RU1772724C - Пьезоэлектрический преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к неразрушающим средствам и методам контрол  и может быть использовано, в частности при измерении расхода жидкости ультразвуковым методом . Целью изобретени   вл етс  улучшение чувствительности за счет стабилизации акустического контакта. Это осуществл етс  посредством того, что в преобразователе , содержащем корпус 1, закрепленные в нем последовательно протектор 4, пьезоэлемент 2 и демпфер 5 и установленный между протектором и пьезо- элементом согласующий элемент заданной толщины, в последнем выполнены сквозные отверсти  3,ориентированные перпендикул рно рабочей поверхности пьезоэлемента и заполненные рабочей жидкостью. Высота элемента выбрана равной одной четверти длины волны ультразвука в материале пьезоэлемента , акустическое сопротивление его равно акустическому сопротивлению пьезоэлемента, а акустическое сопротивление жидкости - акустическому сопротивле нию материала протектора. 1 ил. т с VJ Ч Ю 4 ГО

Description

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике и может быть использовано при измерении расхода жидкости ультразвуковым методом.

Известен пьезопреобразователь дл  жидких сред, состо щий из корпуса, в котором соосно расположен протектор, диск, пьезоэлемент, профилированный демпфер, изол ционные втулки, пружина, ввертыш, высокочастотный разъем,

В известном преобразователе дл  обеспечени  акустического контакта между диском и протектором используетс  акустическа  смазка.

Известный акустический контакт недостаточно обеспечивает требуемую прозрачность и стабильность. При высыхании акустической смазки нарушаетс  прилегание контактного диска к протектору, вследствие чего возникает ситуаци , в которой, нар ду со значительным уменьшением по амплитуде сигналов приемной последовательности , декремент ее затухани  резко уменьшаетс , Этот эффект усиливаетс , если коэффициент отражени  амплитуды аку- стического давлени  на границе протектора с контролируемой жидкостью равен единице .

Наиболее близким по технической сути  вл етс  ультразвуковой преобразователь, содержащий призму, пьезоэлемент, демпфер и установленный между протектором и пьезоэлементом согласующий элемент заданной толщины,

Известный преобразователь не обеспечивает достаточную стойкость и соответственно стабильность механоакустического контакта к динамическим воздействи м и особенно к перепадам температур, так как температурные коэффициенты линейного расширени  материалов элементов преобразовател  значительно различаютс . Кроме того, известное обеспечение механоакустической св зи элементов преобразовател  недостаточно надежно к воздействию упругих колебаний на клеевой слой во врем  работы преобразовател .

Цель изобретени  - улучшение чувствительности за счет стабилизации акустического контакта.

Это достигаетс  тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем корпус, закрепленные в нем последовательно протектор, пьезоэлемент, демпфер и ус- тановленный между протектором и пьезоэлементом согласующий элемент заданной толщины, в согласующем элементе выполнены сквозные отверсти , ориентированные перпендикул рно рабочей поверхности пьезоэлемента, акустическое

сопротивление его равно акустическому сопротивлению пьезоэлемента, а акустическое сопротивление жидкости равно акустическому сопротивлению материала

протектора.

На чертеже схематично изображен пьезоэлектрический преобразователь.

Пьезоэлектрический преобразователь содержит корпус 1, в котором соосно распо0 ложены пьезоэлемент 2, лицева  сторона которого с помощью согласующего элемента 3 (выполненного в виде диска с отверсти ми перпендикул рно рабочей поверхности пьезоэлемента, живое сечение которого за5 полнено контактной жидкостью) соединена с протектором 4, а тыльна  сторона пьезоэлемента жестко соединена с демпфером 5, изол ционна  втулка 6, расположенна  ко- аксиально с корпусом, гайка 7, прижимаю0 ща  протектор 4 к торцу корпуса 1 преобразовател , стопорное кольцо 8, примыкающее к тыльной стороне демпфера, и высокочастотный разъем 9. Диск с отверсти ми жестко соединен с лицевым электродом

5 пьезоэлемента 2 (приклеен, припа н), одновременно обеспечива  гальваническую св зь электрода пьезоэлемента с токопод- вод щими проводниками высокочастотного разъема 9. Протектор выполнен из пласти0 ка, например из фторопласта, одновременно  вл етс  как и элемент уплотнени , прижимающийс  к торцу корпуса гайкой 7. Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом. При подаче

5 рабочего импульса на пьезоэлемент 2 звукова  волна через согласующий элемент 3 и протектор 4 уходит в контролируемую среду . Согласующий элемент 3 представл ет собой диск с отверсти ми с характеристиче0 ским импедансом, близким характеристическому импедансуматериала пьезоэлемента, чем обеспечиваетс  полное прохождение упругой энергии без преображени  сигнала на границе согласующий элемент-пьезоэле5 мент, что приводит к улучшению чувствительности преобразовател . Живое сечение диска ( чейки), заполненное контактной жидкостью с акустическим сопротивлением , близким или равным акустическому со0 противлению протектора, приводит к резкому снижению помех на границе контактна  жидкость - протектор (из-за отсутстви  рециркул ции эхо-сигнала), обеспечива  тем самым стабильную чувст5 вительность преобразовател .

Благодар  выполнению согласующего элемента в виде сотового заполнител ,  чейки которого заполнены контактной жидкостью, наход щейс  в замкнутом объеме , ограниченном стенками сотового заполнител  по периметру, тыльной стороной полимерного протектора 4 и лицевой стороной пьезоэлемента 2 обеспечиваетс  стабильный акустический контакт и, как следствие, сохран етс  посто нна  чувствительность преобразовател  (из-за снижени  испарени  и вытекани  акустической смазки). С тыльной стороны пьезоэлемента 2 звукова  волна принимаетс  демпфером 5, вследствие чего происходит гашение свободных колебаний пьезоэлемента 2. Согласующий элемент 3 за счет выбора заданной толщины обеспечивает посто нную чувствительность преобразовател . Таким образом за счет согласующего элемента улучшаетс  чувствительность, повышаетс  надежна  и долговечна  работа преобразовател .

Предлагаемый пьезоэлектрический преобразователь выполнен следующим образом . Так как преобразователь предназначен дл  ультразвукового контрол  расхода агрессивной жидкости, то соответствующие элементы преобразовател  подбирались из материала стойких к агрессивным средам. Корпус преобразовател  выполнен из титана марки ВТЗ-1, протектор - из материала фторопласт-3, как наиболее инертного материала с высокой стойкостью ко всем химическим реагентам. Скорость ультразвука в материале составл ет 1850 м/с. Акустическое сопротивление фторопласта хорошо согласуетс  с акустическим сопротивлением многих жидких сред.

Диск с отверсти ми выбран из материала латунь с характеристическим импедансом , равным 37.7-1Q6 кг/(м2-с), который хорошо согласуетс  с пьезокерамикой ЦТС-19, импеданс которого равен 32-Ю5 кг/(м2 С). Исход  из конкретных условий эксплуатации преобразовател  использовать и пластиковый согласующий элемент.

Дл  практики при расчете координатной сетки дл  сверлени  сквозных отверстий в диске следует руководствоватьс  следующим:

диаметр отверсти  в сотовом заполнителе должен быть не менее А /2, то есть должно выполн тьс  условие

Фотв -А /2 ,

где Фотв - диаметр отверсти  в сотовом заполнителе,

А - длина продольной волны в преобразователе;

толщина стенок заполнител  не более А/4 (из-за дифракционных  влений), т.е. должно выполн тьс  условие:

ьа /4,

где h - толщина стенки  чейки,

А -длина волны преобразовател ; мертвое сечение сотового заполнител  должно быть не более 30%.

При увеличении мертвого сечени  возрастают помехи, вызванные радиальными колебани ми, а также растут ревербераци- онные погрешности, вызванные рециркул цией эхо-сигналом границы сотовый заполнитель - протектор. Диск с отверсти 0 ми приклеиваетс  или припаиваетс  к электроду пьезоэлемента таким образом, чтобы образовалась гальваническа  св зь диск- электрод пьезоэлемента.

Далее к диску припаиваетс  проводник

5 и через боковой пропил в пьезоэлементе проводник пропускаетс  через тело демпфера и крепитс  к высокочастотному разъему 9. Неразъемный пакет, состо щий из демпфера, пьезоэлемента, диска, после

0 занесени  в  чейки контактной жидкости прижимаетс  к протектору 4 стопорным кольцом 8 с усилием 0,5-1 кг/см2 (перед прижатием пакета необходимо на протектор нанести тонкий слой контактной жидко5 сти). Выбор толщины согласующего элемента должен производитьс  с учетом требований, предъ вл емых к величине коэффициента передачи и полосе пропускани  преобразовател . Например, если

0 требуетс  преобразователь, формирующий короткие ультразвуковые импульсы, надо примен ть четвертьволновый протектор, согласующий элемент должен быть возможно тоньше.

3Если требуетс  только широка  полоса,

а к форме импульса жесткие требовани  не предъ вл ютс , можно примен ть полувоч- новый протектор. Согласующий элемент в этом случае целесообразно выбрать при0 мерно четвертьволновой толщины. Дл  предлагаемого преобразовател  согласующий элемент аыбран равным 0,6-0,7 мм. Толщина элемента соответствует четверти длины волны материала пьезоэлемента на

5 резонансной частоте 1.4 МГц.

Применение в предлагаемом устройстве согласующего элемента в виде диска с отверсти ми, живое сечение ( чейки) которого заполнено контактной жидкостью, по0 звол ет расширить эксплуатационные возможности преобразовател , а именно, использовать его в особо агрессивной среде с посто нной чувствительностью, повышенной долговечностью и надежностью.

Claims (1)

1. 5Формула изобретени 

   Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий корпус, закрепленные в нем последовательно протектор, пьезоэлемент и демпфер и установленный между протектором и пьезоэлементом согласующий эле

   мент заданной толщины, отличающий-высота элемента выбрана равной одной четс   тем, что, с целью улучшени  чувствитель-верти длины волны ультразвука в материале

   ности за счет стабилизации акустическогопьезоэлемента, акустическое сопротивление

   контакта, в согласующем элементе выпол-его равно акустическому сопротивлению пьенены сквозные отверсти , ориентирован-5 зоэлемента, а акустическое сопротивление

   ные перпендикул рно рабочей поверхностижидкости равно акустическому сопротивлепьезоэлемента и заполненные жидкостью,нию материала проектора.