УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ULTRASONIC PIEZOELECTRIC CONVERTER

Предлагаемое техническое решение относятся к области приборостроения, и может быть использовано для измерения параметров контролируемой среды в трубопроводе с более высокой точностью и меньшим влиянием внешних помех.
Аналогичные технические решения известны, см. например, патент США №4297607, который содержит следующую совокупность существенных признаков:
- патрубок;
- стальной протектор, закрепленный в области нижнего конца патрубка;
- пустотелый цилиндрический корпус, расположенный внутри патрубка и установленный своим нижним основанием на верхней поверхности стального протектора;
- звукопровод, выполненный из электропроводящего материала, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности стального протектора;
- пьезоэлемент, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода;
- составной демпфер, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента;
- изолятор, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный на верхней поверхности составного демпфера;
- крышку, установленную на верхнем конце патрубка и расположенную своей внутренней поверхностью на верхней поверхности изолятора и на верхнем основании пустотелого цилиндрического корпуса.
Общими признаками предлагаемого технического решения и выше охарактеризованного аналога являются:
- патрубок;
- пустотелый цилиндрический корпус, расположенный внутри патрубка;
- звукопровод, выполненный из электропроводящего материала и расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, в области его нижнего основания;
- пьезоэлемент, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода;
- демпфер, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента;
- изолятор, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса;
- крышка, установленная на верхнем конце патрубка и расположенная своей внутренней поверхностью на верхнем основании пустотелого цилиндрического корпуса;
Известно также аналогичное техническое решение (см. патент США №3925692), которое выбрано в качестве прототипа и которое содержит следующую совокупность существенных признаков:
- патрубок;
- звукопровод, выполненный из электропроводящего материала и установленный внутри нижнего конца патрубка;
- пустотелый цилиндрический корпус, расположенный внутри патрубка и установленный своим нижним основанием на верхней поверхности звукопровода;
- пьезоэлемент, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода;
- демпфер, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента;
- пружину, расположенную внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленную своим нижним концом на верхней поверхности демпфера;
- изолятор, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный на верхнем конце пружины;
- крышку, установленную на верхнем конце патрубка и расположенную своей внутренней поверхностью на верхней поверхности изолятора и на верхнем основании пустотелого цилиндрического корпуса.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются:
- патрубок;
- звукопровод, выполненный из электропроводящего материала и установленный внутри нижнего конца патрубка;
- пустотелый цилиндрический корпус, расположенный внутри патрубка и установленный своим нижним основанием на верхней поверхности звукопровода;
- пьезоэлемент, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса;
- демпфер, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента;
- пружина, расположенная внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленная своим нижним концом на верхней поверхности демпфера;
- изолятор, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса;
- крышка, установленная на верхнем конце патрубка и расположенная своей внутренней поверхностью на верхнем основании пустотелого цилиндрического корпуса.
Технический результат, который невозможно достичь ни одним из аналогичных технических решений, заключается в исключении попадания на пьезоэлемент напряжений, появляющихся в трубопроводе с контролируемой средой за счет блуждающих токов, и напряжений от работающего электрооборудования (насосы и т.д.), попадающих в трубопровод с контролируемой средой.
Причиной невозможности достижения вышеуказанного технического результата является то, что сложившаяся практика создания ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей вопросу, связанному с защитой пьезоэлементов от ложных электрических сигналов, возникающих от напряжений, появляющихся в трубопроводе с контролируемой средой за счет блуждающих токов, и напряжений от работающего электрооборудования (например, насосов и т.д.), должного внимания не уделяет.
Учитывая характеристику и анализ известных аналогичных технических решений, можно сделать вывод, что задача по созданию ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, обладающих необходимой защитой от ложных электрических сигналов, возникающих от напряжений, появляющихся в трубопроводе с контролируемой средой из-за наличия блуждающих токов, и напряжений от работающего электрооборудования и, как следствие, имеющих более высокую помехозащищенность ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, является актуальной на сегодняшний день.
Технический результат, указанный выше, достигается тем, что в ультразвуковом пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем патрубок, звукопровод, установленный внутри нижнего конца патрубка, пустотелый цилиндрический корпус, расположенный внутри патрубка и установленный своим нижним основанием на верхней поверхности звукопровода, пьезоэлемент, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, демпфер, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента, пружину, расположенную внутри пустотелого цилиндрического корпуса и установленную своим нижним концом на верхней поверхности демпфера, изолятор, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, и крышку, установленную на верхнем конце патрубка и расположенную своей внутренней поверхностью на верхнем основании пустотелого цилиндрического корпуса, при этом демпфер выполнен из электроизоляционного материала, изолятор установлен своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода и своей верхней поверхностью на нижней поверхности пьезоэлемента, а верхний конец пружины расположен на внутренней поверхности крышки.
Выполнение демпфера из электроизоляционного материала, расположение изолятора и верхнего конца пружины, как это указано выше, позволяет создать конструкцию предлагаемого ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, в котором при подаче на выводы пьезоэлемента напряжения с выхода источника электрических сигналов ультразвуковой частоты, преобразовать это напряжение в ультразвуковые сигналы и обеспечить излучение части их через изолятор и звукопровод в контролируемую среду трубопровода и обеспечить поглощение другой их части демпфером. А при появлении напряжений от блуждающих токов и напряжений от работающего электрооборудования (например, насосов и т.д.), попадающих в трубопровод с контролируемой средой, предотвратить их поступление на пьезоэлемент как со стороны звукопровода, так и со стороны подпружиненного относительно внутренней поверхности крышки демпфера и обеспечить таким образом необходимую защиту от ложных электрических сигналов. В чем и проявляется достижение технического результата, указанного выше.
Предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь поясняется нижеследующим описанием и чертежом, на котором представлен ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь.
Предлагаемый ультразвуковой пьезопреобразователь содержит:
патрубок - 1;
звукопровод - 2, выполненный, например, из нержавеющей стали и установленный внутри нижнего конца патрубка - 1;
- пустотелый цилиндрический металлический корпус - 3, расположенный внутри патрубка - 1, установленный своим нижним основанием на поверхности верхнего основания звукопровода - 2;
- изолятор - 4, выполненный, например, из поликора и установленный своей нижней
поверхностью на верхней поверхности звукопровода - 2;
- пьезоэлемент - 5, расположенный внутри пустотелого цилиндрического металлического корпуса - 3, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности изолятора - 4 и подсоединенный проводниками - 10 к выводам источника электрических сигналов ультразвуковой частоты (позиция источника электрических сигналов ультразвуковой частоты на чертеже не приведена);
- демпфер - 6, расположенный внутри пустотелого цилиндрического металлического корпуса - 3 и установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента - 5, при этом демпфер - 6 выполнен из электроизоляционного материала, например из стекловолокнита;
- пружину - 7, расположенную внутри пустотелого цилиндрического металлического корпуса - 3 и установленную своим нижним концом на верхней поверхности демпфера - 6,
- крышку - 8 с отверстием - 9, установленную на верхнем конце патрубка - 1 и расположенную своей внутренней поверхностью на верхней поверхности основания пустотелого цилиндрического металлического корпуса - 3 и на верхнем конце пружины - 7.
Предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.
Посредством резьбового соединения или сваркой закрепляют корпус патрубка - 1 ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя в отверстии, выполненном в стенке трубопровода, для того, чтобы нагрузить пьезоэлектрический преобразователь на контролируемую среду. При этом неизбежно возникает электрический контакт между трубопроводом с контролируемой средой, с одной стороны, и элементами предлагаемого ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, с другой стороны, вследствие чего напряжения от блуждающих токов и напряжения от работающего электрооборудования (например, насосов и т.д.), из трубопровода с контролируемой средой могут попасть на пьезоэлемент - 5 ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя и вызвать появление ложных сигналов.
При подаче на выводы пьезоэлемента - 5 через проводники -10 напряжения с выхода источника электрических сигналов ультразвуковой частоты, пьезоэлемент - 5 преобразует это напряжение в ультразвуковые сигналы и излучает их. При этом часть энергии ультразвуковых сигналов излучается в демпфер - 6 и поглощается им, а часть энергии ультразвуковых сигналов излучается в изолятор -4 и через него в звукопровод - 2, длина которого равна длине ближней зоны диаграммы направленности пьезоэлемента - 5 в материале звукопровода, что обеспечивает фокусировку ультразвукового пучка на конце звукопровода (внешняя, нижняя поверхность) и излучение ультразвуковых сигналов в контролируемую среду трубопровода. При воздействии на пьезоэлемент - 5 напряжений от блуждающих токов и напряжений от работающего электрооборудования (например, насосов и т.д.), попадающих в трубопровод с контролируемой средой, которые могут достигать довольно больших значений, в нем возбуждаются ложные сигналы. Для устранения данного явления в предлагаемом ультразвуковом пьезоэлектрическом преобразователе между верхней поверхностью звукопровода - 2 и нижней поверхностью пьезоэлемента - 5 устанавливают изолятор - 4, который предотвращает поступление напряжений, появляющихся в трубопроводе с контролируемой средой от блуждающих токов, и напряжений от работающего оборудования, попадающих в трубопровод с контролируемой средой, на пьезоэлемент - 5, и обеспечивает, таким образом, необходимую защиту пьезоэлемента - 5 от ложных электрических сигналов.
Таким образом, предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, за счет изоляции пьезоэлемента от звукопровода и корпуса, предотвращает поступление напряжений от блуждающих токов и напряжений от работающего электрооборудования, появляющихся в трубопроводе с контролируемой средой, на пьезоэлемент и обеспечивает его защиту от электрических ложных сигналов. Что, в свою очередь, при использовании предлагаемого ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя в различных системах ультразвукового контроля параметров контролируемой среды в трубопроводе обеспечивает более высокую точность измерений. Поэтому предлагаемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь займет достойное место среди известных объектов аналогичного назначения.