УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ И ЧАСТОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к устройствам для измерения мощности и частоты ультразвуковых колебаний и может быть использована в медицинских учреждениях, применяющих ультразвуковые диагностические и терапевтические приборы, в организациях, использующих ультразвуковую аппаратуру, например, дефектоскопы, в центрах стандартизации и метрологии, в учебных заведениях при проведении лабораторных работ, а также на предприятиях, выпускающих ультразвуковые приборы, при контроле качества в процессе производства, эксплуатации и ремонта приборов и излучателей ультразвука.
Известен измеритель мощности ультразвукового излучения типа UPM-DT-100AV фирмы Ohmic Instruments Co. (США, 2005 г.) [http://www.ohmicinstrunients.com/pdf/UPM-DT100AV.pdf|, предназначенный для измерения мощности в диапазоне 0,2÷30,0 Вт излучения диагностических и терапевтических медицинских ультразвуковых приборов, работающих в диапазоне частот от 0,5 до 10 МГц и имеющих максимальный диаметр излучателя ультразвука не более трех дюймов (76,2 мм). В качестве среды для обеспечения контакта между датчиком ультразвуковых колебаний и исследуемым излучателем используется дегазированная вода, находящаяся в соответствующей емкости, параметры которой обусловливают увеличенные массогабаритные характеристики устройства. Вес прибора 4,98 кг (11 фунтов), размеры 20,3×30,4×22,2 см (8×12×8.75 дюймов). Прибор является стационарным лабораторным устройством.
Недостатками устройства являются отсутствие возможности измерения частоты ультразвуковых колебаний и увеличенные массогабаритные характеристики (громоздкость).
Известно устройство для анализа звука и ультразвука, содержащее размещенный в корпусе приемный модуль с расположенными в нем микрофоном (используемым в качестве датчика) и подключенным к его выходу предварительным усилителем, электрической кнопкой и световым индикатором режима измерения, и устройство обработки, соединенное с приемным модулем многожильным удлинительным кабелем и включающее в себя последовательно соединенные блок впалого-цифрового преобразования с логическими входами и выходами и компьютер с индикатором результатов измерений [патент России на полезную модель №81319]. Устройство обеспечивает измерение уровней звукового давления в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот.
Недостатком устройства является отсутствие возможности измерения частоты ультразвуковых колебаний, а также конструктивная сложность устройства вследствие размещения его блоков в двух отдельных корпусах - приемном модуле и устройстве обработки.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является устройство для измерения мощности и частоты ультразвукового излучения в ближней зоне ультразвукового поля и контроля плоских излучателей ультразвуковых терапевтических аппаратов - прибор ИМУТАП [http://medprom.ru/medprom/100893 Научно-производственная фирма ООО «ПУЛЬС»]. Устройство включает блок измерения мощности и частоты, блок индикации, корпус, а также электрически соединенный с блоком измерения мощности и частоты датчик (приемник) ультразвуковых колебаний, размещенный в корпусе, имеющем окно (углубление) для обеспечения контакта между рабочей поверхностью датчика ультразвуковых колебаний и излучающей поверхностью исследуемого плоского излучателя ультразвукового аппарата. В качестве среды для обеспечения контакта между датчиком ультразвуковых колебаний и исследуемым излучателем используется вода, находящаяся в указанном углублении корпуса. При габаритных размерах 22×22×9 см и массе не более 1,4 кг прибор является портативным устройством.
Устройство по прототипу обеспечивает измерение мощности ультразвукового излучения от 0,2 до 6 Вт в диапазоне частот от 400 до 3000 кГц, при использовании исследуемых излучателей ультразвука терапевтических аппаратов с диаметром излучающей поверхности не более 40 мм. Последнее обусловлено ограниченными размерами окна в корпусе, обеспечивающего контакт между рабочей поверхностью датчика ультразвуковых колебаний и поверхностью исследуемого излучателя. Ограничение размеров окна определяется необходимостью использования в качестве окна только части поверхности корпуса, другая часть поверхности которого занята панелью управления и индикации. Увеличение размеров корпуса ведет к росту массы корпуса, к снижению степени портативности и соответствующему сужению области использования устройства.
Недостатком прототипа, обусловленным размещением датчика ультразвуковых колебаний в корпусе устройства, является ограничение максимального размера поверхности датчика и максимального размера излучающей поверхности исследуемого излучателя ультразвука значением, равным, в частности, 40 мм, когда эти поверхности имеют форму круга или эллипса. В случае прямоугольной формы поверхности исследуемого излучателя ультразвука допустимый максимальный размер одной из сторон прямоугольника может быть равен значению, меньшему, чем 40 мм, в зависимости от соотношения размеров сторон прямоугольника. Таким образом, прототип не обеспечивает возможности проведения измерений исследуемых излучателей ультразвука, размеры излучающей поверхности которых превышают размеры рабочей поверхности датчика ультразвуковых колебаний устройства по прототипу.
Указанное сужает область использования и функциональные возможности устройства-прототипа.
Задачей предложенной полезной модели является расширение области использования и функциональных возможностей устройства. Задача решена двумя вариантами полезной модели.
Для решения поставленной задачи устройство для измерения мощности и частоты ультразвуковых колебаний по первому варианту, включающее блок измерения мощности и частоты, блок индикации, датчик ультразвуковых колебаний, электрически соединенный с блоком измерения мощности и частоты, и корпус, отличается тем, что датчик ультразвуковых колебаний размещен вне корпуса.
Кроме того, устройство для измерения мощности и частоты ультразвуковых колебаний по первому варианту отличается тем, что часть электрического соединения датчика ультразвуковых колебаний с блоком измерения мощности и частоты, расположенная между корпусом и указанным датчиком, выполнена в виде гибкого кабеля.
Устройство для измерения мощности и частоты ультразвуковых колебаний по второму варианту, включающее блок измерения мощности и частоты, блок индикации и датчик ультразвуковых колебаний, электрически соединенный с блоком измерения мощности и частоты и жестко закрепленный относительно корпуса устройства, отличается тем, что датчик ультразвуковых колебаний размещен вне указанного корпуса.
Наконец, устройство для измерения мощности и частоты ультразвуковых колебаний по обоим вариантам отличается тем, что в нем использован датчик ультразвуковых колебаний, максимальный размер рабочей поверхности которого превышает значение 40 мм.
Расположение датчика ультразвуковых колебаний вне корпуса в обоих предложенных вариантах устройства позволяет использовать датчики, максимальный размер рабочей поверхности которых не ограничен размерами корпуса, в частности, превышает значение 40 мм, а также позволяет измерять частоту и мощность ультразвуковых излучателей, максимальный размер поверхности каждого из которых не ограничен и превышает значение 40 мм. При этом путем перемещения датчика ультразвуковых колебаний (на гибком кабеле по первому варианту или вместе с корпусом устройства по второму варианту) по излучающей поверхности исследуемого излучателя обеспечивается топографирование распределения параметров (мощности и частоты) ультразвукового сигнала по поверхности излучателя. Это расширяет область использования и функциональные возможности устройства.
Например, предложенное устройство при использовании перемещаемого вышеуказанным образом датчика ультразвуковых колебаний типа Z5M, имеющего диаметр 9,5 мм (GE Sensing & Inspection Technologies), обеспечивает проведение измерений частоты и мощности в нескольких точках излучающей поверхности излучателя ультразвука типа ПВ122-1,25-40Б (ультразвукового преобразователя для контроля крупногабаритных изделий), излучающая поверхность которого имеет форму прямоугольника с размерами 30×40 мм, который вписывается в окружность с диаметром более 40 мм [http://www.control.sp.ru/DeviceKR/P122.html].
Использование указанного датчика ультразвуковых колебаний типа Z5M обеспечивает также проведение измерений частоты и мощности излучателя ультразвука фирмы «Крауткремер», имеющего диаметр 75 мм, или излучателя «Аэротех» с максимальным размером поверхности (шириной), равным 60 мм [«Ультразвуковой контроль материалов», Й.Крауткремер, Г.Крауткремер, Справочник, М., Металлургия, 1991, стр.233, рис.10.34, 10.35].
Также может быть выполнено топографирование, в частности, фокусирующего излучателя для физиотерапии (концентратора ультразвуковых колебаний), излучающая поверхность которого представляет собой часть сферы или цилиндра радиусом R (см) [http://www.fizioterapiya.info/?page_id=569 и http://dic.academic.ru/dic.nsf/bsе/98186/Концентратор]. При этом датчик ультразвуковых колебаний с максимальным размером h прикладывается к различным частям (точкам) поверхности исследуемого фокусирующего излучателя и производятся измерения для каждой из указанных частей поверхности. Для достижения требуемой точности измерений обеспечивается выполнение соотношения h>>R (см), в частности, h≥10R (см). С использованием предложенного устройства может быть выявлено распределение параметров ультразвука на плоской поверхности ультразвукового излучателя.
На фигуре показана блок-схема предложенного устройства для измерения мощности и частоты ультразвуковых колебаний.
Устройство для измерения мощности и частоты ультразвуковых колебаний включает блок 1 измерения мощности и частоты, блок 2 индикации, датчик 3 ультразвуковых колебаний и корпус 4. Выход 5 блока 1 измерения мощности и частоты соединен со входом 6 блока 2 индикации.
В первом варианте полезной модели размещенный вне корпуса 4 устройства датчик 3 ультразвуковых колебаний соединен с блоком 1 измерения мощности и частоты с помощью электрического соединения 7, 8, проходящего через разъем 9, расположенный на корпусе 4 устройства.
Электрическое соединение датчика 3 ультразвуковых колебаний с блоком 1 измерения мощности и частоты содержит часть 7, находящуюся внутри корпуса 4 между блоком 1 и разъемом 9. Другая часть 8 указанного электрического соединения, расположенная вне корпуса 4 между разъемом 9 и датчиком 3, выполнена в виде гибкого кабеля достаточной длины, обеспечивающей перемещение датчика 3 относительно корпуса 4 и исследуемого излучателя ультразвуковых колебаний (на фигуре не показан). При необходимости эта часть 8 электрического соединения может быть размещена в жесткой цилиндрической трубке (на фигуре не показана) с возможностью вращения этой трубки относительно корпуса 4 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях для соответствующего перемещения датчика 3, расположенного на дальнем от корпуса 4 конце указанной трубки. Разъем 9 не является обязательным элементом устройства. Электрическое соединение 7, 8 может быть выполнено в виде непрерывного кабеля.
Датчик 3 ультразвуковых колебаний имеет рабочую поверхность 12, обеспечивающую прием ультразвуковых колебаний.
Электрическое соединение 7, 8 в зависимости от диапазона измеряемых частот может представлять собой либо проводный, либо коаксиальный кабель.
Предложенное устройство может включать отдельно выполненный блок 10 управления, соединенный с блоком 1 измерения мощности и частоты шиной 11 для двусторонней передачи электрических сигналов. Блок 8 управления и блок 2 индикации конструктивно могут входить в состав блока 1 измерения мощности и частоты (на фигуре не показано).
Блоки 1, 2 и 8 устройства размещены в его корпусе 4. При необходимости эти блоки могут быть размещены в конструктивно отдельных частях корпуса 4 устройства. В этом случае часть 8 электрического соединения расположена вне части корпуса, включающей блок 1 измерения мощности и частоты (на фигуре не показано). Блок 1 измерения мощности и частоты может быть выполнен в виде двух и более конструктивно отделенных друг от друга элементов, например, в виде элемента измерения мощности, элемента измерения частоты и соответствующего интерфейса (на фигуре не показано).
2
2
Во втором варианте предложенной полезной модели для измерения мощности и частоты ультразвуковых колебаний расположенный вне корпуса 4 устройства датчик 3 ультразвуковых колебаний жестко закреплен непосредственно на этом корпусе 4, который при достаточно малых, габаритах и массе может использоваться в качестве ручки для перемещения датчика 3 с корпусом 4 относительно исследуемого излучателя ультразвука (на фигуре не показано). При этом датчик 3 соединен с блоком 1 измерения мощности и частоты с помощью части 7 электрического соединения, непосредственно соединенной с датчиком 3. В этом варианте исполнения устройства датчик 3 закреплен на корпусе 4 таким образом, что его рабочая поверхность 12 находится на расстоянии от корпуса 4, достаточном для обеспечения ее контакта с излучающей поверхностью исследуемого излучателя ультразвуковых колебаний. Например, датчик 3 типа П122-1,8-70-ВГ-001 с рабочей поверхность 12 площадью 5,4 см закреплен на торцевом конце корпуса 4 (имеющем площадь поверхности, равную, в частности, 9 см), причем рабочая поверхность 12 датчика 3 находится на расстоянии 50 мм от указанной торцевой поверхности корпуса 4.
В качестве датчика 3 ультразвуковых колебаний, перемещаемого по поверхности исследуемого излучателя, могут применяться контактные и бесконтактные преобразователи различных типов, в частности, пьезоэлектрические преобразователи. Рабочие поверхности 12 контактных преобразователей перед использованием могут покрываться смазками (гелями) для обеспечения плотности контакта с поверхностью излучателя ультразвука.:
В предложенном устройстве для измерения мощности и частоты ультразвуковых колебаний может быть использован датчик 3 ультразвуковых колебаний максимальный размер рабочей поверхности 12 которого превышает значение 40 мм, например, пьезоэлектрический преобразователь типа П122-1,8-70-ВГ-001 с размером рабочей поверхности 45×12 мм [http://sovtrade.narod.ru/datdefect.html] или преобразователь по европейскому стандарту типа WB 35-4 в корпусе с размерами излучающей поверхности 53×29 мм (GE Sensing & Inspection Technologies, США).
В устройстве могут использоваться также датчики 3 ультразвуковых колебаний, максимальный размер рабочей поверхности которых меньше 40 мм. Например, пьезоэлектрический преобразователь типа П111-1.8-К20 (ООО Научно-производственное предприятие «Технотест-М») с диаметром рабочей поверхности 22 мм [http://sovtrade.narod.ru/datdefect.html], а также преобразователь типа Z5M в корпусе диаметром 9,5 мм (GE Sensing & Inspection Technologies, США). Уменьшение размеров рабочей поверхности датчика 3 обеспечивает повышение точности топографирования распределения параметров излучения по поверхности исследуемого излучателя.
Блок 1 измерения мощности и частоты может быть выполнен на микроконтроллере, в частности, ATmega16 (Atmel Corporation, США) с соответствующим программным обеспечением. Блок 10 управления может быть выполнен также на микроконтроллере ATmega32. Блок 2 индикации может представлять собой, например, однострочный матричный жидкокристаллический индикатор на 16 символов типа MT-16S1A (МЭЛТ, Россия). При указанном выполнении блоков 1, 2 и 10 устройства корпус 4 имеет габариты 19×10×4,5 см и массу менее одного килограмма. Устройство обеспечивает измерение параметров ультразвуковых колебаний: частоты в диапазоне от 20 до 5000 кГц с абсолютной погрешностью не более 1 кГц и мощности от 0,05 до 6 Вт с погрешностью ±3%.
Устройство работает следующим образом.
Во включенном состоянии устройства датчик 3 готов обеспечивать прием воздействующего на него ультразвукового сигнала и передавать на блок 1 измерения мощности и частоты соответствующий электрический сигнал. При имеющемся вблизи от датчика 3 или в контакте с датчиком 3 также включенного исследуемого излучателя ультразвука сигнал от датчика 3 ультразвуковых колебаний через электрическое соединение 7, 8 поступает на блок 1 измерения мощности и частоты. Далее сигнал, характеризующий значения измеряемых мощности и частоты ультразвуковых колебаний, с выхода 5 блока 1 поступает на вход 6 блока 2 индикации, на дисплее которого высвечиваются измеренные показания мощности и частоты.
Контактный датчик 3 ультразвуковых колебаний устанавливается оператором рабочей поверхностью 12 на излучающую поверхность исследуемого излучателя ультразвуковых колебаний и производится измерение мощности и частоты ультразвукового сигнала излучателя. При необходимости топографирования датчик 3 устанавливается на соответствующих различных точках излучающей поверхности исследуемого излучателя, в каждой из которых измеряются мощность и частота излучения.