ДАТЧИК УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
ULTRASONIC PIEZOELECTRIC SENSOR

Изобретение относится к  ультразвуковым измерительным приборам, в частности к ультразвуковым пьезоэлектрическим датчикам для газовых расходомеров.
Известен датчик ультразвуковой пьезоэлектрический (см. патент РФ 2604896 по кл. МПК Н04R17/00, опуб. 20.12.2016), 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, при этом размеры пьезоэлемента и протектора подбираются на основании анализа математической модели методом конечных элементов из условия, чтобы частотная характеристика амплитуды электрического сигнала, регистрируемого датчиком, имела вид уединенного доминирующего пика.
Известен также ультразвуковой пьезоэлектрический датчик (см. патент на изобретение РФ 2445748 по кл. МПК Н04R1/44, опуб. 20.03.2012), 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 протектор, пьезоэлемент, демпфер, пружинящая шайба, имеющие диаметр немного меньше диаметра внутренней полости, и ниппель с отверстием, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом. При этом, замыкающая стенка выполнена в виде мембраны, причем мембрана может быть выполнена за одно целое с корпусом или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент соединен с мембраной через протектор, толщиной, равной  длины ультразвуковой волны в протекторе.
В приведенных технических решениях замыкающая стенка представляет собой тонкую мембрану, что ограничивает возможность применения таких конструкций в условиях повышенного внешнего давления среды (например в газовых расходомерах с высоким давлением газа  в измерительной камере). Другим недостатком является наличие в диаграмме направленности излучения такого датчика боковых лепестков, которые вносят помехи при использовании датчика, например в ультразвуковых измерителях расхода газа.
7
2
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является датчик ультразвуковой пьезоэлектрический (см. патент на изобретение РФ №2422816 по кл. МПК G01N29/22, опуб.27.06.2011), содержащий расположенный в корпусе протектор, пьезоэлемент, демпфер и выводы, подключенные к пьезоэлементу, при этом пьезоэлемент выполнен в форме диска с металлизированными торцами. Между протектором и пьезоэлементом установлены два согласующих слоя, один из которых, контактирующий с пьезоэлементом, выполнен 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)Ч10 кг/сЧм.
В этом техническом решении устранен один из недостатков первых двух аналогов – донышко может не являться тонкостенной мембраной, что позволяет применять такое устройство для работы в газовой среде повышенного давления. Однако, диаграмма направленности ультразвукового излучения такого датчика также имеет выраженные боковые лепестки, служащие источниками акустических помех, что, как следствие, приводит к снижению чувствительности и динамического диапазона работы всего устройства.
Технической проблемой является разработка ультразвукового пьезоэлектрического датчика для газовых расходомеров с минимальным значением акустических помех.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении чувствительности ультразвукового пьезоэлектрического датчика за счет снижения уровня боковых лепестков в диаграмме направленности при увеличении ширины диаграммы направленности, что позволяет повысить динамический диапазон измеряемых расходов газа.
Технический результат заявляемого решения достигается тем, что в датчике ультразвуковом пьезоэлектрическом, содержащем металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость, в которой соосно последовательно от дна полости размещены протектор, пьезоэлемент и демпфер, на торцевых поверхностях пьезоэлемента размещены электроды, соединенные с выводными проводниками, один из которых подключен к электроду на внешней относительно протектора торцевой поверхности пьезоэлемента, согласно изобретению, пьезоэлемент имеет осесимметричное сквозное отверстие, на внутренней торцевой поверхности пьезоэлемента, обращенной к протектору, в месте расположения сквозного отверстия выполнена фаска, снабженная дополнительным электродом, выполненным заодно с электродом на внутренней торцевой поверхности пьезоэлемента, причем другой выводной проводник через центральное сквозное отверстие подключён к дополнительному электроду на фаске.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана конструкция заявляемого устройства, на фиг. 2 приведены диаграммы направленности датчиков с дисковым пьезоэлементом (синяя кривая) и с кольцевым пьезоэлементом (красная кривая), на фиг. 3 - диаграммы направленности двух кольцевых датчиков, настроенных на разные резонансные частоты (имеющих разные внешние диаметры); синяя кривая – более низкая частота (больший диаметр); красная кривая – более высокая частота (меньший диаметр).
На фиг.1 позициями обозначено:
1 – металлический корпус;
2 – протектор;
3 – пьезоэлемент;
4, 5 – выводные проводники;
6 –  демпфер (демпфирующий наполнитель);
7, 8 – электроды (металлические покрытия);
9 – фаска;
10 – дополнительный электрод на фаске (металлическое покрытие).
Датчик ультразвуковой пьезоэлектрический содержит (см. фиг. 1) металлический корпус 1, имеющий цилиндрическую полость в виде стакана с донышком, внутри которого последовательно размещены протектор 2, пьезоэлемент 3 с выводными проводниками 4 и 5 и демпфирующий наполнитель 6. Пьезоэлемент 3 имеет осесимметричное сквозное отверстие, формирующее кольцевую форму с нанесенными электродами 7 и 8 в виде металлизированного покрытия на обеих поверхностях пьезоэлемента 3. На внутренней стороне пьезоэлемента 3, обращенной к протектору, выполнена фаска 9 по длине окружности сквозного отверстия. На фаску 9 нанесено металлическое покрытие, выполняющее функцию дополнительного электрода 10, и являющегося продолжением электрода 7. Один из выводных проводников 4 припаян к металлическому электроду 10 на фаске 9 через центральное сквозное отверстие, а другой 5 – к электроду 8 на внешней относительно протектора 2 стороне пьезоэлемента 3.
Изобретение может быть осуществлено следующим образом.
Металлический корпус 1 датчика может быть выполнен, например, из титана. Протектор 2 выполнен на основе эпоксидной смолы, пьезоэлемент 3 – из керамики ЦТС-19, проводники 4 и 5, например, из провода МГТФ, демпфирующий наполнитель 6 – из материала, поглощающего ультразвуковые колебания. Пьезоэлемент 3 имеет осесимметричную кольцевую форму с отношением внешнего и внутреннего диаметров пьезоэлектрического кольца 6:1 с нанесенными, например, серебряными электродами 7 и 8 на обеих поверхностях пьезоэлемента 3 (в виде пьезоэлектрического кольца). На стороне пьезоэлемента 3, обращенной к протектору, выполнена конусная (с раскрывом 45º) фаска 9 с отношением внешнего диаметра пьезоэлектрического кольца к наибольшему диаметру конуса 4:1 с металлическим (серебряным) электродом 10.
Ультразвуковой пьезоэлектрический датчик работает следующим образом.
Электромагнитный сигнал (импульс) от радиочастотного генератора (на чертеже не показан) поступает через выводные проводники 4 и 5 на пьезоэлемент 3. В пьезоэлементе 3 под действием переменного электрического поля, возникающего между электродами 7 и 8, вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта, возбуждаются гармонические колебания на резонансной частоте, определяемой геометрическими размерами пьезоэлемента и скоростью упругих волн в материале пьезоэлемента, с учетом геометрических размеров и акустического импеданса протектора 2, служащего нагрузкой преобразователя и переходным согласующим слоем.
Колебания плоских поверхностей кольца пьезоэлемента 3 передаются через протектор 2 донышку корпуса 1, которое служит генератором и приемником ультразвуковых волн во внешней среде. При этом частота работы датчика в режиме «на прием» в точности соответствует резонансной частоте системы «пьезоэлемент – протектор – донышко корпуса», а при работе в режиме «на генерацию» - частота ультразвукового датчика оказывается несколько ниже, вследствие того, что колебания донышка корпуса отчасти демпфируются внешней средой, служащей дополнительной нагрузкой возбуждающей системы датчика, генерирующей ультразвуковые волны.
Излучаемый таким прибором ультразвуковой пучок имеет диаграмму направленности, в которой энергия перераспределена: боковые лепестки имеют меньшую амплитуду, а центральный (рабочий) лепесток – повышенную амплитуду в сравнении с датчиком на основе дискового пьезоэлемента.
Из графиков, приведённых на фиг. 2, видно, что уровни лепестков первого порядка у датчиков с кольцевым преобразователем на ~ 10 % ниже уровней лепестков первого порядка для датчиков с дисковым преобразователем. Такой эффект подавления боковых лепестков первого порядка, при увеличении интенсивности колебаний в нулевом порядке, может быть использован для повышения чувствительности датчика.
Из диаграмм направленности, представленных на фиг. 3, видно, что при введении в датчик центрального отверстия его резонансная частота снижается. Для корректировки (повышения) резонансной частоты, внешний диаметр кольца датчика следует уменьшить. При этом, диаграмма направленности излучения датчика расширяется, что может быть использовано для увеличения динамического диапазона работы расходомера.
Таким образом, предложенное решение позволяет уменьшить величину внешнего диаметра кольцевого пьезоэлемента при той же центральной рабочей частоте.