ПЬЕЗОЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА

Полезная модель относится к приборостроению, а именно, к акустической контрольно-измерительной технике, и может найти применение в ультразвуковых приборах, в частности при измерении расхода жидких сред или газа, а также в устройствах определения плотности жидких и газообразных сред и их состава, в химической, нефте- и газодобывающих, атомной, перерабатывающей и пищевой отраслях промышленности, теплоэнергетике, коммунальной сфере и медицине.
Из патента RU2368887C2, МПК G01N 11/00, публ.27.09.2009 г., известен пьезоэлектропреобразователь для ультразвукового расходомера, содержащий корпус, уплотняющую диафрагму, съемную диафрагму, радиально ограниченную корпусом и пьезоэлектрический кристалл, расположенный в съемной диафрагме, при этом съемная диафрагма смещена к уплотняющей диафрагме.
Недостатком этого преобразователя является конструктивная сложность и невысокая точность измерений из-за искажения полезного сигнала большим уровнем реверберационных помех.
Наиболее близким к предложенному техническим решением является акустический пьезоэлектрический преобразователь электроакустического расходомера, см. патент US2912856, МПК G01F 1/66, публ. 17.11.1959 г., содержащий корпус с установленным в нем пьезоэлементом, соединенным через переходные слои с демпфером и протектором, внешняя поверхность которого нагружена на измеряемую среду. Однако и это устройство конструктивно сложно и не обеспечивает достаточную точность измерений.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является создание пьезоэлектропреобразователя, характеризующегося упрощенной конструкцией, низким акустическим сопротивлением протектора, стабильным акустическим контактом пьезокерамики и протектора, повышенной точностью измерений и требуемой формой приемного ультразвукового сигнала.
Указанный технический результат может быть получен в пьезоэлектропреобразователе для ультразвукового расходомера, содержащем корпус из термопластичного материала с протектором, выполненным в виде плоской стенки корпуса, и закрепленные в корпусе пьезокерамический диск с токоподводами, расположенный параллельно протектору, и демпфер, примыкающий к пьезокерамическому диску.
Для достижения указанного выше технического результата корпус заполняют акустически прозрачной термо- и морозостойкой диэлектрической жидкостью, при этом между диском и протектором выполняют зазор, также заполняемый жидкостью, величина которого составляет 0,5-3,5 длины волны ультразвукового сигнала в этой жидкости.
В качестве жидкости в предпочтительном варианте исполнения пьезоэлектропреобразователя может использоваться, например, глицерин, который обладает не только высокой термо- и морозостойкостью, но и низким коэффициентом объемного расширения, что позволяет существенно расширить диапазон рабочих температур устройства.
В качестве альтернативного материала можно использовать, например, кремнийорганическую жидкость ФМС.
При этом корпус может быть выполнен в форме стакана с плоской боковой стенкой.
Демпфер пьезоэлектропреобразователя может быть в предпочтительном варианте исполнения выполнен из свинца.
В качестве альтернативного материала для выполнения демпфера можно использовать, например, сплав свинца с оловом и висмутом с содержанием свинца не менее 70%.
Тыльная сторона демпфера может быть выполнена в форме полусферы.
Демпфер может быть соединен с пьезокерамическим диском бесфлюсовой ультразвуковой пайкой.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, которые поясняют, но не ограничивают предложенное техническое решение.
Пьезоэлектропреобразователь для ультразвукового расходомера может быть выполнен с модификациями и изменениями, не отходя от объема правовой охраны данной полезной модели, определенного приведенной ниже формулой со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На Фиг.1 показан пример конструктивного выполнения пьезоэлектропреобразователя.
На Фиг.2 поясняется работа демпфера пьезоэлектропреобразователя.
На фигурах позициями обозначены: корпус 1, пьезокерамический диск 2, демпфер 3, токоподводы 4, замок 5, сальник 6, гайка 7, акустически прозрачная термо- и морозостойкая диэлектрическая жидкость 8, уплотнения 9, 10, протектор 11, зазор 12 между протектором 11 и пьезокерамическим диском 2, электрод 13, бородка 14, паз 15.
Стрелками на Фиг.2 показан ход ультразвуковых лучей в демпфере.
Пьезоэлектропреобразователь для ультразвукового расходомера содержит корпус 1, пьезокерамический диск 2, демпфер 3, токоподводы 4, замок 5, сальник 6, накидную гайку 7, акустически прозрачную термо- и морозостойкую диэлектрическую жидкость 8, уплотнения 9, 10. Плоская стенка корпуса 1, образующая протектор, обозначена поз.11, зазор между протектором 11 и пьезокерамическим диском 2 обозначен поз.12.
Пьезокерамический диск 2 может быть закреплен в корпусе 1 в направляющих (не показаны) или вклеен между боковыми стенками корпуса 1 параллельно протектору (плоской стенке 11 корпуса 1), демпфер 3 может быть припаян плоской стороной к пьезокерамическому диску 2 со стороны, противоположной стороне припайки электрода 13, бесфлюсовой ультразвуковой пайкой.
Заполнение акустически прозрачной термо- и морозостойкой диэлектрической жидкостью 8 зазора 12 между пьезокерамическим диском 2 и протектором 11, выполненным из термопластичного материала, обеспечивает стабильность акустического сопротивления в цепи пьезокерамика-жидкость-протектор-измеряемая среда вследствие равенства произведений «плотность на скорость звука», хорошей смачиваемости поверхностей пьезокерамики и протектора жидкостью, что обеспечивает высокую и стабильную амплитуду ультразвукового сигнала.
Уплотнение 9 обеспечивает герметизацию внутреннего объема корпуса 1 при установке замка 5 в корпус 1 и фиксации его в корпусе 1 бородкой 14 в пазу 15 корпуса 1, как это показано на Фиг.1.
Уплотнение 10 обеспечивает герметичную установку пьезоэлектропреобразователя в ультразвуковой расходомер (не показан). Если предусмотрена съемная установка пьезоэлектропреобразователя в ультразвуковой расходомер, на наружной поверхности корпуса 1 может быть выполнена резьба или элементы байонетного соединения (не показано).
Применение свинцового демпфера 3, соединенного с пьезокерамическим диском 2 бесфлюсовой ультразвуковой пайкой, в сочетании со сферической поверхностью тыльной стороны свинцового демпфера 3, использование в качестве протектора термопластичного материала позволяет обеспечить стабильность акустического сопротивления в цепи пьезокерамика-жидкость-протектор-измеряемая среда вследствие равенства произведений «плотность на скорость звука», получить равномерный по поверхности акустический контакт с демпфером 3 и высокое качество демпфирования, так как полусфера взаимно гасит встречные ультразвуковые лучи (см. фиг.2), и каждый элементарный луч проходит длинный путь в свинцовом полушарии.
Заявителем был изготовлен и испытан опытный образец предлагаемого устройства. Испытания показали, что пьезоэлектропреобразователь для ультразвукового расходомера предлагаемой конструкции имеет низкое акустическое сопротивление протектора, стабильный акустический контакт пьезокерамического диска 2 и протектора 11 и обеспечивает требуемую форму приемного ультразвукового сигнала.