Пьезоэлектрический преобразователь

 

Изобретение относится к измерительным устройствам и предназначено для работы в ультразвуковых расходомерах. Сущность изобретения: пьезоэлектрический преобразователь содержит корпус, пьезоэлемент, протектор и модератор, выполненный из серебра и размещенный между пьезоэлементом и протектором. Толщина модератора составляет 20-40 мкм, а диаметр выбирается в интервале между диаметрами протектора и пьезоэлемента. Технический результат: расширение интервала рабочих температур и применение для измерения расхода жидких сред в изделиях ракетно-космической техники. 1 ил.

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в ультразвуковых расходомерах для измерения расхода жидких сред.

Известен пьезоэлектрический преобразователь ультразвукового расходомера, включающий корпус, пьезоэлемент, демпфер и протектор [1]. Устройство используется в системах, контролирующих расход воды, нефтепродуктов и т.п. Однако известное устройство имеет невысокую надежность из-за сложной конструкции и не может быть применено в системах с широким интервалом рабочих температур, так как содержит элементы с невысокой теплостойкостью и с различными температурными коэффициентами линейного расширения.

Наиболее близким аналогом является пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезоэлемент, корпус, изолятор, демпфер и протектор, причем изолятор, демпфер и протектор выполнены в виде единого блока из композитного материала на основе эпоксидной смолы [2]. Устройство имеет простую конструкцию и надежно в работе, но верхняя граница интервала рабочих температур устройства ограничена пределом теплостойкости композиционного материала и не может быть поднята выше 150^oС.

Заявляемый в качестве изобретения пьезоэлектрический преобразователь позволяет значительно расширить интервал рабочих температур ультразвукового расходомера и применить его в изделиях ракетно-космической техники.

Указанный технический эффект достигается тем, что пьезоэлектрический преобразователь, содержащий корпус, в котором размещен пьезоэлемент, и установленный между пьезоэлементом и корпусом протектор, содержит размещенный между пьезоэлементом и протектором модератор, выполненный в виде пластины из серебра, толщина которой составляет 20-40 мкм, а диаметр определяется из условия D_пэ<D<D, где D_ПЭ - диаметр пьезоэлемента, D_М - диаметр модератора, D_ПР - диаметр протектора.

Создание пьезоэлектрического преобразователя стало возможным благодаря введению в конструкцию устройства нового элемента - модератора и выбору материала для его изготовления - серебра. В измерителе расхода жидких сред при температурах до 300^oС должны использоваться высокотемпературные пьезокерамические материалы, эффективно поляризованные для получения высокого коэффициента электромеханического преобразования. Поляризации должно предшествовать жесткое соединение пьезоэлемента и протектора, так как операция соединения пьезоэлемента и протектора, проводимая при высокой температуре, неизбежно деполяризует предварительно поляризованный пьезоэлемент. В процессе поляризации в пьезоэлементе возникают механические напряжения, которые в свободном пьезоэлементе приводят к изменению его размеров, а в жестко соединенном с протектором - к концентрации механических напряжений в переходном слое между пьезоэлементом и протектором. Следствием этого может быть отрыв пьезоэлемента от протектора или возникновение микротрещин в пьезоэлементе, которые приводят к разрушению пьезоэлемента в процессе поляризации или в процессе эксплуатации.

Введение в состав устройства модератора из серебра позволяет существенно ослабить механические напряжения, возникающие при поляризации. Причиной этого ослабления является обнаруженная авторами изобретения пластическая деформация модератора в плоскости соединения с пьезоэлементом. Деформация объясняется низким пределом текучести серебра [3, 4]. В других технических применениях серебра эта характеристика считается недостатком, ограничивающим его применение в качестве конструкционного материала. В данном применении авторами изобретения использован положительный эффект низкого предела текучести серебра, равного 30 МПа - самого низкого из всех высокотемпературных материалов. Оптимальный эффект достигнут при толщине модератора 20-40 мкм и диаметре модератора, выбираемом в интервале между диаметрами пьезоэлемента и протектора.

Таким образом, введением в состав устройства модератора из серебра достигается основной технический эффект изобретения - существенное увеличение рабочей температуры ультразвукового расходомера.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежом, где изображен общий вид пьезоэлектрического преобразователя.

Устройство содержит корпус 1, в котором размещен пьезоэлемент 2. Между корпусом 1 и пьезоэлементом 2 последовательно размещены протектор 3 и модератор 4, жестко соединенные между собой. Пьезоэлемент 2 электрически соединен с кабелем 5.

Пьезоэлемент 2 выполнен в виде диска из пьезокерамики ЦТС-83Г с электродами на торцах из вожженного серебра и содержит на одном из торцов 10 пропилов 6 на глубину, равную 2/3 толщины. Наличие пропилов 6 позволяет подавить радиальную моду колебаний и обеспечить моночастотность амплитудно-частотной характеристики без демпфирования и снижения добротности. Фактически пьезоэлемент работает как 11 отдельных резонаторов, не связанных механически между собой.

Корпус 1 и протектор 3 выполнены из прецизионного сплава 29НК с заданным коэффициентом теплового расширения, который близок по тепловому расширению к пьезокерамике ЦТС-83Г.

Модератор 4 выполнен из серебряной фольги марки 999,9 толщиной 30 мкм.

Соединение модератора 4 с пьезоэлементом 2 и протектором 3 выполняется термодиффузионной сваркой в вакууме при температуре 650^oС с приложением давления 1 МПа.

Поляризация пьезоэлемента 2, соединенного с модератором 4 и протектором 3, производится приложением электрического поля с напряженностью 3 МВ/м при температуре 220^oС и давлении в поляризационной камере 0,5 МПа, с охлаждением под полем в течение 40 минут.

Устройство работает следующим образом. При подаче рабочего импульса на пьезоэлемент 2 звуковая волна через модератор 4 и протектор 3 проходит в контролируемую среду. Наличие пропилов в пьезоэлементе 2 обеспечивает более высокие значения коэффициента передачи преобразователя в режиме приема-передачи. Это объясняется тем, что эффективность работы пьезоэлемента повышается примерно на 20% при переходе от толщинных колебаний протяженной пластины к продольным колебаниям стержня. Этот эффект обусловлен тем, что в первом случае работает толщинный коэффициент электромеханической связи K_t, а во втором - продольный К₃₃. Введение в преобразователь нового элемента - модератора позволило реализовать на практике теоретические преимущества новой конструкции пьезоэлемента. При испытаниях в режиме приема получен сигнал с амплитудой, равной 0,1 от амплитуды возбуждающего импульса на расстоянии 280 мм, что вдвое превышает чувствительность аналогов.

Оптимальное сочетание механических характеристик материала модератора позволило реализовать на практике преимущества высокотемпературного пьезокерамического материала и новой конструкции пьезоэлемента, работающего на продольных колебаниях.

Преимущества предлагаемого пьезоэлектрического преобразователя позволяют существенно расширить интервал рабочих температур ультразвукового расходомера и применить его для измерения расхода жидких энергоносителей при температурах до 300^oС в изделиях ракетно-космической техники.

Источники информации 1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. - Л.: Машиностроение, 1974, стр. 526-528.

2. Патент РФ 1738376. Кл. В 06 В 1/06. Ультразвуковой преобразователь Марьина. // Изобретения. 1992. 21.

3. Справочник по сопротивлению материалов / Под ред. Писаренко Г.С. - Киев.: Наук. Думка, 1988, стр. 147, 644.

4. Материалы в приборостроении и автоматике. Справочник./ Под ред. Пятина Ю.М. - М.: Машиностроение, 1982, стр. 281, 285, 296.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий корпус, в котором размещен пьезоэлемент и установленный между пьезоэлементом и корпусом протектор, отличающийся тем, что между пьезоэлементом и протектором размещен модератор, выполненный в виде пластины из серебра, толщина модератора составляет 20-40 мкм, а диаметр модератора D_м определяется из условия D_пэ<D<D, где D_пэ - диаметр пьезоэлемента, D_пр - диаметр протектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1