RU6621U1 - Пьезоэлектрический преобразователь ультразвукового расходомера - Google Patents

Abstract

1. Пьезоэлектрический преобразователь ультразвукового расходомера, содержащий звукопровод, на одной грани которого, измерительной, выполненной под острым углом к грани, устанавливаемой на трубопровод, установочной, расположен пьезоэлемент, отличающийся тем, что звукопровод выполнен из материала с высокой термостойкостью и коэффициентом термического линейного расширения близким к коэффициенту термического линейного расширения материала пьезоэлемента, а расстояние по нормали от середины ребра, образованного пересечением измерительной и установочной граней до центра пьезоэлемента определяется из выражениягде d - размер пьезоэлемента;L - расстояние по нормали от середины ребра, образованного пересечением измерительной и установочной граней, до центра пьезоэлемента;a - динамический диапазон частотной характеристики ультразвукового расходомера;α - сумма акустических потерь в стенках трубопровода, контролируемой жидкости, потерь на прохождение границ раздела сред и потерь на двойное электромеханическое преобразование преобразователей;δ - удельное поглощение звука в материале звукопровода;β - угол между измерительной и установочной гранями.2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала с высокой термостойкостью и коэффициентом термического линейного расширения близким к коэффициенту термического линейного расширения материала пьезоэлемента используют стекловолокнит АГ-4В.3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что измерительная грань выполнена в глубине звукопровода.

Description

.11БЕЗОЭЛЕКТШЧЕСКИЙ ПЕЕОБРАЗОМТЖЬ „УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДШЕРА.

Настоящая полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения скорости и расхода вещества ультразвуковым методом.

Известны пьезоэлектрические преобразователи ультразвукового расходомера, акустические головки которых с пьезоэлементами вмонтированы в отверстия трубопровода и через металлические мембраны нагружены на контролируемую жидкость ( Патент Велжобриташш J 2197472 МПК( OIF 1/66, 1986 ).

Такие преобразователи наряду с достоинствами (отсутствие движущихся механических деталей, отсутствие препятствий для потока, отсутствие потерь давления и энергии) имеют и недостатки. К ним относятся: значительные реверберащонные помехи из-за многократного отражения ультразвуковых волн в мембранах преобразователей; изменение формы потока из-за появления в зоне измерения отверстий с акустическими головками; необходимость остановки техпроцесса и демонтажа трубопровода при установке преобразователей.

Наиболее близким к преджагаемовду пьезоэлектрическому преобразователю ультразвукового расходомера является преобразователь входящий в состав одноканального ультразвукового расходомера ( A.CV СССР J 2II8I3 МКИ 42е23/05, 1965 ), содержащий звукопровод на одной грани которого установлен пьезоэлемент, причём данная грань выполнена под острым углом к другой грани звутсопровода, устанавливаемой на трубопровод.

МПК :(JOIF 1/00

Звуопровод такого преобразователя выполняетоя из материала имеющего пониженнрз по сравнению с материалом стеши трубопрвода скорость ультразвука и повышенный коэффициент затухания. Такими материалами являются пластмассы, например, оргстекло ( Александров A.M., Бражников Н,И., Полянский А.А. Ультразвуковые расходомеры нефти и нефтепродуктов. М:5 ЩНМта нефтехим, 1970, 37 с. ).

Недостатками такого преобразователя являются узкий диапазон рабочих температур и невысокая надёжность.

Диапазон рабочих температур преобразователя определяется диапазоном рабочих температур материалов пьезоэлемента, склейки и звукопровода. Температура размягчении звузсопровода из оргстекла +133°С, что не позволяет его применять в устройствах с рабочжш температурами до + . Применение звукопроводов из оргстекла при температурах до + 133 С возможно только с использованием жидких или пастообразных переходных слоев, так как разность коэффищентов термических линейных расширений пьезокерамики и оргстекла и оргстекла и

стали составляет ( 59 - 65 ) 10 1/град и при изменении температуры приводит к разрушению твёрдых клеевых соединений, ухудшению акустического контакта и увеличению затухания ультразвука. Применение в качестве переходных слоев

жидких и пастообразных материалов также снижает надёжность преобразователей, особенно при работе при высоких температурах из-за их быотрого высыхания.

Заявляемая полезная модель пьезоэлектрического преобразователя ультразвукового расходомера направлева на решение следущихх задач:

Техническим результатом применения полезной модели является сопрягаемость по терлшческим коэ ициентам линейного расширения соединяемых в пьезоэлектрическом преобразователе материалов.

Дтгя решения по ставленых задач предлагается пьезоэлектрический преобразователь ультразвукового расходомера, содержащий звукопровод, на одной грани которого, измерительной, выполненой под острым углом к грани,устанавливаемой на трубопровод, установочной, расположен о элемент, отличающийся тем, что звукопровод выполнен из материала с высокой термостойкостью и коэфф1щиентом термического линейного расширения, близким к коэффициенту термического линейного расширения материала пье30элемента, а расстояние по нормали от середины . ребра, образованного пересечением измерительной и установочной граней до центра пьезоэлемента определяется из выражения:

f ,

( - размер пьезоэлемента,

- расстояние по нормали от середины ребра образованного пересечением измерительной и установочной граней до центра пьезоэлемента,

и - динамический диапазон частотной характеристики ультразвукового расходомера,

об - сумма ажХжческих потерь в стенках трубопровода, контролируемой жидкости, потерь на прохождение границ раздела сред и потнрь на двойное электромеханическое преобразование преобразователей,

ft - угол между измерительной и установочной гранями.

Для достижения поставленой цели в качестве материала звукопровода, обладаодего высокой термостойкостью и коэффициентом термического линейного расширения, близким к коэффициенту термического линейного расширения пьезоэлемента, в частности, можно использовать стекловолокнит АГ-4В,

Выполнив измерительную грань с установлвным на ней пьезо элементом в глубине звукопровода, наряду с поставлеными задачами можно решить задачу повышения вибро-и ударопрочности устройства, т. е. можно использовать его в условиях проведения работ, связанных с ударными и вибрационными нагрузками.

Применение материала с большим затуханием ультразвука приводит также к уменьшению реверберационных помех и уменьшению габаритов.

Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг.1 схематически изображена заявляемая полезная модель. На фнг.2 приведён частный случай реализации предлагаемой полезной модели.

Пьезоэлектрический преобразователь ( фиг.1 ) состоит из звукопровода I, переходного слоя между пьезоэлементом и звукопроводом 2, пьезоэлемента 3, расположенного на измерительной ной грани 4, выполненой под углем И к установочной грани 5, демпфера. 6.. Предложенный пьезоэлектрический преобразователь через переходный слой 7 нагружен на стенку трубопровода 8. Демпфер является акустической нагрузкой дяя тыльной грани пьезоэлемента и применяется для расширения полосы пропускания преобразователя и дополнительного уменьшения уровня реве рберационньк помех ( Марьин И.О., Журавлёв 1.П. Пьезопреобразователь из композиционных материалов для ультразвуковых расходомеров.- Приборы и системы управления, 1995, J 4, с.

34 - 35 ).

Пьезоэлектрический преобразователь, изображенный на фиг, 2 дополнительно имеет прижимную пружину 9 и винт 10.

Пьезоэлектрический преобразователь ультразвукового расходомера работает следующим образом.

Па противоположных стенках трубопровода устанавливают два идентичных пьезоэлектрических преобразователя, которые зондируют исследуемый поток ультразвуковыми импульсами, направлеными под углом относительно вектора скорости потока. Зондирование производится по направлению потока и навстречу потоку. Ультраз: гковой сигнал, излучаемый пьезоэлементом 3 первого преобразователя через переходный слой 2, звукопровод I, переходный слой V:7 и стенку трубопровода 8 проходит в исследуемый потжж. Ультразвуковой сигнал, пройдя поток, проходит через противоположную стенку трубопровода, переходный слой 7, звукопровод I и переходный слой 2 и принимается пьезоэлементом 3 второго преобразователя. Аналогично распространяются сигналы, излучаемые вторым преобразователем навстречу потоку. При этом пьезоэлементы преобразователя обратимы т.е. работают, как в режиме излучения, так и в режиме приёма ультразвуковых сигналов. Угол ввода ультразвука в поток определяется акустическими параметрами контролируемой жидкости, стенок трубопровода, материала звукопровода и углом звукопровода между измерительной и установочной гранями.

Частный случай реализации предлагаемой полезной модели ( фиг. 2 ) выполняет дополнительные функции по повышению виброи ударостойкости пьезоэлектрического преобразователя. Построение пьезоэлектрического преобразователя аналогично описанному выше, и включает в себя дополнительно прижимную пружищг 9 и винт 10. Измерительная грань выполняется в углублении звукопровода, а боковые поверхности углубления имеют резьбу для ввёртывания винта.

Применение в качестве материала звукопровода стекловолокнита АГ-4В, имеющего высокую С теплостойкость и коэффициент термического линейного расширения 12, град , блиекий к коэффициентам термического линейного расширения пьезокерамики - ( 4,5 - 7,5 10 материала стенки трубопровода, например, стали - IIIO град , позволяет использовать в качестве переходных слоев твёрдые клеевые соединения. Разность в коэффициентах термического линейного расширения соединяемых материалов пьезокерамика - АГ-4В и АГ-4В - сталь , составляет - ( 3,5-8 ) 10градЧ Такая разность в коэффициентах термического линейного расширения выбирается рядом твёрдых клеевых соединений без их разрушения.

7 известных материалов применяемых в качестве звукопроводов таких, например, как оргстекло, разность в коэффициентах термического .линейного расширения с пьезокерамикой и сталью

составляет ( 59 - 65 ) 10 град, что на порядок выше, чем при применении АГ-4В. Применение при этом твёрдых клеевых соединений в широком диапазоне температур -60 - - невозможно из-за их разрушения. Применение жидких и пастообразных переходных слоев при высоких температурах уменьшает надёжность таких соединений из-за их быстрого высыхания. Применение поджимных пружин в конструкции преобразователя увеличивает надёжность при воздействии термических и механических дестабилизирующих факторов. Изготовление звукопроводов из материалов с большим коэффициентом поглощения ультразвука обеспечивает подавление реверберационных помех при малых габаритах звукопроводов.

-d.

- S V Для сохранения достаточного уровня основного сигнала необходимо чтобы потери в акустическом тракте расходомера были меньше динамического диапазона частотной характеристики ультразвукового расходомера: где: а- динамический диапазон частотной характеристики ультразвукового расходомера, gg - потери в акустическом тракте. Потери в акустическом тракте складываются из следующих составляющих: потери на двойное электромеханическое преобразование преобразователей, потери на поглощение в материале двух звукопроводов, потери на поглощение в двух стенках трубопровода, потери на поглощение и расхождение в контролируемой жидкости, потери на прохождение границ раздела сред. Потери на поглощение в материале звукопроводов определим как разность полных потерь в акустическом тракте и потерь двойного преобразования преобразователей, потерь на поглощение и расхождение в стенках трубопровода и контролируемой жидкости и потерь на прохождение границ раздела сред: Л - ( 2 ) Д - потери на поглощение в двух звукопроводах, оС - сумма акустических потерь в стенках трубопровода, контролируемой жидкости, на прохождение границ раздела сред, на двойное электромеханическое преобразование преобразователей. а ; (I) I

длину акустического пути в нём:

А (Г,

- удельное поглощение ультразвука в материале звукопровода, - дшана акустического пути в одном звукопроводе.

Согласно ( I, 2 и 3 ) верхняя граница длины акустического пути в звукопроводе определяется из выражения:

;

йижшш граница длины акустического пути в звукопроводе ограничена возможностью выхода пьезоэлемента за границы звукопровода и согласно фиг.I будет:

f р; (5)

Из ( 4 ) и ( 5 ) получаем выражение для определения длины акстического пути в звукопроводе:

4ч (в)

Согласно фиг.1

- ( 7 )

где:aTJ

1 - расстояние по норлали от середины ребра, образованного пересечением измерительной и установочной граней до центра пьезоэлемента.

Из ( 6 ) и ( 7 ) получим выражение для определения расстояния по нормали от середины ребра,,обракованного пересечением измерительной и установочной граней звукопровода, до центра пьезоэлемента:

X / X /./,. /5 ,

На практике, например, при угле j2 60 , диаметре пье-,

30элемента d - 10 мм и при нагрузке звукопроводов на стальную стенку трубопровода с условным проходом 1200 мм, потери в акустическом тракте, без потерь на поглощение в звукопроводах, составляют 6 51 дБ. При использовании в качестве материала звукопровода стекловолокнита АГ-4В с удельным поглощением ультразвука на частоте I МГц - о 600 дБ/м и ультразвукового расходомера с динамическим диапазоном частотной характеристики Ct 80 дБ, значение L лежит в интервале :

5 мм кГ /J 14 мм

Соответствущие этому значению габариты преобразователя составляют: 45 20 26 мм.

Предложенная полезная модель по сравнению с известными техническими решениями существенно расширяет температурный диапазон, надёжность, вибро и ударостойкость пьезоэлектрических преобразователей ультразвукового расходомера приуменьшении уровня реверберационных помех.

Изготовлен экспериментальный образец заявленого пьезоэлектрического преобразователя ультразвукового расходомера и проведены его предварительные испытания.

Claims (3)

1. Пьезоэлектрический преобразователь ультразвукового расходомера, содержащий звукопровод, на одной грани которого, измерительной, выполненной под острым углом к грани, устанавливаемой на трубопровод, установочной, расположен пьезоэлемент, отличающийся тем, что звукопровод выполнен из материала с высокой термостойкостью и коэффициентом термического линейного расширения близким к коэффициенту термического линейного расширения материала пьезоэлемента, а расстояние по нормали от середины ребра, образованного пересечением измерительной и установочной граней до центра пьезоэлемента определяется из выражения

где d - размер пьезоэлемента;
L - расстояние по нормали от середины ребра, образованного пересечением измерительной и установочной граней, до центра пьезоэлемента;
a - динамический диапазон частотной характеристики ультразвукового расходомера;
α - сумма акустических потерь в стенках трубопровода, контролируемой жидкости, потерь на прохождение границ раздела сред и потерь на двойное электромеханическое преобразование преобразователей;
δ - удельное поглощение звука в материале звукопровода;
β - угол между измерительной и установочной гранями.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала с высокой термостойкостью и коэффициентом термического линейного расширения близким к коэффициенту термического линейного расширения материала пьезоэлемента используют стекловолокнит АГ-4В.

3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что измерительная грань выполнена в глубине звукопровода.