RU2138022C1

RU2138022C1 - Ultrasonic instrument converter

Info

Publication number: RU2138022C1
Application number: RU98101260A
Authority: RU
Inventors: С.В. Нагаевский; Г.Р. Осокин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Взлет"
Priority date: 1998-01-19
Filing date: 1998-01-19
Publication date: 1999-09-20

Abstract

FIELD: measurement technology, instruments measuring flow rate of liquid with use of ultrasound. SUBSTANCE: prism of converter is fitted with wedge absorber of ultrasonic energy to diminish reverberation component of radiated signal emerging in converter and to decrease values of noises thanks to it for provision of growth of probing signal-to-noise ratio. Absorber is made by way of symmetric cutting of sides of prism in its upper and rear parts with reference to piezoelement at angle ensuring maximum suppression of parasitic signal reflected from working surface of prism. EFFECT: improved functional reliability and efficiency of converter. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерительным приборам, выполняющим измерение расхода жидкости с помощью ультразвука. The invention relates to the field of measuring equipment, in particular to measuring devices that measure the flow of fluid using ultrasound.

Известен ряд конструкций ультразвуковых измерительных преобразователей, например:
- из заявки ФРГ N 3438976;
- из заявки ФРГ N 3436232;
- из патента США N 4467659;
- из полезной модели РФ N 556;
- из полезной модели РФ N 1143;
- и ряда других технических решений.A number of designs of ultrasonic measuring transducers are known, for example:
- from the application of Germany N 3438976;
- from the application of Germany N 3436232;
- from US patent N 4467659;
- from the utility model of the Russian Federation N 556;
- from the utility model of the Russian Federation N 1143;
- and a number of other technical solutions.

Общим недостатком рассмотренных преобразователей является то, что их конструкции, несмотря на всевозможные различия, не обеспечивают значительное снижение реверберационной составляющей излучаемого сигнала. Реверберационная составляющая излучаемого сигнала значительно ограничивает возможности аппаратуры при измерении потоков в трубах малого диаметра, а также оказывает влияние на точность измерений и их надежность. A common drawback of the considered converters is that their designs, despite all kinds of differences, do not provide a significant reduction in the reverberation component of the emitted signal. The reverb component of the emitted signal significantly limits the capabilities of the equipment when measuring flows in pipes of small diameter, and also affects the accuracy of measurements and their reliability.

Ближайшим аналогом по технической сущности является конструкция преобразователя из полезной модели РФ N 1143 -94 года "Ультразвуковой измерительный преобразователь и узел крепления пьезоэлемента". Однако ему свойственны те же недостатки. The closest analogue in technical essence is the design of the transducer from the utility model of the Russian Federation N 1143-94 of the year "Ultrasonic measuring transducer and mounting unit of the piezoelectric element." However, it has the same disadvantages.

Данный преобразователь содержит корпус с размещенным в нем волноводом в виде призмы с наклеенным на него пьезоэлементом, 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. This transducer contains a housing with a waveguide placed in it in the form of a prism with a piezoelectric element glued onto it, the largest rectangular face of the sound-transmitting assembly is made in the form of a sole, the outer dimensions of which protrude beyond the dimensions of the assembly and, within the manufacturing tolerances, coincide with the internal dimensions of the cut of the housing walls.

Целью изобретения является снижение реверберационной составляющей излучаемого сигнала, возникающего в преобразователе, и уменьшение за счет этого величины помех для обеспечения увеличения соотношения зондирующий сигнал/помеха. The aim of the invention is to reduce the reverberation component of the emitted signal that occurs in the Converter, and reduce due to this amount of interference to provide an increase in the ratio of the probing signal / interference.

Поставленная цель достигается тем, что для уменьшения уровня объемной реверберации призма преобразователя снабжена клиновым поглотителем ультразвуковой энергии, который выполнен путем симметричного срезания боковых граней призмы в ее верхней и задней относительно установленного пьезоэлемента части под углом, обеспечивающим максимальное гашение отраженного от рабочей поверхности призмы паразитного сигнала. The goal is achieved in that in order to reduce the volume reverberation level, the transducer prism is equipped with a wedge absorber of ultrasonic energy, which is made by symmetrically cutting the side faces of the prism in its upper and rear parts relative to the installed piezoelectric element at an angle that provides maximum damping of the parasitic signal reflected from the prism surface.

При этом ширина тела призмы соответствует ширине пьезоэлемента либо может быть выполнена несколько больше. Ось поляризации пьезоэлемента должна совпадать с осью симметрии призмы. In this case, the width of the body of the prism corresponds to the width of the piezoelectric element or can be made slightly larger. The axis of polarization of the piezoelectric element must coincide with the axis of symmetry of the prism.

Принцип действия такого поглотителя основан на преобразовании ультразвуковой энергии в тепловую. При вхождении волны в клиновой поглотитель (концентратор) начинает увеличиваться колебательное смещение частиц вещества, увеличивается амплитуда колебаний. При этом упругие деформации переходят в пластические (остаточные), что приводит к возрастанию поглощения звука за счет внутреннего трения. Угол клина выбирают достаточно малым (не более 90 градусов), но обеспечивающим возможность сохранения малых габаритов преобразователя. The principle of operation of such an absorber is based on the conversion of ultrasonic energy into thermal energy. When the wave enters the wedge absorber (concentrator), the vibrational displacement of the particles of the substance begins to increase, the amplitude of the oscillations increases. In this case, elastic deformations transform into plastic (residual) ones, which leads to an increase in sound absorption due to internal friction. The wedge angle is chosen sufficiently small (not more than 90 degrees), but providing the ability to maintain the small dimensions of the transducer.

Максимальность диссипативных потерь на поверхностях поглотителя обеспечивают путем съема остаточных переотраженных сигналов, а также поверхностных волн с призмы с помощью заливки призмы демпфирующим композиционным материалом на основе эпоксидной смолы. The maximum dissipative losses on the surfaces of the absorber are ensured by removing residual re-reflected signals, as well as surface waves from the prism by filling the prism with a damping composite material based on epoxy resin.

На чертеже показан предлагаемый преобразователь. The drawing shows the proposed Converter.

Ультразвуковой измерительный преобразователь содержит призму 1, часть которой выполнена в форме клинового поглотителя 2 ультразвуковой энергии, пьезоэлемент 3, размещенный на поверхности 4 призмы 1. The ultrasonic measuring transducer contains a prism 1, part of which is made in the form of a wedge absorber 2 of ultrasonic energy, a piezoelectric element 3 located on the surface 4 of the prism 1.

Кроме того, призма 1 с пьезоэлементом 3 и клиновой поглотитель 2 покрыты демпфирующим слоем 5. Рабочая поверхность 6 призмы 1 размещена на поверхности трубопровода 7. In addition, the prism 1 with the piezoelectric element 3 and the wedge absorber 2 are covered with a damping layer 5. The working surface 6 of the prism 1 is placed on the surface of the pipeline 7.

Работает измерительный преобразователь следующим образом:
Акустические колебания рабочей частоты от пьезоэлемента 3 возбуждается в призме 1 и под определенным углом попадают на рабочую поверхность 6 призмы 1.The transmitter operates as follows:
Acoustic vibrations of the working frequency from the piezoelectric element 3 is excited in the prism 1 and at a certain angle fall on the working surface 6 of the prism 1.

Угол между поверхностью 4 закрепления пьезоэлемента 3 и рабочей поверхностью призмы 1 выбран таким, чтобы обеспечить заданный угол ввода ультразвуковых колебаний в контролируемую жидкость в соответствии с законом Снелиуса. The angle between the surface 4 of the fastening of the piezoelectric element 3 and the working surface of the prism 1 is selected so as to provide a given angle of entry of ultrasonic vibrations into the controlled fluid in accordance with Snelius law.

За счет выбранного угла падения большая часть энергии излучаемого сигнала поступает в трубопровод 7, а часть энергии, поступает в клиновой поглотитель 2, в котором преобразуется в тепловую энергию и полностью затухает в демпфирующем слое 5. Due to the selected angle of incidence, most of the energy of the emitted signal enters the pipeline 7, and part of the energy enters the wedge absorber 2, in which it is converted into thermal energy and completely attenuates in the damping layer 5.

При этом реверберационная составляющая излучаемого сигнала, поступающая в трубопровод 7, значительно уменьшается, а затухание ревербации происходит по классической экспоненте не более, чем за 30 мкс, что особенно важно в случаях измерения расходов на трубах малого диаметра. In this case, the reverberation component of the emitted signal entering the pipeline 7 is significantly reduced, and the reverberation attenuation occurs in a classical exponent in no more than 30 μs, which is especially important in cases of measuring the flow on pipes of small diameter.

Из анализа заявленного и известных решений следует, что тождественных по технической сущности и решаемой задаче не имеется. From the analysis of the claimed and well-known solutions it follows that there are no identical in technical essence and the problem to be solved.

Claims

1. Ultrasonic measuring transducer containing a waveguide made in the form of a prism with a piezoelectric element fixed on its surface, characterized in that the prism is equipped with a wedge absorber, which is obtained by symmetric cutting of the side faces of the prism in the upper and rear parts relative to the piezoelectric element at an angle that provides maximum damping reverb part of the signal.

2. The ultrasonic measuring transducer according to claim 1, characterized in that the cutting angle of the side faces is not more than 90 ^o relative to the axis of symmetry of the prism.

3. The ultrasonic measuring transducer according to claim 1, characterized in that the prism with the piezoelectric element mounted on it is completely flooded with a damping composition.