ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
PIEZOELECTRIC TRANSDUCER

Заявляемый пьезоэлектрический преобразователь используется в приборостроении для передачи звуковой энергии в газ и приема звуковой энергии из газа при измерении его расхода в напорных трубопроводах.
Известен акустический преобразователь, содержащий корпус, в котором установлен пьезоэлемент, контактирующий с демпфером, и протектор толщиной, равной ¼ длины волны в протекторе, рабочая поверхность которого покрыта фольгой из термопластичного материала, например отожженного алюминия [1].
Недостатком этого устройства является то, что фольга не имеет упругих свойств и не обеспечивает работу преобразователя при больших давлениях. Кроме того, алюминий в воде подвержен коррозии, следовательно изделие будет недолговечным.
Известен демпфированный ультразвуковой преобразователь для передачи звуковой энергии в жидкость или приема звуковой энергии из жидкости, включающий металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость с замыкающей стенкой на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены пьезоэлемент, демпфер, пружинящие и плоские шайбы, имеющие диаметр немного меньше диаметра внутренней полости, и затычка с резьбой (ниппель), а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем [2].
Недостатком этого технического решения является низкая величина чувствительности и соотношения сигнал/шум принимаемого сигнала. Это связано с тем, что замыкающая стенка по акустическому сопротивлению материала и по геометрии плохо согласована с жидкостью. При работе с газом согласование акустических сопротивлений значительно ухудшается.
2
3
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является пьезоэлектрический преобразователь для передачи звуковой энергии в жидкость или приема звуковой энергии из жидкости, содержащий металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость с замыкающей стенкой на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены пьезоэлемент, демпфер, пружинящая шайба, диаметром немного меньше диаметра внутренней полости и ниппель с отверстием, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом, отличающийся тем, что замыкающая стенка выполнена в виде мембраны, причем мембрана может быть сделана за одно целое с корпусом или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент соединен с мембраной через протектор толщиной, равной ¼ длины ультразвуковой волны в протекторе, с помощью клея и/или поджат к ней пружинящей шайбой, а толщина мембраны h в зависимости от плотности материала определяется из соотношения: h=А/ρ, где А - коэффициент, равный от 0,4 до 4 кг/м, ρ - плотность материала мембраны в кг/м [3].
Недостатком такого преобразователя при его применении к газовым средам является его низкая эффективность ввиду плохого согласования акустических импедансов твердой и газообразной сред. Для устранения этого недостатка необходимо введение в состав преобразователя согласующего слоя - протектора из материала с низким акустическим импедансом.
Цель изобретения - повышение эффективности работы устройства путем увеличения чувствительности и соотношения сигнал-шум выходного сигнала при сохранении герметичности преобразователя и работоспособности его при высоких избыточных давлениях.
Поставленная цель достигается тем, что пьезоэлектрический преобразователь для передачи звуковой энергии в газ или приема звуковой энергии из газа, содержит металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость с замыкающей стенкой на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены протектор, пьезоэлемент, опорное кольцо и ниппель с отверстием, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом, причем замыкающая стенка выполнена в виде мембраны, которая может быть сделана за одно целое с корпусом или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент соединен с мембраной через протектор из материала с низким акустическим сопротивлением, изготовленного на основе эпоксидной смолы с наполнителем из порошка полых стеклосфер, причем оптимальные размеры пьезоэлемента, протектора, корпуса, опоры подбираются путем моделирования устройства методом конечных элементов таким образом, чтобы на рабочей частоте, приблизительно соответствующей радиальному резонансу пьезоэлемента, на поверхности мембраны возбуждались колебания осевого направления, передающие акустическую волну в газовую среду.
r
r
r
Внешний вид и конструкция преобразователя изображены на фиг. 1. Основная роль в процессе преобразования электрической энергии в звуковую и обратно принадлежит пакету пьезоэлемент-протектор. При подаче на свободный пьезоэлектрический диск гармонического электрического сигнала пьезоэлемент наиболее эффективно возбуждается на частоте радиального резонанса f. Эта частота в основном определяется радиусом пьезоэлектрического диска. Для тонких пьезоэлементов (толщина диска мала по сравнению с его радиусом) частота f обратно пропорциональна радиусу и практически не зависит от толщины диска, однако при толщине, сравнимой с радиусом, частота f существенно отклоняется от обратной пропорциональности в сторону понижения частоты (фиг. 2).
Протектор - диск того же радиуса, изготовленный из материала с малым акустическим импедансом для наилучшего согласования с газовой средой. В протекторе, жестко связанном с пьезоэлементом, происходит преобразование радиальных колебаний пьезоэлемента в осевые колебания свободной поверхности протектора, которая, таким образом, становится излучателем акустического сигнала в среду, контактирующую с этой поверхностью. Толщину протектора следует подобрать таким образом, чтобы амплитуда средних смещений излучающей поверхности на рабочей частоте была максимальной. Протектор при этом совершает сложное колебательное движение, включающее в себя как радиальные, так и осевые смещения (фиг. 3). Поэтому определить его оптимальную толщину с помощью аналитических вычислений не представляется возможным. Однако моделирование и исследование пакета с помощью метода конечных элементов позволяет путем варьирования размеров найти оптимальный вариант.
Аналитический расчет для предельного случая слоистой системы с тонкими слоями (толщина слоя намного меньше диаметра пакета) дает, как известно [4], величину λ/4 в качестве оптимальной толщины согласующего слоя - протектора (λ - длина продольной волны в материале протектора). Однако, когда толщина слоя соизмерима с диаметром пакета, величина λ/4 может служить лишь грубой оценкой толщины протектора, а действительная его оптимальная толщина должна определяться расчетами конечно-элементной модели преобразователя.
Важными деталями преобразователя, играющими существенную роль в формировании акустического сигнала, являются мембрана и гильза. Они образуют металлическую цилиндрическую полость, в которой размещается пакет пьезоэлемент-протектор. В процессе сборки преобразователя пакет вставляется в полость гильзы соосно ей, поджимается основанием к мембране, и гильза соединяется сварным швом с основанием в таком механически напряженном состоянии, что обеспечивает сохранение механического контакта между протектором и мембраной после снятия внешних прижимающих сил. Мембрана выполнена из металлического листа малой толщины (около 0,2 мм) и в процессе возбуждения звуковых колебаний передает их в контролируемую газовую среду, а в режиме приема передает колебания давления газовой среды на протектор и далее на пьезоэлемент. Благодаря малой толщине мембраны она не вносит больших изменений в согласование акустических импедансов протектора и газовой среды, но в то же время обеспечивает герметичность преобразователя относительно контролируемой среды и охраняет поверхность протектора от ее разрушительных воздействий.
Поставленная цель изобретения достигается исследованием частотных характеристик конечно-элементных моделей. При этом:
1) рассчитываются частотные характеристики проводимости преобразователя, что позволяет непосредственно сопоставить расчетные данные с экспериментом и внести необходимые коррективы в модель;
ср
ср
2) рассчитывается частотная характеристика излучателя U(f), где U - среднее смещение мембраны излучающего преобразователя в осевом направлении при подаче на его электроды гармонического напряжения единичной амплитуды;
3) рассчитывается частотная характеристика приемника V(f), где V - амплитуда напряжения на электродах приемника при действии на его мембрану гармонического давления единичной амплитуды;
vv
4) вычисляется частотная характеристика результирующего коэффициента преобразования K(f) как произведение двух частотных характеристик
vv
ср
2
K(f)=B·U(f)·V(f)·f,
где B - некоторый нормирующий коэффициент, зависящий от диаметра мембраны D, расстояния между мембранами излучателя и приемника L и плотности газа ρ
2
2
В=πDρ/L.
Этапы 2-4 иллюстрируются примером частотных характеристик фиг. 5.
vv
Для достижения поставленной цели подбирается совокупность размеров преобразователя, при которых частотная характеристика K(f) имеет вид уединенного доминирующего пика с достаточно высоким максимальным значением. Пример семейства таких характеристик, из которых выбирается оптимальная характеристика, приведен на фиг. 6.
Рассчитываются также импульсные характеристики для пары преобразователей. Конечно-элементная модель включает в себя пару идентичных преобразователей, расположенных соосно, направленных встречно и разделенных газовой средой при определенном расстоянии между их мембранами (фиг. 7, а). На один из них - излучатель - подается прямоугольный импульс напряжения, в результате чего в теле излучателя возникают волны деформаций, которые, дойдя до мембраны излучателя, возбуждают волны давления в газовой среде. В свою очередь, дойдя до мембраны другого преобразователя - приемника, волны давления деформируют мембрану, протектор и пьезоэлемент приемника, вызывая появление на его электродах электрического сигнала (фиг. 7, б)
При экспериментальном исследовании пары идентичных преобразователей в режиме излучения-приема импульсов получены импульсные характеристики, подобные приведенным расчетным характеристикам (фиг. 8).
При применении преобразователей в составе расходомера пара пьезоэлектрических преобразователей устанавливается в трубопровод под углом к движущемуся потоку, преобразователи поочередно возбуждаются электрическими импульсами и принимают акустический сигнал, прошедший через поток. Разность времени прохождения звуковой волны по и против потока является мерой скорости потока и его расхода.
Наряду с полезным акустическим сигналом, прошедшим сквозь газ, преобразователь-приемник принимает также паразитный акустический сигнал, распространяющийся по металлу трубопровода, и различные шумы и вибрации, порожденные механическим окружением расходомера. Следует стремиться к тому, чтобы все посторонние акустические шумы и вибрации порождали по возможности малый электрический сигнал на электродах преобразователя-приемника. Посторонние вибрации проникают в приемник через точки его механического контакта с трубопроводом, в данном случае - через резьбовое соединение хвостовика (ниппеля) преобразователя с посадочным местом.
С целью снижения уровня шума предлагается вводить между хвостовиком и основным корпусом преобразователя одну, две или больше ступенчатых переходных секций (фиг. 9). Каждая секция представляет собой сочетание отрезка трубы малого диаметра с отрезком трубы большого диаметра, соединяющихся между собой через плоские мембраны. Отдельные секции могут быть выполнены за одно целое с основанием либо могут соединяться с основанием и между собой сварными или клеевыми швами, как показано на фиг. 9б.
Расчет показывает, что введение переходных секций слабо изменяет частотную характеристику излучения-приема преобразователя, но существенно отражается на частотной характеристике виброчувствительности. Одна переходная секция снижает пиковые значения виброчувствительности примерно вдвое, а две переходные секции - примерно в 7 раз (фиг. 10).
Технический результат: повышение чувствительности и соотношения сигнал-шум принимаемого сигнала при сохранении герметичности преобразователя и работоспособности его при высоких избыточных давлениях.
Теоретические результаты хорошо согласуются с экспериментом. При этом заявленный пьезоэлектрический преобразователь, работающий на частотах 70-150 кГц и выполненный полностью в корпусе из нержавеющей стали с мембраной 0,2 мм имеет высокую чувствительность и соотношение сигнал/шум, является герметичным, долговечным и сохраняет работоспособность при избыточных давлениях до 35 МПа.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
- Н фиг. 1 показан внешний вид и конструкция преобразователя: 1 -мембрана; 2 - протектор; 3 - пьезоэлемент; 4 - гильза; 5 - втулка с опорным кольцом; 6 - основание; 7 - пробка; 8 - проводники.
- На фиг. 2 приведена расчетная зависимость частоты первого радиального резонанса пьезоэлектрического диска от его радиуса; 1) при h=1 мм, h/R<<1 эта зависимость хорошо описывается формулой обратной пропорциональности f=A/R, A≈1000 кГц·мм; 2) при R<h зависимость отклоняется в сторону понижения частоты.
- На фиг. 3 представлен характер колебаний пакета пьезоэлемент-протектор на первом радиальном резонансе пьезоэлемента. Радиальные колебания пьезоэлемента (темная окраска) преобразуются в колебания свободной поверхности протектора (светлая окраска) в осевом направлении.
- На фиг. 4 показана геометрическая модель преобразователя (а) и характер его колебаний на рабочей частоте (б).
ср
vv
- На фиг. 5 приведена иллюстрация методики исследования частотных характеристик: расчетные характеристики излучения U(f), приема V(f) и вычисленная на их основе характеристика результирующего коэффициента преобразования K(f).
vv
- На фиг. 6 приведен пример семейства частотных характеристик коэффициента преобразования K(f) для пары идентичных преобразователей, рассчитанных при различных значениях толщины протектора.
- На фиг. 7 показана геометрическая модель двух преобразователей - злучателя и приемника (а) и расчетная форма сигнала на приемнике (б).
- На фиг. 8 приведен пример формы сигнала на приемнике, полученной экспериментально.
- На фиг. 9 показана конструкция преобразователя с ступенчатыми переходными секциями между корпусом и хвостовиком преобразователя: а) внешний вид; б) геометрическая модель; в) характер колебаний на рабочей частоте.
- На фиг. 10 представлены расчетные частотные характеристики виброчувствительности преобразователя без ступенчатых переходных секций, с одной секцией и двумя ступенчатыми секциями: видно, что введение ступенчатых секций многократно снижает виброчувствительность преобразователя.
Из приведенных материалов видно, что предложенное техническое решение обеспечивает повышение эффективности работы устройства за счет увеличения чувствительности и соотношения сигнал-шум выходного сигнала при сохранении герметичности преобразователя и работоспособности его при высоких избыточных давлениях.
Формула изобретения
Пьезоэлектрический преобразователь
Пьезоэлектрический преобразователь для передачи звуковой энергии в газ и приема звуковой энергии из газа, содержащий металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость с замыкающей стенкой (мембраной) на одном конце, в которой соосно полости последовательно от мембраны размещены протектор (согласующий слой), выполненный из материала с низким акустическим импедансом, пьезоэлемент, опорное кольцо и ниппель с отверстием, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом, отличающийся тем, что размеры пьезоэлемента и протектора подбираются на основании анализа математической модели методом конечных элементов из условия, чтобы частотная характеристика амплитуды электрического сигнала, регистрируемого преобразователем-приемником, имела вид уединенного доминирующего пика, а также с целью снижения виброчувствительности преобразователя, т.е. повышения соотношения сигнал/шум, между его основным корпусом и ниппелем, закрепляемым в посадочном месте, вводится одна, две или больше ступенчатых переходных секций, каждая из которых представляет собой сочетание соосных отрезков трубы малого и большого диаметра, соединяющихся между собой через плоские мембраны, а отдельные секции могут быть выполнены за одно целое с основанием, либо могут соединяться с основанием и между собой сварными или клеевыми швами.
Источники информации
1. Патент РФ 1755176 А1 от 08/1992
2. Патент США 4417480 от 03/1993
3. Патент РФ 2445748 С1 от 03/2012
4. Г. Кайно. Акустические волны. Москва, «Мир», 1990.