PL187955B1 - Przetwornik ultradźwiękowy, a zwłaszcza przetwornik ultradźwiękowy do mediów płynnych - Google Patents

Abstract

1. Przetwornik ultradzwiekowy, a zwlaszcza przetwornik ultradzwiekowy do m ediów plynnych, posiadajacy cylindryczna obudow e z plaskim dnem, w której znajduje sie piezoelektryczny dysk ceramiczny przylegajacy do dna obudowy, stano- wiacego pierwsze polaczenie elektryczne z piezo- elektrycznym dyskiem ceram icznym , sprezyne znajdujaca sie w izolowanej opraw ce i przylegajaca od drugiej strony do dysku ceram icznego, która stanowi drugie polaczenie elektryczne pomiedzy piezoelektrycznym dyskiem ceram icznym , a ele- mentem przewodzacym, który przylega do drugiego konca sprezyny, znam ienny tym, ze element przewo- dzacy (7) przylega pod naciskiem sprezyny (5) do elementu blokujacego (8) polaczonego elektrycznie z obudow a (2) a obwód elektryczny piezoelek- trycznego dysku ceramicznego (4) je st zamkniety, przy czym element przew odzacy (7) posiada m oz- liwosc osiowego przesuwu i otw arcia obwodu elek- trycznego piezoelektrycznego dysku ceramicznego (4) pod naciskiem kabla (9). Fig. 2 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest przetwornik ultradźwiękowy, a zwłaszcza przetwornik ultradźwiękowy do mediów płynnych, posiadający cylindryczną obudowę z płaskim dnem, w której znajduje się piezoelektryczny dysk ceramiczny przylegający do dna obudowy, stanowiącego pierwsze połączenie elektryczne z piezoelektrycznym dyskiem ceramicznym, spręży187 955 nę znajdującą się w izolowanej oprawce i przylegającą od drugiej strony do dysku ceramicznego, która stanowi drugie połączenie elektryczne pomiędzy piezoelektrycznym dyskiem ceramicznym, a elementem przewodzącym, który przylega do drugiego końca sprężyny.

W opisie patentowym DE 43 30 745 C1 przedstawiono przetwornik ultradźwiękowy posiadający cylindryczną obudowę z płaskim dnem, w której znajduje się piezoelektryczny dysk ceramiczny. Dno obudowy posiada obwodowe wyżłobienie biegnące wokół ściany obudowy umożliwiające dostęp lutowia dla elektrycznego połączenia jednej ze stron piezoelektrycznego dysku ceramicznego. Dzięki temu, że wyżłobienie biegnie wokół ściany obudowy do zamocowania piezoelektrycznego dysku ceramicznego nie jest konieczny żaden szczególny punkt lutowania. Jednak samo połączenie za pomocą lutowania ogranicza maksymalną temperaturę, przy jakiej może pracować taki przetwornik.

Z opisu patentowego DK 93 00 409 U4 znany jest przetwornik ultradźwiękowy, w którym piezoelektryczny dysk ceramiczny jest oddzielony od medium płynnego jedynie za pomocącienkiej warstwy metalowej, poprzez którą przekazywane jest na piezoelektryczny dysk ceramiczny ciśnienie medium. Z tego powodu wymagane jest podparcie tylnej strony dysku, które z uwagi na konieczność doprowadzenia przewodów elektrycznych będzie obciążone pewną niedokładnością. Nawet małe ciśnienie medium płynnego może przy tym uszkodzić piezoelektryczny dysk ceramiczny prowadząc nie tylko do zatrzymania pracy przetwornika ultradźwiękowego, ale powodując także ryzyko wycieku medium przez przetwornik.

Celem wynalazku jest prosta i tania konstrukcja przetwornika ultradźwiękowego, zwłaszcza do mediów płynnych, który będzie odporny na wysokie ciśnienie medium płynnego, będzie działał dokładnie w szerokim zakresie temperatur i będzie się składał z zaledwie kilku elementów.

Istotą wynalazku jest przetwornik ultradźwiękowy, który według wynalazku charakteryzuje się tym, że element przewodzący przylega pod naciskiem sprężyny do elementu blokującego połączonego elektrycznie z obudową a obwód elektryczny piezoelektrycznego dysku ceramicznego jest zamknięty, przy czym element przewodzący posiada możliwość osiowego przesuwu i otwarcia obwodu elektrycznego piezoelektrycznego dysku ceramicznego pod naciskiem kabla.

Dzięki temu do połączenia elektrycznego z piezoelektrycznym dyskiem ceramicznym nie jest wymagane lutowanie, zaś obwód elektryczny piezoelektrycznego dysku ceramicznego jest zamknięty po wyjęciu kabla, przez co ponad piezoelektrycznym dyskiem ceramicznym nie tworzy się wysokie napięcie. Dlatego też nie są wymagane żadne dodatkowe obwody zabezpieczające przed wysokim napięciem i unika się jakichkolwiek uszkodzeń układów elektronicznych połączonych z przetwornikiem. Ponadto eliminuje się ryzyko porażenia elektrycznego, jakiego mógłby doświadczyć elektryk mocujący kabel przetwornika.

Korzystne jest, aby obszar przylegania elementu przewodzącego do elementu blokującego uszczelniał wnętrze przetwornika od otoczenia.

Dzięki temu obce ciała nie dostają się do wnętrza przetwornika, kiedy oprawka jest odkręcona. Pozwala to na przyspawanie obudowy przetwornika do konstrukcji rurowej na długo przed zmontowaniem reszty układu przepływowego.

Grubość dna obudowy przetwornika może być dostosowana do długości fali ultradźwięków materiału obudowy. Dzięki temu dysk piezoelektryczny oscyluje zgodnie z częstotliwością rezonansową dna obudowy tak, że transmisja drgań poprzez dno obudowy zachodzi przy niskich stratach.

Korzystne jest także, kiedy kabel jest zamocowany w oprawce wkręconej w obudowę i posiadającej elementy mocujące kabel. Pierwszy przewód kabla może być wówczas połączony z obudową za pośrednictwem kołnierza przylegającego do elementu blokującego, a drugi przewód kabla może być połączony z elementem przewodzącym, za pośrednictwem występu osiowego oprawki, przylegającego wraz z drugim przewodem kabla do elementu przewodzącego. Element przewodzący jest wtedy oddalony od elementu blokującego w kierunku przeciwnym do nacisku sprężyny.

187 955

Osiąga się przez to proste i efektywne połączenie kablowe nie wymagające lutowania. Uniknięcie lutowania umożliwia zastosowanie przetwornika ultradźwiękowego według wynalazku w wysokich temperaturach, które mogłyby spowodować stopienie się lutowia.

Korzystne jest wówczas, aby występ osiowy oprawki miał formę dysku izolacyjnego i przewodzącej płytki oporowej, mających odpowiednie otwory dla drugiego przewodu kabla.

Pozwala to na bezpośrednie połączenie drugiego przewodu kabla z elementem przewodzącym i dalej, za pośrednictwem sprężyny, z piezoelektrycznym dyskiem ceramicznym.

Korzystne jest wówczas także, aby kołnierz oprawki posiadał szyjkę z otworem dla wyprowadzenia drugiego przewodu oraz izolatora kabla, a pierwszy przewód kabla znajdował się po zewnętrznej stronie szyjki kołnierza oporowego, która wraz z pierwszym przewodem kabla jest otoczona rurką.

Pierwszy odcinek kabla przetwornika ultradźwiękowego według wynalazku jest korzystnie odporny na działanie wysokich temperatur i jest połączony z drugim odcinkiem kabla przyłączeniowego za pośrednictwem układu kablowego zawierającego obwód elektroniczny.

Dzięki umieszczeniu obwodu elektronicznego poza wnętrzem przetwornika może on pracować w wysokich temperaturach otoczenia.

Korzystne jest ponadto, aby obwód elektroniczny układu kablowego zawierał cewkę dostosowania impedancji obwodu rezonansowego.

Dzięki temu piezoelektryczny dysk ceramiczny wraz z cewką tworzy obwód oscylacyjny, którego częstotliwość rezonansowa jest zbieżna z częstotliwością sygnału dostarczanego do obwodu rezonansowego.

Obwód elektroniczny układu kablowego posiada ponadto korzystnie elementy wzmacniania i konwersji impedancji od strony przetwornika ultradźwięków, jak i kabla przyłączeniowego.

Dzięki temu długość kabla pomiędzy przetwornikiem ultradźwiękowym a układem pomiarowym nie ma większego znaczenia.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony bliżej w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój przez obudowę przetwornika, fig. 2 - przekrój przetwornika z zamocowanym kablem, a fig. 3 - połączenie kablowe i układ kablowy przetwornika.

Na rysunku fig. 1 przedstawiono obudowę przetwornika 2 z dnem 3 stanowiącym płaszczyznę transmisji ultradźwięków, generowanych przez piezoelektryczny dysk ceramiczny 4, który utrzymuje swoją pozycję na dnie 3 obudowy 2 wskutek nacisku sprężyny 5. Sprężyna 5 jest wprowadzona w oprawkę 6, i od strony przeciwnej do piezoelektrycznego dysku ceramicznego 4 przylega do elementu przewodzącego 7, który na skutek ciśnienia wywieranego przez sprężynę 5 przylega do elementu blokującego 8.

Pierwsze połączenie elektryczne z piezoelektrycznym dyskiem ceramicznym 4 zapewnia obudowa 2 i dno 3.

Drugie połączenie elektryczne z piezoelektrycznym dyskiem ceramicznym 4 zapewnia sprężyna 5 znajdująca się w izolowanej oprawce 6.

Jak pokazano na rysunku fig. 1 element przewodzący 7 i element blokujący 8 przylegają do siebie, co skutkuje zamknięciem obwodu elektrycznego piezoelektrycznego dysku ceramicznego 4 i zapobiega tworzeniu się wysokiego napięcia ponad piezoelektrycznym dyskiem ceramicznym 4, które generowałoby się podczas zmian temperatury. Poprzez zwarcie piezoelektrycznego dysku ceramicznego 4 podczas transportu i przechowywania przetwornika eliminuje się ryzyko porażenia elektrycznego, jakiego mógłby doznać elektryk, który ostatecznie podłączy kabel przetwornika.

Na rysunku fig. 2 przedstawiono przetwornik ultradźwiękowy 1 z zamocowaną oprawką 13 kabla 9. Kabel 9 posiada pierwszy przewód 10, izolator 11 i drugi przewód 12. Podczas dokręcania oprawki 13 podkładka sprężynująca 18 naciska na pierwszy przewód 10 tak, że przylega on do przewodzącego kołnierza 14. Pierwszy przewód 10 może być również zamocowany za pomocą rurki 15 zaciśniętej wokół kabla 9 po jego zamocowaniu w kołnierzu 14. Drugi przewód 12, który jest izolowany, wychodzi przez kołnierz 14 i dysk izolacyjny 16 i styka się z płytka oporową 17. Koniec drugiego przewodu 12 kabla 9 przedstawionego na rysunku fig. 2 jest

187 955 zagięty. Kabel 9 jest ponadto zabezpieczony wlotem przewodowym 19 zaciśniętym wokół kabla za pomocą nakrętki łączącej 20.

Podczas dokręcania oprawki 13 płytka oporowa 17 i zagięty koniec drugiego przewodu 12 kabla 9 zetkną się z elementem przewodzącym 7. Dalsze dokręcanie oprawki 13 spowoduje ściśnięcie sprężyny 5 i otworzy obwód elektryczny pomiędzy elementem przewodzącym 7 a elementem blokującym 8. Przetwornik ultradźwiękowy 1 jest wtedy gotowy do działania.

Na rysunku fig. 3 przedstawiono oprawkę 13 kabla 9 w stanie rozmontowanym - kabel 9 jest zamocowany w przewodzącym kołnierzu 14, a podkładka sprężynująca 18 nie jest ściśnięta. Podkładka sprężynująca 18 jest ściskana jedynie podczas wkręcania oprawki 13 i wówczas dociska ona pierwszy przewód 10 kabla 9 do kołnierza przewodzącego 14. Po zakręceniu nakrętki łączącej 20 kabel 9 będzie zamocowany we wlocie przewodowym 19. Kabel 9 prowadzi do układu kablowego 21, zawierającego obwód elektroniczny 22. Z obwodu elektronicznego 22 i układu kablowego 21 kolejny odcinek kabla przyłączeniowego 23 prowadzi do obwodu pomiarowego, z którym współpracuje przetwornik ultradźwiękowy 1.

Obwód elektroniczny 22 może się składać z cewki dostosowania impedancji dla uzyskania obwodu rezonansowego pomiędzy cewką, a piezoelektrycznym dyskiem ceramicznym 4. Obwód elektroniczny 22 może również zawierać elementy wzmacniania i konwersji impedancji zarówno od strony kabla 9 jak i kabla przyłączeniowego 23. Kabel przyłączeniowy 23 może doprowadzać do obwodu elektrycznego 22 wymagany prąd, umożliwiając jednocześnie transmisję sygnałów pomiarowych. Dzięki ostatecznej obróbce sygnału w pobliżu przetwornika ultradźwiękowego 1 osiąga się najkorzystniejszą formę transmisji sygnału nawet na znaczną odległość.

Przetwornik ultradźwiękowy 1 jest szczególnie dostosowany do pracy pod wysokim ciśnieniem, ponieważ dno 3 oraz obudowa 2 są odporne na wysokie ciśnienie otoczenia, a jego konstrukcja jest szczególnie dostosowana do pracy w skrajnie wysokich temperaturach, ponieważ do połączenia kablowego nie jest konieczne lutowanie. Górny zakres temperatury zależy wyłącznie od rodzaju zastosowanego kabla. Jeżeli kabel 9 jest specjalnym kablem wysokotemperaturowym przetwornik ultradźwiękowy 1, może pracować w temperaturach od 400°C do 500°C. Kabel przyłączeniowy 23 może być natomiast zwykłym kablem, ponieważ zakłada się, że będzie on pracował przy względnie niskich temperaturach otoczenia.

187 955

Fig. 2

187 955

22

Fig. 3

187 955

Fig. 1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Przetwornik ultradźwiękowy, a zwłaszcza przetwornik ultradźwiękowy do mediów płynnych, posiadający cylindryczną obudowę z płaskim dnem, w której znajduje się piezoelektryczny dysk ceramiczny przylegający do dna obudowy, stanowiącego pierwsze połączenie elektryczne z piezoelektrycznym dyskiem ceramicznym, sprężynę znajdującą się w izolowanej oprawce i przylegającą od drugiej strony do dysku ceramicznego, która stanowi drugie połączenie elektryczne pomiędzy piezoelektrycznym dyskiem ceramicznym, a elementem przewodzącym, który przylega do drugiego końca sprężyny, znamienny tym, że element przewodzący (7) przylega pod naciskiem sprężyny (5) do elementu blokującego (8) połączonego elektrycznie z obudową (2) a obwód elektryczny piezoelektrycznego dysku ceramicznego (4) jest zamknięty, przy czym element przewodzący (7) posiada możliwość osiowego przesuwu i otwarcia obwodu elektrycznego piezoelektrycznego dysku ceramicznego (4) pod naciskiem kabla (9).
2. 2. Przetwornik ultradźwiękowy według zastrz. 1, znamienny tym, że obszar przylegania elementu przewodzącego (7) do elementu blokującego (8) jest szczelny.
3. 3. Przetwornik ultradźwiękowy według zastrz. 1, znamienny tym, że kabel (9) jest zamocowany w oprawce (13) wkręconej w obudowę (2), która posiada elementy (15, 18, 19) mocujące kabel, przy czym pierwszy przewód (10) kabla (9) jest połączony z obudową (2) za pośrednictwem kołnierza (14) przylegającego do elementu blokującego (8), a drugi przewód (12) kabla (9) jest połączony z elementem przewodzącym (7), za pośrednictwem występu osiowego (16, 17) oprawki (13), przylegającego wraz z drugim przewodem (12) kabla (9) do elementu przewodzącego (7), zaś element przewodzący (7) jest oddalony od elementu blokującego (8) w kierunku przeciwnym do nacisku sprężyny (5).
4. 4. Przetwornik ultradźwiękowy według zastrz. 3, znamienny tym, że występ osiowy oprawki (13) ma formę dysku izolacyjnego (16) i przewodzącej płytki oporowej (17), mających odpowiednie otwory dla drugiego przewodu (12) kabla (9).
5. 5. Przetwornik ultradźwiękowy według zastrz. 3, znamienny tym, że kołnierz (14) oprawki (13) posiada szyjkę z otworem dla wyprowadzenia drugiego przewodu (12) oraz izolatora (11) kabla (9), a pierwszy przewód (10) kabla (9) znajduje się po zewnętrznej stronie szyjki kołnierza (14), która wraz z pierwszym przewodem (10) kabla (9) jest otoczona rurką (15).
6. 6. Przetwornik ultradźwiękowy według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy odcinek kabla (9) jest odporny na działanie wysokich temperatur i jest połączony z drugim odcinkiem kabla przyłączeniowego (23) za pośrednictwem układu kablowego (21) zawierającego obwód elektroniczny (22).
7. 7. Przetwornik ultradźwiękowy według zastrz. 6, znamienny tym, że obwód elektroniczny (22) układu kablowego (21) zawiera cewkę dostosowania impedancji obwodu rezonansowego.
8. 8. Przetwornik ultradźwiękowy według zastrz. 6, znamienny tym, że obwód elektroniczny (22) układu kablowego (21) posiada elementy wzmacniania i konwersji impedancji od strony przetwornika ultradźwięków (1), jak i kabla przyłączeniowego (23).