ES2271748T3 - Disposicion de transductor de ultrasonidos con anillo de masa para amortiguar resonancias pertubadoras. - Google Patents

Abstract

Transductor de ultrasonidos con una carcasa (52), con al menos un elemento piezoeléctrico (30), con una membrana (48) que irradia o recibe los ultrasonidos y con un anillo de masa (54), dispuesto interiormente en la carcasa (52), que está separado de la membrana (48) y está unido por el lado del borde a ésta y a la carcasa (52), y con un elemento amortiguador dispuesto interiormente en la carcasa (52), que está configurado anularmente y está dispuesto de forma adyacente al anillo de masa (54), para amortiguar resonancias perturbadoras, caracterizado porque el transductor de ultrasonidos (16) está configurado según el tipo de oscilador longitudinal, estando empotrado el elemento piezoeléctrico (30) entre dos segmentos de sujeción (40, 42) y uno de los segmentos de sujeción (42) está configurado para conducir las oscilaciones de ultrasonidos desde y hacia su lado frontal conformado como placa de flexión, que forma la membrana (48).

Description

Disposición de transductor de ultrasonidos con anillo de masa para amortiguar resonancias perturbadoras.

La invención se refiere a un transductor de ultrasonidos conforme al preámbulo de la reivindicación 1.

Del documento DE 100 40 344 A1 se conoce un transductor de ultrasonidos, que se usa para generar y detectar señales de ultrasonidos y que permite una transformación recíproca de oscilaciones eléctricas en oscilaciones acústicas. Estos transductores de ultrasonidos se usan por ejemplo en contadores del flujo de gas. Los transductores de ultrasonidos dispuestos en cada caso por parejas definen una ruta de medición, que forma un ángulo no perpendicular con el eje longitudinal. El principio de medición consiste en una determinación de una diferencia de duración de dos señales de ultrasonidos, que presentan por un lado una componente en el sentido de circulación y por otro lado una componente en contra del sentido de circulación. A partir de la diferencia de duración medida puede calcularse la velocidad de circulación, teniendo en cuenta la geometría.

La figura 2 muestra la estructura principal de un medidor de flujo de este tipo. Los transductores de ultrasonidos 16 y 18 que generan y miden las señales de ultrasonidos están insertados en el tubo 12 o en la pared de tubo por medio de bridas adaptadoras 24 y 26 especiales, llamadas bolsas de transductor, aplicadas al tubo de cables 12.

Las bridas adaptadoras se sueldan o son parte integral del cuerpo de contador, si éste se fabrica con tecnología de fundición. Debido a que los transductores de ultrasonidos 16 y 18 se instalan con un ángulo determinado (normalmente 45º), se produce siempre una cavidad 28 que representa una perturbación de circulación. Esta perturbación existe con independencia de con qué profundidad está insertado el transductor de ultrasonidos, centralmente, retraído o sumergido. Las perturbaciones son además tanto más grandes cuanto mayor es el diámetro del sensor y, ligado a esto, el tamaño de las bolsas sensoras con relación al diámetro de la celda de medición. Las turbulencias que se configuran no pueden analizarse por completo analíticamente y dependen de las perturbaciones, que pueden existir corriente arriba del medidor de flujo, de la circulación y de la velocidad de circulación (número de Reynolds). Los errores que con ello se producen se establecen en la práctica mediante calibración y se consignan en forma de una función correctora en gran medida no lineal. Debido a que en el caso de la calibración sólo pueden cubrirse cada vez un determinado margen de número de Reynolds y una situación de instalación concreta, se obtiene un error residual en el caso de variar estas condiciones, que se producen siempre en la práctica.

Asimismo se utilizan en la práctica los transductores de ultrasonidos en disposiciones de múltiples rutas, para detectar asimetrías en la circulación. El número de rutas que puede materializarse se determina mediante el espacio de instalación disponible, limitado por el tamaño del transductor. Para aumentar la precisión de la medición de circulación es por ello ventajoso mantener lo más pequeñas posibles las dimensiones del transductor.

Asimismo se produce mediante la cavidad producida un riesgo de acumulación de sedimentos que pueden influir en la precisión de la medición, siendo los sedimentos tanto más grandes cuanto mayor es la cavidad.

Aunque según esto es deseable usar transductores lo más pequeños posible, sin embargo se oponen a una miniaturización creciente límites funcionales, por ejemplo el comportamiento de transmisión, y tecnológicos, por ejemplo la factibilidad y eficiencia de la fabricación. Con preferencia en los transductores de ultrasonidos para aplicaciones en gases son habituales, a causa de las frecuencias de trabajo relativamente bajas, sensores relativamente grandes con relación al tamaño del contador de gas.

Las dimensiones de transductor materializadas hasta ahora limitan de este modo la precisión que puede lograrse, a causa de una circulación excesivamente perturbada, o no permiten una disposición de sensores con varias rutas a causa del limitado espacio de instalación. El tamaño de los sensores condiciona también de forma no despreciable la estructura total de un contador completo y acarrea problemas adicionales, por ejemplo en cuanto a la resistencia a la presión, la complejidad del material, el peso y tiene efectos sobre los costes totales de producción. También se dificulta la manipulación para la fabricación, el transporte, la instalación, el mantenimiento y la reparación.

Del documento US 4,162,111 se conoce un transductor de ultrasonidos, que presenta un elemento piezoeléctrico que está presionado a través de un muelle contra una membrana que irradia los ultrasonidos. La membrana presenta por el borde un borde configurado de forma enteriza con la membrana, reforzado, es decir que presenta una masa mayor, el cual está configurado de este modo anularmente y sirve para amortiguar frecuencias perturbadoras, a causa de su masa. El borde se mantiene lo más corto posible en su extensión longitudinal y está dispuesto a la altura del elemento piezoeléctrico.

De los documentos JP 01 041885, JP 61 094496 y GB-A 1 086 640 se conocen transductores de ultrasonidos, que funcionan según el principio del resonador de flexión. En estos transductores el piezo-cristal que genera los ultrasonidos está pegado directamente sobre la membrana que irradia los sonidos. Con ello los ultrasonidos se generan por medio de que el piezo-cristal se dilata a causa de la tensión aplicada, pero no la membrana. Debido a que el piezo-cristal y la membrana están pegados entre sí, esto conduce en último término a un curvado de la membrana.

Partiendo de este estado de la técnica es misión de la invención poner a disposición un transductor de ultrasonidos mejorado, con el que puedan reducirse los inconvenientes antes citados al menos fundamentalmente, por medio de que el transductor pueda fabricarse con unas dimensiones lo más pequeñas posibles.

Esta misión es resuelta mediante un transductor de ultrasonidos con las particularidades de la reivindicación 1.

En esta configuración conforme a la invención es posible configurar el diámetro del transductor según el tipo de oscilador longitudinal, con relación a la frecuencia de trabajo. Es decir, con la misma frecuencia de trabajo el transductor es menor que los transductores conocidos hasta ahora, existiendo sin embargo aún así una rigidización y amortiguación suficientes del sistema oscilante, de tal modo que se impiden resonancias secundarias. Se trata de un efecto esencial exigido por la disposición del lado interior del borde del anillo de masa separado sin embargo de la membrana, es decir aparte, que han descubierto los inventores y que se ve reforzado además por el elemento amortiguador, dispuesto de forma adyacente al anillo de masa y que produce una reducción adicional de resonancias secundarias parásitas.

Con ello es ventajoso que el anillo de masa esté atornillado a la membrana, de tal modo que el anillo de masa y la membrana estén unidos entre sí en posición definida y fijamente uno con otra. Lo mismo es aplicable para la unión entre el anillo de masa y la carcasa.

Con frecuencia se utilizan los transductores de ultrasonidos en contadores de paso para medios agresivos y peligrosos así como sometidos a una presión y una temperatura elevadas, de tal modo que la membrana y la carcasa están soldadas entre sí a la altura del anillo de masa. De este modo se obtiene una estanqueidad absoluta del transductor.

Para que el elemento amortiguador haga contacto fijo con la carcasa que reconduce de forma parásita los ultrasonidos y su acción amortiguadora pueda desplegarse de forma óptima, el elemento amortiguador se compone de un material elástico, con preferencia de un material de tipo goma.

En una forma de ejecución de la invención el anillo de masa aparte puede estar también configurado de forma enteriza con la carcasa. La designación "aparte" quiere indicar solamente que el anillo de masa está previsto separado de la membrana, ya que se trata de una particularidad esencial de la invención que produce la amortiguación ventajosa de forma predominante.

A continuación se explica en detalle la invención con base en un ejemplo de ejecución, haciendo referencia al dibujo. En el dibujo muestran:

la figura 1 una sección transversal de un transductor de ultrasonidos conforme a la invención;

la figura 2 una disposición de medición para medir un paso de un fluido usando el transductor de ultrasonidos conforme a la invención;

la figura 3 una región parcial del transductor de ultrasonidos de otra forma de ejecución.

En la figura 2 se ha representado una disposición de medición 10, que aclara el principio de medición, por ejemplo de un contador de paso de gas por ultrasonidos. En una tubería 12 fluye un gas en el sentido de circulación 14. En la tubería 12 están dispuestos transductores de ultrasonidos 16 y 18 configurados de forma idéntica, que definen una ruta de medición. Los transductores de ultrasonidos 16, 18 son adecuados para transformar señales eléctricas en ultrasonidos y a la inversa, para enviar y recibir ultrasonidos. La ruta de medición 20 está dispuesta con un ángulo diferente a 90º con respecto a un eje longitudinal 22 de la tubería 12, de tal modo que las señales de ultrasonidos enviadas en sentido contrapuesto a lo largo de la ruta de medición 20 presentan, a causa de la circulación de gas 14, una diferencia de duración. A partir de la diferencia de duración y de la geometría correspondiente puede determinarse la velocidad de circulación y con ello el caudal del gas.

El transductor de ultrasonidos 16 (figura 1) presenta un elemento 30 que genera ultrasonidos, que puede estar compuesto de dos piezo-cerámicas 32, 34, que están unidas a una línea eléctrica 36. La línea eléctrica 36 se guía de forma eléctricamente aislante. El elemento piezoeléctrico 30 está empotrado entre dos segmentos de fijación 40 y 42 cilíndricos. Los dos segmentos de fijación 40 y 42 están unidos entre sí a través de un elemento de fijación 44, de tal modo que el elemento piezoeléctrico 30 se mantiene sujetado entre los segmentos de sujeción. El lado frontal libre 46 del segmento de sujeción 42 sirve de superficie emisora y/o receptora, a través de la cual se irradian o reciben las señales de ultrasonidos.

Para aumentar la superficie frontal 46 el lado frontal está configurado como placa de flexión 48 y se designa desde ahora como membrana 48. Para emitir señales de ultrasonidos la membrana 48 vibra de forma correspondiente a las oscilaciones de ultrasonidos, generadas por el elemento piezoeléctrico 30 y transmitidas a través del segmento de sujeción rígido 42, y de este modo irradia las señales de ultrasonidos. Para recibir señales de ultrasonidos, la secuencia de señales discurre a la inversa y la membrana 48 absorbe las oscilaciones de ultrasonidos, que son conducidas a través del segmento de sujeción 42 hasta el elemento piezoeléctrico 30, que transforma las oscilaciones en señales eléctricas.

La membrana 48 presenta un borde acodado 50, al que se acopla una carcasa 52 que circunda los componentes antes citados de conducción y tratamiento de señales. La carcasa 52 está configurada esencialmente de forma cilíndrica.

En su lado interior el borde 50 de la membrana 48 está unido a un anillo de masa 54, con preferencia atornillado. El anillo de masa está unido sólo por el lado del borde a la membrana 48, es decir sólo en la región del borde 50, para que la membrana 48 tenga una superficie lo más grande posible para oscilar. De este modo el anillo de masa 54 dispuesto interiormente está separado de la membrana 48 a través de un hueco L.

El anillo de masa 54 atornillado al borde 50 sobresale del borde 50, de tal modo que el anillo de masa 54 también puede unirse a la carcasa 52, en especial atornillarse. Debido a que la carcasa puede inmovilizarse de forma adecuada y no representada con más detalle, por ejemplo a través de una brida dispuesta en su extremo 58 alejado de su membrana, en el contador de paso, a través del anillo de masa 54 se sujetan también los componentes que conducen y tratan señales.

Para conseguir una estanqueidad absoluta del transductor 16, la carcasa 52 está soldada al borde 50.

Para una reducción ulterior de oscilaciones parásitas, la carcasa 52 presenta interiormente un elemento amortiguador 64 que puede componerse de un material elástico, por ejemplo goma. El elemento amortiguador está configurado anularmente, de tal modo que puede hacer contacto con el lado interior de la carcasa 52 y está dispuesto ventajosamente de forma adyacente al anillo de masa 54.

En una forma de ejecución adicional, representada en la figura 3, el anillo de masa 54 también puede estar configurado de forma enteriza con la carcasa 52.

Claims (6)

1. Transductor de ultrasonidos con una carcasa (52), con al menos un elemento piezoeléctrico (30), con una membrana (48) que irradia o recibe los ultrasonidos y con un anillo de masa (54), dispuesto interiormente en la carcasa (52), que está separado de la membrana (48) y está unido por el lado del borde a ésta y a la carcasa (52), y con un elemento amortiguador dispuesto interiormente en la carcasa (52), que está configurado anularmente y está dispuesto de forma adyacente al anillo de masa (54), para amortiguar resonancias perturbadoras, caracterizado porque el transductor de ultrasonidos (16) está configurado según el tipo de oscilador longitudinal, estando empotrado el elemento piezoeléctrico (30) entre dos segmentos de sujeción (40, 42) y uno de los segmentos de sujeción (42) está configurado para conducir las oscilaciones de ultrasonidos desde y hacia su lado frontal conformado como placa de flexión, que forma la membrana (48).

2. Transductor de ultrasonidos según la reivindicación 1, caracterizado porque el anillo de masa (54) está atornillado a la membrana (48).

3. Transductor de ultrasonidos según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la membrana (48) y la carcasa (52) están soldadas entre sí a la altura del anillo de masa (54).

4. Transductor de ultrasonidos según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento amortiguador (64) se compone de un material elástico, con preferencia de un material de tipo goma.

5. Transductor de ultrasonidos según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el anillo de masa (54) está atornillado a la carcasa (52).

6. Transductor de ultrasonidos según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el anillo de masa (54) está configurado de forma enteriza con la carcasa (52).