Пьезопреобразователи для ультразвуковых уровнемеров

Получены соотношения для расчета преобразователя с высокой модой изгибных колебаний. В преобразователе применяется многослойное согласующее покрытие. В результате обеспечивается возможность определения уровней до 61 м, а амплитуда колебательной скорости на рабочей поверхности достигает величины, дос...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автор:	Найда, С.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2012
Назва видання:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102560
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Пьезопреобразователи для ультразвуковых уровнемеров / С.А. Найда // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2012. — № 4. — С. 9-13. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-102560
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1025602016-06-13T03:03:57Z Пьезопреобразователи для ультразвуковых уровнемеров Найда, С.А. Научно-технический раздел Получены соотношения для расчета преобразователя с высокой модой изгибных колебаний. В преобразователе применяется многослойное согласующее покрытие. В результате обеспечивается возможность определения уровней до 61 м, а амплитуда колебательной скорости на рабочей поверхности достигает величины, достаточной для ее самоочищения. Relationships were derived for design of transducers with a high mode of bending vibrations. A multilayered matching coating is used in the transducer. As a result, the possibility of determination of up to 61 m levels is provided, and the amplitude of vibrational speed on the working surface reaches the value sufficient for its self-cleaning. 2012 Article Пьезопреобразователи для ультразвуковых уровнемеров / С.А. Найда // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2012. — № 4. — С. 9-13. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0235-3474 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102560 534.134 ru Техническая диагностика и неразрушающий контроль Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Найда, С.А. Пьезопреобразователи для ультразвуковых уровнемеров Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	Получены соотношения для расчета преобразователя с высокой модой изгибных колебаний. В преобразователе применяется многослойное согласующее покрытие. В результате обеспечивается возможность определения уровней до 61 м, а амплитуда колебательной скорости на рабочей поверхности достигает величины, достаточной для ее самоочищения.
format	Article
author	Найда, С.А.
author_facet	Найда, С.А.
author_sort	Найда, С.А.
title	Пьезопреобразователи для ультразвуковых уровнемеров
title_short	Пьезопреобразователи для ультразвуковых уровнемеров
title_full	Пьезопреобразователи для ультразвуковых уровнемеров
title_fullStr	Пьезопреобразователи для ультразвуковых уровнемеров
title_full_unstemmed	Пьезопреобразователи для ультразвуковых уровнемеров
title_sort	пьезопреобразователи для ультразвуковых уровнемеров
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102560
citation_txt	Пьезопреобразователи для ультразвуковых уровнемеров / С.А. Найда // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2012. — № 4. — С. 9-13. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT najdasa pʹezopreobrazovatelidlâulʹtrazvukovyhurovnemerov
first_indexed	2025-07-07T12:29:58Z
last_indexed	2025-07-07T12:29:58Z
_version_	1836991275244453888
fulltext	УДК 534.134 ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ УРОВНЕМЕРОВ С. А. НАЙДА, д-р техн. наук (НТУУ «Киевский политехнический институт») Получены соотношения для расчета преобразователя с высокой модой изгибных колебаний. В преобразователе применяется многослойное согласующее покрытие. В результате обеспечивается возможность определения уровней до 61 м, а амплитуда колебательной скорости на рабочей поверхности достигает величины, достаточной для ее самоочищения. Relationships were derived for design of transducers with a high mode of bending vibrations. A multilayered matching coating is used in the transducer. As a result, the possibility of determination of up to 61 m levels is provided, and the amplitude of vibrational speed on the working surface reaches the value sufficient for its self-cleaning. Действие большинства УЗ уровнемеров основано на измерении времени распространения УЗ волн в воздухе от преобразователя до контролируемой поверхности и обратно при известной (или изме- ряемой) скорости звука [1–6]. Наибольшее распространение получили эхо- импульсные воздушные уровнемеры. Длитель- ность зондирующих импульсов в них tи не должна превышать удвоенного времени распространения ультразвука от преобразователя до контролируе- мой поверхности при минимальном расстоянии Lmin до этой поверхности: и  2Lmin с , (1) где c — скорость звука в воздухе. Воздушное зондирование в диапазоне частот 10200 кГц применяется для сыпучих тел и жид- костей с большим затуханием. Основной источ- ник погрешностей при таком способе измерений заключается в зависимости скорости распростра- нения от температуры воздуха:   c  t  0,59 м/с°С. (2) При t = 50 °С значение c = 0,5950 30 м/с составляет 10 % скорости c = 340 м/с. Включение в схему прибора опорного (реперного) канала для компенсации изменения скорости частично иск- лючает эту погрешность. В большинстве случаев реперный канал представляет собой дополнитель- ный преобразователь, установленный на фикси- рованном расстоянии l от реперного отражателя, т. е. в пределах мертвой зоны обычно l = 0,5м. При этом, естественно, остается погрешность, обусловленная наличием градиента скорости УЗ по высоте емкости. Существенное затруднение представляет соз- дание эффективных излучателей УЗ для газовой среды. Удовлетворительного согласования с акус- тическим импедансом среды в случае пьезоэлек- трических преобразователей удается достичь с ис- пользованием изгибных мод колебаний излучаю- щего элемента. Приемники, как правило, тоже применяют пьезоэлектрические. Для случая совмещенного преобразователя важным фактором является отношение принятого сигнала к уровню помех (шумов). Это отношение ограничивает возможности уровнемера, диапазон его работы и мертвую зону, где сигнал не может быть принят из-за большой амплитуды послезву- чания датчика. Обычно зона составляет 0,5 м при добротности акустических датчиков Q  50. Дли- тельность зондирования определяется необходи- мостью иметь 1020 колебаний высокой частоты в канале радиоимпульса (tи = (1020)T). Тогда при частоте 50 кГц (T = 20 мкс) получаем тре- буемую длительность 0,20,4 мс. Из-за наличия давления в контролируемой ем- кости, влияния ее стенок, необходимости изме- рения слоя жидкости, состава газа и температуры к уровнемерам предъявляют более жесткие тре- бования относительно конструкций акустических датчиков и к построению электронных схем. Счи- талось, что для эксплуатации в промышленных условиях наиболее приемлемой конструкцией акустического датчика для измерения и приема УЗ колебаний в воздухе (газе) является «пьезоэ- лектрический преобразователь с преобразованием поршневых толщинных колебаний в изгибные с применением согласующих крышек резонаторов и рупоров». Механизм такого преобразования ав- тор [4] не раскрывает. Рассмотрим современные преобразователи серии LR (long range) фирмы «Milltronics», кото- рые обеспечивают максимальную передачу акус- тической энергии и гарантируют эффективную ра- боту в диапазонах до 61 м в самых сложных условиях в различных отраслях промышленности. Режим акустической вибрации позволяет работать без техобслуживания в условиях высокой запы- © С. А. Найда, 2012 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2012 9 ленности, турбулентности паров и электромагнит- ных помех. Параметры преобразователей серии LR приве- дены в табл. 1, а конструкция представлена на рис. 1 [7]. Изгибные колебания диска возбужда- ются с помощью привода, скрепленного с диском в его центре. В результате отражения от окруж- ности закрепления диска в корпусе в нем возни- кает стоячая в радиальном направлении волна, в которой смещения и скорости в смежных пучнос- тях имеют противоположные знаки, поэтому из- лучение в тыльную сторону отсутствует. С фронтальной стороны эффективность излу- чения увеличивается в результате наложения оп- ределенным образом многослойного материала, согласующего акустические импедансы. Разрабо- танная и запатентованная Milltronics многослой- ная система обеспечивает возможность определе- ния уровней до 61 м. Получить соотношения для расчета этой сис- темы и явилось целью настоящей работы. Следует отметить еще одно преимущество преобразователя типа LR, которое не отмечается в работах [7, 8]: он значительно легче из-за от- сутствия цилиндра из пьезокерамики. Поэтому может подвешиваться на кабеле, что приводит к значительному уменьшению акустических помех по фланцу, а следовательно, увеличению отно- шения сигнал–шум. Поскольку пьезопреобразователи с изгибной мо- дой колебаний тоже должны характеризоваться ука- занным преимуществом, нами были проанализиро- ваны возможности их создания и в случае больших диаметров. Препятствием для этого является воз- буждение, аналогично громкоговорителям [11], вы- сокомодовых колебаний и падение эффективности излучения. Один из путей устранения паразитных колебаний используется при создании пьезоэлемен- тов УЗ сканеров: разбиение элемента на электри- чески соединенные, но акустически изолированные пьезоэлементы. Правда, и используются не изгиб- ные, а толщинные колебания. Изгибные колебания тонкого диска. Сво- бодные колебания. Основой акустического излу- чателя–приемника уровнемеров LR-21, LR-13 является тонкий диск радиусом a, не имеющий натяжения и зажатый по контуру. Вывод вол- нового уравнения свободных колебаний плас- тины требует ряда сложных рассуждений и да- ется подробно в курсах теории упругости. Оно имеет следующий вид [9, 10]: 4y  k4y  0, (3) где  — оператор дифференцирования; y(t) = = y(r,)e–it, y(r,) — распределение амплитуд смещения; k4 = 2h/D; D = Eh3/12(1–2) — ци- линдрическая жесткость на изгиб; E — модуль упругости (Юнга);  — коэффициент Пуассона материала диска; h и  — его толщина и удельная плотность. Видно, что уравнение (3) распадается на два уравнения: 2y  k2y  0, (5) 2y  k2y  0. (6) В полярных координатах решение уравнения (5) будет: Y  cos sin m  Jmkr, где m — целое число; Jm — функция Бесселя пер- вого рода m-го порядка. Решение уравнения (6) получаем заменой k на ik: Y  cos sin m  Imkr, где Imkr  i mJmikr — модифицированная или гиперболическая функция Бесселя m-го порядка. Т а б л и ц а 1 . Параметры преобразователей фирмы «Milltronics» серии LR Тип Частота, кГц Максимальный диапазон, м Угол излучения, град. Температура, °С Диаметр преобразователя, мм Диаметр фланца, мм LR-21 21 30 5,5 –40 +77 172 267 LR-13 13 61 5,5 –40 +77 268 356 Рис. 1. Конструкция преобразователя серии LR: 1 — кабель; 2 — преобразователь; 3 — алюминиевый корпус; 4 — привод; 5 — диск с изгибной модой колебаний; 6 — устойство для согласования акустических импедансов, изготовленное из пенопласта 10 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2012 Общее решение уравнения (3) имеет вид: Yr,  cos sin m [AJmkr  BImkr]. (7) Граничные условия, соответствующие зажато- му по контуру радиуса  диску, следующие: Y(r,) = 0, dY/drr=a = 0. Первое условие будет удовлетворено, если по- ложить B  A Jmka Imka , (8) а второе — если взять значение k, удовлетворя- ющее условию Imkr d dr Jmkr  Jmkr d dr Imkr  0 при r = a. (9) Собственные частоты колебаний такого диска определяются выражением: fmq  h 4a2 E 31  2 mq 2 , (10) где mq  kamq  , (ka)mg — q-й корень уравнения (9). Ограничившись случаем m = 0, получим: 01  1,015; 02  2,007; 03  3,000; 0q  q q.(11) В результате свободных колебаний диска в нем устанавливается стоячая по радиусу волна, причем узловые радиусы определяются выражением: r0q   k 0q  a 0q 0max . (12) Их необходимо знать для размещения на по- верхности диска элемента двойного акустическо- го согласования. Условие тонкой пластины, а сле- довательно, и применимости приведенных выше выражений имеет вид: hk << 1, (13) или с учетом того, что k   a 0max, h a 0max << 1. (14) Время установления режима стоячей волны, будет: уст  2ak   4a E  31  2 1 h  a0max . (15) При возбуждении импульсами УЗЧ получен- ные выражения применимы, если u>>уст. (16) Для сопоставления выражения (9) с располо- жением узловых радиусов в датчике LR-13 (рис. 2) [7] были измерены диаметры окружностей, отде- ляющих канавки от выступов в пенопласте и вы- явлено, что углубление в центре объединяет об- ласти с q = 1 и q = 2, т. е. первым узловым ра- диусом является r2. Отношения последующих ра- диусов к r2 представлены в табл. 2. Из табл. 2 видно, что уже при q  4 измеренное отношение находится между теоретическими, но ближе к отношению корней функции Бесселя. Это можно объяснить следующим образом. Функции Бесселя являются решением уравнения (5) Бессе- ля, которое является также уравнением колебаний мембраны, и описывают две бегущие волны. Ги- перболические функции Бесселя lm(ka) являются решением уравнения (6) и описывают экспонен- циально убывающие с расстоянием волны. Поэ- тому для эффективного использования всей по- верхности диска необходимо, чтобы второй член в квадратных скобках выражения (7) на большей части поверхности был мал, что и достигается коррекцией радиуса  при заданной частоте ре- зонанса. Т а б л и ц а 2 . Отношение последующих радиусов к r2, измеренное и полученное с учетом значений выражений (11), и для J0(kr)q q 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 rq/r2 1 1,56 2,00 2,7 3,15 3,75 4,25 4,82 5,40 6,0 6,45 для (11) 1 1,50 2,00 2,5 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,5 6,00 J0(kr) 1 1,58 2,14 2,7 3,28 3,85 4,40 5,00 4,47 6,1 6,7 Рис. 2. Рабочая поверхность преобразователя LR-13 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2012 11 Вынужденные колебания. Поскольку в инте- ресующем нас случае распределение свободных колебаний по поверхности диска аналогично рас- пределению по поверхности мембраны, можно воспользоваться результатами рассмотрения вы- нужденных колебаний мембраны [9]. Круглые мембраны используются обычно в микрофонах. Колебания таких мембран, а также диска уровне- мера при изгибе, происходят под действием рав- номерно распределенной по их поверхности силы, обусловленной звуковым давлением, в связи с чем смещения симметричны относительно центра, т. е. при заданном r не зависит от . Решение не- однородного уравнения установившегося режима и амплитуды смещения будет иметь вид: y  AJ0kr  pm P2, (17) где Pm — амплитуда давления. Величина А определяется из граничного усло- вия y(a) = 0. Тогда y  Pm P2    J0kr J0ka  1    . (18) Как видим, при тех значениях ka, когда j0(ka) = 0, функция y , т. е. наблюдаются ре- зонансы, так что резонансные частоты совпадают с собственными частотами колебаний мембраны ka  0n  n  14. (19) Отметим, что в микрофонах ka < 1, тогда как в нашем случае, наоборот, ka >> 1 (при n = 12, ka = 36,8). Многослойное двумерное согласование. Тех- ника двумерного согласования в литературе не рассматривалась, а была запатентована фирмой «Milltronics». Рассмотрим режим излучения. Из- вестно [10], что влияние среды, окружающей мем- брану, зависит прежде всего от того, происходит ли распространение волн в среде быстрее или мед- леннее, чем распространение изгибных волн в са- мой мембране. Если средой является воздух, то случай, когда vср<< vмб, практически встречается редко, но расчет установившегося движения при этом не вызывает затруднений. В случае vср<< vмб эффективность движения одной части поверхности быстро передается через среду и влияет на другие участки, так что в пре- деле реакция среды однородна по всей мембране и пропорциональна среднему смещению y  . Однако даже в случае тяжелой мембраны вли- янием среды в первом приближении можно пре- небречь. Это тем более можно сделать в случае пластины (диска). Наиболее просто сделать диск излучающим можно, закрыв через одну кольцевые зоны между узловыми диаметрами акустическими экранами, расположенными от диска на небольшом рассто- янии. Тогда незакрытые зоны, колеблющиеся в фазе, будут действовать как поршень, и излучать звук в среду. Правда, интенсивность излучения в воздух из-за большой разницы акустических импе- дансов диска и воздуха будет малой. Увеличить ее можно, наклеив на излучающие зоны четвертьвол- новые слои с промежуточным значением импедан- са. Однако такая система негерметична и непри- годна для работы в сильно запыленной среде. Решение проблемы состоит в следующем. На весь диск наклеивается пенопласт с канавками, глубина которых такая, что разность фаз колеба- ний, распространяющихся по пенопласту и воз- духу, равна . Это условие можно записать в виде l  в 2 1 1  vв  vп , (20) где vв, vп — скорости распространения звука в воздухе и пенопласте соответственно. Выбираем толщину пенопласта по дну канав- ки, равной п/4, и полагаем l = nп/2, (21) т.е. путь звука в пенопласте нечетно кратен п/4. Тогда с учетом (20) условие (21) принимает вид: vп vв  1  n n . (22) Пусть, например, f = 13 кГц (в = 2,6210–2 м) и n = 1, тогда п = 5,2510–2 м,п/4 = 1,3110–2 м, п/2 = 2,6210–2 м. Таким образом, толщина пе- нопласта по дну канавки равна 1,3 см, а общая — 3,9 см; vп = 2vв = 680 м/с. Близкое значение скорости продольных волн vп = 85010 м/с имеет, например, пенополиуретан ППУ-3 с объемным ве- сом  = 2,00 кг/м3 (для воздуха в = 1,22 кг/м3). Однако применение только одного четвертьвол- нового согласующего слоя, представляющего в месте контакта с ним пластины удельную акус- тическую нагрузку zвх  zсл 2  zв  69106 Пас/м, соз- дает торможение диска. Учитывая, что Lmin = 0,9 м для LR, получаем согласно (1) и  5,3 мс. Для частоты 13 кГц (T = 7,8 мкс) это состав- ляет f и = 69 периодов, тогда как для измерения достаточно всего (1020) периодов, т. е. в 37 раз меньше. Такое превышение длительности им- пульса необходимо для «встряхивания» пыли или конденсированных на поверхности паров жидкости. Пример расчета пьезопреобразователя с высокой модой изгибных колебаний. Ориенти- руясь на максимальную дальность в пыльной сре- де 30 м, выберем частоту и размер диска, рав- ными использованным в датчике LR-21 (f = = 21 кГц, a = 12,7 см). 12 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2012 1. Определим толщину диска из выражения (10) и взяв 012 = 11,75 в соответствии с (19): h  4a2f012 012 2  E 312  3,26  E 312 (м). Для стали E = 21011 Па,  = 8103 кг/м3,  = 0,265 : E 312 3103 м  с, hст  1,1мм; для алюминия (дюраля) E = 0,7741011 Па,  = 2,7103 кг/м3,  = 0,353: E 312  3,32 103 м/с, hAl = 0,98 мм. 2. Определим величину k из соотношения k   a 012  2,9102, и vизл   k  4,55 102 м  с < 8102 м  с где 8102 м/с — скорость звука в пенопласте. 3. Проверяем условие тонкой пластины hст,Al k  0,29 << 1. Индукционный привод диска. Индукцион- ный привод диска (рис. 2) представляет собой трансформатор, многослойная первичная обмотка которого закреплена, а вторичная образована ци- линдром из ферромагнитного материала, скреп- ленного жестко с центральной частью диска. Сна- ружи первичной обмотки находится замкнутый цилиндр определенной формы, сжимающий пере- менное магнитное поле по оси подвижного ци- линдра–якоря. Переменный ток вызовет силу при- тяжения якоря дважды за период тока, так как наводимая во вторичной обмотке ЭДС и ток будут иметь противоположное направление по отноше- нию к первичной обмотке. При большой величине тока в подвижном ци- линдре будет наводиться индукция насыщения, вектор которой будет иметь в основном продоль- ную компоненту, так как длина цилиндра намного больше толщины стенок. При движении диска под действием эхо-сигна- ла переменный магнитный поток через соленоид, обусловленный намагниченностью подвижного цилиндра, создает в обмотке ЭДС. Поскольку час- тота эхо-сигнала в два раза больше частоты воз- бужденного тока, то цепи генератора и приемника не оказывают взаимного влияния. Выводы Получены соотношения для расчета преобразова- теля с изгибной модой колебаний. Рассмотрены особенности разработки системы многослойного согласования преобразователя с воздухом. В ре- зультате трансформации колебательной скорости в слоях ее амплитуда на рабочей поверхности пре- образователя достигает такой величины, что ста- новится возможным ее самоочищение. Кроме то- го, применение двумерного согласования в преоб- разователе уровнемера позволяет увеличить его дальность действия до 61 м. 1. Радж Балдев, Раджендран В., Паланичами П. Примене- ние ультразвука. — М.: Техносфера, 2006. — 576 с. 2. Шарапов В. М., Мусиенко М. П., Шарапова Е. В. Пьезоэ- лектрические датчики / Под ред. В. М. Шарапова. — М.: Техносфера, 2006. — 632 с. 3. Ультразвук. Малая энциклопедия / Под ред. А. П. Голя- миной. — М.: Советская энциклопедия, 1979. — 400 с. 4. Бабиков О. И. Контроль уровня с помощью ультразвука. — М.: Энергия, 1971. — 98 с. 5. Бабиков О. И. Ультразвуковые приборы контроля. — Л.: Машиностроение, 1985. — 117 с. 6. Носов В. П. Проектирование ультразвуковой измери- тельной аппаратуры. — М.: Машиностроение, 1972. — 288 с. 7. Milltronics. Non-contacting ultrasonic transducers. Прос- пект. 8. Milltronics. Guide to simplified process measurement. Проспект. 9. Вахитов Я. Ш. Теоретические основы электроакустики и электроакустическая аппаратура. — М.: Искусство, 1982. — 415 с. 10. Морз Ф. Колебания и звук. — М.-П.: Гостехиздат, 1949. — 496 с. 11. Алдошина А., Войшвилло А. Г. Высококачественные акустические системы и измерители. — М.: Радио и связь, 1985. — 168 с. Поступила в редакцию 28.09.2012 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2012 13

Пьезопреобразователи для ультразвуковых уровнемеров

Репозитарії

Схожі ресурси