WO2007149002A1 - Ultrasonic sensor - Google Patents
Ultrasonic sensor Download PDFInfo
- Publication number
- WO2007149002A1 WO2007149002A1 PCT/RU2006/000297 RU2006000297W WO2007149002A1 WO 2007149002 A1 WO2007149002 A1 WO 2007149002A1 RU 2006000297 W RU2006000297 W RU 2006000297W WO 2007149002 A1 WO2007149002 A1 WO 2007149002A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- piezoelectric element
- shank
- transformer
- transducer
- ultrasonic sensor
- Prior art date
Links
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims abstract description 7
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
- G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
- G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
Definitions
- the invention relates to instrumentation, in particular to ultrasonic devices for measuring gas flow.
- the known sensor contains a piezoelectric transformer, a transformer, electrical leads from the electrodes of the piezoelectric element located in the hollow holder and the mount in the housing.
- the basis of the invention is the creation of an ultrasonic sensor for a gas flow meter that eliminates the above disadvantages.
- the technical result of the invention is the high sensitivity of the sensor, signal stability at high gas velocity, providing a wide radiation-reception pattern.
- the insignificant thickness of the piezoelectric element, its spherical surface and spherical surface acoustic transformers provide an extension of the angle of emission and reception by an ultrasonic sensor.
- the ultrasonic transducer comprises a piezoelectric transducer and an acoustic transformer enclosed in a cylindrical metal casing, the transducer being made in the form of a piezoelectric element mated on the surface with an acoustic transformer, the transverse surface of the transformer being acoustically in contact with the end surface of the housing, and the opposite end the latter is connected to the holder, which is a hollow thin-walled tube connected with a mounting unit made in the form of a shank with a conical part and a cylindrical part with a thread, an abutment and a nut, pressing a rubber washer made of alternating layers of rubber and steel to the conical part of the surface of the shank and an abutment, while the body, the hollow tube and the internal cavity the shank is filled with a damping compound, which ensures the passage of electrical leads from the electrodes of the piezoelectric element to the external contacts.
- the transducer can be made in the form of a piezoelectric element formed on a spherical surface, coupled to an acoustic transformer, the conjugated surface of which follows the shape of the piezoelectric element.
- the outer surface of the holder may be coated with damping material.
- Figure 1 presents a General view of the ultrasonic sensor.
- the ultrasonic sensor contains a piezoelectric transducer and an acoustic transformer 2 enclosed in a cylindrical metal housing 3, while the transducer is made in the form of a piezoelectric element 1, paired on the surface with an acoustic transformer, and the opposite surface of the transformer is acoustically in contact with the end surface of the housing 3, and the opposite end of the latter is connected to the holder, which is a hollow thin-walled tube 4 connected to the mount, made in the form of a shank with a conical part b and a cylindrical part c thread, stop 5 and nut 9, pressing a rubberized washer 8, made of alternating layers of rubber and layers of steel 8, to the conical part 6 of the surface of the shank and emphasis 5, the body, the hollow tube and the inner cavity of the liner are filled with a damping compound, non-absorbing material with different acoustic and mechanical properties and allows the passage of electrical leads 7 from the electrodes to external contacts of the piezo-element (not shown).
- the transducer is made in the form of a piezoelectric element 1 formed on a spherical surface, coupled to an acoustic transformer 2, the conjugated surface of which follows the shape of the piezoelectric element.
- the outer surface of the tube 4 is covered with damping material to increase sound absorption.
- the length of the holder is selected from the condition of the greatest acoustic insulation.
- Washer 8 is a damper seal and is molded from rubber and steel layers to increase sound absorption.
- the operation of the device is as follows.
- the proposed sensor can be used in the following ultrasonic measuring devices and systems: - ultrasonic echo sounders; -Ultrasonic distance meters;
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
The invention relates to instrument engineering and can be used for different purpose ultrasonic instruments. The inventive ultrasonic sensor comprises a piezoelectric transducer and an acoustic transformer which are arranged in a cylindrical metal body, wherein the transducer is embodied in the form of a piezoelectric element mated with the acoustic transformer by the surface thereof, the opposite surface of the transformer comes in acoustic contact with the end surface of the body and the opposite end face of the body is connected to a holder, which is embodied in the form of a hollow thin-wall tube connected to a fixing unit. Said fixing unit comprises of a shank provided with a conical section and a threaded cylindrical section, a thrust and a nut which presses a rubber coated washer, consisting of alternate rubber and steel layers, against to the conical section of the shank and to the thrust, wherein the body the hollow tube and the internal cavity of the shank are filled with a damping compound which enables electric outputs to pass from the electrodes of the piezoelectric element to external contacts. The invention makes it possible to obtain a highly sensitive ultrasonic sensor producing a stable signal at a high gas velocity and to allow a broad radiation/reception pattern. The insignificant thickness of the piezoelectric element, the spherical surface thereof and the spherical surface of the acoustic transformer make it possible to increase the radiation-reception angle by means of the ultrasonic sensor.
Description
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК ULTRASONIC SENSOR
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к приборостроению, в частности к ультразвуковым приборам для измерения расхода газа.The invention relates to instrumentation, in particular to ultrasonic devices for measuring gas flow.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Наиболее близким к предлагаемому ультразвуковому датчику является техническое решение по патенту RU 2079814, 20.05.1997. Известный датчик содержит пьезоэлектрический преобразователь, трансформатор, электрические выводы от электродов пьезоэлемента, размещенные в полом держателе и узел крепления в корпусе.Closest to the proposed ultrasonic sensor is the technical solution according to the patent RU 2079814, 05.20.1997. The known sensor contains a piezoelectric transformer, a transformer, electrical leads from the electrodes of the piezoelectric element located in the hollow holder and the mount in the housing.
В газовой среде излучение звука от излучателя в газ имеет низкую эффективность из-за большой разницы акустических импедансов газа и датчика. Это приводит к необходимости повышения усиления в приемном тракте, увеличения импульса возбуждения в передающем тракте. Но оба этих средства увеличивают амплитуду сигнала, проникающего от излучателя к приемнику не через газовую среду, а через конструктивные элементы расходомера. Другой существенный фактор, осложняющий применение ультразвукового датчика в газовом расходомере, это «cнoc» звуковых импульсов в движущемся с большой скоростью газе. При этом путь звукового импульса отклоняется от прямолинейного, и импульс достигает поверхности приемного датчика под углом, сильно отличающимся от 90° по отношению плоскости рабочей поверхности датчика.In a gaseous medium, sound emission from a radiator to a gas has low efficiency due to the large difference in the acoustic impedances of the gas and the sensor. This leads to the need to increase the gain in the receiving path, increasing the excitation pulse in the transmitting path. But both of these tools increase the amplitude of the signal penetrating from the emitter to the receiver not through the gas medium, but through the structural elements of the flow meter. Another significant factor complicating the use of an ultrasonic sensor in a gas flow meter is the "cnoc" of sound pulses in a gas moving at high speed. In this case, the path of the sound pulse deviates from the straight-line, and the pulse reaches the surface of the receiving sensor at an angle very different from 90 ° with respect to the plane of the working surface of the sensor.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
В основу предлагаемого изобретения положена задача создания ультразвукового датчика для расходомера газа, устраняющего изложенные выше недостатки.The basis of the invention is the creation of an ultrasonic sensor for a gas flow meter that eliminates the above disadvantages.
Техническим результатом изобретения является высокая чувствительность датчика, устойчивость сигнала при высокой скорости движения газа, обеспечение широкой диаграммы излучения-приема. Незначительная толщина пьезоэлемента, его сферическая поверхность и сферическая поверхность
акустического трансформатора обеспечивают расширение угла излучения и приема ультразвуковым датчиком.The technical result of the invention is the high sensitivity of the sensor, signal stability at high gas velocity, providing a wide radiation-reception pattern. The insignificant thickness of the piezoelectric element, its spherical surface and spherical surface acoustic transformers provide an extension of the angle of emission and reception by an ultrasonic sensor.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Технический результат достигается тем, что ультразвуковой датчик содержит пьезоэлектрический преобразователь и акустический трансформатор, заключенные в цилиндрический металлический корпус, при этом преобразователь выполнен в виде пьезоэлемента, сопряженного по поверхности с акустическим трансформатором, причем противолежащая поверхность трансформатора акустически контактирует с торцевой поверхностью корпуса, а противоположный торец последнего соединен с держателем, представляющим собой полую тонкостенную трубку, соединенную с узлом крепления, выполненным в виде хвостовика с конической частью и цилиндрической частью с резьбой, упора и гайки, прижимающий обрезиненную шайбу, выполненную из чередующихся слоев резины и стали, к конической части поверхности хвостовика и упору, при этом корпус, полая трубка и внутренняя полость хвостовика заполнены демпфирующим компаундом, обеспечивающим прохождение электрических выводов от электродов пьезоэлемента ко внешним контактам.The technical result is achieved by the fact that the ultrasonic transducer comprises a piezoelectric transducer and an acoustic transformer enclosed in a cylindrical metal casing, the transducer being made in the form of a piezoelectric element mated on the surface with an acoustic transformer, the transverse surface of the transformer being acoustically in contact with the end surface of the housing, and the opposite end the latter is connected to the holder, which is a hollow thin-walled tube connected with a mounting unit made in the form of a shank with a conical part and a cylindrical part with a thread, an abutment and a nut, pressing a rubber washer made of alternating layers of rubber and steel to the conical part of the surface of the shank and an abutment, while the body, the hollow tube and the internal cavity the shank is filled with a damping compound, which ensures the passage of electrical leads from the electrodes of the piezoelectric element to the external contacts.
Преобразователь может быть выполнен в виде сформованного по сферической поверхности пьезоэлемента, сопряженного с акустическим трансформатором, сопряженная поверхность которого повторяет форму пьезоэлемента.The transducer can be made in the form of a piezoelectric element formed on a spherical surface, coupled to an acoustic transformer, the conjugated surface of which follows the shape of the piezoelectric element.
Внешняя поверхность держателя может быть покрыта демпфирующим материалом.The outer surface of the holder may be coated with damping material.
Краткое описание фигур чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг.1 представлен общий вид ультразвукового датчика.Figure 1 presents a General view of the ultrasonic sensor.
Вариант осуществления изобретенияAn embodiment of the invention
Ультразвуковой датчик содержит пьезоэлектрический преобразователь и акустический трансформатор 2, заключенные в цилиндрический металлический корпус 3, при этом преобразователь выполнен в виде пьезоэлемента 1, сопряженного
по поверхности с акустическим трансформатором, причем противолежащая поверхность трансформатора акустически контактирует с торцевой поверхностью корпуса 3, а противоположный торец последнего соединен с держателем, представляющим собой полую тонкостенную трубку 4, соединенную с узлом крепления, выполненным в виде хвостовика с конической частью б и цилиндрической частью с резьбой, упора 5 и гайки 9, прижимающий обрезиненную шайбу 8, выполненную из чередующихся слоев резины и слоев 8 стали, к конической части 6 поверхности хвостовика и упору 5, при этом корпус, полая трубка и внутренняя полость хвостовика заполнены демпфирующим компаундом, являющимся звукопоглощающим материалом с различными акустическими и механическими свойствами и обеспечивающим прохождение электрических выводов 7 от электродов пьезоэлемента ко внешним контактам (на чертеже не показан). Преобразователь выполнен в виде сформованного по сферической поверхности пьезоэлемента 1, сопряженного с акустическим трансформатором 2, сопряженная поверхность которого повторяет форму пьезоэлемента. Внешняя поверхность трубки 4 покрыта демпфирующим материалом для увеличения поглощения звука. Длина держателя выбирается из условия наибольшей акустической изоляции. Шайба 8 представляет собой уплотнитель-демпфер и для увеличения поглощения звука сформован из резиновых и стальных слоев.The ultrasonic sensor contains a piezoelectric transducer and an acoustic transformer 2 enclosed in a cylindrical metal housing 3, while the transducer is made in the form of a piezoelectric element 1, paired on the surface with an acoustic transformer, and the opposite surface of the transformer is acoustically in contact with the end surface of the housing 3, and the opposite end of the latter is connected to the holder, which is a hollow thin-walled tube 4 connected to the mount, made in the form of a shank with a conical part b and a cylindrical part c thread, stop 5 and nut 9, pressing a rubberized washer 8, made of alternating layers of rubber and layers of steel 8, to the conical part 6 of the surface of the shank and emphasis 5, the body, the hollow tube and the inner cavity of the liner are filled with a damping compound, non-absorbing material with different acoustic and mechanical properties and allows the passage of electrical leads 7 from the electrodes to external contacts of the piezo-element (not shown). The transducer is made in the form of a piezoelectric element 1 formed on a spherical surface, coupled to an acoustic transformer 2, the conjugated surface of which follows the shape of the piezoelectric element. The outer surface of the tube 4 is covered with damping material to increase sound absorption. The length of the holder is selected from the condition of the greatest acoustic insulation. Washer 8 is a damper seal and is molded from rubber and steel layers to increase sound absorption.
Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.
Электрические колебания ультразвуковой частоты от внешнего генератора (на чертеже не показано) поступают через электрические выводы 7 на пьезоэлемент 1. Колебания ультразвуковой частоты от пьезоэлемента 1 через акустический трансформатор поступает в трубопровод с контролируемой средой и через контролируемую среду сигнал поступает на приемник.Electrical oscillations of the ultrasonic frequency from an external generator (not shown in the drawing) are fed through the electrical terminals 7 to the piezoelectric element 1. The oscillations of the ultrasonic frequency from the piezoelectric element 1 through an acoustic transformer enters the pipeline with a controlled environment and the signal is transmitted to the receiver through the controlled medium.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Предложенный датчик может применяться в следующих ультразвуковых измерительных приборах и системах: -ультразвуковые эхолоты; -ультразвуковые измерители расстояния;The proposed sensor can be used in the following ultrasonic measuring devices and systems: - ultrasonic echo sounders; -Ultrasonic distance meters;
- ультразвуковые расходомеры и счетчики различных газов;- ultrasonic flow meters and counters of various gases;
- ультразвуковые скоростемеры.
- ultrasonic speed meters.
Claims
1. Ультразвуковой датчик, характеризующийся тем, что содержит пьезоэлектрический преобразователь и акустический трансформатор, заключенные в цилиндрический металлический корпус, при этом преобразователь выполнен в виде пьезоэлемента, сопряженного по поверхности с акустическим трансформатором, причем противолежащая поверхность трансформатора акустически контактирует с торцевой поверхностью корпуса, а противоположный торец последнего соединен с держателем, представляющим собой полую тонкостенную трубку, соединенную с узлом крепления, выполненным в виде хвостовика с конической частью и цилиндрической с резьбой, упора и гайки, прижимающий обрезиненную шайбу, выполненную из чередующихся слоев резины и стали, к конической части поверхности хвостовика и упору, при этом корпус, полая трубка и внутренняя полость хвостовика заполнены демпфирующим компаундом, обеспечивающим прохождение электрических выводов от электродов пьезоэлемента ко внешним контактам.1. An ultrasonic sensor, characterized in that it contains a piezoelectric transducer and an acoustic transformer enclosed in a cylindrical metal casing, the transducer being made in the form of a piezoelectric element mated on the surface with an acoustic transformer, the transverse surface of the transformer being acoustically in contact with the end surface of the housing, and the opposite the end face of the latter is connected to the holder, which is a hollow thin-walled tube connected to the mount made in the form of a shank with a conical part and a cylindrical thread, an abutment and a nut, pressing a rubber washer made of alternating layers of rubber and steel to the conical part of the shank surface and an abutment, while the casing, the hollow tube and the inner cavity of the shank are filled with a damping compound providing the passage of electrical leads from the electrodes of the piezoelectric element to external contacts.
2. Датчик по п.l, в котором преобразователь выполнен в виде сформованного по сферической поверхности пьезоэлемента, сопряженного с акустическим трансформатором, сопряженная поверхность которого повторяет форму пьезоэлемента.2. The sensor according to claim 1, wherein the transducer is made in the form of a piezoelectric element formed on a spherical surface, coupled to an acoustic transformer, the conjugated surface of which repeats the shape of the piezoelectric element.
3. Датчик по п.l, в котором внешняя поверхность держателя покрыта демпфирующим материалом. 3. The sensor according to claim 1, wherein the outer surface of the holder is coated with damping material.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/RU2006/000297 WO2007149002A1 (en) | 2006-06-09 | 2006-06-09 | Ultrasonic sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/RU2006/000297 WO2007149002A1 (en) | 2006-06-09 | 2006-06-09 | Ultrasonic sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2007149002A1 true WO2007149002A1 (en) | 2007-12-27 |
Family
ID=38833651
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/RU2006/000297 WO2007149002A1 (en) | 2006-06-09 | 2006-06-09 | Ultrasonic sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
WO (1) | WO2007149002A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7737609B2 (en) * | 2006-10-20 | 2010-06-15 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Ultrasonic sensor |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU394113A1 (en) * | 1971-03-31 | 1973-08-22 | to the AUTHOR'S CERTIFICATE. Cl. in OB 1 / 06УДК 534.232 (088.8) | |
SU993132A1 (en) * | 1981-02-20 | 1983-01-30 | Отделение N1 Томского Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Политехнического Института Им.С.М.Кирова | Liquid media boundary level and position piezoelectric indicator pickup |
US4763513A (en) * | 1983-02-07 | 1988-08-16 | Nusonics, Inc. | Sonic transducer |
US4976150A (en) * | 1986-12-30 | 1990-12-11 | Bethlehem Steel Corporation | Ultrasonic transducers |
SU1738376A1 (en) * | 1989-09-13 | 1992-06-07 | Самарское специальное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Нефтехимавтоматика" | Ultrasound piezoconverter |
RU2079814C1 (en) * | 1994-05-26 | 1997-05-20 | Николай Семенович Марьин | Ultrasonic piezoconverter for flowmeter |
-
2006
- 2006-06-09 WO PCT/RU2006/000297 patent/WO2007149002A1/en active Application Filing
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU394113A1 (en) * | 1971-03-31 | 1973-08-22 | to the AUTHOR'S CERTIFICATE. Cl. in OB 1 / 06УДК 534.232 (088.8) | |
SU993132A1 (en) * | 1981-02-20 | 1983-01-30 | Отделение N1 Томского Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Политехнического Института Им.С.М.Кирова | Liquid media boundary level and position piezoelectric indicator pickup |
US4763513A (en) * | 1983-02-07 | 1988-08-16 | Nusonics, Inc. | Sonic transducer |
US4976150A (en) * | 1986-12-30 | 1990-12-11 | Bethlehem Steel Corporation | Ultrasonic transducers |
SU1738376A1 (en) * | 1989-09-13 | 1992-06-07 | Самарское специальное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Нефтехимавтоматика" | Ultrasound piezoconverter |
RU2079814C1 (en) * | 1994-05-26 | 1997-05-20 | Николай Семенович Марьин | Ultrasonic piezoconverter for flowmeter |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7737609B2 (en) * | 2006-10-20 | 2010-06-15 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Ultrasonic sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4034730B2 (en) | Liquid level measuring device | |
US7069793B2 (en) | Ultrasonic flow meter and ultrasonic sensor | |
US20140165740A1 (en) | Ultrasound transducer and method of generating and/or receiving ultrasound | |
CN103562687B (en) | Ultrasonic transmitter-receiver and ultrasonic flow meter | |
US11982647B2 (en) | Ultrasonic measuring device | |
JP2005188974A (en) | Ultrasonic flowmeter | |
US11426764B2 (en) | Ultrasound transducer | |
JP2007232373A (en) | Piping inspection device and its method | |
CN114111928B (en) | High-frequency ultrasonic sensor suitable for gas flow detection | |
CN114111927B (en) | High-frequency ultrasonic sensor suitable for gas flow detection | |
RU169297U1 (en) | ELECTRO-ACOUSTIC OPTICAL TRANSMITTER TO ULTRASONIC FLOW METERS | |
US7963174B2 (en) | Ultrasonic flowmeter having a rubber transmitting body | |
KR101951533B1 (en) | Ultrasonic flowmeter | |
RU2445748C1 (en) | Piezoelectric transducer | |
WO2007149002A1 (en) | Ultrasonic sensor | |
KR101116165B1 (en) | Ultrasonic Transducer using Planar Parallel Langevin Mounting Piezoelectric Element, Method for Manufacturing the Ultrasonic Transducer | |
CN101275862A (en) | Ultrasonic transmitter/receiver and ultrasonic flowmeter using the same | |
RU2604896C2 (en) | Piezoelectric transducer | |
JP2011007763A (en) | Ultrasonic flowmeter | |
JP6149250B2 (en) | Ultrasonic flow meter | |
RU2776043C1 (en) | Ultrasonic piezoelectric transducer | |
US10584991B2 (en) | Apparatus for ultrasonically measuring the flow rate of a fluid in a measuring channel, achieving an attenuation of the parasitic signals | |
JP5533332B2 (en) | Ultrasonic flow meter | |
RU2739150C1 (en) | Ultrasonic piezoelectric transducer | |
RU2471155C1 (en) | Ultrasonic flowmeter transducer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 06835786 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 06835786 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |