RU2445748C1 - Пьезоэлектрический преобразователь - Google Patents
Пьезоэлектрический преобразователь Download PDFInfo
- Publication number
- RU2445748C1 RU2445748C1 RU2010135470/28A RU2010135470A RU2445748C1 RU 2445748 C1 RU2445748 C1 RU 2445748C1 RU 2010135470/28 A RU2010135470/28 A RU 2010135470/28A RU 2010135470 A RU2010135470 A RU 2010135470A RU 2445748 C1 RU2445748 C1 RU 2445748C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- piezoelectric element
- density
- closing wall
- signal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Заявляемый пьезоэлектрический преобразователь используется в приборостроении для передачи звуковой энергии в жидкость или приема звуковой энергии из жидкости при измерении ее расхода в напорных трубопроводах. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и соотношения сигнал-шум принимаемого сигнала при сохранении герметичности преобразователя и работоспособности его при высоких избыточных давлениях. Пьезоэлектрический преобразователь содержит металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость с замыкающей стенкой на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены протектор, пьезоэлемент, демпфер, пружинящая шайба, имеющие диаметр немного меньше диаметра внутренней полости, и ниппель с отверстием, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом. При этом замыкающая стенка выполнена в виде мембраны, причем мембрана может быть выполнена за одно целое с корпусом или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент соединен с мембраной через протектор, толщиной, равной длины ультразвуковой волны в протекторе, с помощью клея и/или поджат к ней пружинящей шайбой, а толщина мембраны h в зависимости от плотности материала определяется из соотношения: h=A/ρ, где А - коэффициент, равный от 0,4 до 4 кг/м2, ρ - плотность материала мембраны в кг/м3. 6 ил.
Description
Заявляемый пьезоэлектрический преобразователь используется в приборостроении для передачи звуковой энергии в жидкость или приема звуковой энергии из жидкости при измерении ее расхода в напорных трубопроводах.
Известен акустический преобразователь, содержащий корпус, в котором установлен пьезоэлемент, контактирующий с демпфером, и протектор, толщиной, равной длины волны в протекторе, рабочая поверхность которого покрыта фольгой из термопластичного материала, например отожженного алюминия [1].
Недостатком этого устройства является то, что фольга не имеет упругих свойств и не обеспечивает работу преобразователя при больших давлениях. Кроме того, алюминий в воде подвержен коррозии, следовательно, изделие будет недолговечным.
Известен пьезоэлектрический преобразователь для расходомера, содержащий пьезоэлемент, установленный между протектором и демпфером и закрепленный в патрубке соосно ему посредством изолятора, одним концом связанного с демпфером, а другим через уплотнительную прокладку с патрубком, отличающийся тем, что изолятор выполнен в виде трубки-фланца и скреплен с демпфером механически [2].
Недостатком этого устройства является то, что для защиты пьезоэлемента от воды протектор и демпфер неизбежно должны выполняться из термореактивной пластмассы на основе эпоксидной смолы, которая не работает длительно при высоких давлениях, не обладает достаточной прочностью для создания герметичного соединения с металлической трубой, не выдерживает температурных циклов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является демпфированный ультразвуковой преобразователь для передачи звуковой энергии в жидкость или приема звуковой энергии из жидкости, включающий металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость с замыкающей стенкой на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены пьезоэлемент, демпфер, пружинящие и плоские шайбы, имеющие диаметр немного меньше диаметра внутренней полости, и затычка с резьбой (ниппель), а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем [3].
Недостатком этого технического решения является низкая чувствительность и соотношение сигнал-шум принимаемого сигнала. Это связано с тем, что замыкающая стенка по акустическому сопротивлению материала и по геометрии плохо согласована с жидкостью.
Цель изобретения - повышение эффективности работы устройства путем увеличения чувствительности и соотношения сигнал-шум выходного сигнала при сохранении герметичности преобразователя и работоспособности его при высоких избыточных давлениях.
Поставленная цель достигается тем, что пьезоэлектрический преобразователь содержит металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость с замыкающей стенкой на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены пьезоэлемент, демпфер, пружинящая шайба, имеющие диаметр немного меньше диаметра внутренней полости, и ниппель, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом, отличающийся тем, что замыкающая стенка выполнена в виде мембраны, причем мембрана может быть выполнена за одно целое с корпусом или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент соединен с мембраной через протектор, толщиной, равной длины ультразвуковой волны в протекторе, с помощью клея и/или поджат к ней пружинящей шайбой, а толщина мембраны h в зависимости от плотности материала определяется из соотношения: h=A/ρ, где A - коэффициент, равный от 0,4 до 4 кг/м2, ρ - плотность материала мембраны в кг/м3.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема устройства, на фиг.2-5 - материалы, подтверждающие эффективность предлагаемого технического решения, полученные с помощью компьютерного моделирования: на фиг.2а - геометрическая расчетная модель пары преобразователей в жидкости, а на рис.2б - геометрическая модель заявляемого преобразователя. В силу осевой симметрии задачи геометрические модели строились для половины изделия. На фиг.3 показано изменение формы принимаемых сигналов от относительной толщины мембраны из нержавеющей стали: фиг.3а относится к аналогу - преобразователю без мембраны, фиг.3б-ж относятся к заявляемому устройству, фиг.3з - к прототипу - преобразователю с толстой мембраной; на фиг.4 показаны зависимости удельной чувствительности и соотношения сигнал/шум пары преобразователей от толщины мембраны из нержавеющей стали и титана; на фиг.5 показаны зависимости удельной чувствительности преобразователей от произведения толщины мембраны на плотность материала для мембран из стали, титана и дюралюминия. На фиг.6 показан внешний вид преобразователей.
Пьезоэлектрический преобразователь для передачи звуковой энергии в жидкость или приема звуковой энергии из жидкости, фиг.1, содержит металлический корпус (1), имеющий цилиндрическую полость (2) с замыкающей стенкой (3) на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки (3) размещены протектор (4), пьезоэлемент (5), демпфер (6), пружинящая шайба (7) и ниппель (8), а также проводники (9), соединяющие электроды пьезоэлемента (5) с сигнальным кабелем или разъемом, отличающийся тем, что замыкающая стенка выполнена в виде мембраны (3), причем мембрана может быть сделана за одно целое с корпусом (1) или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент (5) соединен с мембраной (3) через протектор (4), толщиной, равной 1/4 длины ультразвуковой волны в протекторе, с помощью клея и/или поджат к ней пружинящей шайбой (7), а толщина мембраны h в зависимости от плотности материала определяется из соотношения: h=A/ρ, где A - коэффициент, равный от 0,4 до 4 кг/м2, ρ - плотность материала мембраны в кг/м3.
Пара пьезоэлектрических преобразователей устанавливается в трубопровод под углом к движущемуся потоку, поочередно возбуждаются электрическими импульсами и принимают акустический сигнал, прошедший через поток. Разность времени прохождения звуковой волны по и против потока является мерой скорости потока и его расхода. Технический результат: повышение чувствительности и соотношения сигнал-шум принимаемого сигнала при сохранении герметичности преобразователя и работоспособности его при высоких избыточных давлениях.
Подтверждением эффективности предлагаемого технического решения являются результаты расчетов характеристик устройства, полученные с помощью компьютерного моделирования. Из фиг.3а-ж следует, что форма принимаемого сигнала для мембран из нержавеющей стали толщиной от 0,1 до 0,7 мм изменяется слабо и соответствует по амплитуде и форме сигналу преобразователей аналогов, т.е. без мембраны. Дальнейшее увеличение толщины мембраны ведет к ухудшению качества принимаемого сигнала - снижению амплитуды и затуханию, фиг.4. В результате снижается удельная чувствительность и соотношение сигнал/шум пары преобразователей. Причем это наблюдается как для мембран из нержавеющей стали, так и титановых сплавов. На фиг.4 Kmax - удельная чувствительность пары преобразователей, когда один из них возбуждается импульсным напряжением 1 В на резонансной частоте и генерирует акустическую волну, а второй принимает акустический сигнал и генерирует электрическое напряжение; Kx - максимальная амплитуда реверберации сигнала, т.е., на расстоянии более 5 периодов от основного пика.
Из фиг.4 также следует, что по мере снижения плотности материала мембраны (сталь - 7,8 кг/дм3, титан - 4,1 кг/дм3) диапазон допустимых толщин мембраны увеличивается. Зависимости удельной чувствительности преобразователей от произведения толщины мембраны на плотность материала, показанные на фиг.5 свидетельствуют о том, что диапазон оптимальной толщины мембраны h в зависимости от плотности материала определяется из соотношения: h=A/ρ, где A - коэффициент, равный от 0,4 до 4 кг/м2, ρ - плотность материала мембраны в кг/м3. Коэффициент A характеризует «поверхностную плотность мембраны» и равен произведению ее толщины на плотность материала, из которого она выполнена.
Теоретические результаты хорошо согласуются с экспериментом. При этом заявленный пьезоэлектрический преобразователь, работающий на частотах 1-2 МГц и выполненный полностью в корпусе из нержавеющей стали с мембраной 0,2 мм, имеет высокую чувствительность и соотношение сигнал/шум, является герметичным, долговечным и сохраняет работоспособность при избыточных давлениях до 35 МПа, фиг.6.
Из приведенных материалов видно, что предложенное техническое решение обеспечивает повышение эффективности работы устройства за счет увеличения чувствительности и соотношения сигнал-шум выходного сигнала при сохранении герметичности преобразователя и работоспособности его при высоких избыточных давлениях.
Источники информации
1. Патент РФ 1755176 А1 от 08/1992.
2. Патент РФ 2079814 от 05/1994.
3. Патент США 4417480 от 3/1993.
Claims (1)
- Пьезоэлектрический преобразователь для передачи звуковой энергии в жидкость или приема звуковой энергии из жидкости, содержащий металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость с замыкающей стенкой на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены пьезоэлемент, демпфер, пружинящая шайба, диаметром немного меньше диаметра внутренней полости и ниппель с отверстием, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом, отличающийся тем, что замыкающая стенка выполнена в виде мембраны, причем мембрана может быть сделана за одно целое с корпусом или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент соединен с мембраной через протектор толщиной, равной длины ультразвуковой волны в протекторе, с помощью клея и/или поджат к ней пружинящей шайбой, а толщина мембраны h в зависимости от плотности материала определяется из соотношения: h=A/ρ, где А - коэффициент, равный от 0,4 до 4 кг/м2, ρ - плотность материала мембраны, кг/м3.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010135470/28A RU2445748C1 (ru) | 2010-08-24 | 2010-08-24 | Пьезоэлектрический преобразователь |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010135470/28A RU2445748C1 (ru) | 2010-08-24 | 2010-08-24 | Пьезоэлектрический преобразователь |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2445748C1 true RU2445748C1 (ru) | 2012-03-20 |
Family
ID=46030303
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010135470/28A RU2445748C1 (ru) | 2010-08-24 | 2010-08-24 | Пьезоэлектрический преобразователь |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2445748C1 (ru) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2604896C2 (ru) * | 2014-11-25 | 2016-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Пьезоэлектрик" | Пьезоэлектрический преобразователь |
RU2649051C2 (ru) * | 2012-10-02 | 2018-03-29 | Флоудизайн Соникс, Инк. | Технология сепарации с помощью акустофореза, использующая многомерные стоячие волны |
PL423981A1 (pl) * | 2017-12-21 | 2019-07-01 | Dom Lekarski Spółka Akcyjna | Urządzenie do obniżania ciśnienia krwi generujące ultradźwięki |
RU2715084C1 (ru) * | 2019-05-23 | 2020-02-25 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Пьезоэлектрик" | Пьезоэлектрический преобразователь для ультразвуковых расходомеров газа |
RU2739150C1 (ru) * | 2020-03-07 | 2020-12-21 | Максим Николаевич Карпов | Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU281673A1 (ru) * | 1974-04-05 | |||
SU745022A1 (ru) * | 1978-05-04 | 1980-06-30 | Предприятие П/Я А-1742 | Двухканальный пьезоэлектрический преобразователь |
SU777851A1 (ru) * | 1978-11-09 | 1980-11-07 | Предприятие П/Я Р-6292 | Гидроакустический преобразователь |
SU1638803A1 (ru) * | 1987-09-16 | 1991-03-30 | Всесоюзный Научно-Исследовательский И Проектно-Технологический Институт Геологических, Геофизических И Геохимических Информационных Систем | Акустический преобразователь |
RU2121771C1 (ru) * | 1996-06-18 | 1998-11-10 | Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" | Гидроакустический преобразователь для многоэлементной антенны |
DE19756462A1 (de) * | 1997-12-18 | 1999-06-24 | Bosch Gmbh Robert | Ultraschallwandler |
WO2002065446A1 (de) * | 2001-02-13 | 2002-08-22 | Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Halter für einen ultraschallwandler mit gehäuse |
RU90554U1 (ru) * | 2009-05-12 | 2010-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "АТОЛЛ" | Первичный измерительный преобразователь датчика скрости звука в жидкости |
-
2010
- 2010-08-24 RU RU2010135470/28A patent/RU2445748C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU281673A1 (ru) * | 1974-04-05 | |||
SU745022A1 (ru) * | 1978-05-04 | 1980-06-30 | Предприятие П/Я А-1742 | Двухканальный пьезоэлектрический преобразователь |
SU777851A1 (ru) * | 1978-11-09 | 1980-11-07 | Предприятие П/Я Р-6292 | Гидроакустический преобразователь |
SU1638803A1 (ru) * | 1987-09-16 | 1991-03-30 | Всесоюзный Научно-Исследовательский И Проектно-Технологический Институт Геологических, Геофизических И Геохимических Информационных Систем | Акустический преобразователь |
RU2121771C1 (ru) * | 1996-06-18 | 1998-11-10 | Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" | Гидроакустический преобразователь для многоэлементной антенны |
DE19756462A1 (de) * | 1997-12-18 | 1999-06-24 | Bosch Gmbh Robert | Ultraschallwandler |
WO2002065446A1 (de) * | 2001-02-13 | 2002-08-22 | Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Halter für einen ultraschallwandler mit gehäuse |
RU90554U1 (ru) * | 2009-05-12 | 2010-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "АТОЛЛ" | Первичный измерительный преобразователь датчика скрости звука в жидкости |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2649051C2 (ru) * | 2012-10-02 | 2018-03-29 | Флоудизайн Соникс, Инк. | Технология сепарации с помощью акустофореза, использующая многомерные стоячие волны |
RU2604896C2 (ru) * | 2014-11-25 | 2016-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Пьезоэлектрик" | Пьезоэлектрический преобразователь |
PL423981A1 (pl) * | 2017-12-21 | 2019-07-01 | Dom Lekarski Spółka Akcyjna | Urządzenie do obniżania ciśnienia krwi generujące ultradźwięki |
RU2715084C1 (ru) * | 2019-05-23 | 2020-02-25 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Пьезоэлектрик" | Пьезоэлектрический преобразователь для ультразвуковых расходомеров газа |
RU2739150C1 (ru) * | 2020-03-07 | 2020-12-21 | Максим Николаевич Карпов | Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2445748C1 (ru) | Пьезоэлектрический преобразователь | |
US5389848A (en) | Hybrid ultrasonic transducer | |
RU2509983C2 (ru) | Преобразователь и способ его изготовления, ультразвуковой расходомер и способ измерения характеристик текучей среды | |
EP1434039A1 (en) | Liquid level measuring device | |
WO2017009075A9 (en) | A downhole ultrasonic transducer, downhole probe and tool comprising such a transducer | |
CN109937348A (zh) | 用于超声流量测量装置的夹装式超声传感器、以及超声流量测量装置 | |
US20140165740A1 (en) | Ultrasound transducer and method of generating and/or receiving ultrasound | |
CN201611266U (zh) | 热量表超声波换能器 | |
US7963174B2 (en) | Ultrasonic flowmeter having a rubber transmitting body | |
CN103328935A (zh) | 具有安装在压力边界外的换能器的弦气体流量计,其外壳以及实施方法 | |
CN114111927B (zh) | 一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器 | |
JP4707088B2 (ja) | 超音波流量計 | |
KR101117203B1 (ko) | 연속파용 도플러 초음파 변환기 및 그 제작 방법 | |
RU169297U1 (ru) | Накладной преобразователь электроакустический к ультразвуковым расходомерам | |
WO2012074765A2 (en) | Apparatus and method for non-invasive measurement of properties of a fluid flowing in a flexible tubing or conduit | |
CN114111928A (zh) | 一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器 | |
CN103080740B (zh) | 非入侵性测量管道中流动流体中的声速的装置和方法 | |
RU2604896C2 (ru) | Пьезоэлектрический преобразователь | |
CN105928576A (zh) | 一种用于多普勒流量仪表的传感器结构及其组装方法 | |
Ramble et al. | On the relation between surface waves on a bubble and the subharmonic combination-frequency emission | |
CN207487745U (zh) | 气介超声流量传感器 | |
CN207036218U (zh) | 超声波液位计 | |
JP6179343B2 (ja) | 超音波プローブ | |
CN205808487U (zh) | 一种用于多普勒流量仪表的传感器结构 | |
KR101135213B1 (ko) | 초음파 유량계용 초음파 검출기 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120825 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20140920 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150825 |