PT1448966E - Transdutor de ultra-sons destinado a ser utilizado sob condições climatéricas extremas. - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "TRANSDUTOR DE ULTRA-SONS DESTINADO A SER UTILIZADO SOB CONDIÇÕES CLIMATÉRICAS EXTREMAS" A invenção refere-se a um transdutor de ultra-sons de acordo com o conceito genérico da reivindicação 1.

No âmbito das tecnologias de medição utilizam-se predominantemente transdutores de ultra-sons para as gamas baixa e média de potências. A anemometria acústica ou de ultra-sons, isto é, a medição da velocidade e da direcção do vento, coloca exigências particularmente elevadas em relação à capacidade de funcionamento destes transdutores de ultra-sons sob quaisquer condições climatéricas que possam ocorrer.

Na anemometria por ultra-sons, mas também na medição de distâncias por meio de ultra-sons, são gerados do lado do emissor, para medir o tempo de propagação do sinal, um impulso acústico ou uma série de ondas, que do lado do receptor serão reconvertidos num sinal eléctrico. A seguir serão descritos alguns requisitos que se torna necessário colocar em relação às características e às funcionalidades dos transdutores de ultra-sons a instalar no exterior. A eficiência da conversão do lado do emissor do sinal eléctrico num sinal acústico, e vice-versa do lado do receptor, 1 deverá manter-se constante ao longo de uma larga gama de temperaturas.

Nos transdutores de ultra-sons em ressonância a frequência de ressonância dos mesmos e o comportamento direccional da emissão (lóbulo, em inglês lobe) só se deveria alterar pouco em consequência de variações de temperatura e de variações de massa nas superfícies do conversor de som que se encontram a descoberto, por exemplo devido à acumulação de pingos de chuva. A formação de camadas de gelo nas superfícies a descoberto do transdutor de ultra-sons em condições de formação de geada não deve provocar a falha do sistema. Dado que no entanto não é previsível a duração de uma tal situação de geada, torna-se em última análise necessário impedir de maneira segura a formação de uma camada de gelo ou de geada mesmo quando as velocidades do vento forem elevadas.

Um congelamento dos transdutores de ultra-sons pode ser impedido de maneira eficaz, por exemplo mediante um aquecimento suficientemente forte dos mesmos, fazendo com que a temperatura da superfície acusticamente activa seja mantida na gama das temperaturas positivas (> 0 °C) .

Todos os transdutores de ultra-sons possuem um conversor de potência electromecânico que se baseia no efeito piezoeléctrico ou no efeito magneto-dinâmico, tratando-se de transdutores mediante os quais um sinal eléctrico pode ser convertido num movimento (por exemplo variação do comprimento por acção do efeito piezoeléctrico) ou vice-versa. 2

Ao utilizar um tal transdutor para gerar uma onda sonora no ar, a transmissão da potência mecânica do corpo sólido do transdutor, que tem uma impedância acústica relativamente elevada, para o ar, que tem uma impedância acústica muito baixa, só consegue ser levada a efeito, se não forem tomadas outras medidas, com grandes perdas de adaptação.

Para reduzir as perdas de adaptação utilizam-se da maneira conhecida camadas λ/4, que no presente registo de patente são genericamente designadas por camadas de adaptação e que, numa situação ideal, apresentam uma impedância acústica situada perto do valor médio geométrico das impedâncias do corpo sólido do transdutor e do ar. Não se consegue na prática obter a melhor adaptação de impedância possível, dado que não é possível atingir a impedância acústica ideal acima referida com um qualquer material ou compósito de materiais conhecidos. A impedância acústica de um material é o produto da densidade do material com a velocidade do som nesse material.

Esta relação indica desde logo que os materiais ou os compósitos de materiais apropriados para camadas de adaptação apresentam regra geral uma densidade reduzida.

Simultaneamente a camada de adaptação não deve provocar uma atenuação demasiado grande da onda acústica.

Quase todos os materiais ou compósitos de materiais utilizáveis para as camadas de adaptação em relação ao ar uma apresentam, devido às suas características físicas, 3 condutibilidade térmica muito reduzida quando comparada com a dos metais.

As exigências em relação às suas caracteristicas acústicas são infelizmente directamente opostas às da boa condutibilidade térmica pretendida, que é necessária para poder efectuar um aquecimento em caso de geada.

Pelo documento DE 19957125 AI ficou a ser conhecido um transdutor de ultra-sons que comporta um conversor piezoeléctrico e uma camada de adaptação. Este transdutor de ultra-sons serve para detectar o afastamento em relação a objectos segundo o método do tempo de propagação do eco.

Pelo documento US 4891796 ficou por um lado a ser conhecida uma unidade emissora e receptora de ultra-sons na qual uma borracha electricamente condutora e resistente às oscilações está disposta no elemento oscilante, sendo aquecida para impedir o seu congelamento. Nada se descreve em pormenor em relação ao local de montagem da borracha. Por outro lado descreve-se uma unidade emissora e receptora de ultra-sons que está provida de um dispositivo de aquecimento para impedir o seu congelamento e que é constituída por um conjunto de secções de uma pasta resistiva com um coeficiente de temperatura positivo, secções essas que se estendem em grande área abaixo de uma superfície na direcção da qual se abrem o emissor e o receptor da unidade.

Pelo documento US 4890488 ficou a ser conhecido em relação a um anemómetro de ultra-sons um método de se opor à formação de geada por acção de um aquecimento, o que no entanto é recusado nesse documento pelo motivo de gastar demasiada energia. Em vez disso pretende-se modificar o sinal de ultra-sons utilizado para 4 a medição, para que o mesmo seja menos perturbado pelo congelamento.

Pelo documento WO 98/38528 ficou a ser conhecido um aparelho de medição de distâncias que comporta um transdutor e um elemento de aquecimento. A invenção tem o objectivo de integrar de maneira especialmente eficaz um elemento de aquecimento na estrutura de um transdutor de ultra-sons.

Este objectivo atinge-se pela adopção de um transdutor de ultra-sons com as caracteristicas enunciadas na reivindicação 1 da patente. Formas de realização vantajosas do transdutor de ultra-sons encontram-se indicadas nas reivindicações dependentes 2 a 9.

Tornou-se necessário vencer, empregando uma certa capacidade de invenção, os problemas a seguir referidos: A camada de adaptação é composta por um compósito de materiais que tem uma má condutibilidade térmica. Através da modificação do compósito de materiais foi necessário melhorar a condutibilidade térmica de um factor de pelo menos 2, sem piorar simultaneamente de maneira decisiva a adaptação acústica. 0 fluxo térmico deverá percorrer um trajecto tão curto quanto possível através da camada de adaptação, que tem uma má condutibilidade térmica, para manter tão reduzido quanto possível o efeito de resfriamento devido à acção de um vento forte. A impedância térmica da superfície da camada de adaptação em relação à envolvente depende em larga medida da velocidade do 5 fluxo do ar (é neste efeito, que no presente caso é indesejável, que se baseiam os anemómetros térmicos). 0 elemento de aquecimento deverá manter constante a sua temperatura de maneira tanto quanto possível automática para que se possa impedir com segurança um sobreaquecimento em caso de falta de resfriamento por acção do ar em circulação (devido à geometria do transdutor de ultra-sons torna-se praticamente impossível a montagem de um sensor de temperatura para servir de captador de valor actual para ser processado num sistema de controlo).

Tornou-se necessário escolher para a temperatura do elemento de aquecimento um valor bastante elevado (cerca de 90 °C) devido à resistência térmica da camada de adaptação, que continua a ser alta.

Simultaneamente torna-se necessário contar com um elevado choque térmico que se faz sentir a cada ligação do aquecimento de um transdutor de ultra-sons resfriado.

No decorrer desta operação podem ocorrer durante um curto intervalo de tempo diferenças de temperatura até 120 K entre os componentes do transdutor de ultra-sons.

Por esse motivo os materiais escolhidos deverão apresentar aproximadamente os mesmos coeficientes de temperatura ou então torna-se necessário fixar mecanicamente de maneira apropriada as diversas camadas para impedir uma inutilização devido à formação de fissuras e de rompimentos. 6

Os materiais de uma piezocerâmica utilizados para servirem de conversor electroacústico, bem como uma resistência PTC similar a uma cerâmica, utilizada para servir de elemento de aquecimento, não se distinguem significativamente no que se refere aos seus coeficientes de dilatação térmica, de modo que mesmo uma ligação em superfície com solda de estanho permanece funcional nas geometrias aqui presentes. 0 coeficiente de dilatação do material da camada de adaptação distingue-se no entanto consideravelmente do dos materiais acima referidos (piezocerâmica e cerâmica PTC), de modo que ocorrem tensões mecânicas consideráveis na presença das temperaturas de serviço distintas que podem ocorrer nas superfícies limite situadas entre os diversos materiais.

Torna-se necessário impedir de maneira segura uma danificação, uma alteração das características ou mesmo uma falha do transdutor em consequência destas tensões mecânicas. A massa dos elementos acusticamente activos do transdutor é substancialmente aumentada pela montagem no trajecto acústico de uma camada de aquecimento com atenuação reduzida. Em virtude disso o sensor, ao ser excitado, continua a oscilar durante um tempo bastante mais longo quando for excitado na situação de emissão. Para mesmo assim obter a taxa de aquisição de valor de medição máxima possível, que depende do comprimento do trajecto de medição, será conveniente prever uma atenuação passiva para o sensor, obtida pela montagem de um material apropriado. A figura 1 mostra uma forma de realização preferida do novo transdutor de ultra-sons, num corte transversal. Neste transdutor de ultra-sons o relacionamento dos componentes do 7 seguir mesmo consta da lista de índices de referência apresentada.

Lista de índices de referência: 1 transdutor 2 elemento de aquecimento 3 camada de adaptação 4 camada de solda de estanho 5 camada de solda de estanho 6 aro metálico 7 aro 8 condutor de massa 9 condutor de sinal 10 condutor de aquecimento

Lisboa, 25 de Maio de 2007 8

Claims (10)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Transdutor de ultra-sons comportando uma superfície acústica que se encontra a descoberto, um conversor electromecânico (1) que tem uma superfície acusticamente activa, uma camada (3) de adaptação acústica que está disposta à frente da superfície acusticamente activa do conversor (1) e que configura a superfície acústica que se encontra a descoberto, e um elemento (2) de aquecimento eléctrico, caracterizado por o elemento (2) de aquecimento estar assente na superfície acusticamente activa do conversor (1), tendo um eléctrodo de ligação do conversor (1) junto da sua superfície acusticamente activa uma ligação metálica em toda a sua superfície com um eléctrodo de ligação do elemento (2) de aquecimento.
2. 2. Transdutor de ultra-sons de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o elemento (2) de aquecimento comportar um material cerâmico para obter uma resistência PTC que, devido à redução da sua condutibilidade eléctrica em função da temperatura, providencia uma auto-regulação da temperatura.
3. 3. Transdutor de ultra-sons de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por a camada (3) de adaptação acústica, que configura a superfície acústica do transdutor e que se encontra a descoberto, estar assente no elemento (2) de aquecimento.
4. 4. Transdutor de ultra-sons de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os eléctrodos de ligação estarem ligados 1 uns com os outros por intermédio de uma camada (4) de solda de estanho.
5. 5. Transdutor de ultra-sons de acordo com as reivindicações 1 ou 4, caracterizado por os eléctrodos de ligação estarem ligados em conjunto a um condutor (8) de massa.
6. 6. Transdutor de ultra-sons de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 5, caracterizado por estar também fixado sobre o elemento (2) de aquecimento um aro metálico (6) que envolve lateralmente a camada (3) de adaptação.
7. 7. Transdutor de ultra-sons de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o aro metálico (6) estar ligado com o eléctrodo de ligação dianteiro do elemento (2) de aquecimento por meio de uma camada (5) de solda de estanho.
8. 8. Transdutor de ultra-sons de acordo com as reivindicações 6 ou 7, caracterizado por o aro metálico (6) manter ligada a camada (3) de adaptação e providenciar a sua centragem forçada.
9. 9. Transdutor de ultra-sons de acordo com qualquer das reivindicações 6 a 8, caracterizado por sobre o aro metálico (6) estar disposto um aro (7) feito de um material acusticamente passivo, com propriedades atenuadores.
10. 10. Transdutor de ultra-sons de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 9, caracterizado por o transdutor (1) comportar um material piezoeléctrico ou magneto-dinâmico, por o elemento (2) de aquecimento estar dimensionado para uma temperatura de aquecimento de 80 a 90 °C e por a camada (3) 2 de adaptação permanecer termicamente estável até temperatura de aquecimento, mantendo inalteradas as propriedades acústicas. Lisboa, 25 de Maio de 2007 essa suas 3