НАКЛАДНОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ К УЛЬТРАЗВУКОВЫМ РАСХОДОМЕРАМ

Полезная модель относится к измерительным приборам, конкретнее к ультразвуковым расходомерам для трубопроводов, в частности к накладным электроакустическим преобразователям.
Из уровня техники известна полезная модель «Ультразвуковой измерительный преобразователь и узел крепления пьезоэлемента» (патент RU 1143, G01F 1/66, опубликован 16.11.1995), содержащий корпус с размещенным в нем металлическим звукопередающим узлом, выполненным в форме клина с наклеенным на нем пьезоэлементом, в котором наибольшая прямоугольная грань звукопередающего узла выполнена в виде подошвы, наружные размеры которой выступают за габариты узла и в пределах допусков на изготовление совпадают с внутренними размерами среза стенок корпуса, причем подошва узла соединена с корпусом пайкой, а нижний срез подошвы выступает ниже плоскости среза стенок корпуса на величину, обеспечивающую плотное соприкосновение подошвы со стенкой трубопровода, на котором монтируется модель.
Узел крепления пьезоэлемента к металлическому звукопередающему узлу с приклеенным к нему пьезоэлементом, к верхней обкладке которого приклеена металлическая пластина с припаянным к ней проводником, а пьезоэлемент и пластина через изолирующую прокладку прижаты к узлу накладкой с винтами, ввинченными в узел.
Недостатком полезной модели является сильная зависимость геометрии преобразователя от температуры из-за большого коэффициента теплового расширения металлов, влекущая за собой искажения траекторий распространения звука. Это приводит к изменениям параметров преобразователя, уменьшающих стабильность и точность устройства при жестких условиях окружающей среды. Также отсутствие заднего демпфирующего слоя не позволяет контролировать колебания пьезоэлемента путем поглощения энергии, излучаемой его задней поверхностью, что влияет на амплитуду излучателя и его шумовые характеристики.
Известно изобретение «Способ измерения расхода газа в трубопроводах и устройство для его осуществления» (патент RU 2583167, G01F 1/66, опубликован 10.05.2016), в котором возбуждают волну Лэмба кольцевой структуры с круговой симметрией относительно оси трубы, которая излучает продольную волну в газе, также симметричную относительно оси; особенностью заявленного устройства является то, что пьезопластины и звукопроводы имеют кольцевую конструкцию, а звукопроводы состоят из цилиндрической части, торцевая поверхность которой сопрягается с рабочей плоскостью пьезопластины, и конусной части, обеспечивающей поворот цилиндрического ультразвукового пучка и ввод его в стенку трубы под необходимым углом.
Каждый преобразователь может состоять из двух сборок, симметричных относительно диаметральной плоскости, при этом каждая сборка состоит из пьезопластины в виде полукольца и сопряженного с ней звукопровода в виде полукольца, стянутых хомутами и образующих кольцевые структуры.
Недостатком данного изобретения являются изменения параметров преобразователя, уменьшающих стабильность и точность устройства в жестких условиях окружающей среды, а также применение данного устройства только для конкретного диаметра труб. Кроме того, из-за различия коэффициентов теплового расширения трубопровода и обхватывающего кольцевого звукопровода при изменениях температуры происходит изменение геометрии, что влияет на акустический контакт, вплоть до его полной потери. Отсутствие демпфирующего и согласующего слоев не позволяет оптимизировать амплитуду и уровень шумов преобразователя.
Известно изобретение «Преобразователь и поддержка для ультразвукового расходомера» (патент US 3987674, G01F 1/66, опубликован 26.10.1976), содержащий корпус преобразователя, выполненный в виде призмы из любого материала, такого как нейлон, или подобное ему, которые имеют качественную передачу звука, в котором выполнен канал для размещения пьезоэлектрического элемента, который может быть любого типа, например керамические элементы титаната бария или подобные ему, и, как правило, это плоские элементы, имеющие активные плоские поверхности, которые обращены к внешней поверхности трубопровода или трубы. Канал затем заполняется любым подходящим пластическим герметизирующим материалом. Преобразователь снабжен клеммами, которые электрически соединены с электронной системой управления для обработки ультразвуковых сигналов. Задняя поверхность пьезоэлемента покрыта слоем звукопоглощающих материалов, таких как пробка, наждачная бумага и тому подобное. В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, где материалом трубы используется сталь, в котором угол α составляет 90 градусов, и, в котором материалом корпуса преобразователя является сталь, как материал трубопровода. Преобразовательный элемент при этом располагают в направлении, перпендикулярном к оси трубы, таким образом, чтобы ввести сдвиговую волну в осевом направлении вдоль стенки трубы трубопровода.
Недостатком данного изобретения является сильная зависимость геометрии преобразователя от температуры из-за большого коэффициента теплового расширения металлов, влекущая за собой искажения траекторий распространения звука. Это приводит к изменениям параметров преобразователя, уменьшающих стабильность и точность устройства при жестких условиях окружающей среды.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели, т.е. прототипом, является изобретение «Конструкция преобразователя и устройство для монтажа конструкции преобразователя для накладных ультразвуковых расходомеров» (патент US 4373401, G01F 1/66, опубликован 15.02.1983), содержащая пьезоэлектрический преобразователь, связанный с корпусом из пластикового материала, изготовленного компрессионным формованием полиамида. Корпус преобразователя выполнен в виде клина, вырезанного из прямоугольной заготовки. Угол клина вычисляется с учетом скорости звука заготовки.
Преобразовательный элемент представляет собой круглый диск, например, титаната циркония, имеющий толщину и диаметр в соответствии с требованиями конкретного применения, имеющий задний электрод, к которому припаивается проводник, а также переднюю полосу электрода из фольги, закрепленной на пластине. Наружная поверхность кристалла преобразовательного элемента образует критический угол α с нижней частью корпуса для возбуждения и приема ультразвуковых волн Лэмба.
К задней поверхности кристалла преобразователя примыкает демпфер, состоящий из эпоксидной массы, с включением порошка вольфрама и мелких частиц эластомера. Кроме того, задняя поверхность демпфера имеет углубление конической или связанной формы, чтобы увеличить длину пути, и угол падения звуковой энергии, проходящей через демпфер и отражающейся от его задней поверхности. Кристалл преобразователя и его демпфер, соответствующим образом скрепляются друг с другом и затем загружаются в круглое отверстие прямоугольного корпуса. Перед демпфером помещают пластину и удерживают пьезосборку в отверстии завинчиванием к корпусу с помощью винтов. Внутреннюю часть прямоугольного корпуса затем заполняют компаундом из недорогих эпоксидных смол, или полиуретана, или тому подобного. Во время этой операции наполнения преобразователь, включая клин, будет соответствующим образом удерживаться на месте, а после операции заполнения на них надевают пластиковую крышку.
Недостатком данного изобретения является зависимость размеров пьезосборки от температуры, влекущая за собой изменения физических параметров преобразователя. Это приводит к ухудшению стабильности и точности устройства при жестких условиях окружающей среды. Также, выполненный в виде круглого диска пьезоэлемент не позволяет эффективно использовать прямоугольную геометрию преобразователя. Кроме того, недостаточная механическая прочность пластиковой крышки не позволяет надежно закреплять преобразователь на трубопроводе.
Задачей данной полезной модели является повышение стабильности и точности измерения и эксплуатационного срока службы датчика.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение стабильности и точности измерения за счет встроенной механической термокомпенсации путем стабилизации параметров пьезоэлемента, таких как резонансная частота, емкость, толщина, начальная поляризация, за счет согласования акустического сопротивления материала пьезоэлемента с акустическим клином, тем самым увеличивая выходную акустическую мощность пьезоэлектрического элемента, обеспечивая большую амплитуду ультразвуковой волны, и увеличивая мощность сигнала, поступающего в приемник, что приводит дополнительно к увеличению отношения сигнал/шум, тем самым к повышению стабильности и точности измерения расхода.
Данная задача достигается усовершенствованием накладного преобразователя электроакустического к ультразвуковым расходомерам, содержащего корпус из пластика с крышкой, выполненного в виде клина, и установленные в корпусе пьезоэлемент с токоподводами, направленный приемно-излучающей поверхностью в сторону клина, демпфер, примыкающий к задней поверхности пьезоэлемента, прижимную пластину, в который дополнительно введены термокомпенсатор, расположенный между демпфером и прижимной пластиной, и акустический согласователь, связанный с приемно-излучающей поверхностью пьезоэлемента и клином.
Кроме того, пьезоэлемент выполнен в виде прямоугольной пластины.
Кроме того, дополнительно введена плата электрическая, расположенная в полости клина.
Кроме того, дополнительно введена электрическая схема согласования, расположенная на плате электрической.
Кроме того, клин выполнен с возможностью возбуждения и приема ультразвуковых волн.
Кроме того, внутренние полости корпуса заполнены полимерным пластичным компаундом под давлением.
Кроме того, крышка выполнена, например, из нержавеющей стали.
Кроме того, токоподводы выведены через герметизированный разъем с колпаком, закрепленный на крышке.
Кроме того, электрический разъем выполнен с дополнительной резьбой для крепления колпака, герметезирующего кабельное соединение.
Данная полезная модель иллюстрируется чертежами.
На Фиг. 1 изображен чертеж накладного преобразователя электроакустического к ультразвуковым расходомерам.
На фиг. 2 изображена принципиальная схема согласования.
Накладной преобразователь электроакустический к ультразвуковым расходомерам (Фиг. 1) содержит корпус (1) из пластика с крышкой (2), выполненный в виде клина (1), и установленные в корпусе пьезоэлемент (3) с токоподводами (4), направленный приемно-излучающей поверхностью в сторону клина (1), демпфер (5), примыкающий к задней поверхности пьезоэлемента (3), прижимную пластину (7), термокомпенсатор (6), расположенный между демпфером (5) и прижимной пластиной (7), и акустический согласователь (8), связанный с приемно-излучающей поверхностью пьезоэлемента (3) и клином (1). Кроме того, дополнительно введена плата электрическая (9), расположенная в полости корпуса (1), на которой расположена электрическая схема согласования (Фиг. 2), расположенная на плате электрической (9), токоподводы (4) выведены через герметизированный электрический разъем (10), закрепленный на крышке (2). Электрический разъем (10) выполнен с дополнительной резьбой (11) для крепления колпака (13), герметизирующего кабельное соединение. Два электрода (12) на передней и задней поверхности пластины соединены с токоподводами (4).
Термокомпенсатор (6) компенсирует тепловое расширение элементов, снижает погрешности, связанные с влиянием температуры, стабилизируя параметры пьезоэлемента, такие как резонансная частота, емкость, толщина, начальная поляризация, выполнен со встроенной механической термокомпенсацией, например механической типа пружинной пластины. Использование термокомпенсатора обеспечивает стабильность параметров измерения и, как следствие, обеспечивает повышение точности измерения.
Акустический согласователь является слоем, осуществляющим акустическое согласование пьезоэлемента (3) с акустическим клином (1), обеспечивая большую амплитуду ультразвуковой волны и увеличивая мощность сигнала, поступающего в приемник, что приводит дополнительно к увеличению отношения сигнал/шум, тем самым к повышению стабильности и точности измерения расхода. В частности, акустический согласователь выполнен в виде прямоугольной пластины с толщиной в четверть длины звуковой волны с оптимальным волновым сопротивлением. Способы выбора оптимального согласующего и демпфирующего слоев описаны в литературе, например G. Kossoff. The effects of backing and matching on the performance of piezoelectric ceramic transducers. IEEE Trans. Sonics Ultrason. SU-13, 1966.
Пьезоэлемент (3) может быть выполнен в виде прямоугольной пластины из пьезокерамики площадью, соизмеримой с площадью акустического клина, что дополнительно увеличивает выходную акустическую мощность пьезоэлектрического элемента и увеличивает мощность сигнала, поступающего в приемник, что приводит дополнительно к увеличению отношения сигнал/шум, тем самым к повышению стабильности и точности измерения расхода.
Клин (1) выполнен с возможностью возбуждения и приема ультразвуковых волн, основанных на волнах Лэмба в стенке трубопровода. Клин (1) представляет собой акустический излучатель и предназначен для преобразования продольной звуковой волны и ввода ее в стенку трубопровода. Геометрия акустического излучателя рассчитывается таким образом, чтобы при вводе в стенку трубопровода максимум звуковой энергии преобразовывался в волны Лэмба. В качестве материала акустического излучателя может быть выбран термостабильный полимер, обеспечивающий постоянство характеристик в температурном диапазоне от -55°С до +60°С. Кроме того, использование акустического клина (1) из полимера обусловлено тем, что в нем скорость продольных волн невелика, т.е. выполняется условие, что скорости волн в образце (трубы) больше скорости волн в клине. Демпфер (5)- звукопоглощающий полимер выполнен в виде пластины.
Внутренние полости клина (1) заполнены, например, полимерным пластичным компаундом под давлением. Крышка (2) выполнена, например, из нержавеющей стали. Токоподводы выведены через электрический разъем (10), закрепленный на крышке (2).
В частности электрическая схема согласования (Фиг. 2) содержит конденсаторы (14, 19), индуктивности (15, 18), резисторы (16, 17), вход которой подключают к внешнему генератору (не показан) по коаксиальному кабелю через разъем (10). Конденсатор (14) и индуктивный дроссель (15) образуют фильтр L1C1, настроенный на частоту сигнала генератора. Через делитель напряжения (16, 17) сигнал с фильтра L1C1 поступает через компенсирующий дроссель 18 на пьезоэлемент 3, параллельно которому подключен конденсатор 19, что позволяет уменьшить влияние изменяющейся собственной электрической емкости преобразователя на положение резонанса электрического колебательного контура при изменении параметров среды.
Схему настраивают в процессе разработки ПЭА, что обеспечивает повышение акустической мощности ультразвукового воздействия на среду (стенки трубопровода), это приводит дополнительно к увеличению отношения сигнал/шум. Величины электрических элементов в электрической схеме согласования подбираются под заданный частотный диапазон ПЭА и выбранный пьезоэлемент. Прямое подключение пьезоэлемента к генератору приводит к снижению эффективности передачи энергии в нагрузку и к снижению эффективности ввода УЗ-излучения в стенку трубопровода.
Для обеспечения максимальной эффективности передачи акустической энергии необходимо обеспечивать электрическое согласование генератора, соединительного кабеля и пьезоэлемента.
Для улучшения эксплуатационных свойств, сокращения связей и компактности электрическая схема согласования размещена непосредственно в корпусе ПЭА и для повышения надежности залита компаундом.
Устройство работает следующим образом.
Накладной преобразователь электроакустический (ПЭА) предназначен для возбуждения и приема ультразвуковых волн Лэмба в процессе измерения расхода времяпролетными расходомерами. Он преобразует электрические колебания ультразвукового диапазона в акустические ультразвуковые волны (УЗ) и передает их в стенку трубопровода. Распространяясь по стенке трубопровода УЗ-волны переизлучаются в исследуемую среду. Для создания в стенке трубопровода УЗ-волн Лэмба используется преобразование продольных УЗ-волн, излучаемых пьезоэлементом в теле пьезоэлектрического преобразователя. Частотная характеристика пьезоэлемента выбирается таким образом, чтобы она соответствовала частоте волны Лэмба в трубопроводе с заданной толщиной стенки. Площадь пьезоэлемента занимает до 90% рабочей площади клина.
Электрические импульсы от внешнего генератора по коаксиальному кабелю через разъем (10) по внутреннему электрическому кабелю поступают на электрическую схему согласования (Фиг. 2), расположенную на плате электрической (9). Далее импульсы по контактным электродам (12) поступают на пьезоэлемент (3). Пьезоэлемент (3), в частности, выполненный в виде прямоугольной пластины, соизмеримой с площадью клина для повышения мощности, излучает ультразвуковую волну, которая через акустический согласователь (8) распространяется в теле клина (1). Акустический клин (1) выполнен таким образом, что переизлученная в стенку трубопровода ультразвуковая волна вызывает в стенке волну Лэмба.
Пьезосборка, представляющая многослойный пьезопакет, состоит из пьезоэлемента (3), демпфера (5), термокомпенсатора (6), прижимной пластины для поджатая пьезосборки (7) и акустического согласующего слоя (8), эффективно излучает только в направлении клина (1), обратное излучение поглощается демпфером (5). Пьезосборка вставляется в пазы, прорезанные в теле клина, и фиксируется прижимной пластиной с регулируемой силой сжатия. Внутренние полости ПЭА заливаются компаундом под давлением для ликвидации пузырьков и полного заполнения полостей, который дополнительно поглощает паразитный отраженный ультразвук и герметизирует ПЭА. Втулка с резьбой (11) предназначена для навинчивания колпака (13), который герметизирует электрические соединения в электрическом разъеме (10). Крышка выполнена, например, из нержавеющей стали, прочность которой позволяет надежно закреплять ПЭА на трубопроводе.
Таким образом, данное выполнение ПЭА повышает стабильность, точность измерения и эксплуатационный срок службы датчика
Конструкция корпуса и кабельного разъема обеспечивает степень защиты ПЭА IP68.
Весь узел собирается на заводе в контролируемых условиях.