CZ20032328A3 - Převodník pro ultrazvukový průtokoměr - Google Patents

Description

-1Převodník pro ultrazvukový průtokoměr

Oblast techniky

Vynález se týká převodníků pro ultrazvukové průtokoměry, obsahujících převodníkový prvek uložený ve skříni převodníku, který je opatřený čelní elektrodou přivrácenou k médiu a zadní elektrodou, osazenými na keramickém kotouči, přičemž převodník obsahuje těsnicí prostředky, jimiž je možné bránit vnikání média do skříně převodníku. Takové převodníky se používají pro zjišťování rychlosti proudění nebo průtočného množství kapalného nebo plynného média.

Dosavadní stav techniky

Převodník výše uvedeného typu je známý z patentového spisu DE-A1-197 25 717. Zde je upuštěno od membrán, které jsou zpravidla tenké ocelové folie. Elektroda piezoelektrického prvku, přivrácená k médiu, je vytvořena jako přesahující na všechny strany a držená pod O-kroužkem. Elektroda je nalepena na piezoelektrickém prvku. Aby se zabránilo škodlivým účinkům média na tyto elektrody, musí samotná elektroda sestávat z korozně odolné látky. Nevýhodné je, že tato elektroda nemá žádný bezprostřední dotyk s povrchem piezoelektrického prvku, neboť vzhledem k přítomnosti mezilehlé lepivé vrstvy není účinnost při vysílání a přijímání ultrazvukových vln kvůli tlumení působeného vrstvou lepidla optimální. Takové vrstvy lepidla mohou navíc stárnout, takže chování z hlediska kmitání se v průběhu času nevýhodně mění. Je tomu tak zejména tehdy, když je ultrazvukový průtokoměr část počítače množství tepla, kde médium může mít zvýšené teploty přibližné 80° až 130°C. Nevýhodou jsou dále náklady, které vznikají tím, že elektroda musí být nalepena na piezoelekt·«·· ··

9· ··

-2rickém prvku.

Další převodník je znám ze spisu EP-B1-0 606 536. Jeho piezoelektrické prvky jsou uloženy ve skříních, které jsou vůči měřicí dráze, jíž proudí médium, uzavřeny membránami. To slouží k tomu účelu, aby byly piezoelektrické prvky chráněny proti škodlivým vlivům, například korozním vlivům média.

Další měnič tohoto druhu je známý z patentového spisu US 4 705 981. Také zde je piezoelektrický prvek chráněn proti médiu membránou. Podle jednoho z provedení je tato membrána upnuta ve skříni mezi dvěma O-kroužky.

Výroba převodníků podle výše uvedených provedení je nákladná. To se týká výroby piezoelektrických prvků samotných, jakož i montáže jednotlivých prvků na převodník připravený pro použití.

Podstata vynálezu

Vynález si klade za úkol vytvořit převodník pro ultrazvukové průtokoměry, které mají vysokou elektroakustickou účinnost, jednoduchou konstrukci a jsou tak jednoduše vyrobitelné a montovatelné.

Uvedeného cíle je podle vynálezu dosaženo převodníkem pro ultrazvukový průtokomér, obsahujícím převodníkový prvek uložený ve skříni převodníku, který je opatřený čelní elektrodou přivrácenou k médiu a zadní elektrodou, osazenými na keramickém kotouči, přičemž převodník obsahuje těsnicí prostředky, jimiž je možné bránit vnikání média do skříně pře-3··«· ·· • · · ·· vodníku, přičemž podstata řešení spočívá v tom, že převodníkový prvek je na jeho plástové ploše a na vnějších částech jeho přední strany a zadní strany obklopen tvarovým těsněním z pryže nebo materiálu pružného jako pryž.

Výhodná provedení jsou popsána v závislých patentových nárocích ve spojení s příklady provedení a výkresy.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých znázorňuje obr.l schematický řez převodníkovým prvkem vestavěným ve skříni převodníku, obr.2 schéma převodníkového prvku (které není v měřítku) v řezu a obr.3 další výhodné provedení .

Příklady provedení vynálezu

Na obr.l je znázorněn příklad převodníkového prvku 2, vestavěného do skříně 1 převodníku. Skříň 1 převodníku obsahuje vnitřní prostor 3, určený pro uložení převodníkového prvku 2 s příslušnými přípojnými spoji. V kabelovém kanálu £ jsou přípojné spoje známým způsobem vedeny směrem ven, přičemž stěna 5, obklopujícící kabelový kanál 4, slouží pro spojení skříně 1 převodníku s ostatními částmi měřicí dráhy. Převodníkový prvek 2 je na jeho plástové ploše a na vnějších částech jeho přední strany a zadní strany podle vynálezu obklopován tvarovým těsněním 6. Toto tvarové těsnění 6 s výhodou sestává pryže nebo z materiálu pružného jako pryž.

Tímto způsobem je plocha převodníkového prvku 2, přivrácená k médiu, bezprostředně ve styku s médiem. Jelikož

-4···· ·* •ft ·· ·· tedy neleží mezi povrchem převodníkového prvku 2 a médiem žádná membrána nebo lepivá vrstva, je dosaženo vysoké elektroakustické účinnosti. Kupříkladu odpadá tlumicí účinek lepivé vrstvy.

Vnitřní prostor 3 skříně 1 převodníku obsahuje s výhodou prstencový stupeň 7, o nějž je opřen převodníkový prvek 2 prostřednictvím tvarového těsnění 6. Na druhé straně je převodníkový prvek 2 držen přídržným prstencem 8, přičemž také zde je mezi nimi vloženo tvarové těsnění 6. Přitom může být přídržný prstenec 8 se skříní l převodníku sešroubovatelný, což umožňuje zvlášť jednoduchou montáž. Místo sešroubování přicházejí však v úvahu také jiné druhy spojení. Kupříkladu může být přídržný prostředek 8 na skříni 1 převodníku natlačitelný. Vzhledem k přítomnosti tvarového těsnění 6 není ke spojení s tvarováním vnitřního rámu 2 skříně 1 převodníku a s přídržným prstencem 8 zapotřebí žádných dalších jednotlivých dílů pro upevnění převodníkového prvku 2 ve skříni 1 převodníku. To poskytuje podle vynálezu značné výhody z hlediska výrobních a montážních nákladů.

Další provedení jsou v rámci řemeslných znalostí konstruktéra. Je kupříkladu výhodné aby se v případě, kdy je přídržný prstenec 8 našroubovatelný, před našroubováním přídržného prstence 8 přes tvarové těsnění 6 uložil kluzný prstenec 9, čímž může být zabráněno, aby se při našroubovávání přídržného prstence 2 převodníkový prvek 2 ve skříni 1 převodníku spolu s ním otáčel. S výhodou je mezi tvarovým těsněním 6 a stupněm 7 uložen distanční prvek 10.

Kluzný prstenec 9 a distanční prstenec 10 sestávají • · « 9

-5·♦·· ·· s výhodou z polyaryletherketonu. Nízkým kluzným třením tohoto materiálu je dosaženo toho, že se při tepelné vyvolávaných změnách velikosti nevytvářejí žádná napětí, která by mohla negativně ovlivňovat funkci převodníkového prvku 2. Takové změny velikostí se objevují nutně tehdy, když jsou převodníky používány u měřičů množství tepla, kde se teplota média může měnit mezi přibližně 20° a 130°C. Tvarové těsnění 6 z pryže nebo materiálu pružného jako pryž se může při takových změnách velikosti lehce přetvářet, ale zůstává tvarově stabilní.

Na obr.2 je v detailu znázorněno výhodné provedení převodníkového prvku 2. Jádro převodníkového prvku 2 sestává podle známého stavu techniky z keramického kotouče 20. Na tento keramický kotouč 20 jsou známým způsobem uloženy dvě elektrody, a to čelní elektroda 21 a zadní elektroda 22.. čelní elektroda 21 je přivrácena médiu. Rovněž známým způsobem se čelní elektroda 21 rozprostírá od přední strany keramického kotouče 20 přes jeho plástovou plochu až k zadní straně a tvoří zde prstenec. Toto uspořádání má výhodu v tom, že může dojít ke kontaktování obou elektrod 21, 22 na zadní straně.

Výhodné je, je-li na straně přední elektrody 21, přivrácené k médiu, vytvořena ochranná vrstva 23. Tato ochranná vrstva 23 je s výhodou korozně odolná tvrdá hmota. Korozní odolností této ochranné vrstvy 23 může být převodníkový prvek 1 na této straně vystaven bezprostředně médiu také tehdy, když je médium užitková nebo topná voda. Takto jednoduše vytvořený převodník může být použit nejen když je médium plyn, ale také když se jedná o vodu. Od membrány pro

-6···« ochranu převodníkového prvku 2 před médiem je také možné upustit. Tvrdostí ochranné vrstvy 23 je kromé toho dosaženo, že převodníkový prvek 2 je spolehlivě chráněn také proti abraživně působícím částicím, které mohou být spolu unášeny v médiu.

Takové ultrazvukové průtokoměry se kupříkladu používají pro měření spotřeby vody. Ve vodovodních rozvodných potrubích dochází opakované k tomu, že v důsledku stavebních prací nebo oprav vnikne do potrubí například písek, částice, unášené proudícím médiem, mohou působit silně abrazivně zejména tehdy, když je rychlost proudění vysoká. Ochranná vrstva 23 poskytuje spolehlivou ochranu také proti tomuto účinku.

S výhodou je ochranná vrstva 23 z nitridu titanu. Nitrid titanu je velmi tvrdý a poskytuje výbornou ochranu převodníkového prvku 2 před abrazivně působícími částicemi. Nitrid titanu se dá nanášet různými způsoby. Při nanášení ochranné vrstvy 23 je třeba dát pozor na to, aby teplota během procesu nepřekročila Curieovu teplotu keramického kotouče 20.

S výhodou je způsob nanášení vrstvy nitridu titanu řízen tak, že ochranná vrstva 23 má tak zvanou uzavřenou strukturu. Tato struktura má zřetelně lepší odpor proti korozi než jinak často používaná fraktální struktura takových vrstev.

Tloušťka ochranné vrstvy 23 je s výhodou 1 až 5 μιη. Minimální tloušťka 1 μπι stačí k tomu, aby poskytovala ochra• 9 • ·

-7·«·· 99 nu jak proti korozi tak i proti abrazi.

Na obr.3 je znázorněno zvlášť výhodné provedení, přičemž stejné části jsou opatřeny stejnými vztahovými značkami jako na obr.l. Jednou zvláštností tohoto výhodného provedení je tvar tvarového těsnění 6. Obklopuje okrajovou oblast převodníkového prvku 2 a vyznačuje se tím, že je na obou stranách okrajové oblasti převodníkového prvku 2 opatřena ztluštěním 30. Jedno zluštění 30 leží v montovaném stavu mezi okrajovou oblastí převodníkového prvku 2 a kluzným prstencem 9 a těsní tedy jednak mezi kluzným prstencem 9 a převodníkovým prvkem 2 a jednak na povrchu okrajové oblasti převodníkového prvku 2. Médium tak nemůže vniknout do vnitřního prostoru 3 skříně 1 převodníku.

Druhé ztluštění 30 tvarového těsnění leží na opačné straně převodníkového prvku 2 v jeho okrajové oblasti. Zde těsní mezi stupněm 7 uvnitř skříně 1 převodníku a převodníkovým prvkem 2. Tímto dalším těsněním může být zabráněno tomu, že se médium na jiné cestě dostane do vnitřního prostoru

3. Tato možná další cesta je následující. Je-li přídržný prstenec 8 kupříkladu sešroubován se skříní 1 převodníku, nemůže tak být plně vyloučeno, že médium vnikne přes závit. Druhé ztluštění 30 poskytuje potom spolehlivou ochranu proti tomu, aby se médium vniklé přes závit dostalo do vnitřního prostoru 3. Podobné podmínky platí tehdy, když je přídržný prstenec 8 na skříni 1 převodníku natlačen.

Tvarové těsnění 6 má kromě toho s výhodou na vnějším obvodě obíhající výběžek 32. V oblasti tohoto výběžku 32 má tvarové těsnění vnější průměr, který je přibližně tak velký, • ·· • · ··

-8···· ·

99

9 9

99 jako vnitřní průměr skříně 11 převodníku v oblasti uložení převodníkového prvku 2. Při vsazování převodníkového prvku 2 s tvarovým těsněním 6 není tedy žádná vůle, což jednak zjednodušuje montáž a jednak zajišťuje jednoznačnou polohu převodníkového prvku 2. Výběžek 32 nemusí být nutné průběžný, ale může sestávat z jednotlivých místních výstupků, uspořádaných v řadě.

S výhodou je zde distanční prstenec 10 uložen bezprostředně mezi převodníkovým prvkem 2 a stupněm 7. Distanční prstenec 10 zde není plný kruh, ale je opatřen štěrbinou, což je na obr.3 patrné z toho, že je je znázorněn jednak dole v řezu a jednak nahoře v pohledu. To platí také pro stupeň 7. Tyto štěrbiny v distančním prstenci 10 a stupni 7 tvoří prostor potřebný pro uložení kabelů k neznázorněným elektrodám převodníkového prvku 2. Uspořádání distančního prstence 10 bezprostředně mezi převodníkovým prvkem 2 a stupněm 7 je v protikladu k řešení podle obr.l. Toto uspořádání má zvláštní výhodu, neboť poloha převodníkového prvku 2 vůči skříni 1 převodníku je jednoznačně definovaná také pokud jde o rovinu převodníkového prvku 2.

To má význam, jestliže je tlak média je vystaven kolísáním. Mění-li se tlak média, mění se tak přítlačná síla na tvarové těsnění, což má za následek, že se mění poloha převodníkového prvku 2 vůči skříni 1 převodníku. Stoupne-li tlak, stoupne síla na ztluštění 30 ležící mezi stupněm 7 a převodníkovým prvkem 2, což by mělo za následek, že se ztluštění 30 přetváří a převodníkový prvek 2 je tlačen poněkud blíže ke stupni 7. Z toho by vyplývalo, že by se poněkud

9

9

-99999 99 změnila vzdálenost mezi oběma převodníkovými prvky 2, jaká obvykle existuje u nazdvukových průtokomérů. Také měnění vzdálenosti by mělo účinky na přesnost měření. Popsaným uspořádáním distančního prvku 10 se tomu dá zabránit, takže tímto jednoduchým opatřením je zlepšena přesnost měření. Toto řešení je také výhodné vůči všem známým řešením, u nichž je převodníkový prvek 2 upevněn na membráně, jako je tomu přibližně podle EP-B1-0 606 536.

Distanční prstenec 10 sestává také v tomto případě z polyarylethyerketonu, neboť tato látka je nevodivá, takže distanční prstenec 10 může bez problémů obě elektrody převodní kového prvku 2 částečně pokrývat. Tloušťka distančního prstence 10 je jinak dimenzována tak, že po osazení přídržného prstence je tvarové těsnění 6 na obou stranách převodníku 2 pod tlakem, takže vznikají dostatečné těsnicí plochy.

V důsledku pouze prstencovitého dolehnutí převodníkového prvku 2 na distanční prstenec 10 může převodníkový prvek 2 volně kmitat. To slouží ke zlepšení elektroakustické účinnosti.

Řešení podle vynálezu umožňuje vytvoření převodníků se zvlášť malými výrobními a montážními náklady. Současně se dosáhne lepší elektroakustická účinnost vůči známému stavu techniky, protože není zapotřebí membrána chránící převodníkový prvek 2 před médiem. To platí také v souvislosti s lepidlovými vrstvami, které u tohoto řešení chybí. Odpadá rovněž jejich tlumicí účinek.

-10···· «· • ft • ft · ft

Claims (14)

1. •ft ·· ··

   PATENTOVÉ

   NÁROKY

   1. Převodník pro ultrazvukový průtokoměr, obsahující převodníkový prvek (2) uložený ve skříni (1) převodníku, který je opatřený čelní elektrodou (21) přivrácenou k médiu a zadní elektrodou (22), osazenými na keramickém kotouči (20), přičemž převodník obsahuje těsnicí prostředky, jimiž je možné bránit vnikání média do skříně (1) převodníku, vyznačený tím, že převodníkový prvek (2) je na jeho plášťové ploše a na vnějších částech jeho přední strany a zadní strany obklopen tvarovým těsněním (6) z pryže nebo materiálu pružného jako pryž.
2. 2. Převodník podle nároku 1, vyznačený tím, že tvarové těsnění (6) je na obou stranách převodníkového prvku (2) opatřeno ztluštěními (30).
3. 3. Převodník podle nároku 2, vyznačený tím, že tvarové těsnění (6) obsahuje na jeho vnějším obvodě obíhající výstupek (32), jehož průměr je přibližně stejně velký, jako vnitřní průměr skříně (1) převodníku v oblasti polohy převodníkového prvku (2).
4. 4. Převodník podle nároku 3, vyznačený tím, že mezi stupněm (7) skříně (1) převodníku a tvarovým těsněním (6) je uložen distanční prstenec (10).
5. 5. Převodník podle nároku 3, vyznačený tím, že mezi stupněm (7) skříně (1) převodníku a převodníkovým prvkem (2) je uložen distanční prstenec (10).
6. 6. Převodník podle nároku 4 nebo 5, vyznačený tím, že na skříni (l) převodníku je upevnitelný přídržný prstenec (8), přičemž převodníkový prvek (2) je uložen mezi stupněm (7) a přídržným prstencem (8).

   -11» · ♦ · · φ t · · · ···* ·· ·· tt· ·· ··
7. 7. Převodník přídržným prstencem kluzný prstenec (9).

   podle nároku 6, (8) a tvarovým vyznačený tím, že mezi těsněním (6) je uložen
8. 8. Převodník podle nároku 7, vyznačený tím, že distanční prstenec (10) a kluzný prstenec (9) jsou vytvořeny z polyaryletherketonu.
9. 9. Převodník podle kteréhokoli z nároků 6 až 8, vyznačený tím, že přídržný prstenec (8) je na skříni (1) převodníku našroubovatelný.
10. 10. Převodník podle kteréhokoli z nároků 6 až 8, vyznačený tím, že přídržný prstenec (8) je na skříň (1) převodníku natlačitelný.
11. 11. Převodník podle kteréhokoli z nároků 1 až 10, vyznačený tím, že na čelní elektrodě (21) převodníkového prvku (2) přivrácené k médiu je uložena ochranná vrstva (23) vytvořená z tvrdé hmoty.
12. 12. Převodník podle nároku 11, vyznačený tím, že tvrdá hmota je nitrid titanu.
13. 13. Převodník podle nároku 12, vyznačený tím, že nitrid titanu má tak zvanou uzavřenou strukturu.

    -12• ·· · · ·· • 9 · 9 » * ··· * ·

    9 < · « · * . » * » «

    9*9« 99 ·« .. .. »«
14. 14. Převodník podle nároku 13, vyznačený tím, že tloušťka ochranné vrstvy (23) je 1 až 5 p.m.