Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь
ULTRASONIC PIEZOELECTRIC TRANSDUCER

Заявляемое изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в составе ультразвуковых расходомеров газа для передачи и приема коротких ультразвуковых импульсов с предопределенной частотой.
Известен пьезоэлектрический преобразователь RU 2445748 (МПК H04R 1/44, H04R 17/00, опубликовано 20.03.2012, Бюл. №8), 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 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 сделана за одно целое с корпусом или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент соединен с мембраной через протектор, толщиной, равной 1/4 длины ультразвуковой волны в протекторе, с помощью клея и/или поджат к ней пружинящей шайбой.
Недостатком этого устройства является то, что протектор и демпфер неизбежно должны выполняться из компаунда на основе эпоксидной смолы, который разрушается при температурах выше плюс 200°С.
Известен электроакустический преобразователь RU 2237982 С1 (МПК H04R 1/44, G01F 1/66, опубликован 10.10.2004 Бюл. №28), содержащий корпус с плоским дном, пьезоэлемент, расположенный на дне корпуса, демпфер, прижимное устройство с пружиной, расположенной соосно с пьезоэлементом и обеспечивающей через демпфер прижимное усилие пьезоэлемента к дну корпуса, при этом первым электродом служит дно корпуса, а второй электрод введен через изолированную от корпуса крышку, отличающийся тем, что пьезоэлемент, демпфер, прижимное устройство и крышка выполнены в виде единого съемного модуля с возможностью его полной или частичной замены в процессе эксплуатации, при этом упомянутое прижимное устройство содержит цилиндрическую втулку, верхняя кромка которой соединена с крышкой, а основание превосходит по внешнему диаметру внешний диаметр пружины и находится в непосредственном механическом контакте с пружиной, упомянутая втулка выполнена с осевым отверстием, через которое проходит полый внутри направляющий стержень, внешний диаметр которого меньше внутреннего диаметра пружины, причем пьезоэлемент через демпфер и пружину находится в постоянном механическом контакте с основанием втулки, направляющий стержень проходит внутри пружины и одним концом связан с втулкой с возможностью перемещения по ее оси, другим концом жестко соединен с демпфером, а второй электрод подведен к пьезоэлементу через осевое отверстие в крышке, внутреннюю полость направляющего стержня и демпфер.
Недостатком данного электроакустического преобразователя является то, что при температурах ниже минус 60°С электроакустический преобразователь полностью потеряет работоспособность.
Наиболее близким к заявленному является ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь по патенту RU 2739150 С1 (МПК H04R 17/00, опубликован 21.12.2020 Бюл. №36) (прототип), содержащий металлический корпус, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент, волновод, пружину для поджатия пьезоэлектрического элемента, резьбовые части которой соединены с резьбовыми концами волновода и резьбового элемента, крышку.
Недостатком прототипа является высокое значение импеданса на резонансной частоте и как следствие невозможность применения данного преобразователя для больших диаметров трубопроводов.
Техническими результатами заявляемого изобретения является возможность увеличения соотношения сигнал-шум, повышение чувствительности, и как следствие, применения данного преобразователя для больших измерительных расстояний - больших диаметров трубопровода в измеряемой газовой среде, использование в широком диапазоне температур от минус 196°С до плюс 330°С.
Технический результат заявляемого изобретения обеспечивается ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем, содержащим металлический корпус, волновод, крышку, пьезоэлектрический пакет, по меньшей мере, из двух пьезоэлектрических элементов, прижимаемых к верхней поверхности волновода и нижней поверхности резьбового элемента с помощью пружины для поджатия пакета пьезоэлектрических элементов, имеющей резьбовые части, которые соединены соответственно с резьбовыми концами волновода и резьбового элемента, отличающегося выполнением средней части пружины, по меньшей мере, с одним П-образным изгибным участком, наличием пластины контактной, расположенной между пьезоэлектрическими элементами, выполненной из нержавеющей стали и покрытой тонким слоем металла, имеющего высокую пластичность, выполнением металлического корпуса в форме ступенчатой втулки и состоящего из акустического изолятора в виде тонкостенного участка средней части корпуса и акустического барьера в виде толстостенного участка на верхнем конце корпуса, на нижнюю часть корпуса крепится обечайка, изготовленная послойно из графитовой бумаги и металлической фольги.
Кроме того, ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь характеризуется тем, что пластина контактная покрыта тонким слоем пластичного металла толщиной 1 мкм.
Заявляемое изобретение иллюстрируется фигурами.
Фиг. 1 - ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь (продольный разрез).
Фиг. 2 - пружина с П-образным изгибным участком для поджатия пьезоэлектрического элемента.
Фиг.3 - спектр амплитудно-частотных характеристик ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с П-образным изгибным участком пружины.
Фиг. 4 - спектр амплитудно-частотных характеристик преобразователя с обычной пружиной.
Фиг. 5 - форма и амплитуда сигнала на приемном преобразователе с П-образным изгибным участком пружины.
Заявляемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь (далее по тексту - преобразователь), представленный на фиг. 1, состоит из пакета пьезоэлектрических элементов 1, волновода 2, пружины 3, резьбового элемента 4, корпуса преобразователя 5, акустического барьера 6, крышки 7, разъема 8, проводника 9, акустического изолятора 10, пластины контактной 11, обечайки 12.
Эффективность работы пружины с П-образным изгибным участком фиг. 2, как и преобразователя в целом доказывается низким (219 Ом) значением сопротивления импеданса (фиг. 3) на резонансной частоте преобразователя.
Для варианта пружины в составе преобразователя, запатентованного по патенту RU №2739150 падение сопротивления импеданса на резонансной частоте составило 448 Ом (фиг. 4).
Приемный сигнал, который удалось получить при измерительном расстоянии 1500 мм, при сохранении работоспособности преобразователя по настоящему изобретению показан на фиг. 5.
Падение сопротивления импеданса на резонансной частоте является общей характеристикой добротности механического резонанса колебательной системы. Низкие значения импеданса для преобразователя позволяют получить, при соответствующем демпфировании помех, лучшее соотношение сигнал-шум для приемного сигнала, и как следствие расширить диапазон применения преобразователей для больших диаметров трубопроводов.
В процессе сборки соединяются, при помощи резьбовых частей, элемент резьбовой 4 и пружина 3, пакет пьезоэлектрических элементов 1 с пластиной контактной 11 вставляется в полученную полость, далее соединяются при помощи резьбовых частей пружина 3 и волновод 2. Пакет пьезоэлектрических элементов 1 поджимается к волноводу 2 с усилием, которое обеспечивает сохранение механического контакта между волноводом 2, пакетом пьезоэлектрических элементов 1 и элементом резьбовым 4.
Полученная сборка соединяется с корпусом 5 при помощи сварного шва.
Качество сборки контролируется измерением амплитудно-частотных характеристик преобразователя фиг. З, 4.
Преобразователь для передачи и приема ультразвуковых сигналов в составе счетчика газа работает следующим образом.
При передаче сигнала, на пакет пьезоэлектрических элементов 1 подается гармоническое электрическое напряжение, происходит деформация пакета пьезоэлектрических элементов в направлении оси преобразователя, вызывая колебательное движение волновода 2 и элемента резьбового 4. Для получения максимального акустического отклика необходимо возбуждать преобразователь ближе к резонансной частоте.
Для подачи напряжения на пьезоэлектрические элементы 1 используется пластина контактная 11, покрытая тонким слоем пластичного металла. Применение пластины контактной 11, покрытой тонким слоем пластичного металла, дает возможность обеспечить работоспособность расходомера для больших диаметров трубопровода в измеряемой газовой среде в диапазоне температур от минус 196°С до плюс 330°С.
Ультразвуковой сигнал излучается от свободной торцевой поверхности волновода 2. Для обеспечения стабильности работы преобразователя в широком диапазоне температур и давлений пакет пьезоэлектрических элементов должен быть предварительно зажат с помощью пружины 3.
При приеме, ультразвуковых колебаний происходит преобразование, акустических колебаний в переменное электрическое напряжение.
Колебания принимаются волноводом 2 и передаются в виде механических колебаний на пакет пьезоэлектрических элементов 1, что приводит к деформации пакета пьезоэлектрических элементов 1 и появлению гармонического электрического напряжения, что и является сигналом на приемном преобразователе.
Акустический изолятор 10 и акустический барьер 6 являются элементами демпфирования. При распространении акустических шумов, представленных в основном в виде поверхностной волны на корпусе 5 преобразователя, по акустическому изолятору 10 происходит отвод акустических шумов от излучающей поверхности преобразователя, с последующим поглощением шумов массивным акустическим барьером 6.
Обечайка 12 также является элементов демпфирования. Принцип работы обечайки 12 основан на поглощении графитом акустических шумов, в виде поверхностной волны, в непосредственной близости к излучающей поверхности преобразователя.
Приведенная на фиг. 3 амплитудно-частотная характеристика ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя показывает, что в рабочем диапазоне частоты ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя паразитные частоты отсутствуют, так как имеется только один резонансный минимум.
При изготовлении преобразователя используются только металлические и керамические материалы.
В ходе разработки, изготовления и испытания экспериментальных образцов заявляемого преобразователя были проведены испытания аналогов и прототипа, приведенных в заявке.
Анализ патентной документации и научно-технической информации показал, что изобретение обладает новизной, изобретательским уровнем, а испытания экспериментальных образцов ультразвукового
пьезоэлектрического преобразователя показали его промышленную применимость.
Заявляемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь устойчив при работе в температурном диапазоне от минус 196°С до плюс 330°С, что затруднительно при использовании таких материалов как пластмасса, эпоксидные материалы, смазки.
Кроме того, преобразователь позволяет обеспечить работоспособность расходомера для больших диаметров трубопровода.