УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДОМЕРА
ULTRASONIC FLOWMETER TRANSDUCER

Заявляемое изобретение относится к области измерений объема или массы жидкостей или газов путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком, и измерением частоты фазового сдвига, времени распространения электромагнитных или других волн, например, к ультразвуковым расходомерам и может найти применение для измерения расхода жидкости или газа в напорных трубопроводах.
Известен ультразвуковой преобразователь, международная заявка №2008/140998 с приоритетным номером US 20070746695 от 10.05.2007, опубл. 20.11.2008 г.
Ультразвуковой преобразователь с пластиковым согласующим слоем, состоящий из корпуса погружной части, согласующего слоя с излучающей поверхностью, пьезоэлемента, прижатого к согласующему слою по плоскости, заднего согласующего (демпфирующего) слоя и заднего упорного слоя. Поджатие осуществляется пружиной. Преобразователь содержит электрические контакты, которые соединяются с коннектором, расположенным в упорном слое. Коннектор обеспечивает электрическое соединение контактов с пьезоэлементом. Преобразователь крепится в измерительную часть посредством резьбы.
Недостатком такой конструкции преобразователя является невысокий коэффициент демпфирования пьезоэлемента вследствие небольшой площади контакта с демпфером. Также недостатком является отсутствие гибкости в выборе формы сигнала при импульсном возбуждении - сигнал будет иметь колоколообразную форму с частотой, соответствующей первой форме колебаний пьезоэлемента. Также недостатком является слабая акустическая развязка с корпусом измерительного прибора, так как генерирующий элемент почти напрямую связан с корпусом преобразователя (через согласующий слой и через демпфирующий и упорный слои), такой акустической развязки недостаточно для работы в средах с малым акустическим импедансом, например, в газах.
Указанная конструкция ультразвукового преобразователя выбрана заявителем в качестве прототипа.
Технической задачей предлагаемого изобретения, решаемой авторами, является повышение демпфирующих свойств чувствительного элемента за счет усиления демпфирования сигнала путем увеличения площади соприкосновения частотозадающего элемента с демпфером и увеличения деформаций частотозадающего элемента, а также расширение спектра излучаемого сигнала за счет создания в частотозадающем элементе двух близких по частоте резонансов.
Поставленная задача достигается тем, что в ультразвуковом преобразователе расходомера жидких и газовых сред в напорных трубопроводах, содержащем корпус, связанный с согласующим слоем, установленный внутри корпуса чувствительный элемент, связанный с демпфером, согласно изобретения, внутри корпуса установлен частотозадающий резонансный элемент, связанный с чувствительным элементом, демпфером, согласующим слоем и отделенный от корпуса изолятором.
Чувствительный элемент выполнен, например, из пьезокерамики.
Частотозадающий резонансный элемент выполнен в виде тонкостенного стакана.
Тонкостенный стакан выполнен, например, из металла.
Изолирующий элемент выполнен, например, в виде втулки.
Демпфер и изолирующий элемент выполнены, например, из компаунда.
Наличие частотозадающего резонансного элемента и его связь с демпфером, чувствительным элементом и согласующим слоем позволяет сформировать наилучшую для условий применения частотную характеристику преобразователя за счет подбора геометрических параметров пьезоэлемента и частотозадающего элемента, усиливать или уменьшать демпфирование сигнала за счет уменьшения или увеличения площади контакта демпфера и частотозадающего резонансного элемента. Например, можно практически нивелировать влияние чувствительного элемента на частотную характеристику преобразователя, применив чувствительный элемент в виде тонкой пластины (так как тонкая пластина практически не изменит приведенную жесткость и массу частотозадающего элемента). Наличие частотозадающего резонансного элемента также позволяет увеличить амплитуду звукового давления, излучаемого сигнала, за счет повышения амплитуды колебаний поверхности частотозадающего резонансного элемента, соприкасающегося с согласующим слоем, в сравнении с амплитудой колебания поверхности чувствительного элемента.
Наличие изолятора, отделяющего частотозадающий элемент и связанный с ним чувствительный элемент от корпуса преобразователя, позволяет сформировать оптимальную частотную характеристику ультразвукового преобразователя, за счет исключения из резонансной системы корпуса, имеющего существенную массу и жесткость. Также, за счет отделения частотозадающего элемента и связанного с ним чувствительного элемента от корпуса преобразователя, можно обеспечить улучшенную акустическую изоляцию от излучения/приема паразитных сигналов.
Выполнение чувствительного элемента, например, из пьезокерамики позволяет уменьшить габариты преобразователя.
Выполнение частотозадающего резонансного элемента в виде, например, тонкостенного стакана технологично и позволяет разместить в нем чувствительный элемент и демпфер для достижения усиления демпфирующего эффекта за счет увеличения поверхности контакта с демпфером.
Выполнение тонкостенного стакана, например, из металла технологично и придает повышенную жесткость конструкции.
Выполнение изолятора, например, в виде втулки из демпфирующего не электропроводного материала технологично и позволяет увеличить демпфирующий эффект и одновременно обеспечить электроизоляцию чувствительного элемента.
Выполнение демпфера и изолятора, например, из компаунда позволяет существенно упростить сборку преобразователя.
В результате проведенных патентных исследований не выявлено аналогичных технических решений, характеризуемых заявляемой совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение обладает «новизной» и «изобретательским уровнем», может найти применение при измерении объема или массы жидкостей или газов путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком, т.е. является «промышленно применимым».
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид расходомера с ультразвуковым преобразователем; на фиг.2 - ультразвуковой преобразователь в разрезе; на фиг.3, 4 - формы рабочих колебаний системы чувствительный элемент - частотозадающий элемент, рассчитанные методом конечных элементов; на фиг.5, 6 - осциллограмма и частотное представление (АЧХ) электрического отклика ультразвукового преобразователя на «дельта-импульс»; на фиг.7, 8 - осциллограмма и АЧХ фактического принятого сигнала, полученного с преобразователей, установленных в расходомер.
Расходомер содержит ультразвуковые преобразователи 1 и 2, которые предназначены, в основном, для времяимпульсных расходомеров. В таких расходомерах ультразвуковые преобразователи 1 и 2 чаще всего расположены под некоторым углом к проточной части 3 расходомера.
Ультразвуковой преобразователь 1 или 2 содержит корпус 4 с фланцем 5 для подсоединения к измерительному прибору (на фиг.1 не показано), согласующий слой 6, чувствительный элемент 7 (пьезоэлемент), демпфер 8, компенсатор 9, частотозадающий резонансный элемент 10, изолятор 11, электропровод 12 для подключения чувствительного элемента к измерительному прибору (на фиг. не показан).
Устройство работает следующим образом.
На чувствительный элемент 7 (пьезоэлемент) через подводящие провода 12 подается электрический импульс напряжения (величиной, обычно, 50-100 В). Под воздействием электрического напряжения чувствительный элемент (пьезоэлемент) деформируется и передает деформацию связанному с ним частотозадающему элементу 10. После релаксации вынужденной импульсом деформации механическая система «частотозадающий элемент 10 - чувствительный элемент 7 (пьезоэлемент)» начинает колебаться на частоте собственного резонанса. При наличии нескольких близких по частоте резонансов энергия колебаний может перетекать с одного резонанса на другой, т.е. могут возникать биения. Если форма колебаний частотозадающего элемента 10 такова, что происходят деформации в месте его соединения с согласующим слоем 6 в направлении акустической оси, то происходит излучение ультразвуковых волн через согласующий слой 6 в среду, в которой находится преобразователь. Так как частотозадающий элемент 10 связан с демпфером 8, основная энергия колебаний рассеивается в демпфере 8. Основные рабочие формы колебаний описываемой конструкции, рассчитанные методом конечных элементов, приведены на фиг.5, 6, приведены измеренные отклики на дельта-импульс, снятые с экспериментальных образцов преобразователей, электрический отклик позволяет наиболее точно проконтролировать возбуждающиеся в колебательной системе резонансы. Как видно из фиг.5, 6 основная энергия колебаний концентрируется как раз на частотах расчетных форм колебаний.
После излучения в среду звуковая волна распространяется по внутренней полости расходомера от одного преобразователя 1 к другому 2 (или, наоборот, от 2 к 1). После прохождения через согласующий слой 6 ультразвуковая волна попадает на частотозадающий элемент 10 и возбуждает в нем вынужденные колебания. При совпадении частот собственных резонансов частотозадающего элемента 10 с частотами падающей волны происходит усиление колебаний частотозадающего элемента 10 за счет резонансного эффекта. Так как частотозадающий элемент 10 связан с чувствительным элементом 7 (пьезоэлементом), они колеблются совместно и, следовательно, в чувствительном элементе 7 (пьезоэлементе) генерируются электрические импульсы. Осциллограмма и АЧХ сигнала, прошедшего тракт передающий преобразователь-воздух-приемный преобразователь, представлена на фиг.7, 8. На осциллограмме четко виден эффект резонансного усиления принимаемого сигнала, выраженный в плавном нарастании амплитуды колебаний. На осциллограмме также четко видны биения, позволяющие существенно уменьшить ошибку измерения времени прихода сигнала за счет эффективного сжатия (укорочения) сигнала, для примера на том же графике пунктиром представлена огибающая сигнала в случае отсутствия биений - одночастотный сигнал.
Таким образом, заявляемая конструкция ультразвукового преобразователя расходомера позволяет повысить демпфирующие свойства чувствительного элемента за счет усиления демпфирования сигнала путем увеличения площади соприкосновения частотозадающего элемента с демпфером и увеличения деформаций частотозадающего элемента, а также расширить спектр излучаемого сигнала за счет создания в частотозадающем элементе двух близких по частоте резонансов.