FR2462837A1 - ULTRASONIC TRANSDUCER - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un transducteur ultra-sonore, destiné à rayonner des ondes acoustiques dans un milieu liquide et à recevoir de telles ondes acoustiques, comportant un boîtier en forme de pot, dans lequel est fixé un élément oscillant constitué par un disque piézoélectrique muni de deux électrodes disposées, l'une sur sa surface frontale avant tournée vers le milieu liquide, et 1 'autre sur sa surface frontale arrière re tournée vers le fond du boîtier, tandis que, dans l'espace compris entre le fond du boîtier et la surface frontale arrière de l'élément oscillant est disposé un milieu isolateur d'ultrasons, un câble conducteur de courant étant en outre connecté aux électrodes. The present invention relates to an ultrasonic transducer, intended to radiate acoustic waves in a liquid medium and to receive such acoustic waves, comprising a pot-shaped housing, in which is fixed an oscillating element constituted by a piezoelectric disc provided with two electrodes arranged, one on its front front surface facing the liquid medium, and the other on its rear front surface facing the bottom of the case, while in the space between the bottom of the case and the a rear front surface of the oscillating element is arranged an ultrasonic isolating medium, a current conducting cable being furthermore connected to the electrodes.
On connaît déjà un transducteur ultrasonore de ce type (Piezoxide-Wandler, mars 1973, page 110, Valvo GmbH) destiné à des appareils de sondage par écho et dans lequel l'élément oscillant est scellé, conjointement avec un disque en caoutchouc mousse servant de milieu isolateur d'ultrasons, au moyen d'une masse de scellement, dans le boîtier du transducteur. La surface frontale avant et la surface périphérique de l'élément oscillant sont liées rigidement à la masse de scellement. La masse de scellement forme une couche de matière plastique résistante qui protège la surface frontale avant. An ultrasonic transducer of this type is already known (Piezoxide-Wandler, March 1973, page 110, Valvo GmbH) intended for echo sounding devices and in which the oscillating element is sealed, together with a foam rubber disc serving as ultrasonic isolating medium, by means of a sealing mass, in the transducer housing. The front front surface and the peripheral surface of the oscillating element are rigidly linked to the sealing mass. The sealing compound forms a layer of strong plastic which protects the front face.
Des transducteurs ultrasonores construits de cette manière conviennent bien pour des appareils de sondage par écho dans l'eau de mer, où ils sont soumis à des variations de température relativement faibles. Ultrasonic transducers constructed in this way are well suited for echo sounding devices in seawater, where they are subjected to relatively small temperature variations.
Par contre, leur résistance à liteau très chaude est insuffisante pour permettre leur utilisation dans des débitmètres pour compteurs de quantité de chaleur. En raison des coefficients de dilatation thermique différents des matériaux constituants, il existe un risque de déchirement des points collés et les propriétés ultrasonores de la masse de scellement qui sont fortement dépendantes de la température conduisent à une charge acoustique variable du disque piézoélectrique et, par conséquent, à une forme d'oscillation fonction de la température.On the other hand, their resistance to a very hot strip is insufficient to allow their use in flowmeters for heat quantity meters. Due to the different coefficients of thermal expansion of the constituent materials, there is a risk of tearing of the bonded points and the ultrasonic properties of the sealing compound which are highly dependent on temperature lead to a variable acoustic load on the piezoelectric disc and, consequently, , to a form of oscillation depending on the temperature.
L'invention a pour objet de créer un transducteur ultrasonore qui, d'une part, est résistant à l'eau très chaude et se caractérise par une forme d'oscillation constante dans une large gamme de température et qui, d'autre part, présente néanmoins une grande résistance à la pression et peut être fabriqué en tant qu'article en série avec de faibles moyens techniques. The object of the invention is to create an ultrasonic transducer which, on the one hand, is resistant to very hot water and is characterized by a form of constant oscillation over a wide temperature range and which, on the other hand, nevertheless has great resistance to pressure and can be produced as a mass-produced article with little technical means.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen du dessin joint qui en représente, à titre d'exemples non limitatifs, quelques formes d'exécution. The invention will be better understood on reading the detailed description which follows and on examining the attached drawing which represents, by way of nonlimiting examples, some embodiments.
Sur ce dessin
les figures 1 à 3 représentent trois variantes différentes d'un transducteur ultrasonore comportant un oscillateur à résonance d'épaisseur;
la figure 4 représente un élément oscillant comportant un oscillateur à résonance radiale, et
la figure 5 représente une partie d'un débitmètre comportant un transducteur ultrasonore.On this drawing
Figures 1 to 3 show three different variants of an ultrasonic transducer comprising a thickness resonance oscillator;
FIG. 4 represents an oscillating element comprising a radial resonance oscillator, and
FIG. 5 represents a part of a flow meter comprising an ultrasonic transducer.
Sur la figure 1, la référence 1 désigne un boîtier de transducteur en forme de pot dans lequel est fixé un élément oscillant 2. L'élément oscillant 2 est constitué par un disque piézoélectrique cylindrique 3 relativement mince par rapport à son diamètre, muni d'une électrode 4 disposée sur sa surface frontale avant tournée vers le milieu liquide, non représenté, et d'une électrode 6 disposée sur sa surface frontale arrière tournée vers le fond 5 du boîtier. Un câble conducteur de courant 7 traverse le fond 5 du boîtier, est fixé à celui-ci au moyen d'un presse-étoupe 8 et est relié, par l'intermédiaire de fils de connexion 9, 10, d'une manière décrite plus loin de façon plus détaillée, aux élec trodes 4,6. In Figure 1, the reference 1 designates a pot-shaped transducer housing in which is fixed an oscillating element 2. The oscillating element 2 is constituted by a cylindrical piezoelectric disc 3 relatively thin compared to its diameter, provided with an electrode 4 disposed on its front front surface facing the liquid medium, not shown, and an electrode 6 disposed on its rear front surface facing the bottom 5 of the housing. A current conducting cable 7 passes through the bottom 5 of the housing, is fixed to the latter by means of a cable gland 8 and is connected, by means of connection wires 9, 10, in a manner described more far in more detail, to the electrodes 4,6.
Le boîtier de transducteur 1 présente, sur le côté intérieur de son enveloppe Il opposé à son fond 5, pour la réception de l'élément oscillant 2, un évidement annulaire concentrique 12 ainsi qu'un épaulement 13, de préférence annulaire, faisant saillie axialement. Cet épaulement est de faible superficie par rapport à la surface fiuntale de ltelémellt oscillant 2 L' élément oscillant 2 repose, par sa surface frontale arrière, de manière fixe en direction axiale, sur l'épaulement 13 mais peut, par contre, glisser en direction radiale sur celui-ci. il est clair que l'épaulement 13 de l'élément oscillant 2, pour des raisons dynamiques, ne doit pas prendre appui trop près de son centre, mais plutôt au voisinage de son bord extérieur.Le diamètre de l'é- videment 12 est légèrement plus grand que celui de l'é- lément oscillant 2, de sorte que celui-ci, à sa surface périphérique, est éloigné du boîtier de transducteur 1, c'est-à-dire que dans toute la gamme de température, même avec des coefficients de dilatation thermique fortement différents entre la surface périphérique de l'é- lément oscillant 2 et le boîtier de transducteur 1, il subsiste encore un léger jeu. Au moyen d'un joint élastique 14, l'élément oscillant 2 est à la fois étanchéisé par rapport au boîtier de transducteur I et maintenu élastiquement en directions axiale et radiale.Dans l'exemple de la figure 1, le joint 14 est constitué par une mince feuille de matière plastique souple, qui protège la surface frontale avant de l'élément oscillant 2 contre des dépôts de magnétite ou analogues, fait saillie radialement au-delà de l'élément oscillant 2 et est fixé d'une manière souple sur la surface frontale de l'envelop- pe de boîtier Il ainsi que sur la surface frontale avant de l'élément oscillant 2, par exemple par collage. Le joint 14 peut être très mince par rapport à la longueur d'onde des ultrasons ou bien présenter, en tant que couche d'adaptation acoustique, une épaisseur correspondant à un quart de longueur d'onde. The transducer housing 1 has, on the inner side of its casing Il opposite its bottom 5, for the reception of the oscillating element 2, a concentric annular recess 12 as well as a shoulder 13, preferably annular, projecting axially . This shoulder is small in relation to the surface of the oscillating ltelemellt 2 The oscillating element 2 rests, by its rear front surface, fixedly in the axial direction, on the shoulder 13 but can, on the other hand, slide in the direction radial on this one. it is clear that the shoulder 13 of the oscillating element 2, for dynamic reasons, should not rest too close to its center, but rather in the vicinity of its outer edge. The diameter of the discharge 12 is slightly larger than that of the oscillating element 2, so that the latter, at its peripheral surface, is distant from the transducer housing 1, that is to say that in the entire temperature range, even with strongly different coefficients of thermal expansion between the peripheral surface of the oscillating element 2 and the transducer housing 1, there is still a slight clearance. By means of an elastic seal 14, the oscillating element 2 is at both sealed with respect to the transducer housing I and held resiliently in axial and radial directions. In the example of FIG. 1, the seal 14 is constituted by a thin sheet of flexible plastic material, which protects the front surface from the oscillating element 2 against magnet deposits ite or the like, projects radially beyond the oscillating element 2 and is fixed in a flexible manner to the front surface of the casing II and to the front front surface of the oscillating element 2 , for example by gluing. The seal 14 can be very thin compared to the wavelength of the ultrasound or else present, as an acoustic adaptation layer, a thickness corresponding to a quarter of a wavelength.
Dans l'espace 15 compris entre le fond 5 du boîtier et la surface frontale arrière de l'élément oscillant 2 est disposé un milieu isolateur d'ultrasons. Pour éviter la formation d'eau de condensation dans l'espace 15, des ouvertures 16 sont prévues dans le fond 5 du boîtier, ouvertures qui laissent passer au moins la vapeur d'eau. Comme milieu isolateur d'ultrasons dans l'espace 15, on peut utiliser de l'air ou bien, pour rendre plus difficiles des interventions non autorisées, à travers les ouvertures 16, à l'intérieur du transducteur ultrasonore 1,-une mousse de matière plastique. In the space 15 between the bottom 5 of the housing and the rear front surface of the oscillating element 2 is arranged an ultrasonic isolating medium. To avoid the formation of water of condensation in the space 15, openings 16 are provided in the bottom 5 of the housing, openings which allow at least the water vapor to pass. As an ultrasonic isolating medium in space 15, air can be used or, to make unauthorized interventions more difficult, through the openings 16, inside the ultrasonic transducer 1, a foam of plastic material.
Le disque piézoélectrique 3 est, dans les exemples des figures 1 à 3, un oscillateur à résonance d'épaisseur. The piezoelectric disc 3 is, in the examples of FIGS. 1 to 3, a thickness resonance oscillator.
Pour éviter des résonances parasites et, par conséquent, des formes d'oscillation compliquées et fortement dépendantes de la fréquence, le diamètre de l'électrode arrière 6 est au plus égal à la moitié du diamètre du disque piézoélectrique 3, de sorte que l'élément oscillant 2 repose sur l'épaulement 13 à l'extérieur de l'électrode arrière 6.To avoid parasitic resonances and, consequently, complicated and highly frequency-dependent forms of oscillation, the diameter of the rear electrode 6 is at most equal to half the diameter of the piezoelectric disc 3, so that the oscillating element 2 rests on the shoulder 13 outside the rear electrode 6.
L'électrode avant 4 s'étend avantageusement au moins en un point du disque piézoélectrique 3 par-dessus sa surface périphérique jusqu'à sa surface frontale-arrière. De cette manière, on évite de devoir faire passer l'un des fils de connexion 9, 10 jusque sur le côté avant de l'élément oscillant 2. Le fil de connexion 9 relié électriquement à l'électrode avant 4 peut, comme représenté sur les figures 2 et 3, être directement soudé à celle-ci ou bien, comme représenté sur la figure 1, être branché sur le boîtier de transducteur 1 qui, dans ce cas, est en métal ou est recouvert intérieurement d'une couche électriquement conductrice, de sorte que la liaison électrique avec l'électrode 4 s'effectue alors par l'intermédiaire des surfaces de contact entre l'é- paulement 13 et l'électrode 4.Si l'électrode avant 4 ne s'étend pas par-dessus la surface périphérique du disque piézoélectrique 3 jusqu'au côté arrière de celuici, alors la liaison électrique entre l'électrode 4 et le boîtier de transducteur 1 peut encore être réalisée en garnissaîit I.e le joint élastique 14, sur sa surface arrière, d'une mince couche métallique, qui repose alors sur l'électrode 4 et sur la surface frontale de l'enveloppe 11 du boîtier. Une telle couche métallique qui, par exemple, peut être formée par vaporisation, joue en outre le rôle de barrière supplémentaire contre la vapeur d'eau. The front electrode 4 advantageously extends at least at one point of the piezoelectric disc 3 over its peripheral surface up to its front-rear surface. In this way, it is avoided having to pass one of the connection wires 9, 10 to the front side of the oscillating element 2. The connection wire 9 electrically connected to the front electrode 4 can, as shown on Figures 2 and 3, be directly soldered thereto or, as shown in Figure 1, be connected to the transducer housing 1 which, in this case, is made of metal or is covered internally with an electrically conductive layer , so that the electrical connection with the electrode 4 then takes place via the contact surfaces between the shoulder 13 and the electrode 4. If the front electrode 4 does not extend above the peripheral surface of the piezoelectric disc 3 to the rear side thereof, then the electrical connection between the electrode 4 and the transducer housing 1 can still be carried out by lining the elastic seal 14, on its rear surface, with a thin metallic layer, which then rests on the electrode 4 and on the front surface of the casing 11 of the housing. Such a metal layer which, for example, can be formed by vaporization, also plays the role of an additional barrier against water vapor.
Le transducteur ultrasonore décrit peut servir aussi bien pour le rayonnement d'ondes acoustiques dans un milieu liquide que pour la réception de telles ondes acoustiques. L'utilisation de masses de scellement coûteuse et exigeant beaucoup de main d'oeuvre est évitée avec ce transducteur ultrasonore et l'on obtient une construction résistant à l'eau très chaude. Comme l'élément oscillant 2 repose fixement sur un épaulement 15 de petite superficie mais, sur le reste de son étendue, n'est par contre que maintenu élastiquement dans le boîtier du transducteur et est pratiquement non amorti à l'arrière, une grande résistance à la pression et une forme d'oscillation indépendante de la température sont assurées et des rayonnements acoustiques côté arrière, qui conduiraient à des pertes d'énergie et à un écho de paroi arrière parasite, sont néanmoins évités. The ultrasonic transducer described can be used both for the radiation of acoustic waves in a liquid medium and for the reception of such acoustic waves. The use of expensive and labor-intensive sealants is avoided with this ultrasonic transducer and a construction resistant to very hot water is obtained. As the oscillating element 2 rests fixedly on a shoulder 15 of small area but, over the rest of its extent, is on the other hand only held elastically in the housing of the transducer and is practically not damped at the rear, great resistance at pressure and a form of oscillation independent of temperature are ensured and acoustic radiation on the rear side, which would lead to energy losses and a parasitic rear wall echo, are nevertheless avoided.
Sur la figure 2, les parties correspondant à celles de la figure 1 sont désignées par les mêmes références numériques que sur celle-ci. Le boîtier de transducteur désigné par 1' ne diffère essentiellement du boîtier de transducteur 1 de la figure 1 que par le fait que la sur face frontale de l'évidement annulaire 12' sert d'épaulement 13', sur lequel l'élément oscillant 2 repose par le bord extérieur de sa surface frontale arrière de manière fixe en direction axiale et de façon mobile en direction radiale.Un joint torique 17, qui est inséré coaxialement à l'élément oscillant 2 entre la surface périphérique de celui-ci et la surface périphérique intérieure du boîtier de transducteur 1' formée par l'é- videment 12', étanchéise élément oscillant 2 par rapport au boîtier de transducteur 1' et forme pour l'élé- ment oscillant, en direction radiale, un support élastique. L'espace 15 et les ouvertures 16 sont obstruées avec de la mousse de matière plastique pour la raison précédemment mentionnée. L'électrode avant 4, qui est avantageusement en argent, recouvre au moins la surface frontale avant et la surface périphérique du disque piézoélectrique 3 entièrement et protège le disque piézoélectrique 3 d'une manière sûre contre des dépôts.Avantageusement, l'électrode avant 4, qui s'étend jusqu'au c8té frontal arrière du disque piézoélectrique 3, recouvre également la surface de contact entre l'épaulement 13' et l'élément oscillant 2 entièrement et empêche ainsi des influences chimiques mutuelles entre le boîtier 1' du transducteur et le disque piézoélectrique 3. In FIG. 2, the parts corresponding to those of FIG. 1 are designated by the same reference numbers as on this one. The transducer housing designated by 1 ′ differs essentially from the transducer housing 1 in FIG. 1 only in that the front face of the annular recess 12 ′ serves as a shoulder 13 ′, on which the oscillating element 2 rests by the outer edge of its rear front surface fixedly in the axial direction and movably in the radial direction.An O-ring 17, which is inserted coaxially with the oscillating element 2 between the peripheral surface thereof and the surface inner peripheral of the transducer housing 1 'formed by the outlet 12', seals the oscillating element 2 relative to the transducer housing 1 'and forms for the oscillating element, in the radial direction, an elastic support. The space 15 and the openings 16 are blocked with plastic foam for the reason mentioned above. The front electrode 4, which is advantageously made of silver, covers at least the front front surface and the peripheral surface of the piezoelectric disc 3 entirely and protects the piezoelectric disc 3 in a safe manner against deposits. Advantageously, the front electrode 4 , which extends to the rear front side of the piezoelectric disc 3, also covers the contact surface between the shoulder 13 'and the oscillating element 2 entirely and thus prevents mutual chemical influences between the housing 1' of the transducer and the piezoelectric disc 3.
Le transducteur ultrasonore de la figure 3 diffère de celui de la figure 2 par une couche de matière plastique 18, par exemple collée de manière souple ou saupoudrée qui, ici encore, peut être mince ou bien présenter une épaisseur d'un quart de longueur d'onde et qui protège au moins la surface frontale avant et la surface périphérique de élément oscillant 2 contre des dépôts. Il est également possible, pour des raisons de protection et d'étanchéité, d'interposer une mince feuille de matière plastique entre l'épaulement 13' et l'élément oscillant 2 ou de disposer la couche de matiè re plastique 18 également dans la zone de contact de l'épaulement 13'. L'élément oscillant reste alors toujours encore soutenu de façon essentiellement rigide en direction axiale, de sorte que la résistance à la pression n'est pas influencée. The ultrasonic transducer of FIG. 3 differs from that of FIG. 2 by a layer of plastic material 18, for example glued or sprinkled, which, here again, can be thin or have a thickness of a quarter of length d wave and which protects at least the front front surface and the peripheral surface of oscillating element 2 against deposits. It is also possible, for reasons of protection and sealing, to interpose a thin sheet of plastic material between the shoulder 13 ′ and the oscillating element 2 or to arrange the layer of plastic material 18 also in the area of contact of the shoulder 13 '. The oscillating element then always remains still substantially rigidly supported in the axial direction, so that the resistance to pressure is not influenced.
Sur la figure 4 est représenté un élément oscillant 19, qui présente un disque piézoélectrique 20 réalise sous la forme d'un oscillateur à résonance radiale et qui peut être utilisé, au lieu de l'élément oscillant 2, dans les transducteurs ultrasonores décrits. Une électrode 21 recouvre toute la surface frontale avant du disque piézoélectrique 20 et forme une petite cosse de connexion 22, qui s'étend par-dessus la surface pé riphérique du disque piézoélectrique 20 jusqutà sa surface frontale arrière. Une électrode 23 recouvre, à l'exception de la surface occupée par la cosse de connexion 22, toute la surface frontale arrière du disque piézoélectrique 20. In FIG. 4 is shown an oscillating element 19, which has a piezoelectric disc 20 produced in the form of a radial resonance oscillator and which can be used, instead of the oscillating element 2, in the ultrasonic transducers described. An electrode 21 covers the entire front front surface of the piezoelectric disc 20 and forms a small connection lug 22, which extends over the peripheral surface of the piezoelectric disc 20 up to its rear front surface. With the exception of the surface occupied by the connection terminal 22, an electrode 23 covers the entire rear front surface of the piezoelectric disc 20.
La figure 5 représente le transducteur ultrasonore de la figure 1 qui, pour assurer la mesure de la vitesse d'écoulement d'un milieu liquide dans un tube de mesure 24, est incorporé à un raccord tubulaire 25 étanchéisé au moyen d'un joint torique 26 par rapport au raccord 25 et fixé au moyen d'une bague filetée 27. Le disque piézoélectrique 3 est disposé coaxialement au tube de mesure 24 et disposé à une certaine distance de l'embouchure de celui-ci. Le diamètre du disque piézoélectrique 3 est plus grand que le diamètre intérieur du tube de mesure 24, de sorte que le rayonnement d'une onde ultrasonore plane à distribution d'intensité constante est assuré dans le tube de mesure 24. FIG. 5 represents the ultrasonic transducer of FIG. 1 which, to ensure the measurement of the flow rate of a liquid medium in a measurement tube 24, is incorporated into a tubular connection 25 sealed by means of an O-ring 26 relative to the connector 25 and fixed by means of a threaded ring 27. The piezoelectric disc 3 is arranged coaxially with the measurement tube 24 and disposed at a certain distance from the mouth of the latter. The diameter of the piezoelectric disc 3 is larger than the inside diameter of the measurement tube 24, so that the radiation of a plane ultrasonic wave with constant intensity distribution is ensured in the measurement tube 24.
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