NO174309B - Elektroakustisk transducer for anordning i et gassformig fluid, saerlig for maaling av stroemningsghastigheten i et roer under eksplosjonsfarlige forhol - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en elektroakustisk transducer for anordning i et gassformig fluid, særlig for måling av strøm-ningshastigheten i et rør under eksplosjonsfårlige forhold, ved utsendelse/mottak av lydpulser, og utformet som et begerformet metallegeme, hvis bunn danner en membran som på sin innside er forsynt med et piezo-elektrisk element, idet begeret omfatter et dempemateriale og er avtettet mot omgivelsene, dvs. mot fluidet.

Oppfinnelsen er utviklet særlig i forbindelse med behovet for og utviklingen av en med ultralyd arbeidende transduceranordning for måling av strømningshastigheten til et fluid i et rør, innbefattende to på hver sine rørsider og skrått relativt strømningsretningen til fluidet rettede transducere som vekselvis sender og mottar lydpulser til henholdsvis fra hverandre, men oppfinnelsen er ikke begrenset til en slik spesiell anvendelse, idet den nye transducer også kan benyttes for andre formål, eksempelvis for måling av et fluidnivå i en beholder. Når det således nedenfor redegjøres for bestemte utviklingsforutsetninger, så skal disse ikke være begrensende, men bare representere en påvisning av det uviklingsgrunnlag som man her har arbeidet ut i fra. Således er som nevnt den nye transducer utviklet i forbindelse med en tarnsduceranordning for måling av gasstrømmen til en såkalt fakkel i forbindelse med anlegg for eksploatering og produk-sjon av hydrokarboner. I denne forbindelse foreligger det et klart behov for å kunne dekke et relativt stort strømnings-hastighetsområde på en nøyaktig måte, samtidig som det også, særlig ved måling i såkalte farlige områder, foreligger et behov for sikkerhet.

De i dag kjente transduceranordninger for slike formål arbeider med transducere som utlegges og dimensjoneres for relativt begrensede hastighetsområder. Målenøyaktigheten er heller ikke alltid fullt ut tilfredsstillende.

Den nærmestliggende kjente teknikk kan forøvrig anses representert ved US-patent 4.556.814, som imidlertid beskriver en topplate eller membran laget av et porøst plastmateriale, og likeledes er det beskrevet sidevegger i transducerhuset som fortrinnsvis består av porøst plastmateriale. Slikt porøst plastmateriale har egenskaper som gjør det helt ubrukelig i en transducer for de formål som foreliggende oppfinnelse er rettet mot.

En særlig hensikt med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en elektroakustisk transducer for bruk i gasser og væsker i potensielt eksplosive områder hvor det kreves en sikker transducerutføreIse som vil kunne gi nok akustisk energi for ulike anvendelsesformål.

For å oppnå dette foreslås det ifølge oppfinnelsen en elektroakustisk transducer av den innledningsvis angitte art, kjennetegnet ved at begerveggen er utformet med et ringrom som er åpent mot begerets topp, men lukket i et kantområde omkring membranen, og som er fylt med et kraftig dempende materiale, eksempelvis epoksy, gummi, eller epoksy blandet med metallpartikler, og at innsiden av membranen danner direkte elektrisk kontakt med det piezo-elektriske element, og utgjør den ene elektrode for dette.

Et slikt begerformet metallegeme kan gis sin form med hensyn til bunnens utnyttelse som membran ved hjelp av egnet maskinering, og også ringrommet kan på egnet måte maskineres uten særlige vanskeligheter. Den som membran utførte bunn i det begerformede metallegeme tilordnes en elektrode i form av et piezo-elektrisk drivelement med egnede egenskaper. Metallbegeret virker da som den ene elektroden, mens det piezo-elektriske drivelements frie ende tjener som den andre elektrode for elektrisk eksitering av transduceren.

Operasjonsfrekvensen til transduceren kan man velge ved å velge egnede dimensjoner for det piezo-elektriske drivelement og for membranens tykkelse. Transduceren kan således i utgangspunktet dekke både vanlige lydfrekvenser og ultralyd-frekvenser.

Den nye transducer egner seg for anvendelse ved hastighetsmålinger av gasser og væsker, også i såkalte farlige områder (eksplosjonsfare). Som metallmateriale for begerlegemet velges et som egner seg ut i fra de krav som stilles til transducere (miljøkrav). Titan, stål, aluminium, karbbnfibre og andre materialer kan således benyttes for transducer-begeret. Titan er imidlertid det foretrukne elektrisk ledende materiale i denne forbindelse.

Hele det begerformede legeme kan på hermetisk tett måte tilkobles en bærer på monteringssiden, slik at man derved kan hindre at de elektriske kontakter utsettes for det miljø hvori transduceren skal arbeide. Særlig fordelaktig er dette naturligvis ved anvendelse av transduceren i et eksplosivt miljø.

Den nye transduceren kombinerer høy virkningsgrad med lav ringing. Dette er egenskaper som vanligvis gjensidig utelukker hverandre. Eksempelvis er det med en transducer iflg. oppfinnelsen oppnådd en sendervirkningsgrad på 50 dB re 1 Pa SPL/V og en Q-verdi - 2,5, som korresponderer med en lav etterringing.

Den anvendte membranutførelse gir god kobling til et gassmedium. Ved membranens kant vil det forefinnes relativt mye metallmasse for å oppnå de ønskede grenseforhold og for å hindre for sterk kobling til huset eller resten av begeret. Kobling til huset vil gi etterringing. Dette kan man på fordelaktig måte undertrykke ved hjelp av det nevnte innlagte dempemateriale i ringrommet.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningen, som i forenklet aksielt snitt viser en mulig, gunstig utførelsesform av den nye transducer.

Den viste transducer 1 er altså begerformet . Begerets bunn 2 er maskinert slik at den danner en membran 3. På innsiden av denne membran 3 er det montert et egnet piezo-elektrisk element 4. Selve begeret eller huset 5 kan da tjene som den ene elektrode mens det piezo-elektriske elements 4 frie ende benyttes som den andre elektroden for elektrisk eksitering av transduceren.

Som vist på tegningen er begerets eller husets 5 side-vegg maskinert slik at det fremkommer et ringrom 6. Dette ringrom er så dypt at det strekker seg fra transducerens monteringsside 7 og helt ut til i høyde med membranen 3. Ringrommet 6 er fylt med et kraftig dempemateriale 8. Slikt dempemateriale kan eksempelvis være epoksy, gummi eller epoksy med innlagte metallpartikler.

Selve transducerhuset 5 kan på hermetisk tett måte tilkobles en ikke vist bærer på monteringssiden 7, hvor det er antydet egnede gjengeboringer 9 for dette formål. Ved hjelp av denne, på enkel og for fagmannen kjent måte tilveie-bragte tette forbindelse i dette område, kan man hindre at de elektriske kontakter utsettes for det miljø hvori transduceren skal arbeide. Særlig fordelaktig er dette naturligvis ved anvendelse av transduceren i et eksplosivt miljø. Transducerens operasjonsfrekvens kan bestemmes ved valg av egnede dimensjoner for det piezo-elektriske element 4 og tykkelsen av metallmembranen 3. Metallmembranens tykkelse kan fastlegges ved hjelp av maskinering av huset 5, dvs. dets bunn 2. I og for seg kan således den viste transducer utformes for å dekke både vanlige lydfrekvenser og ultralyd-frekvenser.

Som metallmateriale for huset eller begeret 5 velges et som egner seg ut i fra de krav som stilles til transducere (miljø-krav). Titan, stål, aluminium, karbonfibre og andre materialer kan således benyttes, dvs. et elektrisk ledende materiale, idet titan er foretrukket.

Man vil forstå at den anvendte membranutførelse gir god kobling til et gassmedium. Ved membranens 3 kant vil det forefinnes relativt mye metallmasse med oppnåelse av ønskede grenseforhold og hindring av for sterk kobling til resten av huset. Koblingen til huset vil gi etterringing; dette kan man på fordelaktig måte undertrykke ved hjelp av det innlagte dempemateriale i ringrommet 6.

Claims (2)

1. Elektroakustisk transducer for anordning i et gassformig fluid, særlig for måling av strømningshastigheten i et rør under eksplosjonsfårlige forhold, ved utsendelse/mottak av lydpulser, og utformet som et begerformet metallegeme (5), hvis bunn (2) danner en membran (3) som på sin innside er forsynt med et piezo-elektrisk element (4), idet begeret omfatter et dempemateriale og er avtettet mot omgivelsene, dvs. mot fluidet, karakterisert vedat begerveggen er utformet med et ringrom (6) som er åpent mot begerets topp, men lukket i et kantområde omkring membranen (3) , og som er fylt med et kraftig dempende materiale (8), eksempelvis epoksy, gummi, eller epoksy blandet med metallpartikler, og at innsiden av membranen (3) danner direkte elektrisk kontakt med det piezo-elektriske element (4), og utgjør den ene elektrode for dette.

2. Transducer ifølge krav 1, karakterisert vedat det begerformede metallegeme (5) består av et elektrisk ledende materiale, fortrinnsvis titan.