PL233985B1

PL233985B1 - System for measuring temperature of the ultrasonic converter

Info

Publication number: PL233985B1
Application number: PL424368A
Authority: PL
Inventors: Witold Kardyś; Marcin Kiełbasiński; Piotr Kluk
Original assignee: Siec Badawcza Lukasiewicz – Instytut Tele I Radiotechniczny; Sieć Badawcza Łukasiewiczinstytut Telei Radiotechniczny
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2019-12-31
Also published as: PL424368A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru temperatury przetwornika ultradźwiękowego umożliwiający bezkontaktowy pomiar temperatury stosu ceramiki piezoelektrycznej z zachowaniem izolacji galwanicznej od napięcia zasilającego przetwornik.The subject of the invention is a system for measuring the temperature of an ultrasonic transducer enabling non-contact temperature measurement of a stack of piezoelectric ceramics while maintaining galvanic isolation from the voltage supplying the transducer.

Znany jest z literatury oraz z opisów patentowych PL226175, CN105339098, US2017173855 przetwornik ultradźwiękowy zawierający stos ceramiki piezoelektrycznej nazywany przetwornikiem typu sandwitch. Kontrola temperatury ceramiki piezoelektrycznej jest bardzo istotna dla poprawnej pracy przetwornika i wykrywania możliwego uszkodzenia przetwornika. Osiągnięcie temperatury krytycznej, zwanej temperaturą Curie, powoduje zniszczenie przetwornika. Przetwornik taki wytwarza drgania mechaniczne o częstotliwości ultradźwiękowej, co utrudnia kontaktowy pomiar temperatury ceramiki w przetworniku.It is known from the literature and from patents PL226175, CN105339098, US2017173855 an ultrasonic transducer containing a stack of piezoelectric ceramics called a sandwitch transducer. Temperature control of piezoelectric ceramics is very important for the correct operation of the transducer and for detecting possible damage to the transducer. Reaching a critical temperature, known as the Curie temperature, destroys the transducer. Such a transducer generates mechanical vibrations at ultrasonic frequency, which makes contact measurement of the temperature of ceramics in the transducer difficult.

Znany jest z opisu patentowego PL225675 ultradźwiękowy przetwornik elektromechaniczny o konstrukcji kanapkowej wyposażony w kontaktowy pomiar temperatury za pomocą termistora umieszczonego w śrubie skręcającej przetwornik. Wadą tego rozwiązania jest narażenie termistora na drgania ultradźwiękowe, co może powodować jego uszkodzenie. Wadą jest również konieczność nawiercenia otworu w śrubie skręcającej co osłabia wytrzymałość na rozciąganie tej śruby, która poddawana jest bardzo dużym naprężeniom podczas skręcania przetwornika oraz jego późniejszej eksploatacji.There is known from the patent description PL225675 an ultrasonic electromechanical transducer of sandwich construction, equipped with contact temperature measurement by means of a thermistor placed in the screw that twists the transducer. The disadvantage of this solution is the exposure of the thermistor to ultrasonic vibrations, which may damage it. Another disadvantage is the need to drill a hole in the twisting bolt, which weakens the tensile strength of this bolt, which is subjected to very high stresses during the twisting of the transducer and its subsequent operation.

Znany jest z literatury pirometr, czyli układ do bezkontaktowego pomiaru temperatury za pomocą pomiaru promieniowania podczerwonego emitowanego przez element, którego temperatura jest badana. Bezpośrednie zastosowanie pirometru do pomiaru temperatury przetwornika ultradźwiękowego nie jest możliwe, ponieważ ceramika piezoelektryczna przetwornika zamknięta jest w obudowie stanowiącej osłonę i mocowanie przetwornika.A pyrometer is known from the literature, i.e. a system for non-contact temperature measurement by measuring the infrared radiation emitted by the element whose temperature is being tested. The direct use of a pyrometer to measure the temperature of an ultrasonic transducer is not possible because the piezoelectric ceramics of the transducer is enclosed in a housing that protects and mounts the transducer.

Istotą wynalazku jest układ do pomiaru temperatury przetwornika ultradźwiękowego złożony z przetwornika ultradźwiękowego, pirometru, oraz obudowy. W obudowie przetwornika ultradźwiękowego umieszczony jest pirometr w taki sposób, że jego obszar czułości obejmuje co najmniej jeden dysk ceramiki piezoelektrycznej. Pirometr jest umieszczony w takiej odległości od powierzchni dysków ceramiki piezoelektrycznej by zapewnić dostateczną izolację elektryczną od napięcia zasilania przetwornika ultradźwiękowego dostarczanego do okładek poprzez złącze zasilania. Korzystne jest by zastosowany pirometr był czuły na promieniowanie o długości fali 14 nm, co odpowiada długości fali emitowanej najsilniej przez ceramikę piezoelektryczną.The essence of the invention is a system for measuring the temperature of an ultrasonic transducer consisting of an ultrasonic transducer, a pyrometer and a housing. In the housing of the ultrasound transducer, a pyrometer is arranged such that its sensitive area includes at least one disk of piezoelectric ceramics. The pyrometer is placed at such a distance from the surface of the piezoelectric ceramic disks to ensure sufficient electrical isolation from the ultrasonic transducer supply voltage supplied to the covers through the power connector. It is preferred that the pyrometer used is sensitive to radiation with a wavelength of 14 nm, which corresponds to the wavelength most emitted by the piezoelectric ceramic.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat ideowy układu.The subject of the invention is shown in the embodiment in the drawing which shows a schematic diagram of the system.

W obudowie 5 przetwornika ultradźwiękowego 1 umieszczony jest pirometr 4 w taki sposób, że jego obszar czułości 6 obejmuje co najmniej jeden dysk ceramiki piezoelektrycznej 2. Pirometr jest umieszczony w takiej odległości od powierzchni dysków ceramiki piezoelektrycznej 2, by zapewnić dostateczną izolację elektryczną od, dostarczanego do okładek 3, napięcia zasilania przetwornika ultradźwiękowego 1 ze złącza zasilania 7.In the housing 5 of the ultrasound transducer 1 a pyrometer 4 is arranged such that its sensitivity area 6 includes at least one disk of piezoelectric ceramics 2. The pyrometer is placed at such a distance from the surface of the disks of piezoelectric ceramics 2 to ensure sufficient electrical isolation from that supplied to it. cover 3, the supply voltage of the ultrasonic transducer 1 from the power connector 7.

Zasada działania układu polega na tym, że dyski ceramiki piezoelektrycznej 2 zasilane są napięciem przemiennym dostarczanym do okładek 3. Dyski ceramiki piezoelektrycznej 2 wytwarzają drgania mechaniczne dzięki efektowi piezoelektrycznemu odwrotnemu. W czasie tego procesu, wydzielona zostaje pewna ilość energii strat w postaci ciepła podgrzewającego dyski ceramiki piezoelektrycznej 2, które emitują promieniowanie cieplne, szczególnie o długości fali 14 nm. Pirometr 4 umieszczony trwale w obudowie 5 odbiera to promieniowanie i zamienia na sygnał elektryczny proporcjonalny do temperatury dysków ceramiki piezoelektrycznej 2. Pirometr 4 umieszczony jest w obudowie 5 w taki sposób, by jego obszar czułości 6, wyznaczony przez stożek o określonym koncie rozwarcia, obejmował co najmniej jeden dysk ceramiki piezoelektrycznej 2. Pirometr 4 umieszczony jest również w taki sposób, by odległość czoła pirometru 4 od dysków ceramiki piezoelektrycznej 2 oraz ich okładek 3 była na tyle duża, by zapewnić dostateczną izolację galwaniczną od napięcia zasilania przetwornika ultradźwiękowego 1.The principle of operation of the system is based on the fact that the disks of the piezoelectric ceramics 2 are supplied with the alternating voltage supplied to the covers 3. The disks of piezoelectric ceramics 2 generate mechanical vibrations due to the reverse piezoelectric effect. During this process, a certain amount of loss energy is released in the form of heat, heating the disks of piezoelectric ceramics 2, which emit thermal radiation, especially with a wavelength of 14 nm. The pyrometer 4 placed permanently in the housing 5 receives this radiation and converts it into an electrical signal proportional to the temperature of the piezoelectric ceramic discs 2. The pyrometer 4 is placed in the housing 5 in such a way that its sensitivity area 6, defined by a cone with a defined opening angle, covers what at least one disk of piezoelectric ceramics 2. The pyrometer 4 is also arranged in such a way that the distance between the front of the pyrometer 4 and the disks of piezoelectric ceramics 2 and their covers 3 is large enough to ensure sufficient galvanic isolation from the supply voltage of the ultrasonic transducer 1.

Główną zaletą układu jest to, że pomiar temperatury ceramiki piezoelektrycznej przetwornika ultradźwiękowego odbywa się bezkontaktowo, zapewniając dużą niezawodność układu pomiarowego. Zaletą układu jest również to, że pirometr 4 nie jest sprzężony mechanicznie z elementami drgającymi przetwornika ultradźwiękowego 1 i nie jest on poddawany drganiom ultradźwiękowym, co zapewnia jego poprawną pracę. Pirometr 4 dokonuje bezpośredniego pomiaru promieniowania emitowanego przez dyski ceramiki piezoelektrycznej 2, ponieważ znajduje się w niewielkiej odległości od tych dysków.The main advantage of the system is that the temperature measurement of the piezoelectric ceramics of the ultrasonic transducer is non-contact, ensuring high reliability of the measuring system. The arrangement also has the advantage that the pyrometer 4 is not mechanically coupled to the vibrating elements of the ultrasonic transducer 1 and is not subjected to ultrasonic vibrations, which ensures its correct operation. The pyrometer 4 measures directly the radiation emitted by the disks of the piezoelectric ceramic 2 because it is located a short distance from the disks.

PL 233 985 Β1PL 233 985 Β1

Dzięki temu, błąd pomiaru utrzymany jest na niewielkim poziomie oraz nie występuje opóźnienie pomiędzy wartością zmierzoną a temperaturą rzeczywistą dysków ceramiki piezoelektrycznej 2.As a result, the measurement error is kept small and there is no delay between the measured value and the actual temperature of the piezoelectric ceramic disks 2.

Kolejną zaletą układu jest izolacja galwaniczna sygnału pomiarowego temperatury od napięcia zasilania przetwornika ultradźwiękowego oraz brak konieczności ingerencji w konstrukcję elementów drgających przetwornika, ponieważ układ pomiarowy nie jest sprzężony mechanicznie z żadnym z elementów drgających.Another advantage of the system is the galvanic isolation of the temperature measurement signal from the supply voltage of the ultrasonic transducer and no need to interfere with the structure of the transducer vibrating elements, because the measuring system is not mechanically coupled to any of the vibrating elements.

Claims

Patent claim

A system for measuring the temperature of an ultrasonic transducer consisting of an ultrasonic transducer, a pyrometer and a housing, characterized in that a pyrometer (4) is located in the housing (5) of the ultrasonic transducer (1), preferably sensitive to radiation with a wavelength of 14 nm, such a way that its sensitive area (6) covers at least one piezoelectric ceramic disk (2) and is placed at such a distance from the surface of the piezoelectric ceramic disks (2) to ensure sufficient electrical isolation from the supply voltage of the ultrasonic transducer (1) supplied to covers (3) through the power connector (7).