07-20 | Ultrasonic flowmeter transducer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2471155C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2566536C2 (en) * | 2013-01-28 | 2015-10-27 | Кроне Аг | Ultrasound converter |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030084732A1 (en) * | 2001-09-14 | 2003-05-08 | Sick Ag | Apparatus for measuring the velocity and/or through-flow of a fluid |
JP2006279128A (en) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Fuji Electric Systems Co Ltd | Ultrasonic transceiver |
US20070035212A1 (en) * | 2005-08-12 | 2007-02-15 | Daniel Measurement And Control, Inc. | Transducer assembly for an ultrasonic fluid meter |
RU2008109058A (en) * | 2005-08-12 | 2009-09-20 | Дениел Мэжэмэнт Энд Кэнтроул, Инк. (US) | ULTRASONIC FLOW METER, TRANSMITTER BLOCK FOR HIM AND METHOD FOR REPLACING THE TRANSMITTER BLOCK |
-
2011
- 2011-07-20 RU RU2011130325/28A patent/RU2471155C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030084732A1 (en) * | 2001-09-14 | 2003-05-08 | Sick Ag | Apparatus for measuring the velocity and/or through-flow of a fluid |
JP2006279128A (en) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Fuji Electric Systems Co Ltd | Ultrasonic transceiver |
US20070035212A1 (en) * | 2005-08-12 | 2007-02-15 | Daniel Measurement And Control, Inc. | Transducer assembly for an ultrasonic fluid meter |
RU2008109058A (en) * | 2005-08-12 | 2009-09-20 | Дениел Мэжэмэнт Энд Кэнтроул, Инк. (US) | ULTRASONIC FLOW METER, TRANSMITTER BLOCK FOR HIM AND METHOD FOR REPLACING THE TRANSMITTER BLOCK |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2566536C2 (en) * | 2013-01-28 | 2015-10-27 | Кроне Аг | Ultrasound converter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4034730B2 (en) | Liquid level measuring device | |
JP2918102B2 (en) | Ultrasonic transducer | |
CN109073431B (en) | Ultrasonic transducer applied to ultrasonic flow measuring device or ultrasonic material level measuring device | |
JP6172533B2 (en) | Ultrasonic transducer and ultrasonic flow meter having the same | |
JP3104956B2 (en) | Apparatus and method for acoustic analysis of mixed gas | |
JP5659956B2 (en) | Ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter | |
US20090245323A1 (en) | Measuring device and method for determining temperature and/or pressure using measuring device (as amended) | |
KR101012767B1 (en) | Pressure measuring apparatus inside a vessel using magnetostrictive acoustic oscillator | |
JP2009271051A (en) | Pressure measuring apparatus inside vessel using acoustic impedance matching layer | |
WO2014073181A1 (en) | Ultrasonic flow meter | |
JP2018520547A (en) | Impedance matching layer for ultrasonic transducer with metallic protective structure | |
RU169297U1 (en) | ELECTRO-ACOUSTIC OPTICAL TRANSMITTER TO ULTRASONIC FLOW METERS | |
CN107306372B (en) | Ultrasonic transducer with radiating element | |
CN114111927B (en) | High-frequency ultrasonic sensor suitable for gas flow detection | |
RU2471155C1 (en) | Ultrasonic flowmeter transducer | |
KR102167810B1 (en) | Ultrasonic flow meter | |
KR101116165B1 (en) | Ultrasonic Transducer using Planar Parallel Langevin Mounting Piezoelectric Element, Method for Manufacturing the Ultrasonic Transducer | |
CN214471088U (en) | Ultrasonic flowmeter oscillator and ultrasonic flowmeter | |
JP6149250B2 (en) | Ultrasonic flow meter | |
JP5533332B2 (en) | Ultrasonic flow meter | |
JP6179343B2 (en) | Ultrasonic probe | |
JP2012018030A (en) | Ultrasonic sensor attachment structure and ultrasonic flow measuring device using the same | |
US20200191627A1 (en) | Measuring device for determining a fluid variable | |
JP2010249788A (en) | Ultrasonic flowmeter for gas | |
WO1992001521A1 (en) | Ultrasonic electro-acoustic transducers |