RU430U1 - Ultrasonic sensor for cold and hot water flow meter - Google Patents

Ultrasonic sensor for cold and hot water flow meter Download PDF

Info

Publication number
RU430U1
RU430U1 RU93040939/10U RU93040939U RU430U1 RU 430 U1 RU430 U1 RU 430U1 RU 93040939/10 U RU93040939/10 U RU 93040939/10U RU 93040939 U RU93040939 U RU 93040939U RU 430 U1 RU430 U1 RU 430U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
thickness
mode
piezoelectric
thick
lamda1
Prior art date
Application number
RU93040939/10U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Любовь Михайловна Слесарева
Людмила Демьяновна Гринева
Original Assignee
Любовь Михайловна Слесарева
Людмила Демьяновна Гринева
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Любовь Михайловна Слесарева, Людмила Демьяновна Гринева filed Critical Любовь Михайловна Слесарева
Priority to RU93040939/10U priority Critical patent/RU430U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU430U1 publication Critical patent/RU430U1/en

Links

Landscapes

  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Ультразвуковой датчик для расходомера холодной и горячей воды, содержащий пьезокерамический элемент с двумя электродами, один из которых соединен с корпусом, а другой с генератором и приемником, титановую мембрану, расположенную в цилиндрическом металлическом корпусе и имеющую акустический контакт с пьезоэлементом, демпфер, прилегающий к пьезоэлементу со стороны электрода, имеющего вывод к генератору, отличающийся тем, что активный пьезокерамический элемент состоит из двух полудисков, первый полудиск выполнен из пьезокерамики с параметрами: коэффициент электромеханической связи толщиной моды колебаний Кt = 0,45 - 0,55; продольный пьезомодуль d33 = 300 - 400 пКл/Ч, изменение d33 в интервале температур 125 ± 25°С составляет 5 - 10%, механическая добротность толщенной моды колебаний Qм (t)=10 - 30, второй полудиск выполнен из пьезокерамики с параметрами: коэффициент электромеханической связи толщенной моды колебаний Кt = 0,45 - 0,6, коэффициент электромеханической связи радиальной моды колебаний Кр = 0 - 0,05, продольная пьезочувствительность g33 = (40 - 100) мВм/Н, изменение g33 в интервале температур 125 ± 25 °С составляет 3 - 10%, механическая добротность толщинной моды колебаний Qм(t)=5 - 10, демпфер выполнен из материала со звуковым сопротивлением Zd = (1,3 - 1,5) *10^6 м2*с, в нижней части корпуса параллельно плоскости титановой мембраны выполнен паз, в котором размещены два диалектических согласующих слоя со звуковыми сопротивлениями Zc1= (5,6 - 6,0)*10^6 кг/м2*c и Zc2 = (2,5 - 3,0)*10^6 кг/ м2*c и толщинами hc1=(лямда1/8)-(лямда1/4) и hc2=(лямда2/8)-(лямда2/4), где лямда1, лямда2 - длины акустических волн в согласующих слоях, глубина паза Hn равна толщине двух согласующих слоев.An ultrasonic sensor for a cold and hot water flow meter containing a piezoceramic element with two electrodes, one of which is connected to the housing and the other to a generator and a receiver, a titanium membrane located in a cylindrical metal housing and having acoustic contact with the piezoelectric element, a damper adjacent to the piezoelectric element from the side of the electrode having an output to the generator, characterized in that the active piezoceramic element consists of two half disks, the first half disk is made of piezoceramics with steam etrami: electromechanical coupling coefficient of thickness vibration mode Kt = 0.45 - 0.55; the longitudinal piezoelectric module d33 = 300 - 400 pC / H, the change in d33 in the temperature range 125 ± 25 ° C is 5 - 10%, the mechanical quality factor of the thick vibration mode Qm (t) = 10 - 30, the second half-disk is made of piezoceramics with parameters: coefficient the electromechanical coupling of the thick vibrational mode Kt = 0.45-0.6, the coefficient of electromechanical coupling of the radial vibrational mode Kp = 0-0.05, the longitudinal piezoelectric sensitivity g33 = (40-100) mVm / N, the change in g33 in the temperature range 125 ± 25 ° C is 3 - 10%, the mechanical quality factor of the thick mode of vibration Qm (t) = 5 - 10, damp p is made of a material with sound impedance Zd = (1.3 - 1.5) * 10 ^ 6 m2 * s, a groove is made in the lower part of the body parallel to the plane of the titanium membrane, in which two dialectic matching layers with sound impedances Zc1 = ( 5,6 - 6,0) * 10 ^ 6 kg / m2 * c and Zc2 = (2,5 - 3,0) * 10 ^ 6 kg / m2 * c and thickness hc1 = (lamda1 / 8) - (lamda1 / 4) and hc2 = (lamda2 / 8) - (lamda2 / 4), where lamda1, lamda2 are the lengths of acoustic waves in the matching layers, the depth of the groove Hn is equal to the thickness of the two matching layers.

Description

Полезная модель УЛЬТРАШ ОВСЙ ДАТЧИК ДЛЯ РАСХОДОШРАUtility model ULTRASH OVES SENSOR FOR FLOW

холодней И ГОРЯЧЕЙ вода Устройство относится к ультразвуковой технике и предназначено для работы в составе ультразвуковых расходомеров холодной и горячей воды д трубопроводах диаметром от 400 до 1000 мм.colder AND HOT water The device relates to ultrasonic technology and is designed to operate as part of ultrasonic flow meters of cold and hot water and pipelines with diameters from 400 to 1000 mm.

При разработке ультразвуковых расходомеров жидких веществ в трубопроводах различного диаметра в последнее время отдается предпочтение импульсному методу измерения скорости потока жидкости, который предусматривает использование двух равноценных датчиков в одном акустическом канале /I/, В таком методе принципиально важно, чтобы зондирующие ультразвуковые пакеты парных датчиков имели минималы1ую длительность.When developing ultrasonic flowmeters of liquid substances in pipelines of various diameters, a pulsed method of measuring the fluid flow rate has recently been preferred, which involves the use of two equivalent sensors in one acoustic channel / I /. In such a method, it is crucial that the probing ultrasonic packets of paired sensors have a minimum duration.

Ультразвуковые датчики для расходомеров, выпускаемые в России, как правило, в качестве активного элемента используют пьезоматериалы типа ЦТС.Ultrasonic sensors for flow meters manufactured in Russia, as a rule, use PZT type piezomaterials as an active element.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому является ультразвуковой датчик /2/ на основе пьезоматериаяа ЦТС-19 /3/, входящий в состав ультразвукового расходомера со счетчиком Акустрон /модель УЗР-В/, предназначенного для измерения расхода холодной воды в напорных трубопроводах диаметром 400-1000 мм.The closest set of essential features to the claimed one is an ultrasonic sensor / 2 / based on the piezomaterial TsTS-19/3 /, which is part of an ultrasonic flow meter with an Acustron counter / model UZR-V /, designed to measure cold water flow in pressure pipelines with a diameter of 400 -1000 mm.

Принцип действия зтого расходомера соответствует /I/ и основан на изменении скорости распространения ультразвукового сигнала в движущейся среде в зависимости от зи ачения состешлякщей скорости этой среды в направлещ г распространения ультразвуковогоThe principle of operation of this flow meter corresponds to / I / and is based on a change in the propagation velocity of an ultrasonic signal in a moving medium, depending on the value of the companion speed of this medium in the direction of ultrasonic propagation

сигнала. , . ,signal. ,. ,

„5 ........ „ , , . . .л. "5 ........ " , , . . .l.

Чертеж и описание конструкции известного датчика представлены в приложении к заявке, где t - мембрана, 2 - элемент пьезокерамический в виде даска диаметром 20 1Ш и толщиной мм из материала ЦГС-19, 3 - демпфер, 4 - гайка, 5 -корпус, б - провод, 7 - прокладка, 9 - фланец, 10 - крышка, II - щ)окладаа, 12 гайка, 13 - кабель, 14 - разъем. IThe drawing and construction description of the known sensor are presented in the appendix to the application, where t is a membrane, 2 is a piezoceramic element in the form of a board with a diameter of 20 1 Ш and a thickness of mm made of TsGS-19 material, 3 is a damper, 4 is a nut, 5 is a housing, b is wire, 7 - gasket, 9 - flange, 10 - cover, II - Щ) oklada, 12 nut, 13 - cable, 14 - connector. I

Геометрические размеры элемента 2 tiibpalDl, %(р:одя из необходимой рабочей частоты датчика /1,4 мГц/. Демпфер 3 служит дляThe geometric dimensions of the element 2 are tiibpalDl,% (p: one of the required operating frequency of the sensor / 1.4 MHz /. Damper 3 serves to

формирования коротких излучаемых импульсов и представляет собой обливку из эпокеидаой смолы с наполнителем. Корпус 5 с установленной мембраной предназначен дня защиты пьезоэлемента от химических и внешних воздействий. Принцип работы известного датчика заключается в использовании иьезоаяектрического эффекта элемента 2, При поступлении на электроды пьезокерамического образца электрических сигналов, пьезоэлемент совершает мехайические колебания, следуя изменениям приложенного поля. Эти механические колебания через мембрану передаются в измеряемую жидкость и возбуждают в ней ультразвукокае волны. Подача электрического сигнала осуществляется по проводу 6 и корпусу 5,the formation of short emitted pulses and is an epokeid resin filled with filler. Case 5 with an installed membrane is designed to protect the piezoelectric element from chemical and external influences. The principle of operation of the known sensor is to use the dielectric effect of element 2. Upon receipt of electrical signals by the piezoceramic sample electrodes, the piezoelectric element performs mechanical vibrations following changes in the applied field. These mechanical vibrations are transmitted through the membrane to the measured liquid and excite ultrasonic waves in it. The electrical signal is supplied through the wire 6 and the housing 5,

Исследования акустических параметров известного датчика показали, что длительность зондирующего пакета в нем / составляет 18 мке ; чувствительность по напряжению , определяемая отношением амплитуды максимального эхо-ншульса к возбуждаи. /V ющему шшульву , составляет - ; разрешакнцаяStudies of the acoustic parameters of the known sensor showed that the duration of the probe package in it / is 18 microns; voltage sensitivity, determined by the ratio of the amplitude of the maximum echo-pulse to the excitation. / V to the schwalva, is -; resolution

способность л предс-твлящая отношение последней амплитуды эхо-сигнала за время равное трем периодам колебаний, к первой положительной амплитуде эхо-сигнала, составляет 0,4 -0,5,the ability l representing the ratio of the last amplitude of the echo in a time equal to three periods of oscillation, to the first positive amplitude of the echo, is 0.4 -0.5,

Недостатками известного ультразвукового датчика для расходомера являются:The disadvantages of the known ultrasonic sensor for the flow meter are:

-большая длительность зондирующего пакета, затрудаяющая прием импульса от парного датчика, усложняющая его выделение и обработку ;- the long duration of the probe packet, making it difficult to receive a pulse from a pair of sensors, complicating its selection and processing;

-низкая разрешащая способность информационных сигналов /чем А меньше, тем разрешающая способность считается выше/, приводящая к усложнению электронных схем обработки сигналов ;-low resolution of information signals / the lower A, the resolution is considered higher /, leading to the complication of electronic signal processing circuits;

-низкая рабочая тевшература °С/, непозволяющая измерять расход горячей вода;-low working temperature Te ° C /, not allowing to measure the flow of hot water;

-потери энергии при излучении. ;-Loss of energy during radiation. ;

Материал ЩС-19, используемый в известном датчике, следушцие параметры /3/: диэлектрическая проницаемость Гз5/ « а 1470, коэффициент электромеханической связи толщйнной моды колебаний K-t - 0,49, радиальной мода колебаний - Кр «0,47, механическая добротность толщйнной мода колебаний (ЯубО ® более ,ShchS-19 material used in the known sensor, following parameters / 3 /: dielectric constant Гз5 / а а 1470, electromechanical coupling coefficient of the thick vibrational mode Kt - 0.49, radial vibrational mode - Кр "0.47, mechanical quality factor of the thick mode fluctuations (YaubO ® more

продольный пьезомодуль с/зз ЗСЮ S , цродольнад- цьезочувствитель„-, ci . 23 , пьезоэлектри к | 1Жвнстанта. деформацииlongitudinal piezomodule s / sz ZSYu S, center-end sensor - -, ci. 23, piezoelectric to | 1 Zhvnstanta. deformations

АЗЗ« 2,1 10 -, температура Кюри - не менее 290 С, Кроме того, изменение в температурном интервале /125 - 25/ °С не менее 10 96, АЗЗ «2.1 10 -, Curie temperature - not less than 290 С, In addition, the change in the temperature range / 125 - 25 / ° С is not less than 10 96,

Эффективность работы пьезоэлементов в качестве излучателей и приемников акустических сигналов определяется в первую очередь параметрам, входящими в уравнение пьезоэффекта.The effectiveness of the piezoelectric elements as emitters and receivers of acoustic signals is determined primarily by the parameters included in the equation of the piezoelectric effect.

Для одаомерного случая, т.е. пьезоэлемента в виде пластины /Диска/, колеблющегося только по толщине, без других изменений формы, обратный и прямой пьезоэффекты описываются в элементарном виде следующим образом/ /.For the odeomer case, i.e. a piezoelectric element in the form of a plate / Disk /, oscillating only in thickness, without other changes in shape, the inverse and direct piezoelectric effects are described in elementary form as follows / /.

1.Обратный пьезоэффект -4)6 , где и - приложенное /излучаемое/напряжение, изменение толщины,1. The reverse piezoelectric effect -4) 6, where and is the applied / emitted / voltage, the change in thickness,

C/3S- пьезоэлектрический пьезомодуль.C / 3S - piezoelectric piezoelectric module.

2,Прямой пьезоэффект - Ue - hzz Ye , где2, Direct piezoelectric effect - Ue - hzz Ye, where

Д/( вызванное внешними факторами изменение толщины,D / (change in thickness caused by external factors,

1 напряжение на пьезоэлементе /приемнике/ без нагрузки,1 voltage on the piezoelectric element / receiver / no load,

пьезоэлектрическая константа деформации. piezoelectric strain constant.

Если исходить из давления Р, которое обуславливает изменение толщины, то прямой пьезоэффект запишется в виде/Х О -/}-, где с/ - толщина, зз- пьезоэлектрическая константа давления /пьезочувствительность/. Следовательно в режиме излучения необходимо повышение о/зз, в режиме приема - %j (h зз) .If we proceed from the pressure P, which causes a change in thickness, then the direct piezoelectric effect can be written in the form / X 0 - /} -, where c / is the thickness, sz is the piezoelectric pressure constant / piezoelectric sensitivity /. Therefore, in the radiation mode, an increase in r / s is necessary, in the reception mode,% j (h s).

Коэффициенты электромеханической связи Kit , в частности/V , характеризуют эффективность /к.п.д./ преобразования механической деформации в электрическое напряжение и обратно дня данного пьезоматериала. Следовательно, более высокие значения /Г/-обеспечивают большую эффективность преобразователя.The electromechanical coupling coefficients Kit, in particular / V, characterize the efficiency of / kpd / conversion of mechanical deformation into electrical voltage and vice versa of a given piezoelectric material. Therefore, higher values of / G / - provide greater converter efficiency.

Наряду с /С для колебаний пластины по толщине особое значение имеет коэффициент/у, т.к. его величина определяет обычно нежелательные колебания помех, Й1ачеш1е /у должно быть возможно меньшим по сравнению с /анизотропия пьезопараметров, выраженная отношением возможно большей/, т,к. иначе часть энергии, приложенной для возбуждения излучателя, будет потеряна или даже появится в виде нежелательной формы колебаний в пластине как помеха. Чем больше/у& , тем сильнее отклоняется излучвИВдб от первоначально принятого идеального поведения излучателя, колеблющегося только по толщине. При/С /Л УЮ помехи мкюшальны.Along with / C, the coefficient / y is of particular importance for plate vibrations in thickness, since its value usually determines undesirable fluctuations in interference, and the ratio should be as small as possible compared to / the anisotropy of the piezoelectric parameters, expressed as a ratio possibly larger than /, t, k. otherwise, part of the energy applied to excite the emitter will be lost or even appear as an undesirable waveform in the plate as a hindrance. The larger f / y &, the stronger the deviation of the emitter from the originally accepted ideal behavior of the emitter, oscillating only in thickness. With / C / L UY, interference is muxed.

Кроме пьезоэлектричеаких констант решающее значение имеет также механическая добротность тем вьше, чем меньше механические потери в сегнетокерамике/. Величина ( определяет ширину полосы пропускания преобразователя. Для получения коротких импульсов собственные механические колебания пластины должны быть хорошо демпфированы демпфером, прикрепленным с задней стороны. Однако, если пьезоматериал имеет низкую механическую добротность, то для многих целей он может быть использован без дополнительного демпфирования, что в свою очередь повышает чувствительность.In addition to piezoelectric constants, the mechanical quality factor is also decisive, the higher, the lower the mechanical loss in ferroceramics /. The value (determines the bandwidth of the transducer. To obtain short pulses, the intrinsic mechanical vibrations of the plate should be well damped by a damper attached to the rear side. However, if the piezoelectric material has a low mechanical quality factor, then for many purposes it can be used without additional damping, which in turn increases sensitivity.

Не менее важна и диэлектрическая проницаемость ( Она определяет рабочий частотный диапазон /с уменьшением cSF/fc увеличивается рабочая частота/, обеспечивает условия электрического согласования, а также определяет уровень пьезопараметровThe dielectric constant is no less important (it determines the working frequency range / with decreasing cSF / fc, the working frequency increases /, provides the conditions for electrical matching, and also determines the level of piezoelectric parameters

/fjJ / fjJ

На основании вышеизложенного ясно, что с тохпси зрения использования в ультразвуковыхиизлучателях и приемниках, ЦТС-19 обладает недостаточно высокими значениями , f , недостатохшо высокой анизотропией пьезопараметров I /, недостаточно низкими значениями /fo ) В конкретном случае при использовании ЦТС-19 в ультразвуковых расходомерах жидкости, низкая анизотропия пьезопараметров, довольно высокая механическая добротность не позволяют получить в датчиках достаточно короткого зондирующего пакета, что затрудняет прием импульса от парного датчика, усложняет его выделение и обработку. Низкие параметры 33 )обуславливают низкие значения чувстчительности по напряжению и разрешающей способности Л . Недостаточно высокая температурная стабильность не позволяет определять расход горячей воды.Based on the foregoing, it is clear that from the point of view of use in ultrasonic emitters and receivers, the TsTS-19 has not high enough values, f, not very high anisotropy of the piezoelectric parameters I /, not enough low values / fo) In the specific case when using the TsTS-19 in ultrasonic liquid flow meters , low anisotropy of the piezoelectric parameters, rather high mechanical Q factor do not allow to obtain a sufficiently short probe packet in the sensors, which makes it difficult to receive a pulse from a pair snip complicates its isolation and handling. Low parameters 33) cause low voltage sensitivity and resolution L. Insufficiently high temperature stability does not allow to determine the flow of hot water.

Таким образом, недостатки известного датчика обусловлены, в первую очередь, использованием в качестве активного элемента пьезокерамики ЦГС-19, а также отсутствием специальных акустических согласующих слоев.Thus, the disadvantages of the known sensor are primarily due to the use of TsGS-19 as an active element of piezoceramics, as well as to the absence of special acoustic matching layers.

Целью создания заявляемого ультразвукового датчика для расходомера холодной и горячей воды в трубопроводах диаметром от 400 до 1000 мм является обеспечение формирования более коротких зондирукярх пакетов, повьшение чувствительности поThe purpose of creating the inventive ultrasonic sensor for a flow meter of cold and hot water in pipelines with a diameter of 400 to 1000 mm is to ensure the formation of shorter probing packages, to increase the sensitivity of

-7-7

4. 4.

напряжению, разрешающей способности, стабильности параметров в области температур до + 150 °С,voltage, resolution, stability of parameters in the temperature range up to + 150 ° С,

Это позволит получить информационный сигнал высокой интенсивности, без ложных колебаний, что приведет к значительному упрощению электронной схемы расходомера, расширеншо его функциональных возможностей /контроль холодной и горячей воды/, уменьшению габаритов.This will allow you to receive a high-intensity information signal without false fluctuations, which will lead to a significant simplification of the electronic circuit of the flow meter, expanded its functionality / control of cold and hot water /, reduce the size.

Описанный технический результат достигается тем, что в известном датчике для ультразвукового расходомера вода, содержащем пьезокерамический элемент с двумя электродами, один из которых соединен с корпусом, а другой с генератором и приемником, металличвскую мембрану, расположенную в цилиндрическом металлическом корпусе и имеющую акустический контакт с пьезоэлементом и водой, демпфер, прилегающий к пьезоэлементу со стороны электрода, имеющего вывод к генератору, согласно заявляемой конструкции активный пьезокерамический элемент состоит из двух полудисков, первый полудиск выполнен из пьезокерамики с параметрами:The described technical result is achieved by the fact that in the known sensor for an ultrasonic flow meter, the water contains a piezoceramic element with two electrodes, one of which is connected to the housing, and the other to the generator and receiver, a metallic membrane located in a cylindrical metal case and having acoustic contact with the piezoelectric element and water, a damper adjacent to the piezoelectric element on the side of the electrode having a terminal to the generator, according to the claimed design, the active piezoceramic element um of two half-disks, a first half-disc is made of piezoceramics with parameters:

-коэффициент электромеханической связи TOjrapiHHOE моды колебаний /С 0,45 - 0,55coefficient of electromechanical coupling TOjrapiHHOE vibration modes / C 0.45 - 0.55

-продольный пьеаомодуль « (ЗОО - 400), - longitudinal pyeaomodul "(ZOO - 400),

-изменение о/ззв интервале температур /125 - 25/ °С составляет /5 - 10/ %- the change in o / sv temperature range / 125 - 25 / ° C is / 5 - 10 /%

-механическая добротность толщинной моды колебаний-mechanical figure of merit of a thick mode of vibrations

&Hi- 10 - 30,& Hi- 10 - 30,

второй полудиск ВЕШОлнен из пьезокерамики с параметрами:the second half-disk VESHOLnen from piezoceramics with parameters:

-коэффициент электромеханической связи толщинной моды колебаний /Г - 0,45 - 0,6is the coefficient of electromechanical coupling of the thick mode of oscillations / G - 0.45 - 0.6

-коэффициент электромеханической связи радиальной моды колебаний /С О - 0,05-coefficient of electromechanical coupling of the radial mode of vibrations / С О - 0,05

-продольная пьезочувствительность- longitudinal piezosensitivity

У (40 - iwjaSJизменение в интервале /125 - 25/ °С составляет/3 - 10/ At (40 - iwjaSJ, the change in the interval / 125 - 25 / ° C is / 3 - 10 /

-механичтекая добротность толщинной моды колебаний-mechanical quality factor of a thick mode of vibrations

(ftvfi9 5-10,(ftvfi9 5-10,

демпфер выполнен из материала со звуковым сопротивлением the damper is made of material with sound resistance

/1/93 03 / / 1/93 03 /

нижней части корпуса параллельно плоскости титановой мембраны выполнен паз, в котором размещены два диэлектрических согласующих слоя со звуковыми сопротивлениями Zci (5,5 - StOj-IO кГ/ и 2ез. (2,5 - 3,0j-10 кГ/( толщинами - - - и - Tf /Л«; - длины акустических волн в согласующих слоях/, глубина паза Л/ равна толщине двух согласумцих слоев, a groove is made in the lower part of the case parallel to the plane of the titanium membrane, in which two dielectric matching layers are placed with sound impedances Zci (5.5 - StOj-IO kg / 2 ez. (2.5 - 3.0j-10 kg / (thickness - - - and - Tf / Л "; - the length of the acoustic waves in the matching layers /, the depth of the groove L / is equal to the thickness of the two concordant layers,

ЗаявляемЕй датчик дня расходомера холодной и горячей воды поясняется чертежом на рис, I,We declare the sensor of the day of the flow meter cold and hot water is illustrated by the drawing in Fig. I,

Ультразвуковой датчик содержит пьезоэлемент I в виде полудиска /1/2 ) 20 мм/ с электродами 3 и 4, пьезоэлемент 2 в виде полудиска / 1/2 jD/20 мм/ с электродами 5 и б, цилиндрический металлический корпус 7, металлическую /титановую/ мембрану 8, первый акустический согласующий слой 9 толщиннй а - - у- , второй акустический согласующий слой 10 толщиной jt демпфер II, Глубина пав,а , в котором размещены акустические слои равна he/ г. Электрод подсоединен выводом 12 к генератору, электрод 5 шгводом 13 подшпэчен к приемнику. Электроды 4 и б через мембрану 8 подсоединены к корпусу 7, /Акустические согласувя ие слои подбирались экспериментально, значения Z и / рассчитаны в соответствии с /5/ и /6,7//,The ultrasonic sensor contains a piezoelectric element I in the form of a half-disk / 1/2) 20 mm / with electrodes 3 and 4, a piezoelectric element 2 in the form of a half-disk / 1/2 jD / 20 mm / with electrodes 5 and b, a cylindrical metal case 7, metal / titanium / membrane 8, the first acoustic matching layer 9 of thickness a - - y-, the second acoustic matching layer 10 of thickness jt damper II, Depth a, and in which the acoustic layers are placed is equal to he / g. The electrode is connected by terminal 12 to the generator, electrode 5 with the help of the 13th plug-in to the receiver. The electrodes 4 and b through the membrane 8 are connected to the housing 7, / The acoustic matching layers were selected experimentally, the values of Z and / were calculated in accordance with / 5 / and / 6,7 //,

Для измерения расхода воды датчик помещается в акустический канал и возбуждается электрическим импульсом, который подается на электроды 3 и 4 элемента I, Пьезоэлемент совершает механические колебания, которые через мембрану 8 и согласующие акустические слои 9, 10 передаются в воду и возбуждают в ней ультразвуковые волны. Этот же датчик в соответствущий момент времени принимает ультразвуковой сигнал от парного датчика, расположенного в том же акустическом канале в соответствии с импульсным методом определения скорости потока жидкости. Ультразвуковой сигнал через акустические слои 10 и 9, мембрану 8 поступает на пьезоэлемент 2, преобразуется вследствии прямого пьезоэффекта в электрический сигнал, который через вывод 13 поступает на приемник,To measure water flow, the sensor is placed in an acoustic channel and is excited by an electric pulse, which is supplied to the electrodes 3 and 4 of element I, the piezoelectric element performs mechanical vibrations, which are transmitted through the membrane 8 and matching acoustic layers 9, 10 to the water and excite ultrasonic waves in it. The same sensor at an appropriate time receives an ultrasonic signal from a pair of sensors located in the same acoustic channel in accordance with the pulse method of determining the fluid flow rate. The ultrasonic signal through the acoustic layers 10 and 9, the membrane 8 enters the piezoelectric element 2, is converted as a result of the direct piezoelectric effect into an electrical signal, which through terminal 13 enters the receiver,

В I приведены параметры датчика заявляемой конструкции, в которой первый элемент в виде полудаска / 1/2 0 20 мм/ выполнен из пьезокеразяическоБО материала ПКР-37 на основе тита/ 3 iOSssLIn I, the parameters of the sensor of the claimed design are given, in which the first element in the form of a half-deck / 1/2 0 20 mm / is made of piezo-kazyazicheskoyBO material PKR-37 based on titanium / 3 iOSssL

б, b

(and

S Ч 4DS H 4D

сбSat

-1-1

ната и цирконата свинца с добавками /8/, второй активный элемент также в виде полудиска / 1/2 jS 20 мм/ вьшожен из анизотропного пьезокерамического материала на основе общего вида - Са TfO - с добавками /9/. Параметры пьезоэлементов и согласующих слоев, полученных экспериментальным путем, соответствовали ВБппеуказанным интервалам их значений при описании технической сущности заявляемой полезной модели. Первый пьеаоэлемент в виде полудиска / 1/2 0 20 мм/ с рабочей резонансной частотой 7гЩ ( - 0,14 МГц возбуждался импульсным напряжением 20 В, длительностью 0,3 мкс. Проверка акустических параметров датчика проводилась в лабораторных условиях при излучении на воду, на глубину 400 шл. Отраженные ультразвуковые колеба ния принимались вторым полудиском. На рис, 2 изображены осциллограммы зондир гтощего и эхо-сигнала, соответствущие примеру 4 в таблице I,lead and zirconate with additives / 8 /, the second active element also in the form of a half-disk / 1/2 jS 20 mm / is made from an anisotropic piezoelectric ceramic material based on the general form - Ca TfO - with additives / 9 /. The parameters of the piezoelectric elements and matching layers obtained experimentally corresponded to the WB indicated intervals of their values when describing the technical nature of the claimed utility model. The first pieoelectric element in the form of a half-disk / 1/2 0 20 mm / s with a working resonant frequency of 7 g (0.14 MHz was excited by a pulse voltage of 20 V, duration 0.3 μs. The acoustic parameters of the sensor were checked under laboratory conditions when irradiated with water, depth of 400 hl The reflected ultrasonic vibrations were received by the second half-disk. Figure 2 shows waveforms of the sounding and echo sounding probes corresponding to example 4 in table I,

Выполнение первого полудиска из пьезокерамики с указанным набором интервалов па аетров Х , g4j (Внб второго полудиска из пьезокерамики с указанным набором интервалов параметров Л , Кр из использование двух согласущих слоев с определенными значениями , hc , применение демпфера с указанным значением приводит как видно из таблицы I к следуеэщему уровню функциональных акустических параметров датчика:The execution of the first half-disk from piezoceramics with the specified set of intervals of the parameters X, g4j to the following level of functional acoustic parameters of the sensor:

/ (7-2/ (7-2

М 0,2 - 0,3M 0.2 - 0.3

.)W Г - 14) МКС.) W Г - 14) ISS

высокая температурная стабильность о/53 и в интервале /125 25/ С расширяет рабочий температурный интервал до 150 °С, Все это всвою очередь обеспечивает достижение указанного в описании технического результата, а именно: формирование более коротких /по сравнению с прототипом/ зондирующего импульса, получение большей чувствительности и разрешающей способности, возможности контроля расхода горячей воды в трубопроводах. Авторы-заявители .iiA Слесарева Л.М,high temperature stability o / 53 and in the range / 125 25 / C extends the working temperature range to 150 ° C. All this in turn ensures the achievement of the technical result indicated in the description, namely: the formation of shorter / probe pulses compared to the prototype, obtaining greater sensitivity and resolution, the ability to control the flow of hot water in the pipelines. Applicant applicants .iiA L. Slesareva,

Источники информацииInformation sources

1.Голямина И,П. Ультразвук., М. Р1зд-во Советская энциклопедия, 1979, 400 с.1.Golyamin I, P. Ultrasound., M. R1zd-in Soviet Encyclopedia, 1979, 400 p.

2.Расходомер ультразвуковой со счетчиком Акустрон. Модель УЗР-В. Техническое описание 2.833.001 ТО. 1987 г.2. Ultrasonic flowmeter with Acustron counter. Model UZR-V. Technical description 2.833.001 TO. 1987 year

3.ОСТ 11044-87 Материалы пьезокерамические. Технические условия, М., 1987, 141 с.3. OST 11044-87 Piezoceramic materials. Specifications, M., 1987, 141 pp.

4.Крауткремер И. Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. Справочники, Металлургия, I99I, 752 с,4. Krautkremer I. Krautkremer G. Ultrasonic control of materials. Directories, Metallurgy, I99I, 752 s,

5.Физический энциклопедический словарь. М. Изд-во Советская энциклопедия, Щ65, Т,4, 224 с.5. Physical encyclopedic dictionary. M. Publishing House Soviet Encyclopedia, Щ65, Т, 4, 224 p.

6.Скучик Е, Основы акустики М. Изд-во Мир, 1976, Т,1, с,421438.6. Skuchik E, Fundamentals of Acoustics M. Publishing House Mir, 1976, T, 1, s, 421438.

7.Ермолов И,Н. Теория и практика ультразвукового контроля М, Изд-во Машиностроение, I98I, 239 с,7.Ermolov I.N. Theory and Practice of Ultrasonic Testing M, Mechanical Engineering Publishing House, I98I, 239 s,

8.Фесенко Е,Г., Данцигер А,Я,, Разумовская О.Н,, Резниченко Л,А,, Панич А,Е., Гринева Л,Д. и др. Высокоэффективные пьезокерамичесЕие материалы в сб, Пьезоактивные материалы, Физика, технология, применение в приборах. Ростов-на-Дону, Изд-во Ростовского университета. , I99I. с, 5-14.8.Fesenko E, G., Danziger A, I ,, Razumovskaya O.N., Reznichenko L, A, Panich A, E., Grineva L, D. et al. Highly effective piezoceramic materials in Sat, Piezoactive materials, Physics, technology, application in devices. Rostov-on-Don, Publishing House of Rostov University. , I99I. s, 5-14.

9.А.С, Пьезоэлектрический керамический материал/Гринева Л,Д,, Разумовская 0,Н,, Мирошниченко Е,С,, НЬшкина Л.А. - Опубл, в Б,И, ЗЛ/J./ Р 9.A.S. Piezoelectric ceramic material / Grineva L, D ,, Razumovskaya 0, N ,, Miroshnichenko E, C ,, Nshkina L.A. - Publ., In B, I, ZL / J. / R

-1 // /$3 0 35//D-1 // / $ 3 0 35 // D

13. thirteen.

Claims (1)

Ультразвуковой датчик для расходомера холодной и горячей воды, содержащий пьезокерамический элемент с двумя электродами, один из которых соединен с корпусом, а другой с генератором и приемником, титановую мембрану, расположенную в цилиндрическом металлическом корпусе и имеющую акустический контакт с пьезоэлементом, демпфер, прилегающий к пьезоэлементу со стороны электрода, имеющего вывод к генератору, отличающийся тем, что активный пьезокерамический элемент состоит из двух полудисков, первый полудиск выполнен из пьезокерамики с параметрами: коэффициент электромеханической связи толщиной моды колебаний Кt = 0,45 - 0,55; продольный пьезомодуль d33 = 300 - 400 пКл/Ч, изменение d33 в интервале температур 125 ± 25°С составляет 5 - 10%, механическая добротность толщенной моды колебаний Qм (t)=10 - 30, второй полудиск выполнен из пьезокерамики с параметрами: коэффициент электромеханической связи толщенной моды колебаний Кt = 0,45 - 0,6, коэффициент электромеханической связи радиальной моды колебаний Кр = 0 - 0,05, продольная пьезочувствительность g33 = (40 - 100) мВм/Н, изменение g33 в интервале температур 125 ± 25 °С составляет 3 - 10%, механическая добротность толщинной моды колебаний Qм(t)=5 - 10, демпфер выполнен из материала со звуковым сопротивлением Zd = (1,3 - 1,5) *10^6 м2*с, в нижней части корпуса параллельно плоскости титановой мембраны выполнен паз, в котором размещены два диалектических согласующих слоя со звуковыми сопротивлениями Zc1= (5,6 - 6,0)*10^6 кг/м2*c и Zc2 = (2,5 - 3,0)*10^6 кг/ м2*c и толщинами hc1=(лямда1/8)-(лямда1/4) и hc2=(лямда2/8)-(лямда2/4), где лямда1, лямда2 - длины акустических волн в согласующих слоях, глубина паза Hn равна толщине двух согласующих слоев.An ultrasonic sensor for a cold and hot water flow meter containing a piezoceramic element with two electrodes, one of which is connected to the housing and the other to a generator and a receiver, a titanium membrane located in a cylindrical metal housing and having acoustic contact with the piezoelectric element, a damper adjacent to the piezoelectric element from the side of the electrode having an output to the generator, characterized in that the active piezoceramic element consists of two half disks, the first half disk is made of piezoceramics with steam etrami: electromechanical coupling coefficient of thickness vibration mode Kt = 0.45 - 0.55; the longitudinal piezoelectric module d33 = 300 - 400 pC / H, the change in d33 in the temperature range 125 ± 25 ° C is 5 - 10%, the mechanical quality factor of the thick vibration mode Qm (t) = 10 - 30, the second half-disk is made of piezoceramics with parameters: coefficient the electromechanical coupling of the thick vibrational mode Kt = 0.45-0.6, the coefficient of electromechanical coupling of the radial vibrational mode Kp = 0-0.05, the longitudinal piezoelectric sensitivity g33 = (40-100) mVm / N, the change in g33 in the temperature range 125 ± 25 ° C is 3 - 10%, the mechanical quality factor of the thick mode of vibration Qm (t) = 5 - 10, damp p is made of a material with sound impedance Zd = (1.3 - 1.5) * 10 ^ 6 m2 * s, a groove is made in the lower part of the body parallel to the plane of the titanium membrane, in which two dialectic matching layers with sound impedances Zc1 = ( 5.6 - 6.0) * 10 ^ 6 kg / m2 * c and Zc2 = (2.5 - 3.0) * 10 ^ 6 kg / m2 * c and thickness hc1 = (lamda1 / 8) - (lamda1 / 4) and hc2 = (lamda2 / 8) - (lamda2 / 4), where lamda1, lamda2 are the lengths of acoustic waves in the matching layers, the depth of the groove Hn is equal to the thickness of the two matching layers.
RU93040939/10U 1993-08-12 1993-08-12 Ultrasonic sensor for cold and hot water flow meter RU430U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93040939/10U RU430U1 (en) 1993-08-12 1993-08-12 Ultrasonic sensor for cold and hot water flow meter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93040939/10U RU430U1 (en) 1993-08-12 1993-08-12 Ultrasonic sensor for cold and hot water flow meter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU430U1 true RU430U1 (en) 1995-05-16

Family

ID=48262813

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93040939/10U RU430U1 (en) 1993-08-12 1993-08-12 Ultrasonic sensor for cold and hot water flow meter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU430U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2918102B2 (en) Ultrasonic transducer
Ogi et al. Elastic, anelastic, and piezoelectric coefficients of langasite: Resonance ultrasound spectroscopy with laser-Doppler interferometry
Haines et al. The application of broadband ultrasonic spectroscopy to the study of layered media
Roh et al. Finite element analysis of underwater capacitor micromachined ultrasonic transducers
Lafleur et al. Acoustically active surfaces using piezorubber
Lin et al. Multilayer stairstep piezoelectric structure design for ultrabroad-bandwidth ultrasonic transducer
US5302878A (en) High-frequency acoustic rheometer and device to measure the viscosity of a fluid using this rheometer
Platte PVDF ultrasonic transducers
RU430U1 (en) Ultrasonic sensor for cold and hot water flow meter
US3756070A (en) Ultrasonic inspection device
CN207036218U (en) Ultrasonic level gage
Wang et al. Improved ultrasonic spectroscopy methods for characterization of dispersive materials
RU429U1 (en) Ultrasonic sensor for cold and hot water flow meter
De Cicco et al. A new ultrasonic composite transducer implemented with thick film technology
Remenieras et al. Non intrusive measurements of the acoustic pressure and velocity fluctuations of fluids flowing in pipes
Fukuda et al. Application of a double-layered piezoelectric transducer in the generation of short ultrasonic pulses
RU1772724C (en) Piezoelectric transducer
Toda et al. Propagation characteristics of leaky Lamb waves in a liquid-loaded double-layered substrate consisting of a thin piezoelectric ceramic plate and a thin glass plate
CN219641637U (en) Ultrasonic guided wave detection device for oil and gas pipeline
JP3006861U (en) Ultrasonic probe
Slotwinski et al. Ultrasonic measurement of the dynamic elastic moduli of small metal samples
Smith et al. Measuring the level of liquid in a partially-filled pipe via the ultrasonic pulse-echo method using acoustic modeling
Fujita et al. Measurement of moving speed using a leaky Lamb wave device
SU1460621A1 (en) Ultrasound velocity meter
Curtis A broadband polymeric foil transducer