Пьезоэлектрический преобразователь

Заявляемый пьезоэлектрический преобразователь используется в приборостроении для передачи звуковой энергии в жидкость или приема звуковой энергии из жидкости при измерении ее расхода в напорных трубопроводах. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и соотношения сигнал-шум принимаемого сигнала при сохранении герметичности преобразователя и работоспособности его при высоких избыточных давлениях. Пьезоэлектрический преобразователь содержит металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость с замыкающей стенкой на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены протектор, пьезоэлемент, демпфер, пружинящая шайба, имеющие диаметр немного меньше диаметра внутренней полости, и ниппель с отверстием, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом. При этом замыкающая стенка выполнена в виде мембраны, причем мембрана может быть выполнена за одно целое с корпусом или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент соединен с мембраной через протектор, толщиной, равной длины ультразвуковой волны в протекторе, с помощью клея и/или поджат к ней пружинящей шайбой, а толщина мембраны h в зависимости от плотности материала определяется из соотношения: h=A/ρ, где А - коэффициент, равный от 0,4 до 4 кг/м2, ρ - плотность материала мембраны в кг/м3. 6 ил.

 

Заявляемый пьезоэлектрический преобразователь используется в приборостроении для передачи звуковой энергии в жидкость или приема звуковой энергии из жидкости при измерении ее расхода в напорных трубопроводах.

Известен акустический преобразователь, содержащий корпус, в котором установлен пьезоэлемент, контактирующий с демпфером, и протектор, толщиной, равной длины волны в протекторе, рабочая поверхность которого покрыта фольгой из термопластичного материала, например отожженного алюминия [1].

Недостатком этого устройства является то, что фольга не имеет упругих свойств и не обеспечивает работу преобразователя при больших давлениях. Кроме того, алюминий в воде подвержен коррозии, следовательно, изделие будет недолговечным.

Известен пьезоэлектрический преобразователь для расходомера, содержащий пьезоэлемент, установленный между протектором и демпфером и закрепленный в патрубке соосно ему посредством изолятора, одним концом связанного с демпфером, а другим через уплотнительную прокладку с патрубком, отличающийся тем, что изолятор выполнен в виде трубки-фланца и скреплен с демпфером механически [2].

Недостатком этого устройства является то, что для защиты пьезоэлемента от воды протектор и демпфер неизбежно должны выполняться из термореактивной пластмассы на основе эпоксидной смолы, которая не работает длительно при высоких давлениях, не обладает достаточной прочностью для создания герметичного соединения с металлической трубой, не выдерживает температурных циклов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является демпфированный ультразвуковой преобразователь для передачи звуковой энергии в жидкость или приема звуковой энергии из жидкости, включающий металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость с замыкающей стенкой на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены пьезоэлемент, демпфер, пружинящие и плоские шайбы, имеющие диаметр немного меньше диаметра внутренней полости, и затычка с резьбой (ниппель), а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем [3].

Недостатком этого технического решения является низкая чувствительность и соотношение сигнал-шум принимаемого сигнала. Это связано с тем, что замыкающая стенка по акустическому сопротивлению материала и по геометрии плохо согласована с жидкостью.

Цель изобретения - повышение эффективности работы устройства путем увеличения чувствительности и соотношения сигнал-шум выходного сигнала при сохранении герметичности преобразователя и работоспособности его при высоких избыточных давлениях.

Поставленная цель достигается тем, что пьезоэлектрический преобразователь содержит металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость с замыкающей стенкой на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены пьезоэлемент, демпфер, пружинящая шайба, имеющие диаметр немного меньше диаметра внутренней полости, и ниппель, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом, отличающийся тем, что замыкающая стенка выполнена в виде мембраны, причем мембрана может быть выполнена за одно целое с корпусом или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент соединен с мембраной через протектор, толщиной, равной длины ультразвуковой волны в протекторе, с помощью клея и/или поджат к ней пружинящей шайбой, а толщина мембраны h в зависимости от плотности материала определяется из соотношения: h=A/ρ, где A - коэффициент, равный от 0,4 до 4 кг/м2, ρ - плотность материала мембраны в кг/м3.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема устройства, на фиг.2-5 - материалы, подтверждающие эффективность предлагаемого технического решения, полученные с помощью компьютерного моделирования: на фиг.2а - геометрическая расчетная модель пары преобразователей в жидкости, а на рис.2б - геометрическая модель заявляемого преобразователя. В силу осевой симметрии задачи геометрические модели строились для половины изделия. На фиг.3 показано изменение формы принимаемых сигналов от относительной толщины мембраны из нержавеющей стали: фиг.3а относится к аналогу - преобразователю без мембраны, фиг.3б-ж относятся к заявляемому устройству, фиг.3з - к прототипу - преобразователю с толстой мембраной; на фиг.4 показаны зависимости удельной чувствительности и соотношения сигнал/шум пары преобразователей от толщины мембраны из нержавеющей стали и титана; на фиг.5 показаны зависимости удельной чувствительности преобразователей от произведения толщины мембраны на плотность материала для мембран из стали, титана и дюралюминия. На фиг.6 показан внешний вид преобразователей.

Пьезоэлектрический преобразователь для передачи звуковой энергии в жидкость или приема звуковой энергии из жидкости, фиг.1, содержит металлический корпус (1), имеющий цилиндрическую полость (2) с замыкающей стенкой (3) на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки (3) размещены протектор (4), пьезоэлемент (5), демпфер (6), пружинящая шайба (7) и ниппель (8), а также проводники (9), соединяющие электроды пьезоэлемента (5) с сигнальным кабелем или разъемом, отличающийся тем, что замыкающая стенка выполнена в виде мембраны (3), причем мембрана может быть сделана за одно целое с корпусом (1) или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент (5) соединен с мембраной (3) через протектор (4), толщиной, равной 1/4 длины ультразвуковой волны в протекторе, с помощью клея и/или поджат к ней пружинящей шайбой (7), а толщина мембраны h в зависимости от плотности материала определяется из соотношения: h=A/ρ, где A - коэффициент, равный от 0,4 до 4 кг/м2, ρ - плотность материала мембраны в кг/м3.

Пара пьезоэлектрических преобразователей устанавливается в трубопровод под углом к движущемуся потоку, поочередно возбуждаются электрическими импульсами и принимают акустический сигнал, прошедший через поток. Разность времени прохождения звуковой волны по и против потока является мерой скорости потока и его расхода. Технический результат: повышение чувствительности и соотношения сигнал-шум принимаемого сигнала при сохранении герметичности преобразователя и работоспособности его при высоких избыточных давлениях.

Подтверждением эффективности предлагаемого технического решения являются результаты расчетов характеристик устройства, полученные с помощью компьютерного моделирования. Из фиг.3а-ж следует, что форма принимаемого сигнала для мембран из нержавеющей стали толщиной от 0,1 до 0,7 мм изменяется слабо и соответствует по амплитуде и форме сигналу преобразователей аналогов, т.е. без мембраны. Дальнейшее увеличение толщины мембраны ведет к ухудшению качества принимаемого сигнала - снижению амплитуды и затуханию, фиг.4. В результате снижается удельная чувствительность и соотношение сигнал/шум пары преобразователей. Причем это наблюдается как для мембран из нержавеющей стали, так и титановых сплавов. На фиг.4 Kmax - удельная чувствительность пары преобразователей, когда один из них возбуждается импульсным напряжением 1 В на резонансной частоте и генерирует акустическую волну, а второй принимает акустический сигнал и генерирует электрическое напряжение; Kx - максимальная амплитуда реверберации сигнала, т.е., на расстоянии более 5 периодов от основного пика.

Из фиг.4 также следует, что по мере снижения плотности материала мембраны (сталь - 7,8 кг/дм3, титан - 4,1 кг/дм3) диапазон допустимых толщин мембраны увеличивается. Зависимости удельной чувствительности преобразователей от произведения толщины мембраны на плотность материала, показанные на фиг.5 свидетельствуют о том, что диапазон оптимальной толщины мембраны h в зависимости от плотности материала определяется из соотношения: h=A/ρ, где A - коэффициент, равный от 0,4 до 4 кг/м2, ρ - плотность материала мембраны в кг/м3. Коэффициент A характеризует «поверхностную плотность мембраны» и равен произведению ее толщины на плотность материала, из которого она выполнена.

Теоретические результаты хорошо согласуются с экспериментом. При этом заявленный пьезоэлектрический преобразователь, работающий на частотах 1-2 МГц и выполненный полностью в корпусе из нержавеющей стали с мембраной 0,2 мм, имеет высокую чувствительность и соотношение сигнал/шум, является герметичным, долговечным и сохраняет работоспособность при избыточных давлениях до 35 МПа, фиг.6.

Из приведенных материалов видно, что предложенное техническое решение обеспечивает повышение эффективности работы устройства за счет увеличения чувствительности и соотношения сигнал-шум выходного сигнала при сохранении герметичности преобразователя и работоспособности его при высоких избыточных давлениях.

Источники информации

1. Патент РФ 1755176 А1 от 08/1992.

2. Патент РФ 2079814 от 05/1994.

3. Патент США 4417480 от 3/1993.

Пьезоэлектрический преобразователь для передачи звуковой энергии в жидкость или приема звуковой энергии из жидкости, содержащий металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость с замыкающей стенкой на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены пьезоэлемент, демпфер, пружинящая шайба, диаметром немного меньше диаметра внутренней полости и ниппель с отверстием, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом, отличающийся тем, что замыкающая стенка выполнена в виде мембраны, причем мембрана может быть сделана за одно целое с корпусом или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент соединен с мембраной через протектор толщиной, равной длины ультразвуковой волны в протекторе, с помощью клея и/или поджат к ней пружинящей шайбой, а толщина мембраны h в зависимости от плотности материала определяется из соотношения: h=A/ρ, где А - коэффициент, равный от 0,4 до 4 кг/м2, ρ - плотность материала мембраны, кг/м3.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано либо в качестве управляемого по направлению датчика движения, либо в качестве доказательства возникновения силы отдачи, приложенной к источнику звукового волнового поля, со стороны расположенного на траектории распространения этого волнового поля материального объекта.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в ультразвуковых диагностических приборах. .

Изобретение относится к способам и устройствам изготовления плоских пьезокерамических изделий изготовления плоских пьезокерамических изделий. .

Изобретение относится к области акустики, а именно к конструированию пьезоэлектрических приемников для различных областей. .

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для измерения поликардиосигналов. .

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию широкополосных гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн гидроакустических станций различного назначения, а также - для систем звукоподводной связи.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн гидроакустических станций различного назначения, а также - для систем звукоподводной связи.

Изобретение относится к акустоэлектронным устройствам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и может быть использовано в качестве приемника гидроакустических сигналов, распространяющихся в жидкой среде (гидрофон) преимущественно для создания беспроводных дистанционных гидроакустических систем буйкового типа с передачей информации по радиоканалу с частотной модуляцией несущей радиосигнала, а также в качестве датчика статического давления на ПАВ.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию широкополосных гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн гидроакустических станций различного назначения, а также - для систем звукоподводной связи.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн гидроакустических станций различного назначения, а также - для систем звукоподводной связи.

Гидрофон // 2393643
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в морях и океанах для измерения параметров морских шумов. .

Гидрофон // 2392767
Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для измерений параметров гидроакустического шума в морских средах. .

Изобретение относится к области геофизики и прикладной гидроакустики и может быть использовано в мощных звуковых устройствах обработки продуктивных зон нефтяных и водяных скважин, а также для акустического профилирования верхнего слоя земной коры.

Изобретение относится к акустоэлектронным устройствам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и может быть использовано в качестве приемника гидроакустических сигналов, распространяющихся в жидкой среде (гидрофон) преимущественно для создания беспроводных дистанционных гидроакустических систем буйкового типа с передачей информации по радиоканалу с частотной модуляцией несущей радиосигнала, а также в качестве датчика статического давления на ПАВ.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при изготовлении гидроакустических антенн. .

Изобретение относится к гидроакустической антенной технике и может быть использовано при конструировании гидроакустических систем. .

Изобретение относится к технике возбуждения низкочастотных гидроакустических сигналов. .

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к маякам-ответчикам (МО) станций наведения судов, станций звукоподводной связи или другим приемоизлучающим гидроакустическим системам подобного назначения.

Изобретение относится к электроакустической подводной антенне согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения

Пьезоэлектрический преобразователь

Наверх