RU2739150C1 - Ultrasonic piezoelectric transducer - Google Patents
Ultrasonic piezoelectric transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2739150C1 RU2739150C1 RU2020109930A RU2020109930A RU2739150C1 RU 2739150 C1 RU2739150 C1 RU 2739150C1 RU 2020109930 A RU2020109930 A RU 2020109930A RU 2020109930 A RU2020109930 A RU 2020109930A RU 2739150 C1 RU2739150 C1 RU 2739150C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- piezoelectric
- spring
- threaded
- ultrasonic
- Prior art date
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 230000001012 protector Effects 0.000 description 8
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 6
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 3
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 210000002445 nipple Anatomy 0.000 description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 3
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 3
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001200 Ferrotitanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005534 acoustic noise Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- QXJJQWWVWRCVQT-UHFFFAOYSA-K calcium;sodium;phosphate Chemical compound [Na+].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O QXJJQWWVWRCVQT-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000004482 other powder Substances 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
Abstract
Description
Заявляемое изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в составе ультразвуковых расходомеров газа в качестве первичного преобразователя.The claimed invention relates to the field of instrumentation and can be used in the composition of ultrasonic gas flow meters as a primary converter.
Известен пьезоэлектрический преобразователь, который содержит металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены протектор, пьезоэлемент, опорное кольцо и ниппель с отверстием, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом. Замыкающая стенка выполнена в виде мембраны, которая может быть сделана за одно целое с корпусом или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент соединен с мембраной через протектор из материала с низким акустическим сопротивлением. Оптимальные толщины пьезоэлемента и протектора подбираются путем моделирования устройства методом конечных элементов. Между основным корпусом и ниппелем вводится одна, две или больше ступенчатых переходных секций, каждая из которых представляет собой сочетание соосных отрезков трубы малого и большого диаметра, соединяющихся между собой через плоские мембраны, а отдельные секции могут быть выполнены за одно целое с основанием либо могут соединяться с основанием и между собой сварными или клеевыми швами (патент РФ № 2604896, опубл. 10.06.2019, МПК H04R 17/00 (2006.01)).Known piezoelectric transducer, which contains a metal housing having a cylindrical cavity, in which coaxially of the cavity in series from the closing wall are placed a protector, a piezoelectric element, a support ring and a nipple with a hole, as well as conductors connecting the electrodes of the piezoelectric element with a signal cable or connector. The closing wall is made in the form of a membrane, which can be made in one piece with the body or connected to it along the contour by welding, and the piezoelectric element is connected to the membrane through a protector made of a material with low acoustic resistance. The optimal thicknesses of the piezoelectric element and tread are selected by modeling the device using the finite element method. One, two or more stepped transition sections are introduced between the main body and the nipple, each of which is a combination of coaxial pipe sections of small and large diameter, connected to each other through flat membranes, and individual sections can be made in one piece with the base or can be connected with a base and between themselves welded or glued seams (RF patent No. 2604896, publ. 10.06.2019, IPC
Недостатком данного пьезоэлектрического преобразователя является применение протектора, который состоит из эпоксидной смолы и полых стеклосфер. Эпоксидная смола в виду ее полимерных свойств не стабильна в изменчивых температурных условиях и это приводит к следующим последствиям: изменяются физические свойства эпоксидной смолы, такие как скорость распространения звука, плотность и акустическое сопротивление. В соответствие с перечисленными изменениями изменяется время задержки сигнала в преобразователе и это приводит к метрологическим погрешностям при измерениях времени пролета ультразвукового сигнала через газ между преобразователями ультразвукового расходомера.The disadvantage of this piezoelectric transducer is the use of a protector, which consists of epoxy resin and hollow glass spheres. Due to its polymer properties, epoxy resin is not stable under changeable temperature conditions and this leads to the following consequences: physical properties of epoxy resin, such as sound velocity, density and acoustic resistance, change. In accordance with the listed changes, the signal delay time in the transducer changes and this leads to metrological errors in measuring the time of flight of the ultrasonic signal through the gas between the transducers of the ultrasonic flow meter.
Известен 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, характеризующийся 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. (патент РФ № 2445748, опубл. 20.03.2012, МПК H04R 1/44, H04R 17/00 (2006.01)).Known piezoelectric transducer for transmitting sound energy into a liquid or receiving sound energy from a liquid, containing a metal body having a cylindrical cavity with a closing wall at one end and open at the opposite end, in which a piezoelectric element, a damper, a spring washer are placed coaxially of the cavity in series from the closing wall , with a diameter slightly less than the diameter of the inner cavity and a nipple with a hole, as well as conductors connecting the electrodes of the piezoelectric element with a signal cable or connector, characterized in that the closing wall is made in the form of a membrane, and the membrane can be made in one piece with the body or connected to it along the contour by welding, and the piezoelectric element is connected to the membrane through a protector with a thickness equal to the ultrasonic wavelength in the protector, using glue and / or pressed against it by a spring washer, and the membrane thickness h, depending on the density of the material, is determined from the ratio: h = A / ρ , where A is a coefficient equal to from 0.4 to 4 kg / m 2 , ρ is the density of the membrane material, kg / m 3 . (RF patent No. 2445748, publ. 03/20/2012, IPC
Недостатком данного пьезоэлектрического преобразователя является то, что пьезоэлемент поджат или приклеен. Клеевое соединение в виду своих полимерных свойств, не стабильно при изменчивых температурных условиях и приводит к разрушению пьезокерамики из-за разницы коэффициента температурного расширения клея, пьезокерамического элемента и протектора, сделанного из титана или из нержавеющей стали. А при поджатии пьезоэлемента к протектору без применения клея приведет к ухудшению акустического согласования между пьезоэлементом и протектором. При применение данного преобразователя в газовой среде его эффективность сильно ухудшится из-за низкого акустического сопротивления газа.The disadvantage of this piezoelectric transducer is that the piezoelectric element is pressed or glued. The adhesive bond, due to its polymer properties, is not stable under changeable temperature conditions and leads to the destruction of piezoelectric ceramics due to the difference in the coefficient of thermal expansion of the adhesive, the piezoceramic element and the protector made of titanium or stainless steel. And when the piezoelectric element is pressed against the protector without the use of glue, it will lead to a deterioration in the acoustic matching between the piezoelectric element and the protector. When this transducer is used in a gaseous environment, its efficiency will greatly deteriorate due to the low acoustic resistance of the gas.
Известен ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, содержащий звукопровод, на верхней поверхности которого расположено нижнее основание пустотелого цилиндрического корпуса, внутри которого расположены пьезоэлемент, имеющий верхний и нижний электроды; изолятор, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода, а верхней поверхностью - на нижней поверхности пьезоэлемента; промежуточный элемент, расположенный между пьезоэлементом и пружиной, верхняя часть которой расположена на внутренней поверхности крышки, и крышку с отверстием для вывода проводников, соединенных с верхним и нижним электродами пьезоэлемента, характеризующийся тем, что промежуточный элемент выполнен, например, в виде муфты, имеющей, по меньшей мере, одно отверстие, через которое проходят проводники от электродов пьезоэлемента, и установленной на соприкасающейся с ней части площади верхней поверхности пьезоэлемента, причем площадь контакта муфты с верхней поверхностью пьезоэлемента составляет от 5% до 50% верхней поверхности площади пьезоэлемента, удельное акустическое сопротивление материала муфты составляет 5%-17% от удельного акустического сопротивления материала пьезоэлемента, а пьезоэлемент, изолятор и звукопровод соединены акустически прозрачными слоями, пружина установлена с возможностью передачи прижимного усилия через муфту на пьезоэлемент, изолятор и звукопровод. Кроме того, ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь характеризуется тем, что пространство между деталями преобразователя и полого цилиндрического корпуса может быть заполнено компаундом, имеющим низкое удельное акустическое сопротивление. Кроме того, ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь характеризуется тем, что между пружиной и муфтой может быть расположена деталь, выполненная, например, в виде металлической втулки, установленной своей нижней поверхностью на основании муфты, а нижняя часть пружины установлена по торцу верхней поверхности втулки (патент РФ № 2582889, опубл. 27.04.2016, МПК H04R 17/00 (2006.01)).Known ultrasonic piezoelectric transducer containing a sound conduit, on the upper surface of which is located the lower base of the hollow cylindrical body, inside which there are a piezoelectric element having upper and lower electrodes; an insulator installed with its lower surface on the upper surface of the sound pipe, and with its upper surface on the lower surface of the piezoelectric element; an intermediate element located between the piezoelectric element and a spring, the upper part of which is located on the inner surface of the lid, and a lid with an opening for the output of the conductors connected to the upper and lower electrodes of the piezoelectric element, characterized in that the intermediate element is made, for example, in the form of a clutch having, at least one hole through which the conductors pass from the electrodes of the piezoelectric element, and the area of the upper surface of the piezoelectric element installed on the adjacent part, and the contact area of the coupling with the upper surface of the piezoelectric element is from 5% to 50% of the upper surface of the area of the piezoelectric element, the specific acoustic resistance the material of the coupling is 5% -17% of the specific acoustic resistance of the material of the piezoelectric element, and the piezoelectric element, the insulator and the sound conductor are connected by acoustically transparent layers, the spring is installed with the possibility of transmitting the pressing force through the coupling to the piezoelectric element, insulator and sound conductor. In addition, the ultrasonic piezoelectric transducer is characterized in that the space between the parts of the transducer and the hollow cylindrical body can be filled with a compound having a low specific acoustic resistance. In addition, the ultrasonic piezoelectric transducer is characterized by the fact that between the spring and the clutch there can be a part made, for example, in the form of a metal sleeve installed with its lower surface on the base of the sleeve, and the lower part of the spring is installed along the end face of the upper surface of the sleeve (RF patent No. 2582889, publ. 04/27/2016, IPC
Как наиболее близкое по совокупности существенных признаков и достигаемому результату принимаем техническое решение по вышеприведенному патенту РФ № 2582889 за прототип.As the closest in terms of the set of essential features and the achieved result, we take a technical solution according to the above-mentioned RF patent No. 2582889 for a prototype.
Недостатком данного ультразвукового преобразователя является то, что излучающая площадь звукопровода (или волновода) меньше, чем диаметр самого преобразователя из-за чего данный преобразователь имеет низкую чувствительность. Кроме того, данная конструкция пьезоэлектрического преобразователя имеет ограниченный диапазон рабочей температуры, что связано с использованием муфты из пластмассы, а также из-за клея между пьезоэлементом и изолятором. Пластмасса в виду ее полимерных свойств быстро устаревает при изменчивых температурных условиях, также могут измениться физические свойства, например, скорость распространения звука, плотность, акустическое сопротивления. Такие изменения нельзя компенсировать или диагностировать в процессе работы пьезоэлектрического преобразователя в составе ультразвукового расходомера, поэтому логическим последствием является систематическая метрологическая погрешность ультразвукового расходомера.The disadvantage of this ultrasonic transducer is that the radiating area of the acoustic duct (or waveguide) is less than the diameter of the transducer itself, which is why this transducer has a low sensitivity. In addition, this design of the piezoelectric transducer has a limited operating temperature range, which is associated with the use of a plastic sleeve, as well as due to the glue between the piezoelectric element and the insulator. Due to its polymer properties, plastic quickly becomes obsolete under changeable temperature conditions; physical properties, for example, the speed of sound propagation, density, acoustic resistance, can also change. Such changes cannot be compensated or diagnosed during the operation of the piezoelectric transducer as part of an ultrasonic flow meter, therefore, a logical consequence is the systematic metrological error of an ultrasonic flow meter.
Техническим результатом заявляемого ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя является его способность работать в широком диапазоне температур (от минус 196°C до плюс 330°C) и давлений (до 45МПа) в газовой среде, иметь минимальные габаритные размеры и не иметь полимерных элементов, смазочных и клеевых соединений. Результат подтвержден на экспериментальных образцах изобретения. Аналогично проверялись образцы аналогов и прототипа.The technical result of the proposed ultrasonic piezoelectric transducer is its ability to operate in a wide range of temperatures (from minus 196 ° C to plus 330 ° C) and pressures (up to 45 MPa) in a gas environment, to have minimum overall dimensions and not have polymer elements, lubricants and adhesive compounds ... The result is confirmed on experimental samples of the invention. Samples of analogs and prototypes were tested in the same way.
Кроме того, заявляемое техническое решение позволяет изготовить ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь с малыми габаритными размерами, что важно, так как большие габариты ультразвукового преобразователя сильнее влияют на профиль скорости газа в трубопроводе. Таким образом, минимальные габариты уменьшают неопределенность при построении профиля скорости газа в трубопроводе и повышают точность измерений ультразвукового расходомера.In addition, the claimed technical solution makes it possible to manufacture an ultrasonic piezoelectric transducer with small overall dimensions, which is important, since the large dimensions of the ultrasonic transducer have a stronger effect on the gas velocity profile in the pipeline. Thus, the minimum dimensions reduce the uncertainty in the construction of the gas velocity profile in the pipeline and increase the measurement accuracy of the ultrasonic flow meter.
Технический результат изобретения достигается решением технической задачи по созданию ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя для передачи акустического сигнала в газовую среду и/или приема акустического сигнала из газовой среды, содержащего металлический корпус, по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент, волновод, соединенный с нижней частью корпуса, пружину для поджатия пьезоэлектрического элемента, крышку, выводящие провода, характеризующегося тем, что:The technical result of the invention is achieved by solving the technical problem of creating an ultrasonic piezoelectric transducer for transmitting an acoustic signal into a gaseous medium and / or receiving an acoustic signal from a gaseous environment, containing a metal case, at least one piezoelectric element, a waveguide connected to the lower part of the case, a spring for tightening the piezoelectric element, cover, output wires, characterized in that:
- пружина имеет верхнюю и нижнюю части, выполненные с внутренней резьбой и среднюю часть, выполненную, по меньшей мере, с одним участком в форме сильфона;- the spring has an upper and a lower part made with an internal thread and a middle part made with at least one section in the form of a bellows;
- резьбовые части пружины соединены соответственно с резьбовыми концами волновода и резьбового элемента; - the threaded parts of the spring are connected respectively to the threaded ends of the waveguide and the threaded element;
- пьезоэлектрический элемент прижимается к верхней поверхности волновода с помощью пружины и резьбового элемента, при этом величина усилия сжатия пьезоэлектрического элемента обеспечивается заворачиванием пружины на резьбовых концах волновода и резьбового элемента.- the piezoelectric element is pressed against the upper surface of the waveguide by means of a spring and a threaded element, while the magnitude of the compression force of the piezoelectric element is provided by winding the spring at the threaded ends of the waveguide and the threaded element.
Конструктивное выполнение резьбового элемента и его размещение внутри корпуса преобразователя могут быть самыми различными, например, в виде опорной резьбовой втулки, как это представлено ниже в варианте исполнения изобретения.The design of the threaded element and its placement inside the housing of the transducer can be very different, for example, in the form of a supporting threaded sleeve, as is presented below in an embodiment of the invention.
Кроме того, ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь характеризуется тем, что пьезоэлектрический элемент выполнен в виде поляризованного пьезоэлектрического кольца, преимущественно двух или более поляризованных пьезоэлектрических колец, образующих пьезоэлектрический пакет.In addition, an ultrasonic piezoelectric transducer is characterized in that the piezoelectric element is made in the form of a polarized piezoelectric ring, preferably two or more polarized piezoelectric rings, forming a piezoelectric package.
Кроме того, ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь характеризуется тем, что корпус выполнен из двух частей, соединенных друг с другом неразъемно и герметично с помощью резьбовой вставки.In addition, the ultrasonic piezoelectric transducer is characterized in that the housing is made of two parts, which are permanently and hermetically connected to each other by means of a threaded insert.
Кроме того, ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь характеризуется тем, что корпус имеет гофрированные участки, при этом, в одном из вариантов исполнения, гофры выполнены путем нарезания винтовых желобков как снаружи, так и внутри корпуса.In addition, the ultrasonic piezoelectric transducer is characterized in that the body has corrugated sections, while, in one embodiment, the corrugations are made by cutting screw grooves both outside and inside the housing.
Кроме того, ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь характеризуется тем, что волновод имеет одну или более соосных с волноводом убывающих по диаметру ступеней, (ступенчатого концентратора) соответствующих профилю на нижней части корпуса, нижняя донная часть волновода имеет преимущественно плоскую поверхность с диаметром окружности, соответствующим наружному диаметру корпуса преобразователя, на внутренней донной части волновода выполнена заедино центральная часть преимущественно цилиндрической формы с плоской верхней поверхностью, на которую устанавливаются пьезоэлектрические кольца. Ступенчатый профиль волновода в варианте исполнения выполнен на боковой кромке волновода.In addition, the ultrasonic piezoelectric transducer is characterized in that the waveguide has one or more steps coaxial with the waveguide (stepped concentrator) corresponding to the profile on the lower part of the housing, the lower bottom part of the waveguide has a predominantly flat surface with a circle diameter corresponding to the outer diameter of the housing of the transducer, on the inner bottom of the waveguide, a central part of a predominantly cylindrical shape with a flat upper surface is made, on which piezoelectric rings are installed. The stepped profile of the waveguide in the embodiment is made on the lateral edge of the waveguide.
Кроме того, ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь характеризуется тем, что волновод и пружина выполнены из титана.In addition, the ultrasonic piezoelectric transducer is characterized by the fact that the waveguide and the spring are made of titanium.
Кроме того, ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь характеризуется тем, что опорная резьбовая втулка выполнена из стали.In addition, the ultrasonic piezoelectric transducer is characterized in that the threaded support sleeve is made of steel.
Заявляемое изобретение поясняется прилагаемыми фигурами, где:The claimed invention is illustrated by the attached figures, where:
Фиг. 1 - ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь (вертикальное сечение);FIG. 1 - ultrasonic piezoelectric transducer (vertical section);
Фиг. 2 - волновод (фрагмент ступенчатого соединения с нижней кромкой нижней части корпуса); FIG. 2 - waveguide (a fragment of a stepped connection with the lower edge of the lower part of the body);
Фиг. 3 - амплитудно-частотные характеристики ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя;FIG. 3 - amplitude-frequency characteristics of an ultrasonic piezoelectric transducer;
Фиг. 4 - измерение диаграммы направленности;FIG. 4 - measurement of the directional pattern;
Фиг. 5 - форма сигнала на принимающем преобразователе;FIG. 5 - waveform at the receiving transducer;
Фиг. 6 - внешний вид ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя;FIG. 6 - external view of the ultrasonic piezoelectric transducer;
Фиг. 7 - фото экспериментального образца ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя. FIG. 7 is a photo of an experimental sample of an ultrasonic piezoelectric transducer.
Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь (далее - преобразователь) для передачи акустического сигнала в газовую среду и/или приема акустического сигнала из газовой среды в основном, но не единственном, варианте исполнения содержит металлический корпус 1, состоящий из двух частей - нижней и верхней (определение положения относится исключительно к положению преобразователя на Фиг.1), соединенных друг с другом с помощью резьбовой вставки 2 и герметизированных сварным швом между собой.An ultrasonic piezoelectric transducer (hereinafter referred to as the transducer) for transmitting an acoustic signal into a gaseous medium and / or receiving an acoustic signal from a gaseous medium, in the main, but not the only, version contains a
Снизу к нижней стороне нижней части корпуса 1 крепится герметично волновод (звукопровод - в прототипе) 3 по наружной боковой кромке, которая имеет специальный ступенчатый профиль (Фиг. 1 и 2) в виде ступенчатого концентратора. Нижняя часть волновода 3 имеет преимущественно плоскую поверхность с диаметром окружности, соответствующей наружному диаметру корпуса преобразователя. На внутренней донной части волновода выполнена заедино центральная часть преимущественно цилиндрической формы с плоской верхней поверхностью, преимущественно - кольцевой поверхностью, на которую устанавливаются пьезоэлектрические кольца 4, преимущественно два или более поляризованных пьезоэлектрических колец, образующих пьезоэлектрический пакет. Между пьезоэлектрическими кольцами размещаются тонкие металлические кольцевые электроды 5. Пьезоэлектрический пакет прижимается с рассчитанным усилием к верхней центральной поверхности волновода 3 с помощью специальной пружины 6 и опорной резьбовой втулки 7. Пружина 6 имеет верхнюю и нижнюю части, выполненные с внутренней резьбой, которая имеет разнонаправленность для этих частей (левая и правая резьба) и среднюю утоненную часть (оболочку), с геометрией, позволяющей при заворачивании пружины на резьбовые концы верхней цилиндрической части волновода 3 и резьбовой втулки 7 создавать регулируемый пружинящий эффект сжатия пьезоэлектрического пакета. Пружина 6 является одной из ключевых деталей в ультразвуковом пьезоэлектрическом преобразователе. Она поджимает пьезоэлектрический пакет максимальным постоянным усилием сжатия, и имеет длинный линейный ход. В предложенной конструкции пружины 6 имеется как минимум один участок в форме сильфона, который работает как пружина.From the bottom to the bottom side of the lower part of the
Резьбовая втулка 7 имеет центральное отверстие, изолированное по периметру с помощью не токопроводящей керамической трубки 8 для вывода сигнального провода 9, приваренного к пластинчатому кольцевому электроду 5 с одного конца и с другого конца приваренного или припаянного к сигнальному проводу 10, припаянному к разъему 11ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя. В верхней части преобразователя расположен проходной элемент 12 в виде втулки с центральным отверстием для выводя сигнального провода, расположенной соосно корпусу 1, упирающийся в пробку 13 и уплотнительное металлическое кольцо 14.Threaded
Корпус имеет гофрированные участки 15 и 16, при этом в одном из вариантов исполнения гофры выполнены путем нарезания винтовых желобков как снаружи, так и внутри корпуса 1. Подобные периферийные канавки (гофры) образуют изгибные участки на корпусе 1 преобразователя, что позволяет гасить шумы, приходящих от напорного трубопровода. Корпус преобразователя должен быть спроектирован так, чтобы собственные частоты не совпадали с рабочей частотой преобразователя.The body has corrugated
Волновод 3 (Фиг. 1 и 2) является акустическим согласующим звеном между пьезоэлектрическим пакетом и газовой средой. Акустическое сопротивление волновода 3 может быть изменено путем добавления к волноводу ступеней меньшим диаметром (Фиг. 2) и может быть оптимизировано для лучшего согласования со средой. Волновод имеет одну или более соосных с волноводом убывающих по диаметру ступеней (ступенчатого концентратора), соответствующих профилю на нижней части корпуса, нижняя донная часть волновода (мембрана) имеет преимущественно плоскую поверхность с диаметром окружности, соответствующим наружному диаметру корпуса преобразователя, на внутренней донной части волновода выполнена заедино центральная часть преимущественно цилиндрической формы с плоской верхней поверхностью, на которую устанавливаются пьезоэлектрические кольца.Waveguide 3 (Fig. 1 and 2) is an acoustic matching link between the piezoelectric package and the gas medium. The acoustic impedance of the
Традиционный метод акустического согласования ультразвукового преобразователя осуществляется неметаллическими акустическими слоями на основе эпоксидного материала с металлическими или другими порошковыми примесями, имеющими низкие акустические сопротивления. Недостатком такого метода является невозможность применения вышеуказанного акустического слоя при повышенных температурах и давлениях. Кроме того, при контакте с агрессивной средой происходит износ, эрозия или изменение физических свойств излучающей поверхности преобразователя, что приводит к неправильной работе преобразователя.The traditional method of acoustic matching of an ultrasonic transducer is carried out by non-metallic acoustic layers based on epoxy material with metallic or other powder impurities having low acoustic resistance. The disadvantage of this method is the impossibility of using the above acoustic layer at elevated temperatures and pressures. In addition, contact with an aggressive medium causes wear, erosion or changes in the physical properties of the transducer's emitting surface, which leads to incorrect operation of the transducer.
На Фиг. 3 показаны амплитудно-частотные характеристики заявляемого ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя. fa - антирезонансная частота ультразвукового преобразователя, соответствующая максимальному электрическому сопротивлению и минимальной амплитуде механической деформации в центре мембраны ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, fr - резонансная частота ультразвукового преобразователя, соответствующая минимальному электрическому сопротивлению и максимальной амплитуде механической деформации в центре мембраны ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, 17 - кривая электромеханического импеданса и 18 - кривая фазы ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя. При этом рабочим диапазоном частоты ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя является полоса по уровню -3Дб от электромеханического импеданса в fr. Приведенная амплитудно-частотная характеристика ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя показывает, что в рабочем диапазоне частоты ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя паразитные частоты отсутствуют.FIG. 3 shows the amplitude-frequency characteristics of the inventive ultrasonic piezoelectric transducer. fa is the antiresonant frequency of the ultrasonic transducer corresponding to the maximum electrical resistance and the minimum amplitude of mechanical deformation in the center of the membrane of the ultrasonic piezoelectric transducer, fr is the resonant frequency of the ultrasonic transducer, corresponding to the minimum electrical resistance and maximum amplitude of mechanical deformation in the center of the membrane of the ultrasonic piezoelectric transducer, 17 is the curve of the electromechanical impedance and 18 - phase curve of the ultrasonic piezoelectric transducer. In this case, the operating frequency range of the ultrasonic piezoelectric transducer is a band at a level of -3 dB from the electromechanical impedance in fr. The given amplitude-frequency characteristic of the ultrasonic piezoelectric transducer shows that there are no parasitic frequencies in the operating frequency range of the ultrasonic piezoelectric transducer.
На Фиг. 4 представлена диаграмма направленности заявляемого ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя. Согласно приведенной диаграммы, акустический луч имеет угол раскрытие α= ±7,5° по уровню -3Дб от максимального акустического давления.FIG. 4 shows the directional diagram of the inventive ultrasonic piezoelectric transducer. According to the diagram above, the acoustic beam has an opening angle α = ± 7.5 ° at a level of -3 dB from the maximum acoustic pressure.
На Фиг.5 представлена форма сигнала на принимаемом преобразователе. Приемный сигнал состоит из трех нарастающих периодов и двух убывающих периодов, при этом максимальная амплитуда сигнала наблюдается на третьем периоде. Принимаемый сигнал имеет четкий пик и легко отличается от электромеханических и акустических шумов.Figure 5 shows the waveform on the received transducer. The receiving signal consists of three rising periods and two falling periods, with the maximum signal amplitude observed in the third period. The received signal has a clear peak and is easily distinguished from electromechanical and acoustic noise.
В процессе сборки пьезоэлектрический пакет устанавливается между волноводом 3 и резьбовой втулкой 7 и затягивается между ними с помощью пружины 6 усилием, равным половине блокирующей силы пьезоэлектрического пакета. Блокирующая сила – это сила создаваемая пьезоэлектрическим материалом, зажатым между опорами и при подаче на него электрического напряжения. Данная сборочная единица называется излучателем. Предварительно собранный корпус, соединенный резьбовой вставкой 2 и сварным швом присоединяется к волноводу (излучателю) 3 с помощью сварного шва.During assembly, the piezoelectric package is installed between the
Работает преобразователь следующим образом.The converter works as follows.
При подаче переменного напряжения на тонкий металлический электрод 5, расположенный между пьезоэлектрическими кольцами 4 с частотой, соответствующей осевой моде колебаний преобразователя, пьезоэлектрические кольца деформируются в направлении оси преобразователя, вызывая колебательное движение волновода 3 и резьбовой втулки 7. Для получения максимального акустического отклика необходимо возбуждать преобразователь ближе к резонансной частоте, которая вызывает аксиальную моду колебаний резьбовой втулки и волновода. При этом преобразователь может иметь нескольких аксиальных собственных частот, и оптимальная возбуждающая частота определяется путем оценки деформации на свободном конце волновода. Акустический сигнал излучается от свободной торцевой поверхности волновода (мембраны). Для получения максимального акустического отклика и для обеспечения стабильности работы преобразователя в широком диапазоне температур и давлений пьезоэлементы предварительно зажаты с помощью пружины. Для волновода рекомендуется использовать сплавы низкой плотности и высокой жесткости, например, титановые сплавы, а для резьбовой втулки лучше всего подходят стальные сплавы.When an alternating voltage is applied to a
В ходе разработки, изготовления и испытания экспериментальных образцов заявляемого преобразователя были проведены испытания аналогов и прототипа, приведенных в заявке.In the course of the development, manufacture and testing of experimental samples of the proposed converter, tests were carried out for analogues and a prototype given in the application.
Анализ патентной документации и научно-технической информации показал, что изобретение обладает новизной, изобретательским уровнем, а испытания экспериментальных образцов ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя показали его промышленную применимость.An analysis of patent documents and scientific and technical information showed that the invention has a novelty, an inventive level, and tests of experimental samples of an ultrasonic piezoelectric transducer showed its industrial applicability.
Заявляемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь устойчив при работе в температурном диапазоне от -196°C до +330°C, что затруднительно при использовании таких материалов как пластмасса, эпоксидные материалы, смазки.The claimed ultrasonic piezoelectric transducer is stable when operating in the temperature range from -196 ° C to + 330 ° C, which is difficult when using materials such as plastic, epoxy materials, lubricants.
Кроме того, преобразователь с минимальными габаритами уменьшает неопределенность при построении профиля скорости газа в трубопроводе и повышают точность измерений ультразвукового расходомера.In addition, the minimized transducer reduces the uncertainty in the construction of the gas velocity profile in the pipeline and increases the measurement accuracy of the ultrasonic flow meter.
Claims (10)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020109930A RU2739150C1 (en) | 2020-03-07 | 2020-03-07 | Ultrasonic piezoelectric transducer |
| EA202100039A EA202100039A1 (en) | 2020-03-07 | 2021-02-10 | ULTRASONIC PIEZOELECTRIC CONVERTER |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020109930A RU2739150C1 (en) | 2020-03-07 | 2020-03-07 | Ultrasonic piezoelectric transducer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2739150C1 true RU2739150C1 (en) | 2020-12-21 |
Family
ID=74062910
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020109930A RU2739150C1 (en) | 2020-03-07 | 2020-03-07 | Ultrasonic piezoelectric transducer |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA202100039A1 (en) |
| RU (1) | RU2739150C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2776043C1 (en) * | 2021-12-27 | 2022-07-12 | Максим Николаевич Карпов | Ultrasonic piezoelectric transducer |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU120959A1 (en) * | 1959-01-26 | 1959-11-30 | М.В. Цалюк | Ultrasound probe |
| SU1637887A1 (en) * | 1988-06-06 | 1991-03-30 | Предприятие П/Я Р-6793 | Piezoceramic ultrasonic transducer |
| EP1111230B1 (en) * | 1999-12-22 | 2004-11-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Hydraulic device for transmitting an actuator movement |
| DE10321693A1 (en) * | 2003-05-14 | 2004-12-02 | Robert Bosch Gmbh | Fuel injection valve for fuel drive engines, where a coupling chamber of a coupler is at least partly filled with gas |
| EP1413743B1 (en) * | 2002-10-22 | 2007-09-12 | Siemens VDO Automotive S.p.A. | Nozzle for a fuel injector |
| RU84971U1 (en) * | 2009-01-21 | 2009-07-20 | Закрытое Акционерное Общество "Когерент" | ULTRASONIC PIEZOELECTRIC CONVERTER |
| RU2396732C1 (en) * | 2008-12-24 | 2010-08-10 | Закрытое Акционерное Общество "Когерент" | Ultrasonic piezoelectric converter |
| RU2402112C2 (en) * | 2008-10-15 | 2010-10-20 | Закрытое Акционерное Общество "Когерент" | Ultrasonic piezoelectric converter (versions) |
| RU2445748C1 (en) * | 2010-08-24 | 2012-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Пьезоэлектрик" | Piezoelectric transducer |
| WO2012112339A1 (en) * | 2011-02-14 | 2012-08-23 | Rosemount, Inc. | Acoustic transducer assembly for a pressure vessel |
| RU159558U1 (en) * | 2014-12-11 | 2016-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Татинтек" | ULTRASONIC PIEZOELECTRIC CONVERTER |
| RU2582889C1 (en) * | 2014-12-11 | 2016-04-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Татинтек" | Ultrasonic piezoelectric converter |
| RU2604896C2 (en) * | 2014-11-25 | 2016-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Пьезоэлектрик" | Piezoelectric transducer |
-
2020
- 2020-03-07 RU RU2020109930A patent/RU2739150C1/en active
-
2021
- 2021-02-10 EA EA202100039A patent/EA202100039A1/en unknown
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU120959A1 (en) * | 1959-01-26 | 1959-11-30 | М.В. Цалюк | Ultrasound probe |
| SU1637887A1 (en) * | 1988-06-06 | 1991-03-30 | Предприятие П/Я Р-6793 | Piezoceramic ultrasonic transducer |
| EP1111230B1 (en) * | 1999-12-22 | 2004-11-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Hydraulic device for transmitting an actuator movement |
| EP1413743B1 (en) * | 2002-10-22 | 2007-09-12 | Siemens VDO Automotive S.p.A. | Nozzle for a fuel injector |
| DE10321693A1 (en) * | 2003-05-14 | 2004-12-02 | Robert Bosch Gmbh | Fuel injection valve for fuel drive engines, where a coupling chamber of a coupler is at least partly filled with gas |
| RU2402112C2 (en) * | 2008-10-15 | 2010-10-20 | Закрытое Акционерное Общество "Когерент" | Ultrasonic piezoelectric converter (versions) |
| RU2396732C1 (en) * | 2008-12-24 | 2010-08-10 | Закрытое Акционерное Общество "Когерент" | Ultrasonic piezoelectric converter |
| RU84971U1 (en) * | 2009-01-21 | 2009-07-20 | Закрытое Акционерное Общество "Когерент" | ULTRASONIC PIEZOELECTRIC CONVERTER |
| RU2445748C1 (en) * | 2010-08-24 | 2012-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Пьезоэлектрик" | Piezoelectric transducer |
| WO2012112339A1 (en) * | 2011-02-14 | 2012-08-23 | Rosemount, Inc. | Acoustic transducer assembly for a pressure vessel |
| RU2604896C2 (en) * | 2014-11-25 | 2016-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Пьезоэлектрик" | Piezoelectric transducer |
| RU159558U1 (en) * | 2014-12-11 | 2016-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Татинтек" | ULTRASONIC PIEZOELECTRIC CONVERTER |
| RU2582889C1 (en) * | 2014-12-11 | 2016-04-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Татинтек" | Ultrasonic piezoelectric converter |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2776043C1 (en) * | 2021-12-27 | 2022-07-12 | Максим Николаевич Карпов | Ultrasonic piezoelectric transducer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA202100039A1 (en) | 2021-09-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7779700B2 (en) | Pressure sensor | |
| JP6101922B2 (en) | Ultrasonic flow measurement unit and manufacturing method thereof | |
| JP2918102B2 (en) | Ultrasonic transducer | |
| US7942062B2 (en) | Pressure sensor and method for manufacturing the same | |
| US9175994B2 (en) | Ultrasonic transducer for a flow measuring device | |
| CN109073431B (en) | Ultrasonic transducer applied to ultrasonic flow measuring device or ultrasonic material level measuring device | |
| WO2012164879A1 (en) | Ultrasonic transducer and ultrasonic flow-meter | |
| JP2010019828A (en) | Diaphragm for pressure sensor, and pressure sensor | |
| BRPI1104088B1 (en) | ultrasonic transducer set | |
| RU2691285C1 (en) | Vortex flowmeter vortex converter | |
| JPWO2005029912A1 (en) | Ultrasonic flowmeter using ultrasonic transducer | |
| JP2008232886A (en) | Pressure sensor | |
| RU169297U1 (en) | ELECTRO-ACOUSTIC OPTICAL TRANSMITTER TO ULTRASONIC FLOW METERS | |
| US7963174B2 (en) | Ultrasonic flowmeter having a rubber transmitting body | |
| CN114111927B (en) | High-frequency ultrasonic sensor suitable for gas flow detection | |
| EP2597432A1 (en) | Construction for mounting ultrasonic transducer and ultrasonic flow meter using same | |
| RU2739150C1 (en) | Ultrasonic piezoelectric transducer | |
| EA040123B1 (en) | ULTRASONIC PIEZOELECTRIC TRANSDUCER | |
| KR101116165B1 (en) | Ultrasonic Transducer using Planar Parallel Langevin Mounting Piezoelectric Element, Method for Manufacturing the Ultrasonic Transducer | |
| JP3533941B2 (en) | Ultrasonic flow meter | |
| RU2604896C2 (en) | Piezoelectric transducer | |
| JP2012007975A (en) | Attachment structure of ultrasonic transducer and ultrasonic flow measuring device therewith | |
| RU2776043C1 (en) | Ultrasonic piezoelectric transducer | |
| JPH11118550A (en) | Ultrasonic vibrator and ultrasonic flowmeter using the same | |
| RU2471155C1 (en) | Ultrasonic flowmeter transducer |