Ультразвуковой преобразователь для расходомеров газа
Полезная модель относится к приборостроению и может найти применение в ультразвуковых приборах различного назначения, например ультразвуковых расходомерах жидкостей и газов, уровнемерах и т.д. Устройство представляет собой круглый стержень из пьезоматериала, покрытый тонким слоем нанокомпозитного материала на основе полиэтилена высокого давления с внедренными в него наночастицами металлов и их оксидов. При распространении акустической волны в поперечном сечении такого волновода формируется поле механических смещений определенной структуры. Если этот волновод поместить в газовую среду, то его торец может служит источником акустических волн в газе. С помощью пьезоэлектрического преобразователя в структуре «пьезоэлектрический цилиндр - нанокомпозитный полимерный слой» возбуждают цилиндрическую компрессионную волну нулевого порядка С0 или C1 при соответствующих значениях выбранной частоты ВЧ генератора. Торец цилиндрического звукопровода является в этом случае источником объемной акустической волны, излучаемой в газовую среду. Технический результат заключается в сужении диаграммы направленности излучаемой в газ объемной волны и увеличении ее интенсивности вдоль оси диаграммы направленности за счет нанесения на внешнюю цилиндрическую поверхность излучателя низкоимпедансного слоя из нанокомпозитного материала на основе полиэтилена высокого давления с внедренными в него наночастицами железа с массовой концентрацией 2%. В качестве указанного выше преобразователя, возбуждающего компрессионную волну, можно использовать пьезоэлектрическую пластину с электродами или систему кольцевых полосок, электрически соединенных через один (аналог встречно-штыревого преобразователя).
Полезная модель относится к приборостроению и может найти применение в ультразвуковых приборах различного назначения, например ультразвуковых расходомерах жидкостей и газов, уровнемерах и т.д. Повышение эффективности в работе достигается за счет использования в качестве ультразвукового излучателя многослойного цилиндрического волновода. Устройство представляет собой круглый стержень из пьезоматериала, покрытый тонким слоем нанокомпозитного материала на основе полиэтилена с внедренными в него наночастицами металлов и их оксидов. При распространении акустической волны в поперечном сечении такого волновода формируется поле механических смещений определенной структуры. Таким образом, торец данного волновода служит источником акустических волн в газовой среде. Приемно-излучающая поверхность торца может быть выполнена вогнутой для уменьшения дифракционной расходимости.
Цилиндрические ультразвуковые излучатели используются в качестве первичных элементов в измерительной аппаратуре различного назначения (расходомеры, уровнемеры, толщиномеры и т.д.).
Известно устройство (Касаткин Б.А., Касаткин СБ. Малогабаритный широкополосный гидроакустический излучатель, Патент РФ 2147797 С1), в котором акустическая волна возбуждается с торца стержня, состоящего из пьезокерамических шайб и гибких прокладок из пьезоактивного материала. Гибкие прокладки из пьезоактивного материала и пьезокерамические шайбы электрически соединены параллельно, и они возбуждаются синфазно. Объемная акустическая волна излучается с другой стороны стержня. Недостатком этого устройства является технологическая сложность его изготовления.
Известно устройство (Березина Н.С., Гоц А.А., Королева Т.П. Гидроакустическая антенна накачки, Патент РФ 2292561 С2), содержащее многоэлементную дискретную антенную решетку, имеющую плоскую апертуру. Антенна содержит стрежневые пьезоэлементы двух типов, имеющие резонансные частоты, равные верхней и нижней частотам накачки, и тыльный экран, заключенные в общий корпус, герметизированный по рабочей поверхности, по крайней мере, одним звукопрозрачным слоем. Данная антенна характеризуется двумя режимами формирования характеристики направленности: с одним и двумя основными лепестками.
Цилиндрический упругий волновод является одной из наиболее распространенных излучающих структур, используемых в конструкциях волноводных антенн. Это связано с широкими возможностями его практического использования и конструктивной простотой (Е.Кикучи. Ультразвуковые преобразователи. М.: Издательство «Мир», 1972, с. 472.)
В патенте РФ Колпаков И.А., Самарцев В.В. 
2073830 С1, описан способ измерения расхода жидких и газообразных сред, основанный на использовании зондирующих цилиндрических акустических волн, излучаемых цилиндрическим преобразователем. Способ состоит в зондировании поперечного сечения потока акустическими цилиндрическими волнами, которые возбуждаются цилиндрическим преобразователем в направлении оси трубопровода, приеме многократно отраженных реверберационных цилиндрических волн и измерении их частоты, измерение частоты производят при отсутствии и наличии потока, а величину расхода определяют по разности измеренных частот.
Ближайшим аналогом полезной модели является датчик ультразвукового расходомера, который содержит мерный участок трубопровода с установленными в нем обратимыми передающим и приемным пьезоэлектрическими преобразователями, каждый из которых состоит из соединенных между собой пьезоэлемента, звукопровода и демпфера, осуществляющих излучение и прием ультразвука в измеряемой среде без преломления, выполненный так, что длины звукопроводов излучающего и приемного пьезоэлектрических преобразователей не одинаковы. Длины звукопроводов отличаются на величину, кратную нечетному числу четвертей длины ультразвуковой волны в материале (Адоньев С.К., Мосин СВ. Датчик ультразвукового расходомера. Патент РФ 2375682). Однако данное устройство обладает широкой диаграммой направленности, что снижает точность измерения расхода газа.
Целью создания заявляемого устройства является сужение диаграммы направленности и увеличение интенсивности излучаемого ультразвука вдоль оси диаграммы направленности.
Указанная цель достигается за счет того, что круглый стержень из пьезоэлектрического материала покрывается слоем нанокомпозитного полимерного материала, содержащего наночастицы металлов или их оксидов.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена геометрия анализируемой задачи; на фиг.2 представлены частотные зависимости фазовых скоростей волн нулевого и высших порядков в двухслойном волноводе, представляющем собой пьезокерамический цилиндр, окруженный тонкой оболочкой из нанокомпозитного полимерного материала с 2% массовым содержанием наночастиц железа. Таблица 1 показывает зависимость ширины диаграммы направленности ультразвукового луча 
и отношения интенсивности ультразвука, излучаемого в газ цилиндрическим преобразователем с покрытием к интенсивности ультразвука, излучаемого в газ цилиндрическим преобразователем без покрытия If/Ic от расстояния z от торца волновода для компрессионных волн 0, 1 и 2 порядков (С0, С 1 и С2) для различных значений частоты. С левой стороны приведены данные для стержня из пьезокерамики PZ-4 с диаметром 6 мм без нанокомпозитного покрытия. С правой стороны приведены те же самые данные для случая, когда стержень из пьезокерамики PZ-4 диаметром 6 мм покрыт слоем нанокомпозитного материала из полиэтилена высокого давления с внедренными наночастицами железа с массовой концентрацией 2% и толщиной 0.6 мм. Видно, что присутствие нанокомпозитного слоя для некоторых значений частоты приводит к существенному сужению диаграммы направленности излучения для компрессионных волн 0 и 1 порядков и значительному увеличению интенсивности излучения вдоль оси диаграммы направленности. При этом, интенсивность излучения вдоль оси диаграммы направленности для случая отсутствия нанокомпозитного покрытия принята за 1. Видно, что оптимальные значения частоты для указанной геометрии волновода составляют 250 кГц для волны С0 и 275 и 537 кГц для волны С1. Что касается волны С2 , то на частоте 580 кГц в непосредственной близости от торца излучателя присутствие нанокомпозитного слоя приводит к существенному сужению диаграммы направленности и увеличению интенсивности излучения вдоль оси диаграммы направленности. Однако при удалении от торца излучателя диаграммы направленности для обоих случаев становится соизмеримой.
| Таблица 1. | ||||||||
| Компрессионная волна С0 | ||||||||
| Z, мм | Без слоя | Со слоем | ||||||
| f=130кГц, | f=250кГц, | f=130кГц, | f=250кГц, | |||||
| V=3824 м/с | V=1847 м/с | V=3835 м/с | V=1901 м/с | |||||
| If/Ic | , мм | If/Ic | , мм | If/Ic | , мм | If/Ic | , мм | |
| 6.6 | 1 | 5.2 | 1 | 3 | 1.09 | 5.6 | 1.97 | 0.5 |
| 13.2 | 1 | 4.3 | 1 | 4 | 1.15 | 4.7 | 1.94 | 0.8 |
| 33 | 1 | 5.3 | 1 | 4.9 | 1.27 | 5 | 1.28 | 1.9 |
| 66 | 1 | 10.2 | 1 | 6.6 | 1.28 | 9.5 | 0.85 | 3.4 |
| 132 | 1 | 20 | 1 | 12.4 | 1.28 | 18.7 | 0.75 | 6.5 |
| Компрессионная волна С1 | ||||||||
| Z, мм | Без слоя | Со слоем | ||||||
| f=275кГц, | f=537кГц, | f=275кГц, | f=537кГц, | |||||
| V=1905 м/с | V=1783 м/с | V=2001 м/с | V=1743 м/с | |||||
 | If/Ic | , мм | If/Ic | , мм | If/Ic | , мм | If/Ic | , мм |
| 6.6 | 1 | 2.8 | 1 | 2.1 | 2.22 | 0.5 | 2.79 | 0.3 |
| 13.2 | 1 | 3.8 | 1 | 2.7 | 2.11 | 0.8 | 1.66 | 0.4 |
| 33 | 1 | 5.0 | 1 | 4.5 | 0.62 | 1.4 | 2.0 | 0.9 |
| 66 | 1 | 5.5 | 1 | 4.9 | 0.69 | 3.4 | 0.97 | 1.9 |
| 132 | 1 | 10.3 | 1 | 5.3 | 0.73 | 7.1 | 0.38 | 4.1 |
| Компрессионная волна С2 | ||||||||
| Z, мм | Без слоя | Со слоем | ||||||
| f=500 кГц, V=4395 м/с | f=580кГц, V=3823 м/с | f=500кГц, V=4556 м/с | f=580кГц, V=3872 м/с | |||||
| If/Ic | , мм | If/Ic | , мм | If/Ic | , мм | If/Ic | , мм | |
| 6.6 | 1 | 1.9 | 1 | 1.3 | 1.51 | 1.3 | 1.98 | 0.3 |
| 13.2 | 1 | 1.9 | 1 | 1.4 | 0.92 | 1.6 | 1.65 | 0.4 |
| 33 | 1 | 0.5 | 1 | 1.0 | 1.21 | 0.6 | 1.15 | 0.9 |
| 66 | 1 | 5.6 | 1 | 1.7 | 1.08 | 2.5 | 0.84 | 1.8 |
| 132 | 1 | 5.0 | 1 | 3.9 | 0.93 | 5.1 | 0.50 | 3.6 |
Ультразвуковой преобразователь для расходомеров газа содержит (фиг.3) пьезоэлектрический цилиндр 1, нанокомпозитный полимерный слой с наночастицами металлов и их оксидов 2 и преобразователь 3 для возбуждения цилиндрической акустической волны. В качестве преобразователя 3 можно использовать пьезолектрическую пластину с электродами, поляризованную вдоль нормали к поверхности, или аналог встречно-штыревого преобразователя, представляющего собой совокупность кольцевых проводящих полосок, соединенных электрически через один.
Полубесконечный волновод с торцом, граничащим с газовой средой, будет создавать в этой среде акустическое поле определенной конфигурации (Фиг.1). Для определенности представим себе, что торец волновода S 1 (круг радиуса а) окружен бесконечным плоским экраном S2. Введем декартову систему координат таким образом, чтобы оси x и y лежали в плоскости торца, а ось z совпадала с осью волновода.
С другой стороны, смещение u, вызванное продольными волнами в газовой среде можно выразить через скалярный потенциал:
такой, что 
удовлетворяет волновому уравнению
где c - скорость звука в данной газовой среде.
Как известно, возмущение в некоторой точке Р можно выразить через суперпозицию вторичных волн, испускаемых некоторой поверхностью, окружающую данную точку (М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. М. Наука. 1973). Из интегральной теоремы Гельмгольца и Кирхгофа следует, что
где S - некоторая замкнутая поверхность, окружающая точку Р, u(Р) - возмущение в точке Р, u - заданное возмущение на поверхности S,
- производная по внутренней нормали n к поверхности S, k=2
/c - волновое число, s - расстояние от элемента поверхности S до точки Р. Чтобы воспользоваться данной теоремой, необходимо знать значения u и на всей поверхности S. Разобьем поверхность S на 3 части: S=S1+S2+S3. Поверхность S 1 представляет торец волновода, распределение u и на ней известно из метода, описанного в (А.А.Теплых, Б.Д.Зайцев, И.Е.Кузнецова. Исследование акустических волн в радиально-изотропных многослойных цилиндрических волноводах. Сборник трудов XXIV сессии Российского Акустического Общества, 2011, т.1, с.73-77). Поверхность S2 представляет жесткий экран очень большого размера, для нее выполняется условие u=0 и =0. Поверхность S3 представлена полусферой очень большого радиуса, так что практически можно считать, что для нее u=0 и =0. Данный выбор граничных условий соответствует случаю абсолютно жесткого экрана (Г.Кайно. Акустические волны. Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов. М. Мир. 1990).
Таким образом, рассматривается распределение потенциала в полупространстве z>0. В соответствии с теорией дифракции Кирхгофа, акустическое возмущение в точке Р (для z>0) возникает в результате суперпозиции волн, излучаемых с поверхности z=0. В этом случае, значение волнового потенциала в этом случае можно определить как:
где (x,y,z) - искомое значение потенциала в произвольной точке z>0, uz - значение аксиальной компоненты смещения на торце преобразователя. Для волн нулевого порядка известно, что либо uz(x,y,0)=uz(x2+y 2) (для компрессионных волн), либо uz=0, (для крутильных волн). Поскольку S1 представляет собой круг и uz обладает осевой симметрией, то (x,y,z) также будет обладать этим типом симметрии и достаточно исследовать (r,z). Тем не менее, интеграл по S1 необходимо брать, оставаясь в декартовых координатах. Следовательно, крутильные волны для возбуждения волн в газовой среде непригодны. Нас будут интересовать распределения (r,z) для различных типов компрессионных волн в исследуемом волноводе.
Анализ показал, что многослойный цилиндрический волновод, в котором распространяется компрессионная акустическая волна, может служить источником акустического излучения в газовую среду, обладающим высокой интенсивностью и узкой диаграммой направленности. При этом, необходимым условием формирования узкой диаграммы направленности является условие 
газ<<b, где газ - длина акустической волны в газе, b - внешний радиус волновода. Дополнительным фокусирующим фактором служит неравномерная структура компоненты uz на торце излучателя, а именно, когда ее значение максимально вблизи внешней границы волновода. Все эти факторы позволяют рекомендовать в качестве возбуждающих волн компрессионные волны нулевого С0 и первого порядков С1 на максимально возможной для них частоте.
Устройство работает следующим образом.
С помощью преобразователя 3 в структуре «пьезоэлектрический цилиндр 1 - нанокомпозитный полимерный слой 2» возбуждается цилиндрическая компрессионная волна 0 или 1 порядка для соответствующих значений выбранной частоты ВЧ генератора. Торец цилиндрического звукопровода является в этом случае источником объемной акустической волны, излучаемой в газовую среду. Этот торец излучает продольную акустическую волну в газовую среду, которая принимается вторым аналогичным устройством, расположенным на некотором расстоянии от излучателя. Очевидно, что чем уже диаграмма направленности излучателя, тем меньше потери на распространение информационной волны в газовой среде. При этом расстояние между излучателем и приемником определяется размером трубопровода, в котором определятся расход газа.
В случае необходимости изменения рабочей частоты акустической волны, размеры пьезокерамического звукопровода и толщина нанокомпозитного покрытия изменяются. Если, например, рабочая частота равна f0(кГц), при работе с компрессионной волной С0 диаметр звукопровода и толщина покрытия будут соответственно равны (6×250/f 0) мм и (0.6×250/f0) мм.
Ультразвуковой преобразователь для расходомеров газа, содержащий пьезоэлектрический цилиндр с нанесенным на него преобразователем, возбуждающим компрессионную волну в виде пьезоэлектрической пластины с электродами или системы кольцевых полосок, электрически соединенных через один (аналог встречно-штыревого преобразователя), отличающийся тем,что для сужения диаграммы направленности и увеличения эффективности излучения объемной акустической волны в газ вдоль оси диаграммы направленности на поверхность пьезоэлектрического цилиндра нанесен нанокомпозитный полимерный слой из полиэтилена высокого давления с массовой 2%-ной концентрацией наночастиц железа.
