Пьезоэлектрический преобразователь для газовой среды

 

Использование: изобретение относится к области автоматического ультразвукового контроля уровня жидкости и газа в замкнутых емкостях. Сущность изобретения: преобразователь содержит пьезоэлемент 1 в виде диска, корпус 2, мембрану 3, отражатель 4, переходной патрубок 5. Внутренняя полость корпуса 2 залита компаундом 11. Расстояния от рабочей поверхности пьезоэлемента до мембраны h_м и его тыльной поверхности до отражателя h₀ удовлетворяют соотношениям: ; Δ_м ≅ 5·10^-3λ_м при условии, что толщина мембраны Δ_м ≅ 5·10^-3λ_м , толщина отражателя Δ_o ≥ 10^-1·λ_o , а толщина диска пьезоэлемента Δ_п ≅ 5·10^-1λ_п , где λ_м, λ_к, λ_o, λ_п - длина волны на частоте радиального резонанса дискового пьезоэлемента соответственно в мембране, заливочном компаунде, отражателе и пьезоэлементе, а ρ_м и ρ_к - плотность мембраны и компаунда. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к автоматическому ультразвуковому контролю уровня жидкости и газа в замкнутых емкостях методом ультразвуковой локации.

Для обеспечения высокой точности и заданной разрешающей способности при измерениях уровня необходимо обеспечить неискаженное излучение коротких импульсов акустической энергии с достаточно высокой направленностью, т.е. с высокой частотой заполнения импульсов f_з.

Для этой цели используются пьезоэлектрические преобразователи с резонансной частотой f₀ f_з и с широкой полосой пропускания Δf связанной с длительностью импульса соотношением Проблема создания высокочастотных (f_з ≈ 100 кГц) широкополосных ( Df 5 кГц) преобразователей, эффективно излучающих акустическую энергию в газовую среду, сама по себе является достаточно сложной из-за большого различия волновых сопротивлений материала преобразователя и газовой среды. Эта проблема многократно усложняется при необходимости обеспечить работу преобразователя в агрессивной среде при больших давлениях (до 10 МПа) высоких температурах (до 100^oC) и ограниченных габаритах ( ⊘ <40 мм), обусловленных стремлением уменьшить размер отверстия ввода преобразователя в замкнутый объем.

Более распространенным в пьезотехнике является использование для согласования слоя, волновое сопротивление которого находится как среднее геометрическое волновых сопротивлений преобразователя и среды.

К преобразователям этого типа относится пьезоэлектрический преобразователь для газовой среды, подробно описанный и являющийся наиболее близким аналогом к предлагаемому [2] Этот преобразователь содержит пьезоэлемент в виде толстого диска, работающий на частоте f₀ резонанса радиальных колебаний, установленный в металлическом корпусе, открытом с рабочей стороны пьезоэлемента, и плоский отражатель с его тыльной стороны. Металлический корпус заполнен заливочным компаундом, при этом слой компаунда между дисковым элементом и газовой средой является согласующим и имеет толщину где λ_к длина волны звука в материале компаунда на частоте f₀, а толщина слоя компаунда между отражателем и пьезоэлементом равна λ_к Конструкция преобразователя обеспечивает работу в достаточно широкой полосе.

Недостатком рассмотренной конструкции преобразователя является то, что она не способна обеспечить надежную работу в условиях высокого давления газовой среды, содержащей агрессивные элементы, поскольку компаунд имеет с газовой средой непосредственный контакт. При этом известно, что все заливочные компаунды не обладают достаточно высокой устойчивостью к химическим воздействиям агрессивных элементов. В результате конструкция не обеспечивает герметичности и взрывобезопасности преобразователя. Традиционная защита компаунда металлом приводит к рассогласованию преобразователя и снижению его эффективности.

Техническим результатом от использования изобретения является создание высокоэффективного широкополосного преобразователя, обеспечивающего надежную работу в агрессивной газовой среде под высоким давлением и при высоких температурах и удовлетворяющего требованиям взрывобезопасности.

Для этого в пьезоэлектрическом преобразователе для газовой среды, содержащем установленные в металлическом корпусе, заполненном заливочным компаундом, дисковый пьезоэлемент, работающий на радиальном резонансе, и плоский отражатель, металлический корпус выполнен в форме стакана с тонкостенным дном в виде мембраны со стороны рабочей поверхности преобразователя и снабжен переходным металлическим патрубком, один торец которого соединен с боковой поверхностью корпуса, при этом расстояние от рабочей поверхности дискового пьезоэлемента до мембраны h_м и от его тыльной поверхности до отражателя h₀ равны соответственно при условии, что толщина мембраны Δ_м ≅ 1,5·10^-3λ_м толщина отражателя Δ_o ≥ 10^-1·λ_o а Δ_п ≅ 1,5·10^-1λ_п где λ_м, λ_к, λ_o, λ_п длина волны на частоте радиального резонанса дискового пьезоэлемента, соответственно, в мембране, заливочном компаунде, отражателе и пьезоэлементе, а ρ_м и ρ_к плотность мембраны и компаунда.

В зависимости от конструктивных особенностей ввода преобразователя в емкость с газом ось патрубка может совпадать с осью преобразователя (его акустической осью), а может быть перпендикулярна оси преобразователя.

Заключение преобразователя в металлический корпус позволяет обеспечить его надежную работу в критических условиях: при высокой температуре и давлении в агрессивной газовой среде. При этом выбор размеров в соответствии с заданными соотношениями обеспечивает и при наличии металлической мембраны на рабочей поверхности согласование преобразователя с газовой средой, т.е. его высокую широкополосность и эффективность. Этому же способствует введение в конструкцию патрубка, который обеспечивает герметичный ввод преобразователя в замкнутую емкость с рабочей средой.

На фиг. 1 представлен общий вид преобразователя, ось патрубка совпадает с осью преобразователя; на фиг. 2 то же, ось патрубка перпендикулярна оси преобразователя.

Пьезокерамический преобразователь (фиг. 1) содержит пьезоэлемент 1 в виде диска, который размещен внутри корпуса 2, имеющего форму стакана с тонкостенным дном мембраной 3. В корпусе также размещен отражатель 4 в виде металлического диска. В состав преобразователя входит также переходный патрубок 5, установленный по оси преобразователя. Патрубок упирается в отражатель 4 торцом, имеющим отбортовку 6 для герметичного соединения с корпусом 2 с помощью сварного шва 7. В отражателе 4 имеются два отверстия 8 для вывода проводов 9, присоединенных к электродам пьезоэлемента 1, а также технологическое отверстие 10, обеспечивающее заливку компаунда 11 во внутреннюю полость корпуса.

В предлагаемом примере конструкции при радиальном резонансе диска f₀ 100 кГц диаметр диска пьезоэлемента из пьезокерамики состава ЦТСНВ1 D_n 2- мм, толщина Δ_п 4 мм, что соответствует соотношению Δ_п ≅ 5·10^-1λ_п Толщина стальной мембраны Δ_м 0,25 мм, что соответствует условию Δ_м ≅ 5·10^-3λ_м толщина отражателя из стали Δ_o 8 мм, что соответствует условию Δ_o ≅ 0,1·λ_o при λ_м= λ_o= 60 мм для стали марки 12ХН3А на частоте 100 кГц. Расстояние между рабочей стороной пьезоэлемента и мембраной (толщина слоя компаунда между пьезоэлементом и мембраной) h_м для полиуретанового компаунда СКУ h_м 2,14 мм и соответствует условию (1), расстояние между тыльной стороной пьезоэлемента и отражателем (слой компаунда между пьезоэлементом и отражателем) Преобразователь, представленный на фиг. 1, целесообразно использовать, если ввод преобразователя в замкнутую емкость с газовой средой произведен через верхнюю поверхность емкости. Если же по конструктивным соображениям преобразователь вводится через боковую поверхность емкости, а излучение должно быть направлено вниз, предлагается исполнение преобразователя, представленное на фиг. 2. В этом случае отражатель 4 выполнен за одно целое с корпусом 2 также, как и переходный патрубок 5, ось которого перпендикулярна оси преобразователя. Мембрана 3 выполнена отдельно и соединена с отбортовкой корпуса 6 сварочным швом 7. Отверстие 8 для вывода проводов 9 и отверстие 10 для обеспечения заливки компаунда 11 внутрь корпуса 2 выполнены в цилиндрической вставке 12, закрепленной в месте соединения патрубка 5 с корпусом 2 трубчатой гайкой 13.

Работа преобразователя (фиг. 1, 2) осуществляется следующим образом.

В режиме излучения электрический сигнал по проводам 9 поступает на электроды пьезоэлемента 1 и возбуждает его механические колебания на частоте его радиального резонанса.

Диаметр пьезоэлемента D_п выбирается таким образом, чтобы резонансная частота пьезоэлемента соответствовала частоте заполнения излучающего импульсного сигнала f_з. Вследствие эффекта Пуассона радиальные колебания вызывают толщинные колебания диска, которые преобразуются в излучаемый акустический сигнал. При этом толщина диска пьезоэлемента Δ_п не должна превышать 1,5·10^-1 λ_п так как увеличение толщины приводит к увеличению эффективной массы преобразователя M_эф, которая пропорциональна Δ_пD²_п и к соответствующему увеличению добротности преобразователя Q и уменьшению ширины полосы Δf т.к. т.е. (3), где r при излучении в газовую среду определяется величиной механических потерь в пьезоэлементе и компаунде. При этом малая заявленная толщина диска обеспечивает малый уровень паразитного бокового излучения.

Толщинные колебания пьезоэлемента 1 через слой компаунда 11 и мембрану 3 излучаются в газовую среду. С тыльной стороны пьезоэлемента колебания отражаются отражателем 4. Эффективное излучение в направлении дна корпуса обеспечивается благодаря выполнению заявленных соотношений размеров. Покажем это.

Малая волновая толщина мембраны ( h_м ≅ 5·10^-3λ_м граница соотношения подобрана экспериментально) обеспечивает минимизацию эффективной массы согласующего слоя (мембрана толщиной Δ_м и слой компаунда h_м и соответственно малую добротность резонанса слоя, т.е. широкую полосу излучения, в соответствии с выражениями (2) и (3).

С другой стороны при такой толщине мембрана обладает гибкостью, достаточной для компенсации изменений объема компаунда при изменении рабочих температур и давления.

При выборе толщины слоя компаунда в соответствии с соотношением (1) компенсируется увеличение эффективной массы слоя за счет массы мембраны и резонанс согласующего слоя остается равным f₀.

При невыполнении заявленного соотношения (1) резонанс слоя будет отличен от f₀, эффект согласования нарушается, а частотная характеристика преобразователя исказится недопустимым образом, не обеспечивая эффективность излучения в требуемом частотном диапазоне.

Для обеспечения возможно более полного отражения тыльного излучения толщина отражателя Δ_o выбирается достаточно большой ( Δ_o ≥ 0,1λ_o подобрано экспериментально). При Δ_o < 0,1λ_o наблюдается тыльное излучение.

Увеличение толщины отражателя более 0,2λ_o нецелесообразно из-за увеличения веса конструкции, а при Δ_o = 0,5λ_o может быть возбужден резонанс толщинных колебаний отражателя. Заявленная толщина слоя компаунда обеспечивает поворот тыльного излучения на 180^o при возвращении его на тыльную поверхность пьезоэлемента и компенсацию давления на тыльной стороне.

Таким образом, благодаря выполнению рекомендуемых соотношений подавляющая часть излучаемой энергии приходится на рабочую поверхность преобразователя, обеспечивая этим малые уровни бокового и тыльного излучения, при этом преобразователь эффективно работает в широкой полосе, обеспечивая неискаженное излучение импульсов малой длительности.

Так, в рассматриваемом примере удалось снизить уровень тыльного излучения более чем на 30 дБ и обеспечить эффективное излучение в полости Δf до 8-12 кГц, что соответствует добротности Q ≈ 12-8.

В режиме приема на преобразователь воздействует давление отраженного сигнала, которое вызывает механические колебания пьезоэлемента 1 и в результате действия прямого пьезоэффекта электрическое напряжение на его электродах, которое передается на вход электронной приемной схемы с помощью проводов 9.

В силу действия принципа взаимности диаграмма направленности преобразователя в режиме приема идентична направленности в режиме излучения, т.е. соответствует геометрическим размерам рабочей поверхности диска пьезоэлемента, а тыльное излучение пренебрежимо мало. Отличие от работы в режиме излучения заключается в том, что резонансная частота преобразователя в режиме приема при работе с усилителем напряжения существенно выше, чем в режиме излучения, причем это различие тем больше, чем более эффективен используемый пьезоэлемент. В нашем примере при использовании в пьезоэлементе пьезокерамики типа ЦТСНВ-1 частота резонанса в приеме превышает частоту в излучении более чем на 10% в результате чего преобразователь в режиме приема работает фактически вне резонанса, вследствие этого режим приема не накладывает ограничений на ширину полосы принимаемого сигнала.

Следует отметить, что пьезоэлемент 1 в значительной степени, в силу выбранных соотношений, акустически развязан от патрубка 5, однако, для уменьшения вероятности возбуждения колебаний присоединяемых впоследствии к патрубку элементов конструкции, которые могут иметь собственные частоты вблизи рабочего диапазона, внутренняя полость патрубка после его приварки к деталям несущей конструкции (не показана) может быть заполнена демпфирующей массой.

Конструкция преобразователя, представленная на фиг. 1 и 2, является цельнометаллической и в случае выполнения корпуса и патрубка из специальной стали устойчива к воздействию химически активной среды. При действии наружного статического давления залитый компаундом пьезоэлемент находится под действием всестороннего сжатия, в результате чего деформации конструкции под действием давления весьма малы. В рассматриваемом примере гибкость мембраны достаточна для компенсации изменения внутреннего объема под действием статического давления до 100 атм и при повышении температуры до 100^oC.

В силу полной герметичности внутреннего объема преобразователя, заключенного в цельнометаллический корпус, обеспечивается взрывобезопасность конструкции преобразователя.

Таким образом, предложенный преобразователь является химически стойким, взрывобезопасным и герметичным при высоких давлениях и температурах и при этом обеспечивает эффективную работу в широкой полосе.

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический преобразователь для газовой среды, содержащий установленные в металлическом корпусе, заполненном заливочным компаундом, дисковый пьезоэлемент, работающий на радиальном резонансе, и плоский отражатель, отличающийся тем, что металлический корпус выполнен в форме стакана с тонкостенным дном в виде мембраны со стороны рабочей поверхности преобразователя и снабжен переходным металлическим патрубком, один торец которого герметично соединен с боковой поверхностью корпуса, при этом расстояния от рабочей поверхности дискового пьезоэлемента до мембраны h_м и от его тыльной поверхности до отражателя h_о равны соответственно при условии, что толщина мембраны
Δ_м ≅ 5·10^-3λ_м,
толщина отражателя
Δ_o ≥ 10^-1λ_o,
а толщина диска пьезоэлемента
Δ_п ≅ 5·10^-1λ_п,
где λ_м, λ_к, λ_o, λ_п- длина волны на частоте радиального резонанса дискового пьезоэлемента соответственно в мембране, заливочном компаунде, отражателе и пьезоэлементе;
ρ_м и ρ_к - плотность мембраны и компаунда.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что ось патрубка совпадает с осью преобразователя.

3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что ось патрубка перпендикулярна к оси преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2