ПЕРВИЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАТЧИКА СКРОСТИ ЗВУКА В ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в датчиках импульсных и импульсно-циклических измерителей скорости звука в жидкостях.
Известны первичные измерительные преобразователи для датчиков скорости звука в жидкости. Так в авторском свидетельстве [1] предложен первичный измерительный преобразователь, содержащий излучающий и приемный акустические преобразователи, массивную мембрану, выполненную с конусообразной вогнутостью, элементами герметизации и крепления к крышке корпуса погружаемого блока, а также стойки с акустическим отражателем.
Достоинством первичного измерительного преобразователя по авторскому свидетельству [1] является отсутствие многократных отражений акустических импульсов между отражателем и мембраной. К его недостатку следует отнести большое количество деталей и сложность конструкции.
В книге [2] дано описание первичного измерительного преобразователя датчика импульсно-циклического измерителя скорости звука в воде, содержащего обратимый акустический преобразователь, установленный на крышке корпуса погружаемого блока, на которой крепятся также стойки с акустическим отражателем. В акустическом преобразователе применен дисковый пьезоэлемент, одна сторона которого сферически вогнутая.
Достоинством этого первичного измерительного преобразователя [2] является хорошая форма и малая длительность принятых импульсов. К его недостаткам следует отнести наличие других, более низкочастотных, мод затухающих колебаний, а также прием многократных отражений акустических импульсов между отражателем и преобразователем.
Наиболее близким по совокупности признаков и технической сущности к предполагаемой полезной модели является первичный измерительный преобразователь датчика скорости звука в морской воде, описание которого приведено в статье [3].
Первичный измерительный преобразователь содержит корпус с окнами для свободного протока контролируемой жидкости, снабженный в нижней части подвижным основанием с цилиндрическим отражателем. К верхней части корпуса жестко прикреплен акустический преобразователь, который состоит из цилиндрического корпуса с мембраной и фланцем в нижней части. В верхней части корпуса преобразователя установлен высокочастотный разъем. Во внутренней полости корпуса преобразователя размещен плоский дисковый пьезоэлемент, прикрепленный одной плоскостью к внутренней поверхности мембраны. Другая его плоскость прикреплена к металлическому конусу. Внутренняя полость корпуса преобразователя заполнена звукопоглотителем, который выполнен из смеси эпоксидной смолы и мелкодисперсного порошка карбида вольфрама (сплава ВК-18).
Достоинством первичного измерительного преобразователя [3] - прототипа является хорошая форма и малая длительность принятых импульсов, относительно малый уровень других мод колебаний и многократных отражений акустических импульсов между отражателем и преобразователем.
К его недостатку следует отнести наличие сплошной мембраны, подвижного основания корпуса с цилиндрическим отражателем, жесткое крепление корпуса преобразователя к корпусу первичного измерительного преобразователя и использование в звукопоглотителе дефицитного мелкодисперсного порошка карбида вольфрама, усложняющих и удорожающих технологию изготовления первичного измерительного преобразователя и не позволяющих значительно уменьшить уровень многократных отражений акустических импульсов между отражателем и преобразователем.
Техническим результатом полезной модели является создание первичного измерительного преобразователя датчика скорости звука в жидкости с более простой технологией изготовления и с меньшим уровнем многократных отражений акустических импульсов между отражателем и преобразователем.
Для достижения указанного технического результата в первичном измерительном преобразователе датчика скорости звука в жидкости, содержащем цилиндрический корпус с окнами для свободного протока контролируемой жидкости, к которому в нижней его части прикреплено первое основание с акустическим отражателем, корпус акустического преобразователя, выполненный в форме полого тела вращения с крепежным фланцем и мембраной в нижнем торце, имеющем в верхней цилиндрической части элементы герметизации и крепления к корпусу погружаемого блока измерителя скорости звука, с размещенным во внутренней полости корпуса акустического преобразователя, заполненного звукопоглотителем, дисковым пьезоэлементом, первая плоская поверхность которого прикреплена к внутренней поверхности мембраны, а вторая его поверхность жестко соединена с металлическим конусом, введены новые признаки - в мембране корпуса акустического преобразователя выполнено осевое отверстие, акустический отражатель и нижняя часть корпуса акустического преобразователя выполнены в виде усеченных конусов, введено второе основание, жестко прикрепленное к корпусу первичного измерительного преобразователя, с осевым отверстием, в которое нижней своей частью вставлен корпус акустического преобразователя, фланец которого прикреплен ко второму основанию, при этом первая плоская поверхность дискового пьезоэлемента покрыта герметиком. Крепление первого основания с акустическим отражателем к цилиндрическому корпусу первичного измерительного преобразователя выполнено неподвижным, а звукопоглотитель выполнен из смеси эпоксидной смолы и кварцевого песка в соотношении по объему 1:0,75…1:1,25.
Сущность полезной модели поясняется фигурой 1, на которой представлен чертеж первичного измерительного преобразователя датчика скорости звука в жидкости.
Предлагаемый первичный измерительный преобразователь датчика скорости звука в жидкости содержит цилиндрический корпус 1 с окнами для свободного протока контролируемой жидкости. К нижней части корпуса 1 жестко прикреплено первое основание 2 с акустическим отражателем в виде усеченного конуса. К верхней части корпуса 1 жестко прикреплено второе основание 3 с осевым отверстием. В отверстие вставлена нижняя часть корпуса 4 акустического преобразователя, выполненного в форме тела вращения с внутренней полостью и с фланцем крепления к основанию 3 корпуса 1. Верхняя цилиндрическая часть корпуса 4 имеет элементы герметизации и крепления к корпусу погружаемого блока измерителя скорости звука (на фигуре не показаны). Нижняя часть корпуса 4 выполнена в виде усеченного конуса с мембраной 5, которая имеет осевое отверстие. Во внутренней полости корпуса акустического преобразователя 4 размещен дисковый пьезоэлемент 6, первая плоская поверхность которого прикреплена к внутренней поверхности мембраны, а вторая плоская поверхность жестко соединена с металлическим конусом 7, имеющим в верхней части электрический вывод 8. Внутренняя полость корпуса акустического преобразователя 4 заполнена звукопоглотителем 9. Первая (внешняя) поверхность пьезоэлемента 6 покрыта герметиком.
Первичный измерительный преобразователь датчика скорости звука в жидкости функционирует следующим образом. Датчик скорости звука погружается в исследуемую жидкость. К электрическому выводу 8 металлического конуса 7 первичного измерительного преобразователя датчика скорости звука в жидкости подключается выход импульсного генератора. Короткий электрический видеоимпульс ударно возбуждает пьезоэлемент 6. Соответствующий ультразвуковой импульс распространяется в жидкости до отражателя основания 2 и обратно к пьезоэлементу 6, который преобразует его в соответствующий электрический импульс. Время распространения ультразвукового импульса до отражателя основания 2 и обратно к пьезоэлементу 6 и, соответственно, временной промежуток между излучаемым и принятым электрическими импульсами, однозначно зависит от значения скорости звука в исследуемой жидкости.
Имеют место также многократные отражения ультразвукового импульса от пьезоэлемента 6 и отражателя основания 2, которые приводят к появлению на выходе первичного измерительного преобразователя датчика скорости звука в жидкости ложных электрических сигналов, затрудняющих нормальное функционирование датчика скорости звука. Металлический конус 7 (акустическая ловушка) и звукопоглотитель 9 уменьшают уровень многократных отражений. Прошедший через первую поверхность пьезоэлемента принятый импульсный акустический сигнал проникает в металлический конус 7, где подвергается многократному отражению от его боковой поверхности и постепенно затухает. Сигналы, проходящие через поверхность конуса 7 во внутреннюю полость корпуса преобразователя 4, затухают в звукопоглотителе 9. Поэтому только небольшая часть от уровня принятого импульсного акустического сигнала возвращается к внешней поверхности пьезоэлемента 6 и переизлучается к отражателю.
Чтобы еще больше уменьшить уровень многократных отражений импульсного акустического сигнала от элементов корпуса первичного измерительного преобразователя, отражатель основания 2 первичного измерительного преобразователя и нижняя часть корпуса 4 акустического преобразователя выполнены в виде усеченных конусов, что обеспечивает рассеивание акустических сигналов, обусловленных боковыми лепестками характеристики направленности акустического преобразователя. Выполнение мембраны 5 в нижней части корпуса 4 акустического преобразователя не сплошной, а с осевым отверстием, обеспечивает лучшее акустическое согласование пьезоэлемента 6 с исследуемой жидкостью. Это, а также покрытие наружной поверхности пьезоэлемента 6 поглощающим герметиком, приводит к дополнительному уменьшению уровня многократных отражений акустических сигналов.
Для упрощения технологии изготовления первичного измерительного преобразователя датчика скорости звука в жидкости его корпус 1 изготовляется из отрезка стандартной металлической трубы. К нему сваркой прикрепляются основания 2 и 3. Акустический преобразователь является самостоятельной деталью, изготовляется и проверяется отдельно, присоединяется к основанию 3 корпуса 1 с возможностью разборки и замены. Металлический конус 7 с электрическим выводом 8 акустического преобразователя являются одной единой деталью. Звукопоглотитель, заполняющий внутреннюю полость корпуса акустического преобразователя, выполнен из смеси эпоксидной смолы и кварцевого песка в соотношении по объему 1:0,75…1:1,25.
Было изготовлено несколько опытных образцов первичных измерительных преобразователей датчика скорости звука в жидкости по данной полезной модели, испытание которых в лабораторных условиях показали ожидаемые результаты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.С. СССР №552517. G01Н 5/00. Е.Д.Попов. Механико-акустическая часть циклического измерителя скорости звука в жидкости. 22.05.75 №2136497/10. 30.03.77 БИ №12.
2. Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. СПб.: Наука. 2003. с.357.
3. Исмаилов Т.К., Измайлов A.M., Гуревич В.М. Частотно-временной гидрологический измеритель скорости звука // Океанология. т.22, вып.5. с.839-843.