RU169297U1 - ELECTRO-ACOUSTIC OPTICAL TRANSMITTER TO ULTRASONIC FLOW METERS - Google Patents
ELECTRO-ACOUSTIC OPTICAL TRANSMITTER TO ULTRASONIC FLOW METERS Download PDFInfo
- Publication number
- RU169297U1 RU169297U1 RU2016146340U RU2016146340U RU169297U1 RU 169297 U1 RU169297 U1 RU 169297U1 RU 2016146340 U RU2016146340 U RU 2016146340U RU 2016146340 U RU2016146340 U RU 2016146340U RU 169297 U1 RU169297 U1 RU 169297U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric element
- wedge
- converter according
- acoustic
- damper
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
- G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к измерительным приборам, конкретнее к ультразвуковым расходомерам для трубопроводов, в частности к накладным электроакустическим преобразователям. Накладной преобразователь электроакустический к ультразвуковым расходомерам содержит корпус из пластика с крышкой, выполненный в виде клина, и установленные в корпусе пьезоэлемент с токоподводами, направленный приемно-излучающей поверхностью в сторону клина, демпфер, примыкающий к задней поверхности пьезоэлемента, прижимную пластину, при этом в него дополнительно введены термокомпенсатор, расположенный между демпфером и прижимной пластиной, и акустический согласователь, связанный с приемно-излучающей поверхностью пьезоэлемента и клином. Технический результат – повышение стабильности и точности измерения и эксплуатационного срока службы датчика. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to measuring devices, and more particularly to ultrasonic flow meters for pipelines, in particular to overhead electro-acoustic transducers. The on-board transducer electroacoustic to ultrasonic flow meters contains a plastic case with a cover made in the form of a wedge, and a piezoelectric element with current leads installed in the case, directed by the receiving-emitting surface towards the wedge, a damper adjacent to the back surface of the piezoelectric element, a pressure plate, while additionally introduced a temperature compensator located between the damper and the pressure plate, and an acoustic coordinator associated with the receiving-radiating surface of the piezoelectric element and ling. EFFECT: increased stability and accuracy of measurement and operational life of the sensor. 9 s.p. f-ly, 2 ill.
Description
Полезная модель относится к измерительным приборам, конкретнее к ультразвуковым расходомерам для трубопроводов, в частности к накладным электроакустическим преобразователям.The utility model relates to measuring devices, and more particularly to ultrasonic flow meters for pipelines, in particular to overhead electro-acoustic transducers.
Из уровня техники известна полезная модель «Ультразвуковой измерительный преобразователь и узел крепления пьезоэлемента» (патент RU 1143, G01F 1/66, опубликован 16.11.1995), содержащий корпус с размещенным в нем металлическим звукопередающим узлом, выполненным в форме клина с наклеенным на нем пьезоэлементом, в котором наибольшая прямоугольная грань звукопередающего узла выполнена в виде подошвы, наружные размеры которой выступают за габариты узла и в пределах допусков на изготовление совпадают с внутренними размерами среза стенок корпуса, причем подошва узла соединена с корпусом пайкой, а нижний срез подошвы выступает ниже плоскости среза стенок корпуса на величину, обеспечивающую плотное соприкосновение подошвы со стенкой трубопровода, на котором монтируется модель.The prior art utility model is known "Ultrasonic measuring transducer and a mounting element of a piezoelectric element" (patent RU 1143, G01F 1/66, published November 16, 1995), comprising a housing with a metal sound-transmitting unit placed in it, made in the form of a wedge with a piezoelectric element glued on it , in which the largest rectangular face of the sound-transmitting unit is made in the form of a sole, the outer dimensions of which protrude beyond the dimensions of the unit and, within the manufacturing tolerances, coincide with the internal dimensions of the cut of the walls of the casing, m the sole of the assembly is connected to the body by soldering, and the lower cut of the sole protrudes below the plane of cut of the walls of the casing by an amount that provides close contact of the sole with the wall of the pipeline on which the model is mounted.
Узел крепления пьезоэлемента к металлическому звукопередающему узлу с приклеенным к нему пьезоэлементом, к верхней обкладке которого приклеена металлическая пластина с припаянным к ней проводником, а пьезоэлемент и пластина через изолирующую прокладку прижаты к узлу накладкой с винтами, ввинченными в узел.The assembly of the piezoelectric element to the metal sound-transmitting unit with the piezoelectric element glued to it, the upper plate of which is glued to the metal plate with the conductor soldered to it, and the piezoelectric element and the plate are pressed through the insulating gasket to the assembly with screws screwed into the assembly.
Недостатком полезной модели является сильная зависимость геометрии преобразователя от температуры из-за большого коэффициента теплового расширения металлов, влекущая за собой искажения траекторий распространения звука. Это приводит к изменениям параметров преобразователя, уменьшающих стабильность и точность устройства при жестких условиях окружающей среды. Также отсутствие заднего демпфирующего слоя не позволяет контролировать колебания пьезоэлемента путем поглощения энергии, излучаемой его задней поверхностью, что влияет на амплитуду излучателя и его шумовые характеристики.The disadvantage of the utility model is the strong dependence of the geometry of the transducer on temperature due to the large coefficient of thermal expansion of metals, which entails distortion of the sound propagation paths. This leads to changes in the parameters of the Converter, reducing the stability and accuracy of the device under harsh environmental conditions. Also, the absence of a back damping layer does not allow controlling the oscillations of the piezoelectric element by absorbing the energy radiated by its back surface, which affects the amplitude of the emitter and its noise characteristics.
Известно изобретение «Способ измерения расхода газа в трубопроводах и устройство для его осуществления» (патент RU 2583167, G01F 1/66, опубликован 10.05.2016), в котором возбуждают волну Лэмба кольцевой структуры с круговой симметрией относительно оси трубы, которая излучает продольную волну в газе, также симметричную относительно оси; особенностью заявленного устройства является то, что пьезопластины и звукопроводы имеют кольцевую конструкцию, а звукопроводы состоят из цилиндрической части, торцевая поверхность которой сопрягается с рабочей плоскостью пьезопластины, и конусной части, обеспечивающей поворот цилиндрического ультразвукового пучка и ввод его в стенку трубы под необходимым углом.The invention is known "A method of measuring gas flow in pipelines and a device for its implementation" (patent RU 2583167, G01F 1/66, published 05/10/2016), in which a Lamb wave of circular structure with circular symmetry relative to the axis of the pipe, which emits a longitudinal wave in gas, also symmetrical about the axis; A feature of the claimed device is that the piezoelectric plates and sound ducts are ring-shaped, and the sound ducts consist of a cylindrical part, the end surface of which is interfaced with the working plane of the piezoelectric plate, and a conical part, which ensures rotation of the cylindrical ultrasonic beam and its entry into the pipe wall at the required angle.
Каждый преобразователь может состоять из двух сборок, симметричных относительно диаметральной плоскости, при этом каждая сборка состоит из пьезопластины в виде полукольца и сопряженного с ней звукопровода в виде полукольца, стянутых хомутами и образующих кольцевые структуры.Each transducer can consist of two assemblies symmetrical with respect to the diametrical plane, with each assembly consisting of a piezoelectric plate in the form of a half ring and an associated sound duct in the form of a half ring, tightened by clamps and forming ring structures.
Недостатком данного изобретения являются изменения параметров преобразователя, уменьшающих стабильность и точность устройства в жестких условиях окружающей среды, а также применение данного устройства только для конкретного диаметра труб. Кроме того, из-за различия коэффициентов теплового расширения трубопровода и обхватывающего кольцевого звукопровода при изменениях температуры происходит изменение геометрии, что влияет на акустический контакт, вплоть до его полной потери. Отсутствие демпфирующего и согласующего слоев не позволяет оптимизировать амплитуду и уровень шумов преобразователя.The disadvantage of this invention is the change in the parameters of the Converter, reducing the stability and accuracy of the device in harsh environmental conditions, as well as the use of this device only for a specific pipe diameter. In addition, due to the difference in the coefficients of thermal expansion of the pipeline and the enveloping annular sound pipe with changes in temperature, a change in the geometry occurs, which affects the acoustic contact, up to its complete loss. The absence of damping and matching layers does not allow to optimize the amplitude and noise level of the Converter.
Известно изобретение «Преобразователь и поддержка для ультразвукового расходомера» (патент US 3987674, G01F 1/66, опубликован 26.10.1976), содержащий корпус преобразователя, выполненный в виде призмы из любого материала, такого как нейлон, или подобное ему, которые имеют качественную передачу звука, в котором выполнен канал для размещения пьезоэлектрического элемента, который может быть любого типа, например керамические элементы титаната бария или подобные ему, и, как правило, это плоские элементы, имеющие активные плоские поверхности, которые обращены к внешней поверхности трубопровода или трубы. Канал затем заполняется любым подходящим пластическим герметизирующим материалом. Преобразователь снабжен клеммами, которые электрически соединены с электронной системой управления для обработки ультразвуковых сигналов. Задняя поверхность пьезоэлемента покрыта слоем звукопоглощающих материалов, таких как пробка, наждачная бумага и тому подобное. В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, где материалом трубы используется сталь, в котором угол α составляет 90 градусов, и, в котором материалом корпуса преобразователя является сталь, как материал трубопровода. Преобразовательный элемент при этом располагают в направлении, перпендикулярном к оси трубы, таким образом, чтобы ввести сдвиговую волну в осевом направлении вдоль стенки трубы трубопровода.The invention is known "Converter and support for an ultrasonic flow meter" (patent US 3987674, G01F 1/66, published 10.26.1976), comprising a transducer housing made in the form of a prism of any material, such as nylon, or the like, which have high-quality transmission sound, in which a channel is made to accommodate a piezoelectric element, which can be of any type, for example, ceramic elements of barium titanate or the like, and, as a rule, these are flat elements having active flat surfaces that reverse They are connected to the outer surface of the pipeline or pipe. The channel is then filled with any suitable plastic sealing material. The transducer is equipped with terminals that are electrically connected to an electronic control system for processing ultrasonic signals. The back surface of the piezoelectric element is covered with a layer of sound-absorbing materials such as cork, sandpaper and the like. In a specific embodiment of the present invention, where the pipe material is steel, in which the angle α is 90 degrees, and in which the case material of the converter is steel, as the pipe material. In this case, the conversion element is arranged in a direction perpendicular to the pipe axis, so as to introduce a shear wave in the axial direction along the pipe wall of the pipe.
Недостатком данного изобретения является сильная зависимость геометрии преобразователя от температуры из-за большого коэффициента теплового расширения металлов, влекущая за собой искажения траекторий распространения звука. Это приводит к изменениям параметров преобразователя, уменьшающих стабильность и точность устройства при жестких условиях окружающей среды.The disadvantage of this invention is the strong dependence of the geometry of the Converter on temperature due to the large coefficient of thermal expansion of metals, entailing distortion of the sound propagation paths. This leads to changes in the parameters of the Converter, reducing the stability and accuracy of the device under harsh environmental conditions.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели, т.е. прототипом, является изобретение «Конструкция преобразователя и устройство для монтажа конструкции преобразователя для накладных ультразвуковых расходомеров» (патент US 4373401, G01F 1/66, опубликован 15.02.1983), содержащая пьезоэлектрический преобразователь, связанный с корпусом из пластикового материала, изготовленного компрессионным формованием полиамида. Корпус преобразователя выполнен в виде клина, вырезанного из прямоугольной заготовки. Угол клина вычисляется с учетом скорости звука заготовки.The closest analogue of the claimed utility model, i.e. The prototype is the invention "The design of the transducer and a device for mounting the design of the transducer for surface mounted ultrasonic flow meters" (US patent 4373401, G01F 1/66, published 02.15.1983) containing a piezoelectric transducer associated with a housing made of plastic material made by compression molding of polyamide. The transducer housing is made in the form of a wedge cut from a rectangular blank. The wedge angle is calculated taking into account the speed of sound of the workpiece.
Преобразовательный элемент представляет собой круглый диск, например, титаната циркония, имеющий толщину и диаметр в соответствии с требованиями конкретного применения, имеющий задний электрод, к которому припаивается проводник, а также переднюю полосу электрода из фольги, закрепленной на пластине. Наружная поверхность кристалла преобразовательного элемента образует критический угол α с нижней частью корпуса для возбуждения и приема ультразвуковых волн Лэмба.The conversion element is a circular disk, for example, zirconium titanate, having a thickness and diameter in accordance with the requirements of a particular application, having a back electrode to which the conductor is soldered, as well as a front strip of foil electrode fixed to the plate. The outer surface of the crystal of the transducer element forms a critical angle α with the lower part of the housing for exciting and receiving ultrasonic Lamb waves.
К задней поверхности кристалла преобразователя примыкает демпфер, состоящий из эпоксидной массы, с включением порошка вольфрама и мелких частиц эластомера. Кроме того, задняя поверхность демпфера имеет углубление конической или связанной формы, чтобы увеличить длину пути, и угол падения звуковой энергии, проходящей через демпфер и отражающейся от его задней поверхности. Кристалл преобразователя и его демпфер, соответствующим образом скрепляются друг с другом и затем загружаются в круглое отверстие прямоугольного корпуса. Перед демпфером помещают пластину и удерживают пьезосборку в отверстии завинчиванием к корпусу с помощью винтов. Внутреннюю часть прямоугольного корпуса затем заполняют компаундом из недорогих эпоксидных смол, или полиуретана, или тому подобного. Во время этой операции наполнения преобразователь, включая клин, будет соответствующим образом удерживаться на месте, а после операции заполнения на них надевают пластиковую крышку.A damper consisting of an epoxy mass is adjacent to the rear surface of the transducer crystal with the inclusion of tungsten powder and small particles of elastomer. In addition, the rear surface of the damper has a recess of conical or connected shape to increase the path length and the angle of incidence of sound energy passing through the damper and reflected from its rear surface. The crystal of the transducer and its damper are appropriately bonded to each other and then loaded into the round hole of the rectangular housing. A plate is placed in front of the damper and the piezo assembly is held in the hole by screwing to the housing with screws. The inside of the rectangular case is then filled with a compound of inexpensive epoxy resins, or polyurethane, or the like. During this filling operation, the transducer, including the wedge, will be held in place accordingly, and after the filling operation, a plastic cover is put on them.
Недостатком данного изобретения является зависимость размеров пьезосборки от температуры, влекущая за собой изменения физических параметров преобразователя. Это приводит к ухудшению стабильности и точности устройства при жестких условиях окружающей среды. Также, выполненный в виде круглого диска пьезоэлемент не позволяет эффективно использовать прямоугольную геометрию преобразователя. Кроме того, недостаточная механическая прочность пластиковой крышки не позволяет надежно закреплять преобразователь на трубопроводе.The disadvantage of this invention is the dependence of the size of the piezoelectric assembly on temperature, entailing changes in the physical parameters of the transducer. This leads to a deterioration in the stability and accuracy of the device under harsh environmental conditions. Also, a piezoelectric element made in the form of a circular disk does not allow efficient use of the rectangular geometry of the transducer. In addition, the insufficient mechanical strength of the plastic cover does not allow the transmitter to be securely fixed to the pipeline.
Задачей данной полезной модели является повышение стабильности и точности измерения и эксплуатационного срока службы датчика.The objective of this utility model is to increase the stability and accuracy of measurement and the operational life of the sensor.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение стабильности и точности измерения за счет встроенной механической термокомпенсации путем стабилизации параметров пьезоэлемента, таких как резонансная частота, емкость, толщина, начальная поляризация, за счет согласования акустического сопротивления материала пьезоэлемента с акустическим клином, тем самым увеличивая выходную акустическую мощность пьезоэлектрического элемента, обеспечивая большую амплитуду ультразвуковой волны, и увеличивая мощность сигнала, поступающего в приемник, что приводит дополнительно к увеличению отношения сигнал/шум, тем самым к повышению стабильности и точности измерения расхода.The technical result of this utility model is to increase the stability and accuracy of measurement due to the built-in mechanical thermal compensation by stabilizing the parameters of the piezoelectric element, such as resonant frequency, capacitance, thickness, initial polarization, by matching the acoustic resistance of the material of the piezoelectric element with an acoustic wedge, thereby increasing the output acoustic power piezoelectric element, providing a large amplitude of the ultrasonic wave, and increasing the signal power, post falling into the receiver, which additionally leads to an increase in the signal-to-noise ratio, thereby increasing the stability and accuracy of flow measurement.
Данная задача достигается усовершенствованием накладного преобразователя электроакустического к ультразвуковым расходомерам, содержащего корпус из пластика с крышкой, выполненного в виде клина, и установленные в корпусе пьезоэлемент с токоподводами, направленный приемно-излучающей поверхностью в сторону клина, демпфер, примыкающий к задней поверхности пьезоэлемента, прижимную пластину, в который дополнительно введены термокомпенсатор, расположенный между демпфером и прижимной пластиной, и акустический согласователь, связанный с приемно-излучающей поверхностью пьезоэлемента и клином.This task is achieved by improving the surface-mounted transducer of electro-acoustic to ultrasonic flow meters, containing a plastic case with a cover made in the form of a wedge, and a piezoelectric element with current leads installed in the case, directed by the receiving-emitting surface towards the wedge, a damper adjacent to the rear surface of the piezoelectric element, a pressure plate , in which a temperature compensator located between the damper and the pressure plate and an acoustic matching device connected to riemno-emitting surface of the piezoelectric element and a wedge.
Кроме того, пьезоэлемент выполнен в виде прямоугольной пластины.In addition, the piezoelectric element is made in the form of a rectangular plate.
Кроме того, дополнительно введена плата электрическая, расположенная в полости клина.In addition, an additional electric board is located in the wedge cavity.
Кроме того, дополнительно введена электрическая схема согласования, расположенная на плате электрической.In addition, an additional matching circuitry has been introduced, located on the electrical board.
Кроме того, клин выполнен с возможностью возбуждения и приема ультразвуковых волн.In addition, the wedge is configured to excite and receive ultrasonic waves.
Кроме того, внутренние полости корпуса заполнены полимерным пластичным компаундом под давлением.In addition, the internal cavities of the housing are filled with a polymer plastic compound under pressure.
Кроме того, крышка выполнена, например, из нержавеющей стали.In addition, the cover is made, for example, of stainless steel.
Кроме того, токоподводы выведены через герметизированный разъем с колпаком, закрепленный на крышке.In addition, the current leads are removed through a sealed connector with a cap mounted on the cover.
Кроме того, электрический разъем выполнен с дополнительной резьбой для крепления колпака, герметезирующего кабельное соединение.In addition, the electrical connector is made with additional thread for fastening the cap, sealing the cable connection.
Данная полезная модель иллюстрируется чертежами.This utility model is illustrated by drawings.
На Фиг. 1 изображен чертеж накладного преобразователя электроакустического к ультразвуковым расходомерам.In FIG. 1 shows a drawing of an overhead transducer of electro-acoustic to ultrasonic flow meters.
На фиг. 2 изображена принципиальная схема согласования.In FIG. 2 shows a schematic diagram of coordination.
Накладной преобразователь электроакустический к ультразвуковым расходомерам (Фиг. 1) содержит корпус (1) из пластика с крышкой (2), выполненный в виде клина (1), и установленные в корпусе пьезоэлемент (3) с токоподводами (4), направленный приемно-излучающей поверхностью в сторону клина (1), демпфер (5), примыкающий к задней поверхности пьезоэлемента (3), прижимную пластину (7), термокомпенсатор (6), расположенный между демпфером (5) и прижимной пластиной (7), и акустический согласователь (8), связанный с приемно-излучающей поверхностью пьезоэлемента (3) и клином (1). Кроме того, дополнительно введена плата электрическая (9), расположенная в полости корпуса (1), на которой расположена электрическая схема согласования (Фиг. 2), расположенная на плате электрической (9), токоподводы (4) выведены через герметизированный электрический разъем (10), закрепленный на крышке (2). Электрический разъем (10) выполнен с дополнительной резьбой (11) для крепления колпака (13), герметизирующего кабельное соединение. Два электрода (12) на передней и задней поверхности пластины соединены с токоподводами (4).The on-board transducer electroacoustic to ultrasonic flow meters (Fig. 1) contains a housing (1) made of plastic with a cover (2), made in the form of a wedge (1), and a piezoelectric element (3) with current leads (4) installed in the housing, directed receiving and emitting surface toward the wedge (1), a damper (5) adjacent to the rear surface of the piezoelectric element (3), a pressure plate (7), a temperature compensator (6) located between the damper (5) and the pressure plate (7), and an acoustic muffler ( 8) associated with the receiving-emitting surface of the piezoelectric element (3) and to otherwise (1). In addition, an additional electric circuit board (9) was introduced, located in the cavity of the housing (1), on which the matching circuitry is located (Fig. 2), located on the electric circuit board (9), current leads (4) are output through a sealed electrical connector (10) ) mounted on the cover (2). The electrical connector (10) is made with an additional thread (11) for fastening the cap (13) that seals the cable connection. Two electrodes (12) on the front and rear surfaces of the plate are connected to current leads (4).
Термокомпенсатор (6) компенсирует тепловое расширение элементов, снижает погрешности, связанные с влиянием температуры, стабилизируя параметры пьезоэлемента, такие как резонансная частота, емкость, толщина, начальная поляризация, выполнен со встроенной механической термокомпенсацией, например механической типа пружинной пластины. Использование термокомпенсатора обеспечивает стабильность параметров измерения и, как следствие, обеспечивает повышение точности измерения.The temperature compensator (6) compensates for the thermal expansion of the elements, reduces the errors associated with the influence of temperature, stabilizing the parameters of the piezoelectric element, such as the resonant frequency, capacitance, thickness, initial polarization, is made with built-in mechanical thermal compensation, for example, a mechanical type of spring plate. The use of a temperature compensator ensures the stability of the measurement parameters and, as a result, provides improved measurement accuracy.
Акустический согласователь является слоем, осуществляющим акустическое согласование пьезоэлемента (3) с акустическим клином (1), обеспечивая большую амплитуду ультразвуковой волны и увеличивая мощность сигнала, поступающего в приемник, что приводит дополнительно к увеличению отношения сигнал/шум, тем самым к повышению стабильности и точности измерения расхода. В частности, акустический согласователь выполнен в виде прямоугольной пластины с толщиной в четверть длины звуковой волны с оптимальным волновым сопротивлением. Способы выбора оптимального согласующего и демпфирующего слоев описаны в литературе, например G. Kossoff. The effects of backing and matching on the performance of piezoelectric ceramic transducers. IEEE Trans. Sonics Ultrason. SU-13, 1966.The acoustic coordinator is a layer that performs acoustic matching of the piezoelectric element (3) with an acoustic wedge (1), providing a large amplitude of the ultrasonic wave and increasing the power of the signal entering the receiver, which additionally leads to an increase in the signal-to-noise ratio, thereby increasing stability and accuracy flow measurement. In particular, the acoustic coordinator is made in the form of a rectangular plate with a thickness of a quarter of the length of the sound wave with optimal wave impedance. Methods for selecting the optimal matching and damping layers are described in the literature, for example G. Kossoff. The effects of backing and matching on the performance of piezoelectric ceramic transducers. IEEE Trans. Sonics Ultrason. SU-13, 1966.
Пьезоэлемент (3) может быть выполнен в виде прямоугольной пластины из пьезокерамики площадью, соизмеримой с площадью акустического клина, что дополнительно увеличивает выходную акустическую мощность пьезоэлектрического элемента и увеличивает мощность сигнала, поступающего в приемник, что приводит дополнительно к увеличению отношения сигнал/шум, тем самым к повышению стабильности и точности измерения расхода.The piezoelectric element (3) can be made in the form of a rectangular plate of piezoelectric ceramics with an area commensurate with the area of the acoustic wedge, which further increases the output acoustic power of the piezoelectric element and increases the power of the signal entering the receiver, which additionally increases the signal-to-noise ratio, thereby to increase the stability and accuracy of flow measurement.
Клин (1) выполнен с возможностью возбуждения и приема ультразвуковых волн, основанных на волнах Лэмба в стенке трубопровода. Клин (1) представляет собой акустический излучатель и предназначен для преобразования продольной звуковой волны и ввода ее в стенку трубопровода. Геометрия акустического излучателя рассчитывается таким образом, чтобы при вводе в стенку трубопровода максимум звуковой энергии преобразовывался в волны Лэмба. В качестве материала акустического излучателя может быть выбран термостабильный полимер, обеспечивающий постоянство характеристик в температурном диапазоне от -55°С до +60°С. Кроме того, использование акустического клина (1) из полимера обусловлено тем, что в нем скорость продольных волн невелика, т.е. выполняется условие, что скорости волн в образце (трубы) больше скорости волн в клине. Демпфер (5)- звукопоглощающий полимер выполнен в виде пластины.The wedge (1) is configured to excite and receive ultrasonic waves based on Lamb waves in the pipeline wall. Wedge (1) is an acoustic emitter and is designed to convert a longitudinal sound wave and enter it into the pipeline wall. The geometry of the acoustic emitter is calculated so that when a maximum of sound energy is introduced into the wall of the pipeline, it is converted into Lamb waves. As the material of the acoustic emitter, a thermostable polymer can be selected, providing constant characteristics in the temperature range from -55 ° C to + 60 ° C. In addition, the use of an acoustic wedge (1) made of a polymer is due to the fact that the velocity of longitudinal waves in it is small, i.e. the condition is satisfied that the wave velocity in the sample (pipe) is greater than the wave velocity in the wedge. Damper (5) - the sound-absorbing polymer is made in the form of a plate.
Внутренние полости клина (1) заполнены, например, полимерным пластичным компаундом под давлением. Крышка (2) выполнена, например, из нержавеющей стали. Токоподводы выведены через электрический разъем (10), закрепленный на крышке (2).The inner cavity of the wedge (1) is filled, for example, with a polymer plastic compound under pressure. The cover (2) is, for example, made of stainless steel. Current leads are brought out through an electrical connector (10), mounted on the cover (2).
В частности электрическая схема согласования (Фиг. 2) содержит конденсаторы (14, 19), индуктивности (15, 18), резисторы (16, 17), вход которой подключают к внешнему генератору (не показан) по коаксиальному кабелю через разъем (10). Конденсатор (14) и индуктивный дроссель (15) образуют фильтр L1C1, настроенный на частоту сигнала генератора. Через делитель напряжения (16, 17) сигнал с фильтра L1C1 поступает через компенсирующий дроссель 18 на пьезоэлемент 3, параллельно которому подключен конденсатор 19, что позволяет уменьшить влияние изменяющейся собственной электрической емкости преобразователя на положение резонанса электрического колебательного контура при изменении параметров среды.In particular, the matching circuitry (Fig. 2) contains capacitors (14, 19), inductors (15, 18), resistors (16, 17), the input of which is connected to an external generator (not shown) via a coaxial cable through the connector (10) . The capacitor (14) and inductive choke (15) form an L1C1 filter tuned to the frequency of the generator signal. Through the voltage divider (16, 17), the signal from the filter L1C1 enters through a compensating
Схему настраивают в процессе разработки ПЭА, что обеспечивает повышение акустической мощности ультразвукового воздействия на среду (стенки трубопровода), это приводит дополнительно к увеличению отношения сигнал/шум. Величины электрических элементов в электрической схеме согласования подбираются под заданный частотный диапазон ПЭА и выбранный пьезоэлемент. Прямое подключение пьезоэлемента к генератору приводит к снижению эффективности передачи энергии в нагрузку и к снижению эффективности ввода УЗ-излучения в стенку трубопровода.The circuit is tuned during the development of PEA, which provides an increase in the acoustic power of ultrasonic exposure to the medium (pipe walls), this additionally leads to an increase in the signal-to-noise ratio. The values of the electrical elements in the matching circuit are selected for a given frequency range of the PEA and the selected piezoelectric element. Direct connection of the piezoelectric element to the generator leads to a decrease in the efficiency of energy transfer to the load and to a decrease in the efficiency of introducing ultrasonic radiation into the pipe wall.
Для обеспечения максимальной эффективности передачи акустической энергии необходимо обеспечивать электрическое согласование генератора, соединительного кабеля и пьезоэлемента.To ensure maximum transmission efficiency of acoustic energy, it is necessary to ensure the electrical coordination of the generator, connecting cable and piezoelectric element.
Для улучшения эксплуатационных свойств, сокращения связей и компактности электрическая схема согласования размещена непосредственно в корпусе ПЭА и для повышения надежности залита компаундом.To improve operational properties, reduce communications and compactness, the matching circuitry is located directly in the PEA housing and, to increase reliability, is filled with a compound.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Накладной преобразователь электроакустический (ПЭА) предназначен для возбуждения и приема ультразвуковых волн Лэмба в процессе измерения расхода времяпролетными расходомерами. Он преобразует электрические колебания ультразвукового диапазона в акустические ультразвуковые волны (УЗ) и передает их в стенку трубопровода. Распространяясь по стенке трубопровода УЗ-волны переизлучаются в исследуемую среду. Для создания в стенке трубопровода УЗ-волн Лэмба используется преобразование продольных УЗ-волн, излучаемых пьезоэлементом в теле пьезоэлектрического преобразователя. Частотная характеристика пьезоэлемента выбирается таким образом, чтобы она соответствовала частоте волны Лэмба в трубопроводе с заданной толщиной стенки. Площадь пьезоэлемента занимает до 90% рабочей площади клина.The electro-acoustic overhead transducer (PEA) is designed to excite and receive Lamb ultrasonic waves during flow measurement by time-of-flight flowmeters. It converts the electrical vibrations of the ultrasonic range into acoustic ultrasonic waves (US) and transmits them to the wall of the pipeline. Propagating along the wall of the pipeline, the ultrasonic waves are reradiated into the medium under study. To create Lamb ultrasonic waves in the pipeline wall, the longitudinal ultrasound waves emitted by the piezoelectric element in the body of the piezoelectric transducer are used. The frequency response of the piezoelectric element is selected so that it corresponds to the frequency of the Lamb wave in the pipeline with a given wall thickness. The area of the piezoelectric element occupies up to 90% of the working area of the wedge.
Электрические импульсы от внешнего генератора по коаксиальному кабелю через разъем (10) по внутреннему электрическому кабелю поступают на электрическую схему согласования (Фиг. 2), расположенную на плате электрической (9). Далее импульсы по контактным электродам (12) поступают на пьезоэлемент (3). Пьезоэлемент (3), в частности, выполненный в виде прямоугольной пластины, соизмеримой с площадью клина для повышения мощности, излучает ультразвуковую волну, которая через акустический согласователь (8) распространяется в теле клина (1). Акустический клин (1) выполнен таким образом, что переизлученная в стенку трубопровода ультразвуковая волна вызывает в стенке волну Лэмба.Electrical pulses from an external generator through a coaxial cable through a connector (10) via an internal electric cable are fed to the matching circuitry (Fig. 2) located on the electrical board (9). Then the pulses along the contact electrodes (12) are supplied to the piezoelectric element (3). The piezoelectric element (3), in particular, made in the form of a rectangular plate, commensurate with the area of the wedge to increase power, emits an ultrasonic wave, which propagates through the acoustic coordinator (8) in the body of the wedge (1). The acoustic wedge (1) is designed in such a way that an ultrasonic wave reradiated into the pipe wall causes a Lamb wave in the wall.
Пьезосборка, представляющая многослойный пьезопакет, состоит из пьезоэлемента (3), демпфера (5), термокомпенсатора (6), прижимной пластины для поджатая пьезосборки (7) и акустического согласующего слоя (8), эффективно излучает только в направлении клина (1), обратное излучение поглощается демпфером (5). Пьезосборка вставляется в пазы, прорезанные в теле клина, и фиксируется прижимной пластиной с регулируемой силой сжатия. Внутренние полости ПЭА заливаются компаундом под давлением для ликвидации пузырьков и полного заполнения полостей, который дополнительно поглощает паразитный отраженный ультразвук и герметизирует ПЭА. Втулка с резьбой (11) предназначена для навинчивания колпака (13), который герметизирует электрические соединения в электрическом разъеме (10). Крышка выполнена, например, из нержавеющей стали, прочность которой позволяет надежно закреплять ПЭА на трубопроводе.The piezoelectric assembly, representing a multilayer piezoelectric package, consists of a piezoelectric element (3), a damper (5), a temperature compensator (6), a pressure plate for a pressed piezo assembly (7) and an acoustic matching layer (8), effectively radiates only in the direction of the wedge (1), the opposite the radiation is absorbed by the damper (5). The piezo assembly is inserted into the grooves cut in the body of the wedge and is fixed by a pressure plate with an adjustable compression force. The internal cavities of the PEA are filled with a compound under pressure to eliminate bubbles and completely fill the cavities, which additionally absorbs parasitic reflected ultrasound and seals the PEA. The threaded sleeve (11) is designed to screw on the cap (13), which seals the electrical connections in the electrical connector (10). The cover is made, for example, of stainless steel, the strength of which allows you to securely fasten the PEA on the pipeline.
Таким образом, данное выполнение ПЭА повышает стабильность, точность измерения и эксплуатационный срок службы датчикаThus, this implementation of the PEA increases the stability, measurement accuracy and operational life of the sensor
Конструкция корпуса и кабельного разъема обеспечивает степень защиты ПЭА IP68.The design of the housing and cable connector provides a degree of protection PEA IP68.
Весь узел собирается на заводе в контролируемых условиях.The entire assembly is assembled at the plant under controlled conditions.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016146340U RU169297U1 (en) | 2016-11-25 | 2016-11-25 | ELECTRO-ACOUSTIC OPTICAL TRANSMITTER TO ULTRASONIC FLOW METERS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016146340U RU169297U1 (en) | 2016-11-25 | 2016-11-25 | ELECTRO-ACOUSTIC OPTICAL TRANSMITTER TO ULTRASONIC FLOW METERS |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU169297U1 true RU169297U1 (en) | 2017-03-14 |
Family
ID=58450046
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016146340U RU169297U1 (en) | 2016-11-25 | 2016-11-25 | ELECTRO-ACOUSTIC OPTICAL TRANSMITTER TO ULTRASONIC FLOW METERS |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU169297U1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108917866A (en) * | 2018-08-20 | 2018-11-30 | 大唐环境产业集团股份有限公司 | A kind of ultrasonic sensor and its installation method for compound pipeline complex pipeline flow detection |
| RU192265U1 (en) * | 2019-06-20 | 2019-09-11 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная компания "Геоэлектроника сервис" | Liquid flow meter in the pipeline |
| RU2716854C1 (en) * | 2019-09-26 | 2020-03-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Application of abrasive paper as protector of ultrasonic transducer |
| RU206182U1 (en) * | 2021-03-30 | 2021-08-27 | Акционерное общество "Промышленная группа "Метран" | Measuring transducer with a unit for sealing its contact leads |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4373401A (en) * | 1980-05-05 | 1983-02-15 | Joseph Baumoel | Transducer structure and mounting arrangement for transducer structure for clamp-on ultrasonic flowmeters |
| US4735097A (en) * | 1985-08-12 | 1988-04-05 | Panametrics, Inc. | Method and apparatus for measuring fluid characteristics using surface generated volumetric interrogation signals |
| RU2100780C1 (en) * | 1994-11-04 | 1997-12-27 | Лопунов Николай Петрович | Device for ultrasonic measurement of liquid consumption |
| RU6621U1 (en) * | 1997-02-03 | 1998-05-16 | Научно-исследовательский институт измерительных приборов | Piezoelectric transducer of ultrasonic flowmeter |
-
2016
- 2016-11-25 RU RU2016146340U patent/RU169297U1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4373401A (en) * | 1980-05-05 | 1983-02-15 | Joseph Baumoel | Transducer structure and mounting arrangement for transducer structure for clamp-on ultrasonic flowmeters |
| US4735097A (en) * | 1985-08-12 | 1988-04-05 | Panametrics, Inc. | Method and apparatus for measuring fluid characteristics using surface generated volumetric interrogation signals |
| RU2100780C1 (en) * | 1994-11-04 | 1997-12-27 | Лопунов Николай Петрович | Device for ultrasonic measurement of liquid consumption |
| RU6621U1 (en) * | 1997-02-03 | 1998-05-16 | Научно-исследовательский институт измерительных приборов | Piezoelectric transducer of ultrasonic flowmeter |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108917866A (en) * | 2018-08-20 | 2018-11-30 | 大唐环境产业集团股份有限公司 | A kind of ultrasonic sensor and its installation method for compound pipeline complex pipeline flow detection |
| RU192265U1 (en) * | 2019-06-20 | 2019-09-11 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная компания "Геоэлектроника сервис" | Liquid flow meter in the pipeline |
| RU2716854C1 (en) * | 2019-09-26 | 2020-03-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Application of abrasive paper as protector of ultrasonic transducer |
| RU206182U1 (en) * | 2021-03-30 | 2021-08-27 | Акционерное общество "Промышленная группа "Метран" | Measuring transducer with a unit for sealing its contact leads |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU169297U1 (en) | ELECTRO-ACOUSTIC OPTICAL TRANSMITTER TO ULTRASONIC FLOW METERS | |
| JP2918102B2 (en) | Ultrasonic transducer | |
| JP4034730B2 (en) | Liquid level measuring device | |
| JP6172533B2 (en) | Ultrasonic transducer and ultrasonic flow meter having the same | |
| JP5659956B2 (en) | Ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter | |
| US8085621B2 (en) | Ultrasonic transducer with improved method of beam angle control | |
| CN109073431B (en) | Ultrasonic transducer applied to ultrasonic flow measuring device or ultrasonic material level measuring device | |
| CN102726064B (en) | Ultrasonic vibration device | |
| US11426764B2 (en) | Ultrasound transducer | |
| KR19990072143A (en) | Ultrasonic Flowmeters and Ultrasonic Transmitters | |
| WO2000072000A1 (en) | Transducer for sonic measurement of gas flow and related characteristics | |
| US4219889A (en) | Double mass-loaded high power piezo-electric underwater transducer | |
| CN114111928B (en) | High-frequency ultrasonic sensor suitable for gas flow detection | |
| US4129850A (en) | Balanced transducer | |
| EP2735380A1 (en) | A transducer for a locator beacon and an underwater locator beacon | |
| KR101116165B1 (en) | Ultrasonic Transducer using Planar Parallel Langevin Mounting Piezoelectric Element, Method for Manufacturing the Ultrasonic Transducer | |
| KR20170075951A (en) | Wide band tonpilz type acoustic transducer using double resonance and matching window | |
| KR20090116039A (en) | Pressure measuring apparatus using acoustic impedance variation | |
| CN214471088U (en) | Ultrasonic flowmeter oscillator and ultrasonic flowmeter | |
| RU2604896C2 (en) | Piezoelectric transducer | |
| RU159558U1 (en) | ULTRASONIC PIEZOELECTRIC CONVERTER | |
| CN207300334U (en) | A kind of ultrasonic transducer for strengthening signal | |
| JP3629481B2 (en) | Ultrasonic vibrator and ultrasonic flow meter using the same | |
| SU1738376A1 (en) | Ultrasound piezoconverter | |
| CN215932137U (en) | Ultrasonic sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20181126 |