RU2471155C1 - Ультразвуковой преобразователь расходомера - Google Patents
Ультразвуковой преобразователь расходомера Download PDFInfo
- Publication number
- RU2471155C1 RU2471155C1 RU2011130325/28A RU2011130325A RU2471155C1 RU 2471155 C1 RU2471155 C1 RU 2471155C1 RU 2011130325/28 A RU2011130325/28 A RU 2011130325/28A RU 2011130325 A RU2011130325 A RU 2011130325A RU 2471155 C1 RU2471155 C1 RU 2471155C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- housing
- setting
- damper
- matching layer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерения объема или массы жидкостей или газов путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком и измерением частоты фазового сдвига, времени распространения электромагнитных или других волн и может найти применение для измерения расхода жидкости или газа в напорных трубопроводах. Ультразвуковой преобразователь расходомера жидких и газовых сред в напорных трубопроводах содержит корпус, связанный с согласующим слоем, установленный внутри корпуса чувствительный элемент, связанный с демпфером. Внутри корпуса установлен частотозадающий резонансный элемент, связанный с чувствительным элементом, согласующим слоем и отделенный от корпуса изолятором. Технический результат - повышение демпфирующих свойств чувствительного элемента за счет усиления демпфирования сигнала путем увеличения площади соприкосновения частотозадающего элемента с демпфером и увеличения деформаций частотозадающего элемента, а также расширение спектра излучаемого сигнала за счет создания в частотозадающем элементе двух близких по частоте резонансов. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.
Description
Заявляемое изобретение относится к области измерений объема или массы жидкостей или газов путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком, и измерением частоты фазового сдвига, времени распространения электромагнитных или других волн, например, к ультразвуковым расходомерам и может найти применение для измерения расхода жидкости или газа в напорных трубопроводах.
Известен ультразвуковой преобразователь, международная заявка №2008/140998 с приоритетным номером US 20070746695 от 10.05.2007, опубл. 20.11.2008 г.
Ультразвуковой преобразователь с пластиковым согласующим слоем, состоящий из корпуса погружной части, согласующего слоя с излучающей поверхностью, пьезоэлемента, прижатого к согласующему слою по плоскости, заднего согласующего (демпфирующего) слоя и заднего упорного слоя. Поджатие осуществляется пружиной. Преобразователь содержит электрические контакты, которые соединяются с коннектором, расположенным в упорном слое. Коннектор обеспечивает электрическое соединение контактов с пьезоэлементом. Преобразователь крепится в измерительную часть посредством резьбы.
Недостатком такой конструкции преобразователя является невысокий коэффициент демпфирования пьезоэлемента вследствие небольшой площади контакта с демпфером. Также недостатком является отсутствие гибкости в выборе формы сигнала при импульсном возбуждении - сигнал будет иметь колоколообразную форму с частотой, соответствующей первой форме колебаний пьезоэлемента. Также недостатком является слабая акустическая развязка с корпусом измерительного прибора, так как генерирующий элемент почти напрямую связан с корпусом преобразователя (через согласующий слой и через демпфирующий и упорный слои), такой акустической развязки недостаточно для работы в средах с малым акустическим импедансом, например, в газах.
Указанная конструкция ультразвукового преобразователя выбрана заявителем в качестве прототипа.
Технической задачей предлагаемого изобретения, решаемой авторами, является повышение демпфирующих свойств чувствительного элемента за счет усиления демпфирования сигнала путем увеличения площади соприкосновения частотозадающего элемента с демпфером и увеличения деформаций частотозадающего элемента, а также расширение спектра излучаемого сигнала за счет создания в частотозадающем элементе двух близких по частоте резонансов.
Поставленная задача достигается тем, что в ультразвуковом преобразователе расходомера жидких и газовых сред в напорных трубопроводах, содержащем корпус, связанный с согласующим слоем, установленный внутри корпуса чувствительный элемент, связанный с демпфером, согласно изобретения, внутри корпуса установлен частотозадающий резонансный элемент, связанный с чувствительным элементом, демпфером, согласующим слоем и отделенный от корпуса изолятором.
Чувствительный элемент выполнен, например, из пьезокерамики.
Частотозадающий резонансный элемент выполнен в виде тонкостенного стакана.
Тонкостенный стакан выполнен, например, из металла.
Изолирующий элемент выполнен, например, в виде втулки.
Демпфер и изолирующий элемент выполнены, например, из компаунда.
Наличие частотозадающего резонансного элемента и его связь с демпфером, чувствительным элементом и согласующим слоем позволяет сформировать наилучшую для условий применения частотную характеристику преобразователя за счет подбора геометрических параметров пьезоэлемента и частотозадающего элемента, усиливать или уменьшать демпфирование сигнала за счет уменьшения или увеличения площади контакта демпфера и частотозадающего резонансного элемента. Например, можно практически нивелировать влияние чувствительного элемента на частотную характеристику преобразователя, применив чувствительный элемент в виде тонкой пластины (так как тонкая пластина практически не изменит приведенную жесткость и массу частотозадающего элемента). Наличие частотозадающего резонансного элемента также позволяет увеличить амплитуду звукового давления, излучаемого сигнала, за счет повышения амплитуды колебаний поверхности частотозадающего резонансного элемента, соприкасающегося с согласующим слоем, в сравнении с амплитудой колебания поверхности чувствительного элемента.
Наличие изолятора, отделяющего частотозадающий элемент и связанный с ним чувствительный элемент от корпуса преобразователя, позволяет сформировать оптимальную частотную характеристику ультразвукового преобразователя, за счет исключения из резонансной системы корпуса, имеющего существенную массу и жесткость. Также, за счет отделения частотозадающего элемента и связанного с ним чувствительного элемента от корпуса преобразователя, можно обеспечить улучшенную акустическую изоляцию от излучения/приема паразитных сигналов.
Выполнение чувствительного элемента, например, из пьезокерамики позволяет уменьшить габариты преобразователя.
Выполнение частотозадающего резонансного элемента в виде, например, тонкостенного стакана технологично и позволяет разместить в нем чувствительный элемент и демпфер для достижения усиления демпфирующего эффекта за счет увеличения поверхности контакта с демпфером.
Выполнение тонкостенного стакана, например, из металла технологично и придает повышенную жесткость конструкции.
Выполнение изолятора, например, в виде втулки из демпфирующего не электропроводного материала технологично и позволяет увеличить демпфирующий эффект и одновременно обеспечить электроизоляцию чувствительного элемента.
Выполнение демпфера и изолятора, например, из компаунда позволяет существенно упростить сборку преобразователя.
В результате проведенных патентных исследований не выявлено аналогичных технических решений, характеризуемых заявляемой совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение обладает «новизной» и «изобретательским уровнем», может найти применение при измерении объема или массы жидкостей или газов путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком, т.е. является «промышленно применимым».
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид расходомера с ультразвуковым преобразователем; на фиг.2 - ультразвуковой преобразователь в разрезе; на фиг.3, 4 - формы рабочих колебаний системы чувствительный элемент - частотозадающий элемент, рассчитанные методом конечных элементов; на фиг.5, 6 - осциллограмма и частотное представление (АЧХ) электрического отклика ультразвукового преобразователя на «дельта-импульс»; на фиг.7, 8 - осциллограмма и АЧХ фактического принятого сигнала, полученного с преобразователей, установленных в расходомер.
Расходомер содержит ультразвуковые преобразователи 1 и 2, которые предназначены, в основном, для времяимпульсных расходомеров. В таких расходомерах ультразвуковые преобразователи 1 и 2 чаще всего расположены под некоторым углом к проточной части 3 расходомера.
Ультразвуковой преобразователь 1 или 2 содержит корпус 4 с фланцем 5 для подсоединения к измерительному прибору (на фиг.1 не показано), согласующий слой 6, чувствительный элемент 7 (пьезоэлемент), демпфер 8, компенсатор 9, частотозадающий резонансный элемент 10, изолятор 11, электропровод 12 для подключения чувствительного элемента к измерительному прибору (на фиг. не показан).
Устройство работает следующим образом.
На чувствительный элемент 7 (пьезоэлемент) через подводящие провода 12 подается электрический импульс напряжения (величиной, обычно, 50-100 В). Под воздействием электрического напряжения чувствительный элемент (пьезоэлемент) деформируется и передает деформацию связанному с ним частотозадающему элементу 10. После релаксации вынужденной импульсом деформации механическая система «частотозадающий элемент 10 - чувствительный элемент 7 (пьезоэлемент)» начинает колебаться на частоте собственного резонанса. При наличии нескольких близких по частоте резонансов энергия колебаний может перетекать с одного резонанса на другой, т.е. могут возникать биения. Если форма колебаний частотозадающего элемента 10 такова, что происходят деформации в месте его соединения с согласующим слоем 6 в направлении акустической оси, то происходит излучение ультразвуковых волн через согласующий слой 6 в среду, в которой находится преобразователь. Так как частотозадающий элемент 10 связан с демпфером 8, основная энергия колебаний рассеивается в демпфере 8. Основные рабочие формы колебаний описываемой конструкции, рассчитанные методом конечных элементов, приведены на фиг.5, 6, приведены измеренные отклики на дельта-импульс, снятые с экспериментальных образцов преобразователей, электрический отклик позволяет наиболее точно проконтролировать возбуждающиеся в колебательной системе резонансы. Как видно из фиг.5, 6 основная энергия колебаний концентрируется как раз на частотах расчетных форм колебаний.
После излучения в среду звуковая волна распространяется по внутренней полости расходомера от одного преобразователя 1 к другому 2 (или, наоборот, от 2 к 1). После прохождения через согласующий слой 6 ультразвуковая волна попадает на частотозадающий элемент 10 и возбуждает в нем вынужденные колебания. При совпадении частот собственных резонансов частотозадающего элемента 10 с частотами падающей волны происходит усиление колебаний частотозадающего элемента 10 за счет резонансного эффекта. Так как частотозадающий элемент 10 связан с чувствительным элементом 7 (пьезоэлементом), они колеблются совместно и, следовательно, в чувствительном элементе 7 (пьезоэлементе) генерируются электрические импульсы. Осциллограмма и АЧХ сигнала, прошедшего тракт передающий преобразователь-воздух-приемный преобразователь, представлена на фиг.7, 8. На осциллограмме четко виден эффект резонансного усиления принимаемого сигнала, выраженный в плавном нарастании амплитуды колебаний. На осциллограмме также четко видны биения, позволяющие существенно уменьшить ошибку измерения времени прихода сигнала за счет эффективного сжатия (укорочения) сигнала, для примера на том же графике пунктиром представлена огибающая сигнала в случае отсутствия биений - одночастотный сигнал.
Таким образом, заявляемая конструкция ультразвукового преобразователя расходомера позволяет повысить демпфирующие свойства чувствительного элемента за счет усиления демпфирования сигнала путем увеличения площади соприкосновения частотозадающего элемента с демпфером и увеличения деформаций частотозадающего элемента, а также расширить спектр излучаемого сигнала за счет создания в частотозадающем элементе двух близких по частоте резонансов.
Claims (6)
1. Ультразвуковой преобразователь расходомера жидких и газовых сред в напорных трубопроводах, содержащий корпус, связанный с согласующим слоем, установленный внутри корпуса чувствительный элемент, связанный с демпфером, отличающийся тем, что внутри корпуса установлен частотозадающий резонансный элемент, связанный с чувствительным элементом, согласующим слоем и отделенный от корпуса изолятором.
2. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен, например, из пьезокерамики.
3. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что частотозадающий резонансный элемент выполнен в виде тонкостенного стакана.
4. Ультразвуковой преобразователь по п.3, отличающийся тем, что тонкостенный стакан выполнен, например, из металла.
5. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что изолятор выполнен, например, в виде втулки.
6. Ультразвуковой преобразователь по каждому из пп.1 и 5, отличающийся тем, что демпфер и изолятор выполнены, например, из компаунда.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011130325/28A RU2471155C1 (ru) | 2011-07-20 | 2011-07-20 | Ультразвуковой преобразователь расходомера |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011130325/28A RU2471155C1 (ru) | 2011-07-20 | 2011-07-20 | Ультразвуковой преобразователь расходомера |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2471155C1 true RU2471155C1 (ru) | 2012-12-27 |
Family
ID=49257543
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011130325/28A RU2471155C1 (ru) | 2011-07-20 | 2011-07-20 | Ультразвуковой преобразователь расходомера |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2471155C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2566536C2 (ru) * | 2013-01-28 | 2015-10-27 | Кроне Аг | Ультразвуковой преобразователь |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030084732A1 (en) * | 2001-09-14 | 2003-05-08 | Sick Ag | Apparatus for measuring the velocity and/or through-flow of a fluid |
JP2006279128A (ja) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 超音波送受信器 |
US20070035212A1 (en) * | 2005-08-12 | 2007-02-15 | Daniel Measurement And Control, Inc. | Transducer assembly for an ultrasonic fluid meter |
RU2008109058A (ru) * | 2005-08-12 | 2009-09-20 | Дениел Мэжэмэнт Энд Кэнтроул, Инк. (US) | Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя для него и способ замены блока преобразователя |
-
2011
- 2011-07-20 RU RU2011130325/28A patent/RU2471155C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030084732A1 (en) * | 2001-09-14 | 2003-05-08 | Sick Ag | Apparatus for measuring the velocity and/or through-flow of a fluid |
JP2006279128A (ja) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 超音波送受信器 |
US20070035212A1 (en) * | 2005-08-12 | 2007-02-15 | Daniel Measurement And Control, Inc. | Transducer assembly for an ultrasonic fluid meter |
RU2008109058A (ru) * | 2005-08-12 | 2009-09-20 | Дениел Мэжэмэнт Энд Кэнтроул, Инк. (US) | Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя для него и способ замены блока преобразователя |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2566536C2 (ru) * | 2013-01-28 | 2015-10-27 | Кроне Аг | Ультразвуковой преобразователь |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4034730B2 (ja) | 液面測定装置 | |
JP2918102B2 (ja) | 超音波変換器 | |
CN109073431B (zh) | 应用于超声流量测量装置或超声料位测量装置的超声换能器 | |
JP6172533B2 (ja) | 超音波送受波器およびそれを備えた超音波流量計 | |
JP3104956B2 (ja) | 混合ガスの音響分析装置と方法 | |
JP5659956B2 (ja) | 超音波送受波器及び超音波流量計 | |
US7731420B2 (en) | Measuring device and method for determining temperature and/or pressure using measuring device | |
KR101012767B1 (ko) | 자기변형 진동자를 이용한 용기부 내의 압력측정장치 | |
JP2009271051A (ja) | 音響インピーダンス整合層を用いた容器部内の圧力測定装置(Pressuremeasuringapparatusinsideavesselusingacousticimpedancematchinglayers) | |
WO2014073181A1 (ja) | 超音波流量計 | |
JP2018520547A (ja) | 金属性保護構造を有する超音波トランスデューサのためのインピーダンス整合層 | |
RU169297U1 (ru) | Накладной преобразователь электроакустический к ультразвуковым расходомерам | |
CN107306372B (zh) | 具有放射元件的超声波换能器 | |
CN114111927B (zh) | 一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器 | |
RU2471155C1 (ru) | Ультразвуковой преобразователь расходомера | |
KR102167810B1 (ko) | 초음파 유량계 | |
KR101116165B1 (ko) | 병렬 랑지방 배열 압전소자 이용 초음파 변환기, 그 초음파 변환기의 제조방법, 그 초음파 변환기를 이용한 초음파 변환방법 | |
CN214471088U (zh) | 超声波流量计振子及超声波流量计 | |
JP6149250B2 (ja) | 超音波流量計 | |
JP5533332B2 (ja) | 超音波流速流量計 | |
JP6179343B2 (ja) | 超音波プローブ | |
JP2012018030A (ja) | 超音波センサの取り付け構造およびそれを用いた超音波流量計測装置 | |
US20200191627A1 (en) | Measuring device for determining a fluid variable | |
JP2010249788A (ja) | 気体用超音波流量計 | |
WO1992001521A1 (en) | Ultrasonic electro-acoustic transducers |