RU238828U1

RU238828U1 - Surface-mounted ultrasonic transducer

Info

Publication number: RU238828U1
Application number: RU2025125397U
Authority: RU
Inventors: Максим Николаевич Карпов
Original assignee: Максим Николаевич Карпов
Filing date: 2025-09-15
Publication date: 2025-11-13

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к ультразвуковым преобразователям накладного типа. Ультразвуковой преобразователь накладного типа, содержащий пластиковый корпус в виде клина, пьезоэлемент, демпфер пьезоэлемента, крышку, прижимную пластину, плату печатную, установленную в полости корпуса, на которой установлены электронные компоненты, включающие катушку индуктивности, при этом в состав электронных компонентов включен терморезистор, подключенный параллельно к пьезоэлементу, а токоограничивающий резистор соединен с катушкой индуктивности последовательно и представляют собой единую электрическую цепь. Техническая проблема заключается в разработке ультразвукового преобразователя накладного типа, обеспечивающего надежность и точность измерения расхода за счет учета зависимости скорости звука в пластиковом корпусе от температуры. Технический результат заключается в повышении точности измерения расхода за счет учета зависимости скорости звука в пластиковом корпусе от температуры. This utility model relates to measurement technology, specifically to clamp-on ultrasonic transducers. The clamp-on ultrasonic transducer comprises a wedge-shaped plastic housing, a piezoelectric element, a piezoelectric damper, a cover, a pressure plate, and a printed circuit board mounted within the housing cavity. The printed circuit board contains electronic components, including an inductor. The electronic components include a thermistor connected in parallel to the piezoelectric element, and a current-limiting resistor connected in series with the inductor, forming a single electrical circuit. The technical problem is to develop a clamp-on ultrasonic transducer that ensures reliable and accurate flow measurement by taking into account the dependence of the speed of sound in the plastic housing on temperature. The technical result consists of increasing the accuracy of flow measurement by taking into account the dependence of the speed of sound in the plastic housing on temperature.

Description

Область техникиField of technology

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к ультразвуковым преобразователям накладного типа.The utility model relates to the field of measuring technology, in particular to clamp-on ultrasonic transducers.

Уровень техникиState of the art

Известен ультразвуковой измерительный преобразователь, содержащий корпус с размещенным в нем металлическим звукопередающим узлом, выполненным в форме клина с наклеенным на нем пьезоэлементом, отличающийся тем, что наибольшая прямоугольная грань звукопередающего узла выполнена в виде подошвы, наружные размеры которой выступают за габариты узла и в пределах допусков на изготовление совпадают с внутренними размерами среза стенок корпуса, причем подошва узла соединена с корпусом пайкой, а нижний срез подошвы выступает ниже плоскости среза стенок корпуса на величину, обеспечивающую плотное соприкосновение подошвы со стенкой трубопровода, на котором монтируется модель (патент RU 1143, опубл. 16.11.1995).An ultrasonic measuring transducer is known, comprising a housing with a metal sound-transmitting unit placed therein, made in the form of a wedge with a piezoelectric element glued to it, characterized in that the largest rectangular face of the sound-transmitting unit is made in the form of a base, the external dimensions of which protrude beyond the dimensions of the unit and, within the limits of manufacturing tolerances, coincide with the internal dimensions of the cut of the walls of the housing, wherein the base of the unit is connected to the housing by soldering, and the lower cut of the base protrudes below the plane of the cut of the walls of the housing by an amount that ensures tight contact of the base with the wall of the pipeline on which the model is mounted (patent RU 1143, published 16.11.1995).

Причины, по которым нельзя достичь технического результата является то, что сильная зависимость параметров преобразователя от температуры.The reason why the technical result cannot be achieved is that the converter parameters are strongly dependent on temperature.

Известно устройство для измерения расхода газа в трубопроводе, состоящее из пары накладных ультразвуковых преобразователей для возбуждения в трубопроводе волны Лэмба, отличающееся тем, что пьезопластины и звукопроводы имеют кольцевую конструкцию, а звукопроводы состоят из цилиндрической части, торцевая поверхность которой сопрягается с рабочей плоскостью пьезопластины, и конусной части, обеспечивающей поворот цилиндрического ультразвукового пучка и ввод его в стенку трубы под необходимым углом (патент RU 2583167, опубл. 10.05.2016).A device is known for measuring gas flow in a pipeline, consisting of a pair of clamp-on ultrasonic transducers for exciting a Lamb wave in the pipeline, characterized in that the piezoelectric plates and sound pipes have a ring-shaped design, and the sound pipes consist of a cylindrical part, the end surface of which is conjugated with the working plane of the piezoelectric plate, and a conical part that ensures the rotation of the cylindrical ultrasonic beam and its introduction into the pipe wall at the required angle (patent RU 2583167, published 10.05.2016).

Причины, по которым нельзя достичь технического результата является то, что из-за различия коэффициентов теплового расширения трубопровода и обхватывающего кольцевого звукопровода при изменениях температуры происходит изменение геометрии, что влияет на акустический контакт, вплоть до его полной потери. Кроме того, отсутствие демпфирующего и согласующего слоев не позволяет оптимизировать амплитуду и уровень шумов преобразователя, что сказывается на надежности и точности измерения расхода.The technical result cannot be achieved because the difference in the thermal expansion coefficients of the pipeline and the enclosing ring acoustic duct causes geometry changes with temperature changes, affecting acoustic contact, sometimes even completely losing it. Furthermore, the lack of damping and matching layers prevents optimization of the transducer's amplitude and noise level, which impacts the reliability and accuracy of flow measurement.

Известен накладной преобразователь электроакустический к ультразвуковым расходомерам, содержащий корпус из пластика с крышкой, выполненный в виде клина, и установленные в корпусе пьезоэлемент с токоподводами, направленный приемо-излучающей поверхностью в сторону клина, демпфер, примыкающий к задней поверхности пьезоэлемента, прижимную пластину, отличающийся тем, что в него дополнительно введены термокомпенсатор, расположенный между демпфером и прижимной пластиной, и акустический согласователь, связанный с приемо-излучающей поверхностью пьезоэлемента и клином, взятый за прототип (патент RU № 169297, опубл. 14.03.2017).A known clip-on electroacoustic transducer for ultrasonic flow meters comprises a plastic housing with a cover made in the form of a wedge, and a piezoelectric element with current leads installed in the housing, directed with the receiving-emitting surface towards the wedge, a damper adjacent to the rear surface of the piezoelectric element, a pressure plate, characterized in that a temperature compensator located between the damper and the pressure plate, and an acoustic matcher connected to the receiving-emitting surface of the piezoelectric element and the wedge, taken as a prototype, are additionally introduced into it (RU patent No. 169297, published 03/14/2017).

Причины, по которым нельзя достичь технического результата является то, что хотя термокомпенсатор и компенсирует тепловое расширение элементов, снижая погрешности, связанные с влиянием температуры, и стабилизируя параметры пьезоэлемента, такие как резонансная частота, начальная поляризация, но все же при этом не учитывается влияние изменений температуры пластикового корпуса в виде клина на точность показаний. При изменении температуры пластикового корпуса происходит изменение скорости распространения ультразвука в корпусе и вследствие этого изменение угла преломления ультразвукового луча на границе корпуса преобразователя и стенки трубопровода. Траектория акустического пучка от излучающего преобразователя до принимающего меняется как по потоку, так и против потока и по этой причине возникает ошибка расчета расхода, что сказывается на надежности и точности измерения расхода.The reason the technical result cannot be achieved is that, although the temperature compensator compensates for the thermal expansion of the elements, reducing temperature-related errors and stabilizing piezoelectric element parameters such as resonant frequency and initial polarization, it does not take into account the effect of temperature changes in the wedge-shaped plastic housing on the accuracy of readings. When the temperature of the plastic housing changes, the speed of ultrasound propagation in the housing changes, and as a result, the angle of refraction of the ultrasonic beam at the boundary of the transducer housing and the pipeline wall changes. The trajectory of the acoustic beam from the transmitting transducer to the receiving transducer changes both with and against the flow, causing flow calculation errors, which impacts the reliability and accuracy of flow measurement.

Раскрытие сущности полезной моделиDisclosure of the essence of the utility model

Техническая проблема заключается в разработке ультразвукового преобразователя накладного типа обеспечивающего надежность и точность измерения расхода за счет учета зависимости скорости звука в пластиковом корпусе от температуры.The technical challenge is to develop a clamp-on ultrasonic transducer that ensures reliable and accurate flow measurement by taking into account the dependence of the speed of sound in a plastic housing on temperature.

Технический результат заключается в повышении точности измерения расхода за счет учета зависимости скорости звука в пластиковом корпусе по температуры.The technical result consists in increasing the accuracy of flow measurement by taking into account the dependence of the speed of sound in a plastic housing on temperature.

Технический результат достигается тем, что ультразвуковой преобразователь накладного типа, содержащий пластиковый корпус в виде клина, пьезоэлемент, демпфер пьезоэлемента, крышку, прижимную пластину, плату печатную, установленную в полости корпуса, на которой установлены электронные компоненты, включающие катушку индуктивности, при этом в состав электронных компонентов включен терморезистор, подключенный параллельно к пьезоэлементу, а токоограничивающий резистор соединен с катушкой индуктивности последовательно и представляют собой единую электрическую цепь.The technical result is achieved in that the ultrasonic transducer is of a surface-mounted type, containing a plastic housing in the form of a wedge, a piezoelectric element, a piezoelectric element damper, a cover, a pressure plate, a printed circuit board installed in the cavity of the housing, on which electronic components are installed, including an inductance coil, wherein the electronic components include a thermistor connected in parallel to the piezoelectric element, and a current-limiting resistor is connected to the inductance coil in series and represent a single electrical circuit.

Описание чертежейDescription of drawings

На фиг. 1 представлен ультразвуковой преобразователь накладного типа, Fig. 1 shows a surface-mounted ultrasonic transducer,

где 1 - пластиковый корпус в форме клина;where 1 is a plastic wedge-shaped housing;

2 - плоскость клина;2 - wedge plane;

3 - наклонная плоскость клина;3 - inclined plane of the wedge;

4 - пьезоэлемент;4 - piezoelectric element;

5 - приемо-излучающая поверхность пьезоэлемента;5 - receiving and emitting surface of the piezoelectric element;

6 - демпфер;6 - damper;

7 - токоподводы пьезоэлемента;7 - piezoelectric element current leads;

8 - печатная плата;8 - printed circuit board;

9 - кабель;9 - cable;

10 - разъем;10 - connector;

11. прижимная пластина;11. pressure plate;

12 - крышка.12 - lid.

На фиг. 2. представлена электрическая схема, Fig. 2 shows the electrical circuit,

где 13 - катушка индуктивности;where 13 is the induction coil;

14 - токоограничивающий резистор;14 - current-limiting resistor;

15 - терморезистор.15 - thermistor.

На фиг. 3 представлены два одинаковых ультразвуковых преобразователя накладного типа, установленные на трубопровод, Fig. 3 shows two identical ultrasonic transducers of the clamp-on type installed on a pipeline,

где 16 - первый ультразвуковой преобразователь накладного типа;where 16 is the first ultrasonic transducer of the clamp-on type;

17 - второй ультразвуковой преобразователь накладного типа;17 - second ultrasonic transducer of the overhead type;

18 - трубопровод;18 - pipeline;

19 - клин корпуса первого преобразователя;19 - wedge of the first converter housing;

20 - клин корпуса второго преобразователя;20 - wedge of the second converter housing;

21 - терморезистор первого ультразвукового преобразователя;21 - thermistor of the first ultrasonic transducer;

22 - терморезистор второго ультразвукового преобразователя.22 - thermistor of the second ultrasonic transducer.

Ультразвуковой преобразователь накладного типа для расходомера, содержащий пластиковый корпус 1 в форме клина (фиг. 1). Клин образован плоскостью 2 и наклонной к ней плоскостью 3. На наклонной плоскости 3 установлен пьезоэлемент 4, сопрягаясь с ней приемо-излучающей поверхностью 5. Демпфер 6 закреплен на задней поверхности пьезоэлемента и предназначен для демпфирования излучения с задней поверхности пьезоэлемента с целью уменьшения шумовых отражений. Токоподводы 7 пьезоэлемента подключены к печатной плате 8, связанной кабелем 9 через разъем 10 с устройством обработки информации (не показано), в котором генерируются импульсы для пьезоэлемента в режиме излучения ультразвукового измерительного сигнала, а также обрабатываются сигналы с пьезоэлемента в режиме приема. Демпфер 6 поджат к пьезоэлементу прижимной пластиной 11. Корпус 1 снабжен крышкой 12. На печатной плате в соответствии с фиг. 2 установлены электронные компоненты, в состав которых входит катушка индуктивности 13, токоограничивающий резистор 14, соединенные последовательно с пьезоэлементом 4. Катушка индуктивности 13, подбирается в зависимости от параметров пьезоэлемента из условия наилучшей эффективности передачи акустической энергии.An ultrasonic transducer of a clamp-on type for a flow meter, comprising a plastic housing 1 in the form of a wedge (Fig. 1). The wedge is formed by a plane 2 and a plane 3 inclined thereto. A piezoelectric element 4 is mounted on the inclined plane 3, mating with it by a receiving-emitting surface 5. A damper 6 is fixed on the rear surface of the piezoelectric element and is intended for damping radiation from the rear surface of the piezoelectric element in order to reduce noise reflections. Current leads 7 of the piezoelectric element are connected to a printed circuit board 8, connected by a cable 9 through a connector 10 with a data processing device (not shown), in which pulses are generated for the piezoelectric element in the ultrasonic measuring signal emission mode, and signals from the piezoelectric element in the receiving mode are processed. Damper 6 is pressed against the piezoelectric element by a pressure plate 11. The housing 1 is provided with a cover 12. On the printed circuit board, in accordance with Fig. 2 electronic components are installed, which include an inductance coil 13, a current-limiting resistor 14, connected in series with a piezoelectric element 4. The inductance coil 13 is selected depending on the parameters of the piezoelectric element from the condition of the best efficiency of acoustic energy transmission.

В пластиковом корпусе 1 установлен терморезистор 15, выводы которого подключены к печатной плате с электронными компонентами параллельно пьезоэлементу 4. Измерение сопротивления терморезистора производится в устройстве обработки информации (на чертежах не изображено) посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП) по известным методикам с использованием схемы моста Уитстона или схемы делителя напряжения.A thermistor 15 is installed in a plastic housing 1, the terminals of which are connected to a printed circuit board with electronic components parallel to a piezoelectric element 4. The resistance of the thermistor is measured in an information processing device (not shown in the drawings) using an analog-to-digital converter (ADC) according to known methods using a Wheatstone bridge circuit or a voltage divider circuit.

Осуществление полезной моделиImplementation of a utility model

Устройство работает следующим образом. The device works as follows.

Измерение расхода среды, например жидкости, производится известным времяимпульсным методом. Для этого (фиг. 3) два одинаковых ультразвуковых преобразователя накладного типа 16 и 17 устанавливают на наружной поверхности трубопровода 18 с помощью любых известных элементов крепления. Между ультразвуковыми преобразователями выдерживается расчетное расстояние L, которое определяют в зависимости от диаметра трубопровода 18, толщины его стенки, а также скоростей распространения ультразвука в клине корпуса 19 преобразователя 16, клине корпуса 20 преобразователя 17, материале стенки трубопровода и в измеряемой среде.Flow measurement of a medium, such as a liquid, is performed using the known time-pulse method. For this purpose (Fig. 3), two identical clamp-on ultrasonic transducers 16 and 17 are mounted on the outer surface of a pipeline 18 using any known fastening elements. A calculated distance L is maintained between the ultrasonic transducers, determined based on the diameter of the pipeline 18, its wall thickness, and the ultrasonic propagation velocities in the wedge of the housing 19 of the transducer 16, the wedge of the housing 20 of the transducer 17, the pipeline wall material, and the measured medium.

Для генерации ультразвукового волнового пакета в среде на вход предлагаемого ультразвукового преобразователя накладного типа 16 (фиг. 3) из устройства обработки информации подается напряжение в виде последовательности прямоугольных импульсов разной полярности. Преобразователь 16 излучает измерительный сигнал, который принимается преобразователем 17, проходя путь от точки А до точки Б, преломляясь последовательно на поверхностях контакта клина корпуса 19, клина корпуса 20, стенки трубопровода и среды. Время прохождения сигнала от точки А до точки Б (по ходу потока) запоминается устройством обработки информации, и далее в роли передатчика выступает ультразвуковой преобразователь 17, который излучает измерительный импульс против потока. Этот импульс принимается ультразвуковым преобразователем 16 и определяется время прохождения акустического луча от точки Б к точке А. По разнице интервалов времени передачи измерительных импульсов по потоку и против потока устройство обработки информации вычисляет расход среды, который пропорционален этой разнице.To generate an ultrasonic wave packet in a medium, a voltage in the form of a sequence of rectangular pulses of different polarity is supplied from the data processing device to the input of the proposed clamp-on ultrasonic transducer 16 (Fig. 3). Transducer 16 emits a measuring signal, which is received by transducer 17, passing a path from point A to point B, refracting successively at the contact surfaces of the housing wedge 19, housing wedge 20, the pipeline wall and the medium. The signal transit time from point A to point B (in the direction of flow) is stored by the data processing device, and then ultrasonic transducer 17 acts as a transmitter, emitting a measuring pulse against the flow. This pulse is received by ultrasonic transducer 16, and the transit time of the acoustic beam from point B to point A is determined. Based on the difference in the transmission time intervals of the measuring pulses along and against the flow, the data processing device calculates the flow rate of the medium, which is proportional to this difference.

При изменении температуры корпусов 19 и 20 преобразователей 16 и 17 изменяется скорость звука в материале корпусов и углы преломления акустического луча на поверхностях контакта клина корпуса 19, клина корпуса 20, стенки трубопровода и среды. Вследствие этого меняется траектория ультразвукового пучка как показано на фиг. 3 пунктирной линией. Для пересчета траектории производится измерение сопротивления терморезисторов 21 и 22 в каждом из корпусов и определение их температуры в промежутках между подачей импульсов с генератора на пьезоэлементы. Терморезисторы имеют сопротивление порядка 10 кОм. Импеданс схемы электроакустического преобразователя на частоте резонанса имеет значение порядка 100 Ом. Поэтому, при генерировании пакетов импульсов с числом менее десяти, частотой порядка 10 Гц и длительностью импульса 1 мкс, ток через терморезисторы 21 и 22 практически не течет, и они практически не нагреваются, чем минимизируется вносимая погрешность от этого.When the temperature of housings 19 and 20 of transducers 16 and 17 changes, the speed of sound in the housing material and the refraction angles of the acoustic beam at the contact surfaces of housing wedge 19, housing wedge 20, the pipeline wall, and the medium change. As a result, the ultrasonic beam trajectory changes, as shown by the dotted line in Fig. 3. To recalculate the trajectory, the resistance of thermistors 21 and 22 in each housing is measured and their temperature is determined between pulses sent from the generator to the piezoelectric elements. The thermistors have a resistance of approximately 10 kOhm. The impedance of the electroacoustic transducer circuit at the resonant frequency is approximately 100 Ohm. Therefore, when generating pulse packets with a number less than ten, a frequency of about 10 Hz and a pulse duration of 1 μs, the current through thermistors 21 and 22 practically does not flow, and they practically do not heat up, which minimizes the error introduced from this.

Устройство обработки информации выполняет пересчет скорости и траектории луча, зависящих от температуры и по измеренным интервалам времени прохождения ультразвукового импульса в направлении потока и против потока определяет расход с учетом измеренной температуры и изменившейся скорости распространения ультразвука в пластиковых корпусах обоих ультразвуковых преобразователей. Это позволяет повысить точность измерения расхода. The data processing device recalculates the beam velocity and trajectory, depending on temperature, and, based on the measured time intervals of ultrasonic pulse propagation in the direction of and against the flow, determines the flow rate, taking into account the measured temperature and the changed ultrasound propagation speed in the plastic housings of both ultrasonic transducers. This improves the accuracy of flow measurement.

Claims

An ultrasonic transducer of a surface type, comprising a plastic housing in the form of a wedge, a piezoelectric element, a piezoelectric element damper, a cover, a pressure plate, a printed circuit board installed in the cavity of the housing, on which electronic components are mounted, including an inductance coil, characterized in that the electronic components include a thermistor connected in parallel to the piezoelectric element, and a current-limiting resistor connected to the inductance coil in series and represent a single electrical circuit.