УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ULTRASONIC PIEZOELECTRIC CONVERTER

Изобретение относится к приборостроению и может найти применение в ультразвуковых приборах различного назначения, например ультразвуковых расходомерах жидкостей и газов, уровнемерах и т.д.
Как известно на практике для увеличения эффективности работы ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя используют четвертьволновые переходные «просветляющие» слои. В этом случае указанный слой снижает акустическую добротность за счет отвода энергии ультразвука в сторону контролируемой среды. Однако для излучения ультразвуковой волны в газовую среду акустический импеданс материала «просветляющего» слоя становится очень малым и такой материал в твердом виде в природе попросту отсутствует. Кроме того, для ультразвуковых расходомеров газа излучающая/принимающая поверхность преобразователя должна быть достаточно жесткой, чтобы защититься от абразивного воздействия твердых включений всегда присутствующих в газе.
Наиболее близким к предлагаемому решению является ультразвуковой преобразователь, описанный в авт. св. 2180433, МПК 7 G01F 1/66, который содержит демпфер и пьезоэлемент, установленные в патрубке посредством втулки, одним концом связанной с тыльной поверхностью демпфера, а другим, выполненным в виде фланца, через уплотнительную прокладку - с патрубком, соединительные провода и арматуру. Втулка имеет внутреннюю резьбу, между тыльной поверхностью демпфера и втулкой помещена уплотнительная прокладка. Один конец арматуры выполнен в виде конуса и помещен внутрь демпфера, а другой размещен вне демпфера и снабжен наружной резьбой для навинчивания втулки. Втулка может иметь разную длину. Патрубок снаружи выполнен в виде радиатора. Приемно-излучающая поверхность преобразователя выполнена выпуклой или вогнутой.
Недостатком известного преобразователя является низкий коэффициент передачи вследствие переотражений на краях пьезоэлемента, граничащего с протектором с одной стороны и с демпфером с другой. Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, является плохое согласование пьезоэлемента с газовой средой через протектор и с демпфером, выполненным из композитного материала на основе эпоксидной смолы. Для улучшения согласования необходимо добавить согласующие слои между протектором и преобразователем, а также увеличить акустический импеданс демпфера.
Основной задачей, на решение которой направлен заявленный пьезоэлектрический преобразователь, является повышение эффективности работы за счет повышения коэффициента преобразования электрического сигнала в акустический и наоборот, для увеличения мощности информационного сигнала, поступающего в приемник. Это приводит к упрощению блока обработки информации, соединенного с ультразвуковыми пьезоэлектрическими преобразователями, и к повышению точности измерения расхода газа.
7
2
1
1
2
3
1
2
3
Указанный технический результат достигается тем, что в ультразвуковом пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем расположенный в корпусе протектор, пьезоэлемент, демпфер и выводы, подключенные к пьезоэлементу, согласно решению между протектором и пьезоэлементом установлены два согласующих слоя, один из которых, контактирующий с пьезоэлементом, выполненен из нанокомпозитного материала на основе полиэтилена высокого давления, содержащего наночастицы железа с объемной концентрацией 12-25%, другой - из материала, имеющего акустический импеданс в пределах (2.4-5.0)×10 кг/с×м, при этом слой из нанокомпозитного материала выполнен толщиной h, выбранной из диапазона значений h=150f-600f, а другой слой - толщиной h=720f-1450f, при этом толщина протектора h=165f-1480f ([h]=[h]=[h]=мм, [f]=кГц).
7
2
В качестве материала, имеющего акустический импеданс в (2.4-5.0)×10 кг/с×м, использованы сталь, или олово, или никель.
В качестве материала протектора использованы железо, или сталь, или бронза, или свинец, или латунь.
Приемно-излучающая поверхность преобразователя может быть выполнена вогнутой для уменьшения дифракционной расходимости.
7
2
Слой из нанокомпозитного материала выполнен толщиной 1-4 мм, слой из материала, имеющего акустический импеданс в (2.4-5.0)×10 кг/с×м, толщиной 7-10 мм, а торцевая часть протектора имеет толщину 1-10 мм.
На чертеже представлен заявляемый преобразователь, где 1 - пьезоэлемент, 2 - демпфер, 3 - нанокомпозитный согласующий слой, 4 - второй согласующий слой, 5 - торцевая часть которого является протектором, 6 - внешняя часть электрического разъема, 7 - центральная часть электрического разъема, 8, 9 - выводы и 10 - диэлектрическая шайба.
1
2
3
Основу устройства составляет стандартный пьезокерамический элемент 1, имеющий форму диска с металлизированными торцами. С одной стороны этот элемент соединяется с демпфером 2, имеющим форму цилиндра, и его материал имеет большое затухание акустической волны. Диаметр демпфера 2 равен диаметру пьезоэлемента 1. Длина цилиндра выбирается равной длине пути акустической волны, на которой ее мощность ослабляется на величину не менее 10 дБ. Внутри демпфера располагается вывод 8 в виде контактного провода, соединяющего электрод, примыкающий к демпферу 2, с центральным проводником электрического разъема 7. Электрод, примыкающий к первому согласующему слою, электрически соединен с корпусом преобразователя с помощью вывода 9. С другой стороны пьезоэлемент 1 акустически соединяется с нанокомпозитным согласующим слоем 3, вторым согласующим слоем 4 и протектором (торцевая часть корпуса 5), который является торцевой частью корпуса. Согласующие слои 3 и 4 имеют форму диска с диаметром, равным диаметру пьезоэлемента 1. Толщины пьезоэлемента 1 (h), согласующих слоев 2 (h) и 3 (h), a также протектора 5 (h) лежат в пределах, связанных с частотой f следующими соотношениями:
h=400f-500f,
1
h=150f-600f,
2
=
h 720f-1450f,
3
h=165f-1480f.
1
2
3
Здесь [h]=[h]=[h]=[h]=мм, [f]=кГц.
При этом ультразвуковой демпфер изготовлен из материала, полученного путем формования смеси фенопласта с вольфрамовым порошком. Все перечисленные элементы располагаются внутри цилиндрического корпуса, один конец которого является протектором, а второй конец заканчивается электрическим разъемом.
Работа устройства может быть пояснена на примере измерения расхода газа. К электрическому разъему 6-7 подается электрический сигнал импульсный или непрерывный на рабочей частоте f. Это напряжение подается на пьезоэлемент 1, который начинает колебаться на частоте f и возбуждает ультразвуковые волны по обеим сторонам, а именно в демпфер 2 и через согласующие слои 3, 4 и протектор 5 в газовую среду. Доля ультразвуковой волны, излученной в демпфер, безвозвратно уходит и волна, отраженная от границы раздела «пьезоэлемент - демпфер» не принимает существенного участия в формировании амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик информационного сигнала. Ультразвуковая волна, прошедшая в согласующие слои и протектор, в результате многократных переотражений на всех границах раздела оказывается максимально сфазированной в газовой среде и здесь она имеет максимальную амплитуду. Это обеспечивается выбором материала и толщин пьезоэлемента, всех согласующих слоев и протектора. При этом волна, направленная к преобразователю и являющаяся суперпозицией всех отраженных от границ раздела волн, имеет на пьезоэлементе минимальную амплитуду. Таким образом, это обеспечивает наибольший коэффициент передачи, который определяется как отношение мощности ультразвуковой волны в газовой среде к мощности электрической энергии, подводимой к пьезоэлементу.
Пример конкретного выполнения. Преобразователь на стандартную рабочую частоту 150 кГц можно выполнить следующим образом. В качестве пьезоэлемента можно использовать стандартный диск диаметром 12 мм и толщиной 3 мм из пьезокерамики ЦТС-19 с никелевыми электродами на торцах. В качестве демпфера можно использовать цилиндр из смеси вольфрамового порошка и фенопласта с их соотношениями 95:5. Диаметр и длина цилиндра равны соответственно 12 мм и 100 мм. В качестве первого согласующего слоя, примыкающего к пьезоэлементу, можно использовать нанокомпозитный материал на основе матрицы из полиэтилена высокого давления с концентрацией наночастиц железа 12%, имеющих размеры 10-30 нм. Толщина этого согласующего слоя равна 4 мм. В качестве второго согласующего слоя между протектором и первым согласующим слоем можно использовать оловянный диск толщиной 8 мм. В качестве протектора можно использовать стальной торец корпуса толщиной 3 мм. Диаметры согласующих слоев и протектора равны 12 мм. Материал и толщина боковой части металлического корпуса значения не имеют. Электрод пьезоэлемента, примыкающий к первому согласующему слою, должен иметь электрический контакт с боковой частью корпуса. Второй электрод пьезоэлемента соединяется с центральной частью электрического разъема с помощью соединительного провода (вывода 8).
Различные варианты трехслойного согласующего устройства на частоту 150 кГц представлены в таблицах 1 и 2. При этом в таблице 1 в качестве материала первого согласующего слоя взят полиэтилен высокого давления с 2%, 20% и 25% содержанием наночастиц железа, а в таблице 2 качестве материала первого согласующего слоя взят полиэтилен высокого давления с 12% содержанием наночастиц железа.
Таблица 1
Амплитуда волны в газе, отн. ед.
Протектор, мм
Второй согласующий слой, мм
Первый согласующий слой, мм
Акустическая добротность
0.297
железо 3.0
олово 7.0
3.0 (Fe 25%)
40.89
1.472
бронза 1.2
олово 7.7
1.3 (Fe 25%)
376
1.45
железо 1.5
олово 7.6
1.4 (Fe 25%)
377
1.54
сталь 1.1
олово 7.9
1.8 (Fe 20%)
395
1.63
сталь 1.4
олово 7.7
1.3 (Fe 2%)
500
2.11
бронза 5.4
сталь 9.1
1.4 (Fe 25%)
882
2.23
латунь 5.4
сталь 8.9
1.5 (Fe 20%)
937.8
1.56
золото 6.5
олово 9.69
1.5 (Fe 25%)
1079
2.49
латунь 6.1
сталь 7.4
1.6 (Fe 2%)
1153.8
1.63
золото 9.69
сталь 9.59
1.5 (Fe 25%)
1532
4.52
свинец 9.89
сталь 8.6
1.3 (Fe 25%)
5623
4.675
свинец 9.89
никель 8.6
4.29 (Fe 25%)
6024
Таблица 2
Амплитуда волны в газе, отн. ед.
Протектор, мм
2 - согласующий слой, мм
1 - согласующий слой, мм
Акустическая добротность
0.404
сталь 3.0
олово 8.0
4.0
60.45
f=133.6 кГц
U1=0.6,
железо 1.2
олово 7.9
1.4
93.6
f1=137.4
19.25
U2=0.11,
f2=165.6
1.52
бронза 1.2
олово 7.7
1.5
375
1.46
сталь 1.5
олово 7.6
1.5
394
1.81
железо 1.2
олово 7.9
1.4
397.56
f=147.1 кГц
2.37
свинец 1.9
олово 4.8
1.7
483.87
1.66
свинец 5.7
алюминий 9.59
1.6
535.71
2.69
свинец 1.9
титан 9.0
1.6
576
1.67
золото 4.199
сталь 6.4
1.6
789.47
2.15
бронза 5.3
сталь 9.29
1.6
833
1.76
золото 4.09
никель 6.1
1.7
884.11
1.73
железо 9.2
никель 7.4
1.6
887
2.24
латунь 6.2
сталь 7.2
1.6
937.8
1.58f=153 кГц
золото 6.8
олово 8.9
1.8
1092.85
2.98
титан 8.8
никель 7.3
1.7
1154.69
3.378
олово 4.49
никель 8.1
1.8
1252.5
4.62
свинец 2.0
сталь 8.3
1.6
1363.63
3.53
свинец 6.0
бронза 5.3
1.7
1875
4.837
свинец 9.899
никель 8.0
1.7
7500
Основной задачей, на решение которой направлен заявленный пьезоэлектрический преобразователь, является повышение коэффициента преобразования электрического сигнала в ультразвуковой и наоборот, для увеличения мощности информационного сигнала, поступающего в приемник. Это приводит к упрощению блока обработки информации, соединенного с ультразвуковыми пьезоэлектрическими преобразователями и к повышению точности измерения расхода газа.
Предлагаемый пьезоэлектрический преобразователь при использовании двухслойного согласующего устройства, один слой которого выполнен из нанокомпозитного материала на основе полиэтилена высокого давления и наночастиц железа, обеспечивает большую амплитуду ультразвуковой волны в газовой среде, при сохранении требуемой диаграммы направленности, а также сниженный уровень шумов.