ES2284949T3 - Transductor de ultrasonido para la utilizacion bajo condiciones climaticas extremas. - Google Patents
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Abstract
Transductor de ultrasonidos con una superficie acústica expuesta, con un transductor electro-mecánico (1), que presenta una superficie acústicamente activa, con una capa de adaptación (3) acústica, que está dispuesta antes de la superficie acústicamente activa del transductor (1) y que forma la superficie acústica expuesta, y con un elemento de caldeo eléctrico (2), que se caracteriza porque el elemento de caldeo (2) está dispuesto sobre la superficie acústicamente activa del transductor (1), estando unido metálicamente en toda su superficie, un electrodo de conexión del transductor (1) en su superficie acústicamente activa con un electrodo de conexión del elemento de caldeo (2).
Description
Transductor de ultrasonidos para la utilización
bajo condiciones climáticas extremas.
La invención se refiere a un transductor de
ultrasonidos según el concepto genérico de la reivindicación 1.
En el ámbito de la técnica de medición se
emplean preponderantemente los transductores de ultrasonidos en el
rango de potencia bajo y medio. La anemometría acústica o de
ultrasonidos, es decir la medición de la velocidad y de la
dirección del viento, plantea unos requisitos especialmente
exigentes en lo relativo a la capacidad funcional de este
transductor de ultrasonidos bajo todas las condiciones climáticas
que puedan darse.
En la anemometría de ultrasonidos, pero también
en la medición de distancia con ultrasonidos, para la determinación
del tiempo de viaje de la señal se crea un impulso acústico o un
tren de ondas en el dado de la emisión, y en el lado de la
recepción se vuelve a convertir en una señal eléctrica.
Algunos de los requisitos que deben exigirse a
las características y funcionalidades de los transductores de
ultrasonidos para la utilización en exteriores, se describen a
continuación.
La eficiencia de la transformación de la señal
eléctrica en una señal acústica en el lado de la emisión y a la
inversa en el lado de la recepción debe mantenerse constante dentro
de un amplio rango de temperatu-
ra.
ra.
En los transductores de ultrasonidos resonantes,
su frecuencia de resonancia y el comportamiento de la radiación
(lóbulo, en inglés Lobe) deberían variar poco como consecuencia de
las variaciones de temperatura o las variaciones de masa en las
superficies expuestas del transductor de sonido, por ejemplo debidas
a gotas de lluvia.
La formación de capas de hielo en las
superficies expuestas del transductor de ultrasonidos en condiciones
de congelación no debe originar el fallo del sistema.
Sin embargo, puesto que la duración de dicha
situación de congelación no se conoce, definitivamente debe
impedirse de forma segura la formación de una capa de hielo o
escarcha, incluso con altas velocidades del viento.
Una congelación de los transductores de
ultrasonidos se puede impedir eficazmente mediante un caldeo
suficiente de los mismos, si se puede mantener la temperatura
superficial de la superficie acústicamente activa en el rango de
temperatura positivo (> 0ºC).
Todos los transductores de ultrasonidos
conocidos poseen un convertidor de potencia electromecánico que se
basa en el efecto piezoeléctrico o magnetodinámico, es decir, un
transductor con el que una señal eléctrica se puede convertir en un
movimiento (por ejemplo debido a la variación de longitud en el
piezo) y a la inversa.
Si se emplea un transductor de estas
características, sin adoptar ninguna otra medida, para producir una
onda de sonido en el aire, el acoplamiento de la potencia mecánica
del cuerpo sólido del transductor con su impedancia acústica
relativamente alta, en el aire con su impedancia acústica muy
reducida, se logra sólo con pérdidas de adaptación muy
elevadas.
Para la reducción de las pérdidas de adaptación
se emplean, según un procedimiento conocido, \lambda/4 capas que
aquí, de forma general, se denominan capas de adaptación y que de
forma ideal, presentan una impedancia acústica que se encuentra en
el valor medio geométrico de las impedancias del cuerpo sólido del
transductor y del aire.
Una adaptación óptima de la impedancia mediante
una capa de adaptación de dichas características no resulte posible
en la práctica, ya que la impedancia acústica ideal anteriormente
mencionada no se puede conseguir con ningún material o
composiciones de materiales conocidas.
La impedancia acústica de un material es el
producto de la densidad del material por la velocidad del sonido en
el material.
Esta correlación ya apunta a que los materiales
o composiciones apropiadas para las capas de adaptación por regla
general presentan una densidad reducida.
Al mismo tiempo, la capa de adaptación no debe
presentar una amortiguación demasiado alta de la onda acústica.
Casi todos los materiales o composiciones de
materiales empleadas para las capas de adaptación al aire, debido a
sus propiedades físicas, presentan una conductividad térmica muy
reducida en comparación con los metales.
Los requisitos exigidos a sus propiedades
acústicas están en contradicción directa, desgraciadamente, con la
buena conductividad térmica deseada, que se precisa al efectuar el
caldeo para evitar la formación de hielo.
La patente DE 199 57 125 A1 da a conocer un
transductor de ultrasonidos que presenta un transductor
piezoeléctrico y una capa de adaptación. Este transductor de
ultrasonidos sirve para determinar la distancia de objetos empleando
el procedimiento del tiempo de viaje del eco.
La patente US 4.891.796 da a conocer, en un solo
conjunto, una unidad emisora del sonido y una unidad receptora, en
el que en el elemento oscilante se dispone goma conductora de la
electricidad y resistente a las oscilaciones, y se calienta para
impedir la formación de hielo. No se describen más detalles sobre el
lugar donde se dispone la goma. Por otra parte se describe una
unidad emisora de ultrasonidos y una unidad receptora que están
provistas de un dispositivo de caldeo para impedir la formación de
hielo que se compone de una disposición de zonas de una pasta de
resistencia con un coeficiente de temperatura positivo y se extiende
formando una gran superficie debajo de una superficie hacia la cual
están abiertos el emisor y el receptor de la unidad.
La patente US 4.890.488 da a conocer el
contrarrestar la formación de hielo mediante caldeo en un anemómetro
de ultrasonidos, lo cual, sin embargo, se rehúsa por el hecho de
que consume demasiada energía. En lugar de ello, la señal de
ultrasonido empleada para la medición se modifica para que se vea
menos afectada por la formación de hielo.
La patente WO98/38528 da a conocer un aparato
para medición de distancias con un transductor y un elemento de
caldeo.
La invención se plantea como objetivo integrar
un elemento de caldeo especialmente eficaz, en la estructura de un
transductor de ultrasonidos.
Este objetivo se consigue mediante un
transductor de ultrasonidos con las características de la
reivindicación de patente 1. Formas de realización ventajosas del
transductor de ultrasonidos se indican en las reivindicaciones
subordinadas 2 a 9.
Los problemas que se indican a continuación
tuvieron que resolverse adoptando medidas ingeniosas:
La capa de adaptación es de una composición de
material con mala conductividad térmica. Modificando la composición
del material se tuvo que mejorar la conductividad térmica por lo
menos en un factor de 2, sin que al mismo tiempo se empeorase la
adaptación acústica de forma considerable.
El flujo de calor debería recorrer un trayecto
lo más corto posible a través de la capa de adaptación de mala
conductividad térmica para que, con fuerte viento, el efecto de
enfriamiento se mantenga lo más reducido que sea posible.
La impedancia térmica de la superficie de la
capa de adaptación con respecto al ambiente circundante depende en
gran medida de la velocidad de circulación del aire. (Los
anemómetros térmicos se basan en este efecto que aquí es
indeseado).
El elemento de caldeo debería mantener
automáticamente su temperatura lo más constante que sea posible a
fin de evitar de forma segura un sobrecalentamiento cuando no hay
enfriamiento causado por el aire circulante. (Debido a la geometría
del transductor de ultrasonidos prácticamente queda excluida la
posibilidad de montar un sensor de temperatura como captador del
valor real para una regulación).
Debido a que la resistencia térmica de la capa
de adaptación sigue siendo alta, la temperatura del elemento de
caldeo debe elegirse de un valor relativamente alto (aproximadamente
90ºC).
Al mismo tiempo, hay que contar que en cada
conexión del caldeo de un transductor de ultrasonidos enfriado
habrá un elevado estrés térmico.
En este proceso pueden originarse, durante un
tiempo corto, diferencias de temperatura de hasta 120 grados Kelvin
entre los componentes del transductor de ultrasonidos.
Por este motivo, los materiales elegidos deben
presentar aproximadamente los mismos coeficientes de temperatura, o
bien las capas deben anclarse mecánicamente de forma apropiada para
impedir de forma segura una destrucción por formación de grietas y
roturas.
Los materiales de una piezocerámica empleada
como transductor electro-acústico y de una
resistencia PTC similar a la cerámica empleada como elemento de
caldeo no se distinguen decisivamente en sus coeficientes de
expansión térmica, de modo que con las geometrías que hay aquí,
incluso una unión plana por soldadura mantiene su capacidad
funcional.
Sin embargo, el coeficiente de expansión del
material de la capa de adaptación se diferencia claramente del de
los materiales citados anteriormente (piezocerámica y cerámica de
PTC), de modo que aparecen considerables tensiones mecánicas con
las distintas temperaturas de servicio que son de esperar en las
superficies límite entre los materiales.
Debe impedirse de una forma segura que se
produzcan daños, modificación de las características o un fallo del
transductor debido a estas tensiones mecánicas.
La masa de los elementos del transductor
acústicamente activos se aumenta considerablemente incorporando una
capa de caldeo con amortiguación reducida en el trayecto acústico.
De este modo, en caso de emisión, tras la excitación el sensor
sigue oscilando considerablemente durante más tiempo. Para que, a
pesar de ello, se mantenga el ritmo de captación del valor de
medida máximo posible, dependiente de la longitud del trayecto de
medición, el sensor debe amortiguarse pasivamente incorporando un
material apropiado.
La figura 1 ilustra una forma de realización
preferida del nuevo transductor de ultrasonidos en sección
transversal.
La asignación de los componentes del transductor
de ultrasonidos se realiza a partir de la siguiente lista de
números de referencia.
\global\parskip0.500000\baselineskip
1-
\tabultransductor
2-
\tabulelemento de caldeo
3-
\tabulcapa de adaptación
4-
\tabulcapa de soldadura blanda
5-
\tabulcapa de soldadura blanda
6-
\tabulanillo metálico
7-
\tabulanillo
8-
\tabullínea de masa
9-
\tabullínea de señal
10-
\tabullínea de caldeo.
\global\parskip0.000000\baselineskip
Claims (10)
1. Transductor de ultrasonidos con una
superficie acústica expuesta, con un transductor
electro-mecánico (1), que presenta una superficie
acústicamente activa, con una capa de adaptación (3) acústica, que
está dispuesta antes de la superficie acústicamente activa del
transductor (1) y que forma la superficie acústica expuesta, y con
un elemento de caldeo eléctrico (2), que se caracteriza
porque el elemento de caldeo (2) está dispuesto sobre la superficie
acústicamente activa del transductor (1), estando unido
metálicamente en toda su superficie, un electrodo de conexión del
transductor (1) en su superficie acústicamente activa con un
electrodo de conexión del elemento de caldeo (2).
2. Transductor de ultrasonidos según la
reivindicación 1, que se caracteriza porque el elemento de
caldeo (2) presenta un material de resistencia de PTC cerámico, que
debido a la reducción de su valor de conductividad eléctrica con la
temperatura, muestra una autorregulación de su temperatura.
3. Transductor de ultrasonidos según la
reivindicación 1 ó 2, que se caracteriza porque la capa de
adaptación (3) acústica, que forma la superficie acústica expuesta
del transductor, está dispuesta sobre el elemento de caldeo
(2).
4. Transductor de ultrasonidos según la
reivindicación 1, que se caracteriza porque los electrodos
de conexión están unidos entre sí a través de una capa de soldadura
blanda (4).
5. Transductor de ultrasonidos según la
reivindicación 1 ó 4, que se caracteriza porque los
electrodos de conexión están conectados conjuntamente a una línea
de masa (8).
6. Transductor de ultrasonidos según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 5, que se caracteriza porque
sobre el elemento de caldeo (2) está dispuesto también un anillo
metálico (6) que rodea lateralmente a la capa de adaptación
(3).
7. Transductor de ultrasonidos según la
reivindicación 6, que se caracteriza porque el anillo
metálico (6) está unido con un electrodo de conexión delantero del
elemento de caldeo (2) a través de una capa de soldadura blanda
(5).
8. Transductor de ultrasonidos según la
reivindicación 6 ó 7, que se caracteriza porque el anillo
metálico (6) sostiene y centra forzadamente en arrastre de forma la
capa de adaptación (3).
9. Transductor de ultrasonidos según cualquiera
de las reivindicaciones 6 a 8, que se caracteriza porque
sobre el anillo metálico (6) está dispuesto un anillo (7) de
material acústico de amortiguación pasiva.
10. Transductor de ultrasonidos según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 9, que se caracteriza porque el
transductor (1) presenta un material del transductor piezoeléctrico
o magnetodinámico y porque el elemento de caldeo (2) está diseñado
para una temperatura de caldeo de 80 a 90ºC y porque la capa de
adaptación (3) permanece estable térmicamente hasta esta
temperatura de caldeo y mantiene sus características acústicas.
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