close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент РФ 2334956

код для вставки
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
(19)
RU
(11)
2 334 956
(13)
C2
(51) МПК
G01H 1/00
(2006.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
(21), (22) За вка: 2006130611/28, 24.08.2006
(72) Автор(ы):
Шибаев Юрий Андреевич (RU)
(24) Дата начала отсчета срока действи патента:
24.08.2006
(73) Патентообладатель(и):
Шибаев Юрий Андреевич (RU)
(43) Дата публикации за вки: 27.02.2008
R U
(45) Опубликовано: 27.09.2008 Бюл. № 27
Адрес дл переписки:
634049, г.Томск, а/ 1923, Ю.А. Шибаеву
(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЫХОДНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО
2 3 3 4 9 5 6
R U
размещенный между устройством прикреплени и
поверхностью присоединени , и средство дл его
измен емого деформировани , при этом твердое
тело
выполнено
из
магнитострикционного
металлического сплава и в направлении по
нормали к поверхности присоединени . Кроме того,
измеритель выполнен с возможностью регистрации
измен ющейс поглощенной в твердом теле
акустической мощности до достижени ею
максимума. Предложен
способ измерени выходной
мощности
ультразвукового
преобразовател с
использованием
вышеупом нутого устройства. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1
ил.
Страница: 1
RU
C 2
C 2
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ
(57) Реферат:
Измеритель выходной акустической мощности
имеет поверхность присоединени к рабочей
поверхности преобразовател , содержит твердое
тело дл поглощени акустической мощности,
расположенное за поверхностью присоединени в
направлении по нормали к этой поверхности,
датчик
температуры,
расположенный
внутри
твердого
тела.
Измеритель
выполнен
с
возможностью получени значени акустической
мощности по измеренной скорости нагрева
твердого
тела.
Дополнительно
измеритель
содержит разборное устройство прикреплени его к
корпусу преобразовател , а также упругий элемент,
2 3 3 4 9 5 6
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: RU 2152007 С1, 27.06.2000. SU 147851
A1, 01.01.1962. SU 983468 A1, 23.12.1982. US
2005016282 A1, 27.01.2005. DE 19836727 A1,
17.02.2000.
C 2
C 2
2 3 3 4 9 5 6
2 3 3 4 9 5 6
R U
R U
Страница: 2
RUSSIAN FEDERATION
(19)
RU
(11)
2 334 956
(13)
C2
(51) Int. Cl.
G01H 1/00
(2006.01)
FEDERAL SERVICE
FOR INTELLECTUAL PROPERTY,
PATENTS AND TRADEMARKS
(12)
ABSTRACT OF INVENTION
(21), (22) Application: 2006130611/28, 24.08.2006
(72) Inventor(s):
Shibaev Jurij Andreevich (RU)
(24) Effective date for property rights: 24.08.2006
(73) Proprietor(s):
Shibaev Jurij Andreevich (RU)
(43) Application published: 27.02.2008
R U
(45) Date of publication: 27.09.2008 Bull. 27
Mail address:
634049, g.Tomsk, a/ja 1923, Ju.A. Shibaevu
2 3 3 4 9 5 6
R U
measurement of
transducer.
7 cl, 1 dwg
Страница: 3
EN
output
capacity
of
ultrasonic
C 2
C 2
OF ITS MEASUREMENT
(57) Abstract:
FIELD: physics.
SUBSTANCE: meter of output acoustic capacity
has the surface of connection to transducer
working
surface,
contains
solid
body
for
absorption
of
acoustic
capacity,
which
is
installed behind connection surface in direction
by normal to this surface, temperature sensor,
which is installed inside solid body. Meter is
arranged with the possibility to obtain value of
acoustic capacity by measured rate of solid body
heating. Besides, meter contains disassembly
device for its connection to transducer casing,
as well as elastic element, which is installed
between connection device and connection surface,
and device for its altered deformation, at that
solid body is made of magnetostrictive metal
alloy and in direction by normal to connection
surface. Moreover, meter is made with the
possibility of registration of altering acoustic
capacity absorbed in solid body until it reaches
maximum. Method is suggested for measurement of
output capacity of ultrasonic transducer with
application of above-mentioned device.
EFFECT: creation of efficient method of
2 3 3 4 9 5 6
(54) METER OF OUTPUT ACOUSTIC CAPACITY OF ULTRASONIC TRANSDUCER AND METHOD
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Область техники, к которой относитс изобретение
Изобретение относитс к измерительной технике в области измерени параметров
ультразвуковых преобразователей и применимо при разработке, производстве и
эксплуатации ультразвуковой техники, технологий и способов лечени с применением
ультразвука.
Уровень техники
Ультразвуковой преобразователь имеет корпус, в котором закреплен его
электромеханический резонатор. Электромеханический резонатор характеризуетс собственной резонансной (основной) частотой, котора соответствует максимуму его
амплитудно-частотной характеристики. Амплитудно-частотна характеристика занимает
определенный частотный диапазон, ограниченный техническим регламентом. Этот
частотный диапазон считают известным дл данного типа преобразовател . Местами
закреплени электромеханического преобразовател вл ютс те, где сто ча волна
основной частоты продольных механических смещений резонатора имеет узлы. Полна акустическа мощность, развиваема электромеханическим резонатором, вл юща с интегралом от амплитудно-частотной характеристики по частоте, есть сумма реактивной и
активной мощностей. При услови х резонанса и посто нства режима электропитани эта
сумма посто нна. В свою очередь, активна мощность есть сумма мощностей внутренних
потерь электромеханического резонатора и отбираемой в нагрузку; второе слагаемое в
нормальном режиме доминирует. Резонансные свойства электромеханического резонатора
количественно характеризуютс его добротностью - отношением реактивной мощности к
активной. Добротность имеет нижний предел, за которым электромеханический резонатор
утрачивает резонансные свойства, его оценивают величиной 2?.
При нагружении преобразовател добротность уменьшаетс быстрее, чем возрастает
отбираема в нагрузку мощность. Это есть следствие быстрого увеличени внутренних
потерь при выходе за нормальный режим. Определ ющей причиной этого вл етс утечка
акустической мощности на корпус преобразовател в местах закреплени электромеханического резонатора, обусловленна бегущей волной, перенос щей
отбираемую мощность. Утечка пропорциональна квадрату амплитуды бегущей волны в
местах закреплени .
Акустическа мощность ультразвукового преобразовател отбираетс в нагрузку с его
рабочей поверхности, где указанна сто ча волна имеет пучность, а акустическа мощность характеризуетс наибольшей поверхностной плотностью. В общем случае
величина отбираемой мощности зависит как от свойств самого преобразовател , так и от
условий его эксплуатации, т.е. параметром преобразовател не вл етс . Поэтому в
технической документации большинства выпускаемых преобразователей акустическа мощность не указываетс . Наиболее передовые производители, указыва в технической
документации эту величину, получают ее расчетным путем из потребл емой электрической
мощности преобразовател с применением акустоэлектрического коэффициента полезного
действи . Однако этот коэффициент, вл ющийс отношением акустической мощности к
потребл емой электрической, сам должен быть определен на основе измеренной
акустической мощности, не завис щей от конкретных условий эксплуатации и вл ющейс параметром данного преобразовател . Многочисленные способы и устройства дл измерени акустической мощности всегда прив заны к конкретным услови м нагружени ,
следовательно, задачи измерени акустической мощности как параметра преобразовател не решают. Например, широко используют измерение амплитуды колебаний рабочей
поверхности на холостом ходу. Из этого расчетным путем можно определить реактивную
акустическую мощность на холостом ходу, то есть без отбора активной мощности с
рабочей поверхности в нагрузку. Но именно последн представл ет интерес дл потребител . Измеренна амплитуда и расчетна реактивна акустическа мощность этот
интерес не удовлетвор ет, дава лишь косвенную и ненадежную оценку качества
преобразовател . Действительно, не очевидно, что преобразователь с большой
реактивной акустической мощностью способен отдать в нагрузку достаточную активную
Страница: 4
DE
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
акустическую мощность. При нагружении его добротность может быстро упасть с
переходом через нижний предел и преобразователь перестанет выполн ть свое
назначение. Все сказанное приводит к выводу, что существует оптимальное соотношение
между реактивной и отбираемой акустическими мощност ми конкретного преобразовател ,
при котором отбираема мощность максимальна. Эту максимальную мощность следует
считать выходной акустической мощностью данного преобразовател - его параметром.
Смыслового определени этого параметра в уровне техники нет, соответственно, нет и
технических решений дл его измерени .
В соответствии с данным определением выходной акустической мощности необходимо
отобрать от преобразовател максимальную акустическую мощность и измерить ее. Дл отбора максимальной акустической мощности преобразователь должен быть поставлен в
соответствующие услови нагружени . Измерение акустической мощности осуществл ют
путем ее поглощени и измерени теплового эффекта. При этом, разумеетс , акустическа мощность должна быть полностью поглощена.
Ближайшим аналогом изобретени вл етс устройство и способ дл измерени акустической мощности ультразвуковых преобразователей с концентраторами, описанные
в монографии [Донской А.В., Келлер O.K., Кратыш Г.С. Ультразвуковые
электротехнологические установки. - Л.: Энергоиздат, 1982. - 208 с.] на стр.193,
первый абзац сверху.
Согласно аналогу "акустическую мощность определ ют, присоедин к испытываемой
акустической системе полуволновой стержень из материала с большим внутренним
трением. Стержень рекомендуют делать из стали 1Х13, подверга ее закалке при 1000°С
на воздухе или в трансформаторном масле и отпуску при 700-720°С. Врем озвучивани составл ет 10-30 с. Тепло, выдел емое в образце, калориметрируют."
Аналог имеет признаки, совпадающие с существенными признаками изобретени : дл поглощени акустической мощности примен ют твердое тело, которое "присоедин ют" к
рабочей поверхности преобразовател .
Однако задача измерени выходной акустической мощности как параметра
преобразовател не решаетс - отсутствуют признаки отбора максимальной акустической
мощности и не обеспечено полное поглощение прошедшей через поверхность
присоединени мощности. Последнее видно из признака выполнени присоедин емого
стержн в виде полуволнового механического резонатора, в котором (по определению)
устанавливаетс сто ча волна продольных смещений. Условием же дл установлени сто чей волны вл етс отражение бегущей волны от торцов стержн , откуда следует
малость ее затухани . Действительно, средн механическа добротность стали дл продольных колебаний составл ет 5?10 3 (см., например, Физические величины:
Справочник. /Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. - М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с., на с.156, Таблица 7.24); поглощательна способность - величина обратна механической добротности, есть 2?10 -4. Рекомендованна дл увеличени внутреннего
трени термообработка стали (стандартна закалка и высокий отпуск) этой
низкоуглеродистой высокохромистой стали приводит к удалению углерода из твердого
раствора и его св зыванию в карбидах хрома. При этом поглощательна способность стали
приближаетс к поглощательной способности железа, увеличива сь не более чем в
несколько раз; по пор дку величины она составл ет 10 -3, что не обеспечивает поглощение
мощности, а следовательно, и ее измерение.
Раскрытие изобретени .
В уровне техники нет технических решений, адекватных задаче измерени выходной
акустической мощности ультразвукового преобразовател . Более того, нет самого четко
определенного пон ти выходной акустической мощности, которой, как параметром,
необходимо характеризовать преобразователь вне зависимости от условий его
эксплуатации и метода измерени этого параметра. Это обусловлено следующим.
В услови х эксплуатационной нагрузки полна акустическа мощность вл етс суммой
реактивной (колебательной) мощности и активной, где в нормальном режиме доминирует
Страница: 5
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
мощность, отбираема от рабочей поверхности преобразовател в нагрузку. Стремление
увеличить второе слагаемое за счет уменьшени первого ограничено требованием
сохранени резонансных свойств электромеханического резонатора. Следовательно,
существует оптимальное соотношение между указанными слагаемыми, характерное дл типа преобразовател . Предлагаем выходную акустическую мощность определить как
отбираемую от рабочей поверхности в услови х указанного оптимума. В этих услови х
отбираема мощность максимальна. Именно эту величину предлагаем назвать выходной
акустической мощностью преобразовател .
Соотношение между указанными слагаемыми дл определенного типа преобразовател зависит только от механического напр жени на его рабочей поверхности, обусловленного
нагрузкой. Если нагрузкой вл етс акустический контакт с твердым телом, механическое
напр жение определ етс силой его прижима к рабочей поверхности - величиной,
допускающей изменение и измерение. Указанному оптимуму соответствует оптимальна сила прижима. При посто нстве суммы мощностей оптимальной силе прижима
соответствует максимум отбираемой мощности. Измерение этого максимума путем полного
поглощени отбираемой мощности положено в основу замысла способа измерени выходной акустической мощности преобразовател .
Способ реализуют, примен соответствующий измеритель, обладающий возможностью
выполнени двух необходимых и достаточных условий измерени , а именно достижени оптимальной силы прижима к рабочей поверхности преобразовател и полного поглощени отбираемой от нее акустической мощности.
Задача - разработка измерител выходной акустической мощности ультразвукового
преобразовател и способа проведени измерений с его использованием.
Технический результат состоит в реализации средств измерени выходной акустической
мощности ультразвукового преобразовател как вида параметра, средства этого
назначени предложены впервые.
Итак, измерению подвергают выходную акустическую мощность преобразовател ,
развиваемую на рабочей поверхности преобразовател с известным частотным
диапазоном, характеризуемым, в том числе, нижней границей, то есть наименьшей
частотой этого диапазона.
Измеритель имеет поверхность присоединени к рабочей поверхности преобразовател и содержит твердое тело дл поглощени и измерени акустической мощности. Это существенные признаки измерител , известные в уровне техники.
Измеритель отличаетс тем, что дополнительно содержит разборное устройство
прикреплени к корпусу преобразовател , а также упругий элемент, размещаемый между
устройством прикреплени к корпусу и поверхностью присоединени , и средство его
измен емого деформировани .
Эти новые признаки дают возможность путем измен емого деформировани упругого
элемента подобрать оптимальный прижим измерител его поверхностью присоединени к
рабочей поверхности преобразовател , то есть обеспечить первое необходимое условие
измерени .
Новым признаком измерител также вл етс выполнение твердого тела из
магнитострикционного металлического сплава, при этом твердое тело в направлении по
нормали к поверхности присоединени имеет размер L не менее:
,
где
? - коэффициент магнитомеханической св зи,
µ - относительна магнитна проницаемость,
? - электрическа проводимость,
вл ютс параметрами магнитострикционного металлического сплава,
-7
µo=4??10 Гн/м - электродинамическа константа,
Страница: 6
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
? - кругова частота, соответствующа нижней границе известного частотного
диапазона.
В этом случае в твердом теле полностью поглощаютс все акустические волны,
составл ющие волновой пакет, несущий акустическую мощность с ее известным частотным
диапазоном. Этим обеспечивают выполнение второго необходимого услови измерени .
В конкретных формах выполнени измерител предусмотрены следующие варианты.
Между поверхностью присоединени и твердым телом дополнительно размещен
тензометр с собственной частотной полосой, включающей известный частотный диапазон,
например, в виде пьезоэлектрического конденсатора. Наличие этого тензометра упрощает
процесс измерени .
В качестве нижней частотной границы известного частотного диапазона прин та
величина ? =105 рад/с. Этим достигают универсальности измерител по отношению к
различным частотным диапазонам преобразователей. Измеритель становитс способен
производить измерени от самой нижней частоты 15,5 кГц, прин той в ультразвуковой
технике и технологии, и, естественно, дл любых более высоких.
Собственна частотна полоса тензометра прин та в пределах 5?10 4-5?10 5 рад/с,
этими пределами охвачены все известные в уровне техники частотные диапазоны
преобразователей, что также универсализирует измеритель.
Способ измерени выходной акустической мощности включает поглощение мощности в
твердом теле и измерение поглощенной мощности - признаки, известные в уровне техники.
Способ отличаетс тем, что измерение производ т с помощью описанного измерител .
Дл этого его прикрепл ют к корпусу преобразовател , поверхность присоединени измерител присоедин ют к рабочей поверхности преобразовател и измен ют
деформирование упругого элемента до достижени максимума поглощенной твердым
телом мощности. Эту максимальную величину поглощенной мощности считают равной
выходной акустической мощности преобразовател .
В услови х, когда преобразователь имеет большую рабочую поверхность, например,
предназначен дл ванн ультразвуковой мойки, предусмотрен вариант способа измерени ,
отличающийс тем, что измер ют часть выходной акустической мощности
преобразовател , приход щуюс на поверхность присоединени измерител . Отношение
величины измеренного максимума поглощенной мощности к площади поверхности
присоединени считают плотностью выходной акустической мощности в области
присоединени . При этом возможно определить распределение плотности выходной
акустической мощности по большой рабочей поверхности преобразовател ; как правило,
оно резко неоднородно.
Другим вариантом способа вл етс измерение поглощенной мощности с помощью
тензометра, сигнал с которого предварительно калибруют в единицах поглощенной в
твердом теле мощности. Это упрощает процесс измерени , снима ограничение на период
времени, отведенный на его осуществление.
В изобретении применено свойство магнитострикционного материала, заключающеес в
возникновении магнитного потока при упругой деформации - эффект Виллари (см.,
например, Физический энциклопедический словарь. /Под редакцией A.M.Прохорова. - М.:
Советска энциклопеди , 1984. - 944 с., на с.76).
При наличии акустического контакта измерител со средой, в которой распростран етс поток акустической мощности, поглотитель из магнитострикционного металла подвергаетс продольной упругой деформации на частотах этого потока. В нем возникает переменный
магнитный поток, содержащий указанные частоты. В сечении, перпендикул рном
магнитному потоку, а, следовательно, и плотности измер емого акустического потока, в
произвольном замкнутом контуре возникает вихрева электродвижуща сила (вихрева ЭДС). В металле эта ЭДС образует вихревой электрический ток, вызывающий омический
нагрев металла. Этот вид потерь в магнитострикционном металле вл етс доминирующим.
Выдел юща с теплова энерги пропорциональна акустической с коэффициентом
Страница: 7
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
пропорциональности ? 2, где ? - коэффициент магнитомеханической св зи - таблична величина дл конкретного магнитострикционного материала. Указанна пропорциональность обеспечивает свойство линейности характеристики поглощени .
Однако в силу указанной пропорциональности в конкретном сечении не достигаетс полного поглощени акустического потока. Практически полное поглощение
монохроматического потока акустической мощности с частотой ? происходит на
рассто нии ? (определено выше), которое можно определить как длину
акустоэлектромагнитной волны с частотой ? в магнитострикционном металле. Дадим
оценку величины ? дл магнитострикционного металла пермендюра К49Ф2 на частоте f=22
кГц. Дл него имеем: (см., например, Физические величины. Справочник. /Под ред.
Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с., на с.644,
Таблица 27.32. (Основные характеристики металлических магнитострикционных
материалов):
?=0,48-0,54; принимаем ?=0,5;
-7
?эл=3,4?10 Ом?м - удельное электрическое сопротивление;
?=1/?эл;
µ=200;
откуда с учетом ?=2?f получаем ?=3,52 мм.
Конструктивный размер L в этом случае выбирают равным 4 мм.
Монохроматический поток акустической мощности в твердотельном поглотителе имеет
характер бегущей, экспоненциально затухающей волны, практически полностью
затухающей на рассто нии, равном длине волны. Так обеспечиваютс требовани к
эффективному поглотителю: линейность характеристики и полное поглощение, что, в свою
очередь, обеспечивает повышение точности измерени .
В случае немонохроматичного потока акустической мощности, т.е когда поток имеет
конечный частотный спектр, наименьшим затуханием характеризуетс та часть потока,
котора соответствует нижней частотной границе спектра, в этом случае в расчете ?
используют круговую частоту ? , соответствующую нижней границе амплитудно-частотного
спектра потока акустической мощности.
Непосредственно с помощью датчика температуры измер ют скорость нагрева
магнитострикционного металла, которую при известной теплоемкости калибруют в
единицах тепловой мощности, равной измер емому потоку акустической мощности.
При наличии тензометра регистрируют его сигнал от бегущей акустической волны на
входе в поглотитель, который также калибруют в единицах тепловой мощности. При этом
сокращаетс врем производства измерени .
Введение тензометра, например пьезоэлектрического конденсатора, который имеет
акустический контакт с поверхностью из магнитострикционного металлического сплава,
необходимо дл ускорени производства измерени .
Через такой тензометр проходит измер емый поток, который затем полностью
поглощаетс твердотельным поглотителем. Поэтому поток имеет характер бегущих волн
механического напр жени со своими частотами в случае конечного частотного спектра.
Механические напр жени тензометром преобразуютс в электрические, так что он выдает
сигнал в виде интегрального по частотам электрического напр жени . Электрический
сигнал, пропорциональный потоку акустической мощности, калибруют по скорости нагрева
твердотельного поглотител с помощью датчика температуры в единицах тепловой
мощности, равной измер емому потоку акустической мощности. Регистраци прокалиброванного таким образом электрического напр жени от тензометра ускор ет
производство измерени без снижени точности, что обусловлено полным поглощением
потока акустической мощности.
Изобретение иллюстрируетс графическим материалом.
На чертеже показан схематический измеритель.
Осуществление изобретени Страница: 8
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Измеритель имеет поверхность присоединени 1 к рабочей поверхности
ультразвукового преобразовател 2 и разборное устройство прикреплени 3 к корпусу
преобразовател 4. Измеритель снабжен упругим элементом 5, размещенным между
поверхностью присоединени 1 и устройством прикреплени 3, и средством его
деформировани 6, например, в виде кулачкового механизма. Главным элементом
измерител вл етс твердое тело 7, содержащее внутри датчик температуры. Датчик
температуры - известный признак [SU 154418, 1960]. Твердое тело 7 расположено за
поверхностью присоединени 1 в направлении по нормали к ней. Это твердое тело 7
выполнено из магнитострикционного металлического сплава, например пермендюра
К49Ф2, и в направлении к указанной нормали имеет размер L не менее ?, формула дл вычислени ? приведена в разделе "Раскрытие изобретени ". Признак "не менее ?"
обусловлен тем, что на длине L меньше ? не достигаетс полного поглощени акустической мощности на нижней границе ее частотного диапазона, следовательно, эта
часть мощности не может быть измерена. Дополнительно измеритель содержит тензометр
8, размещенный между поверхностью присоединени 1 и твердым телом 7, который может
быть выполнен в виде пьезоэлектрического конденсатора. Тензометр 8 обладает
собственной частотной полосой, включающей известный частотный диапазон акустической
мощности преобразовател . При этом условии он выдает электрический сигнал,
пропорциональный проход щей через него акустической мощности во всем ее частотном
диапазоне.
В частном случае выполнени измерител как универсального пригодного дл измерени всех известных в уровне технике преобразователей размер твердого тела L
определен по наименьшей основной частоте 0,95?10 5 рад/с, так что дл расчета ? прин та
нижн граница частотного диапазона, отсто ща от основной частоты на 7,5% (согласно
нормативу на частоты от 1963 г., разрешенные к промышленному применению), т.е. вз та с небольшим запасом ?=0,8?10 5 рад/с. Соответственно, собственна частотна полоса
тензометра дл универсального измерител простираетс в диапазоне 5?10 4 - 5?10 3 рад/с.
При сужении этого диапазона в меньшей или большей области частот нарушаетс пропорциональность электрического сигнала тензометра величине акустической мощности
соответственно дл низкочастотных и высокочастотных преобразователей и возникает
соответствующа систематическа погрешность измерени .
Измеритель выполн ет следующие функции:
обеспечивает акустический контакт присоединением к рабочей поверхности
преобразовател 2 поверхностью присоединени 1, плавно измен ет силу прижима
поверхностей 1 и 2, приложенную между корпусом преобразовател и поверхностью
присоединени 1, и регистрирует соответственно измен ющуюс поглощенную в твердом
теле 7 акустическую мощность до достижени ее максимума.
Дл обеспечени акустического контакта присоединением поверхностей 1 и 2 и
дальнейшего изменени силы прижима измеритель снабжен разборным устройством
прикреплени 3 к корпусу преобразовател . Варианты прикреплени определ ютс типом
преобразовател . Как правило, корпус преобразовател 4 имеет элементы прикреплени к
технологическому устройству, фланцы, бурты и пр. Это используют дл прикреплени несущих элементов измерител , например, в виде шпилек, полого цилиндра и др. На
несущих элементах монтируют упругий элемент 5, средство его деформировани 6,
твердое тело 7, содержащее внутри датчик температуры, и тензометр 8.
Устройство прикреплени 3, упругий элемент 5, например пружину, средство его
деформировани 6, например кулачковый механизм, и тензометр 8 рассчитывают на
прочность по известным методикам исход из максимальной силы прижима. Силу прижима
Р принимают не менее
,
где Р* - оптимальна сила прижима, соответствующа максимуму поглощенной твердым
телом 7 мощности;
Страница: 9
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
S - площадь контакта поверхностей 1 и 2;
I - плотность выходной акустической мощности преобразовател ;
?с - удельное волновое сопротивление материала волновода преобразовател в
области рабочей поверхности, вл етс справочной величиной, см., например,
[Физические величины. Справочник / Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. - М.:
Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.] на с.148, Таблица 7.16.
При силе прижима Р, меньшей Р*, не достигают максимума поглощенной мощности.
Дл расчета Р* принимают максимальную величину I, известную из уровн техники дл типа преобразовател , подвергаемого измерению. По этим же соображени м принимают
величину S.
Так, дл мощных преобразователей стержневого типа с волноводами из прочных
титановых сплавов характерны величины:
S=10 -5 м 2, I=10 7 Вт/м 2, ?с=0,285?10 8 кг/м 2?с (см., например, Физические величины.
Справочник/Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. - М.; Энергоатомиздат, 1991. 1232 c., на с.148, Таблица 7.16), откуда получают Р*=0,754?10 3 Н. Дл расчетов
перечисленных элементов принимают Р=10 3 Н. Максимальное статическое механическое
напр жение контактирующих поверхностей 1 и 2 при этом равно 100 МПа, что намного
меньше предела текучести ?02 дл прочных титановых сплавов (см., например, там же на
с.56, Таблица 3.12). В результате максимального прижима поверхностей 1 и 2 не
происходит пластического деформировани , следовательно, в процессе измерени исключены неконтролируемые потери на пластическую деформацию, что исключает
сопр женную с ней систематическую погрешность измерени .
Прочность тензометра 8 в виде пьезоэлектрического конденсатора определ етс прочностью его пьезоэлектрического материала на сжатие. Дл современной
пьезокерамики характерна ее величина в 300 МПа (см., например, Донской А.В., Келлер
O.K., Кратыш Г.С. Ультразвуковые электротехнологические установки. - Л.: Энергоиздат,
1982. - 208 с., на с.51, Таблица 3-1). Завал частотной характеристики пьезокерамики
отсутствует на нижних частотах, а на высоких частотах он обусловлен механической
добротностью материала QM=100-500, практически не завис щей от частоты, и
диэлектрическими потер ми. В слабых пол х (что соответствует измерению как
назначению) tg ? не более 3?10 -2 (QM и tg ? см. там же). В слабых пол х диэлектрические
потери нос т гистерезисный характер, следовательно, электрическа добротность в
интересующем диапазоне частот также практически не зависит от частоты. Завалы
частотной характеристики тензометра 8, выполненного в виде пьезоэлектрического
конденсатора, на низком и высоком частотном пределах отсутствуют, то есть собственна частотна характеристика тензометра 8 включает необходимый частотный диапазон 5?10 4
- 5?10 5 рад/с. Систематическа погрешность измерени , обусловленна завалами
частотной характеристики тензометра 8, выполненного в виде пьезоэлектрического
конденсатора, исключена; по механической прочности он удовлетвор ет указанным
требовани м.
Твердое тело 7 выполн ет функцию полного поглощени поступающей в него через
поверхность присоединени 1 и проход щую через тензометр 8 акустической мощности,
характеризуемой известным частотным диапазоном с нижней частотной границей ?. Дл этого оно выполнено из магнитострикционного металлического сплава, например
пермендюра К49Ф2, и в направлении по нормали к поверхности присоединени 1 имеет
размер L не менее ?, где ? - рассто ние полного затухани продольной акустической
волны с частотой ? в примененном магнитострикционном металлическом сплаве. Все
волны с частотами, большими ?, затухают на меньшем рассто нии. По приведенной
формуле дл ? в случае пермендюра с параметрами (см., например, Физические величины.
Справочник/Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. - М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с., на с.644. Таблица 27.32): - к=0,5; ?=2,94?10 6 Сим/м; µ=200 дл ?=10 5 рад/с, что
соответствует требованию дл универсального измерител , получают ?=4,12 мм;
Страница: 10
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
принимают L=5 мм.
Твердое тело 7 целесообразно изготовить с осевой симметрией с параллельными
торцами на рассто нии L и вместе с тензометром 8 расположить в корпусе, который имеет
поверхность присоединени 1, а тензометр 8 контактирует с первым торцом тела 7. Ко
второму торцу тела 7, выступающему из корпуса, прикладывают силу прижима при
деформации упругого элемента 5. Упругий элемент 5 работает либо на сжатие, либо на
раст жение. В первом случае он расположен между вторым торцом тела 7 и средством
деформировани 6, например, в виде сжимаемой пружины, контактирующей
непосредственно со вторым торцом тела 7. Во втором случае с этим торцом контактирует
средство деформировани 6, например, в виде кулачка - эксцентрика кулачкового
механизма, а упругий элемент 5 расположен между устройством прикреплени 3 к корпусу
преобразовател 4 и эксцентричной осью кулачка-эксцентрика. Жесткость упругого
элемента 5 и ход средства его деформировани 6 рассчитывают исход из силы прижима Р
по известным методикам с учетом упругой деформации всех других конструкционных
элементов, наход щихс под действием этой силы: корпуса преобразовател 4, устройства
прикреплени 3 и средства деформировани 6, твердого тела 7 и тензометра 8.
Измеритель работает следующим образом. Его прикрепл ют разборным устройством
прикреплени 3 к корпусу преобразовател 4, при этом поверхность присоединени измерител 1 присоедин ют к рабочей поверхности преобразовател 2. Включают
преобразователь на номинальный рабочий режим, средством деформировани 6
осуществл ют деформирование упругого элемента 5, чем обеспечивают измен емую силу
прижима поверхности присоединени 1 к рабочей поверхности преобразовател 2. При
этом часть выходной акустической мощности, развиваемой на рабочей поверхности 2 с
известным частотным диапазоном, через тензометр 8 поступает в твердое тело 7 в виде
волнового пакета продольных акустических волн, характеризуемого известным частотным
диапазоном. Ее величина зависит от силы прижима поверхностей 1 и 2. Функцией
измерител вл етс измерение этой величины при непрерывном изменении силы
прижима. Измерение осуществл етс на основе полного поглощени волнового пакета
акустических волн в твердом теле 7 и регистрации скорости изменени его температуры в
услови х, когда эта скорость пропорциональна поглощенной мощности с известным
коэффициентом пропорциональности. Така пропорциональность имеет место в период
времени от начала поглощени мощности, много меньшего времени установлени стационарного температурного режима твердого тела 7. Коэффициентом
пропорциональности вл етс величина, обратна произведению его массы на
теплоемкость. Произвести измерение выходной акустической мощности преобразовател за этот период времени также вл етс функцией измерител .
Дл полного поглощени подведенной к твердому телу 7 акустической мощности
применено свойство магнитострикционного материала, заключающеес в возникновении
магнитного потока при упругой деформации - эффект Виллари [Физический
энциклопедический словарь / Под редакцией A.M. Прохорова. - М.: Советска энциклопеди , 1984. - 944 с., на с.76]. При этом отношение мощностей магнитного
потока и упругой деформации равно к 2, где к - коэффициент магнитомеханической св зи
магнитострикционного материала, меньший единицы. В материале твердого тела 7 магнитострикционном металлическом сплаве - кажда акустическа продольна волна
волнового пакета возбуждает переменный магнитный поток на ее частоте. Переменный
магнитный поток, в свою очередь, возбуждает охватывающий его вихревой электрический
ток, диссипируемый омическими потер ми. Диссипаци приводит к поглощению мощности
магнитного пол и с коэффициентом к 2 к поглощению акустической мощности, переносимой
этой волной. Рассто ние полного поглощени акустической волны, таким образом, в 1/к 2
больше известного в электродинамике рассто ни полного поглощени в металле
электромагнитной волны (о поглощении электромагнитной волны см., например,
[Никольский В.В. Теори электромагнитного пол . - М.: Высша школа, 1961. - 372 с] на
с.212 формула (7.78) и на с.222 формула (7.109) и комментарий к ней). Это учтено в
Страница: 11
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
предложенной формуле дл вычислени ?. Формула подтверждена экспериментально.
Эксперимент состо л в следующем.
Из прутка пермендюра К49Ф2 изготовили стержень длиной 145 мм, что соответствует
полуволновому резонатору на частоте 18 кГц дл нейтрального (не магнитострикционного)
металла с такой же скоростью звука С=5,2?10 3 м/с, как у пермендюра. Стержень
изготовили путем соединени пайкой двух цилиндров из пермендюра длиной 71,5 мм
каждый с двум дисками пьезокерамики ЦТС-19 толщиной 0,8 мм каждый,
ориентированными по их пол ризации встречно, расположенными между цилиндров
пермендюра. От контактирующих поверхностей дисков вывели электрический вывод.
Изготовили также катушку, охватывающую стержень, из обмоточного провода в 20
витков высотой 2 мм с возможностью ее перемещени вдоль стержн . Катушку и
электрический вывод от пьезодисков подключили к осциллографу.
Стержень ввели в акустический контакт с концентратором пьезоэлектрического
преобразовател , прижав его к корпусу преобразовател усилием в 51Н, приложенным с
противоположного торца.
При включении преобразовател на частоте 18 кГц на выходе с пьезодисков отметили
лишь немодулированный шум. Сигнал с катушки представл л переменное напр жение с
частотой 18 кГц, также с шумовой составл ющей. Амплитуда напр жени зависела от
осевого рассто ни , отсчитываемого от акустического контакта; шумова составл юща при этом не измен лась. Максимум амплитуды соответствовал положению катушки
вплотную к акустическому контакту; амплитуда монотонно уменьшалась с увеличением
рассто ни и исчезала на рассто нии не более 4 мм.
Интерпретаци наблюдений. Отсутствие регул рного сигнала в виде напр жени на
выводе дисков с частотой 18 кГц свидетельствует об отсутствии сто чей акустической
продольной волны в стержне. Така волна имела бы в середине стержн пучность
механического напр жени , что сопровождалось бы наличием электрического напр жени на выводе пьезокерамических дисков. Хара??тер сигнала с катушки подтверждает, что
проникновение акустической волны в магнитострикционный металл приводит к
возникновению электромагнитной волны, при этом оба вида волны распростран ютс с
одной скоростью и с одним показателем затухани . То есть возникает сложна волна,
которую следует определить как акустоэлектромагнитную. Измеренное рассто ние полного
ее затухани с хорошей точностью совпадает с величиной, вычисленной по предложенной
формуле.
Регистрацию скорости изменени температуры осуществл ют известным образом [SU
154418, 1960], дифференциру электрический сигнал от датчика температуры,
расположенного внутри твердого тела 7. При этом процесс измерени завершают за
период времени, много меньший времени установлени стационарного теплового режима
тела 7. Наименьшее врем установлени стационарного теплового режима характерно дл случа измерени выходной акустической мощности преобразователей малой мощности.
Например, дл преобразователей терапевтического назначени с малой мощностью на
уровне в единицы ватт врем установлени стационарного теплового режима тела 7
массой 50 г с теплоотводом в его корпус оценивают примерно в 10 мин. Период времени,
отведенного дл измерени , оценен в 0,5 мин. Необходимое деформирование упругого
элемента до достижени силы прижима Р в этом случае примерно 100 Н, например,
ручным рычагом кулачкового механизма, за это врем вполне осуществимо.
При помощи тензометра 8 поступающа в твердое тело 7 акустическа мощность,
переносима пакетом бегущих продольных волн, проходит предварительно тензометр 8.
Электрический сигнал с тензометра 8 пропорционален проход щей через него
акустической мощности. Коэффициент пропорциональности измер ют экспериментально,
что составл ет операцию калибровки. Эта пропорциональность не зависит от степени
приближени твердого тела 7 к стационарному температурному режиму. Таким образом
снимают ограничение на период времени, отведенный дл измерени . Этим достигают
упрощение процесса измерени .
Страница: 12
RU 2 334 956 C2
5
10
15
Итак показано, что измеритель выполн ет функции своего предназначени :
обеспечивает акустический контакт с преобразователем присоединением поверхностей 1 и
2, плавно измен ет силу прижима этих поверхностей и измер ет отбираемую при этом
акустическую мощность от преобразовател , котора измен етс при изменении силы
прижима.
Зависимость отбираемой мощности от силы прижима поверхностей акустического
контакта носит экстремальный характер. Выходной акустической мощностью
преобразовател как его параметром предложено считать максимум этой зависимости.
Способ ее измерени осуществл ют следующим образом.
Примен ют измеритель, который прикрепл ют с помощью устройства прикреплени 3 к
корпусу преобразовател 4. Осуществл ют акустический контакт присоединением
поверхностей 1 и 2. Деформируют упругий элемент 5 средством его деформировани 6,
тем самым измен силу прижима поверхностей 1 и 2. Измер ют завис щую от силы
прижима отбираемую от преобразовател акустическую мощность. Довод т эту мощность
до максимальной величины, эту величину считают выходной акустической мощностью
преобразовател - его параметром. С целью упрощени процесса измерени отбираемую
мощность измер ют с помощью тензометра 8, электрический сигнал которого
предварительно калибруют в единицах поглощенной в твердом теле 7 акустической
мощности.
20
25
30
35
40
45
50
Формула изобретени 1. Измеритель выходной акустической мощности, имеющего корпус ультразвукового
преобразовател , развиваемой на рабочей поверхности преобразовател с известным
частотным диапазоном, имеющий поверхность присоединени к рабочей поверхности
преобразовател , содержащий твердое тело дл поглощени акустической мощности,
расположенное за поверхностью присоединени в направлении по нормали к этой
поверхности, датчик температуры, расположенный внутри твердого тела, при этом
измеритель выполнен с возможностью получени значени акустической мощности по
измеренной скорости нагрева твердого тела, отличающийс тем, что измеритель
дополнительно содержит разборное устройство прикреплени его к корпусу
преобразовател , а также упругий элемент, размещенный между устройством
прикреплени и поверхностью присоединени , и средство дл его измен емого
деформировани , при этом твердое тело выполнено из магнитострикционного
металлического сплава и в направлении по нормали к поверхности присоединени оно
имеет размер L не менее
где ? - коэффициент магнитомеханической св зи;
µ - относительна магнитна проницаемость;
? - электрическа проводимость,
вл ютс параметрами магнитострикционного металлического сплава,
-7
µo=4??10 Гн/м - электродинамическа константа;
? - кругова частота, соответствующа нижней границе известного частотного
диапазона,
дополнительно измеритель выполнен с возможностью регистрации измен ющейс поглощенной в твердом теле акустической мощности до достижени ею максимума.
2. Измеритель по п.1, отличающийс тем, что между поверхностью присоединени и
твердым телом дополнительно размещен тензометр с собственной частотной полосой,
включающей известный частотный диапазон, например, в виде пьезоэлектрического
конденсатора.
3. Измеритель по п.1, отличающийс тем, что, с целью его универсализации в качестве
круговой частоты прин та величина ? =105 рад/с.
Страница: 13
CL
RU 2 334 956 C2
4. Измеритель по п.2, отличающийс тем, что, с целью его универсализации
использован тензометр с собственной частотной полосой, наход щейс в
5
10
15
20
пределах 5?10 4-5?10 5 рад/с.
5. Способ измерени выходной акустической мощности ультразвукового
преобразовател , имеющего корпус и рабочую поверхность, на которой развиваетс акустическа мощность, характеризуема известным частотным диапазоном, включающий
поглощение мощности в твердом теле и измерение поглощенной мощности, отличающийс тем, что к корпусу преобразовател прикрепл ют измеритель по пп.1-4, его поверхность
присоединени присоедин ют к рабочей поверхности преобразовател и измен ют
деформирование упругого элемента до достижени максимума поглощенной твердым
телом мощности, величину которого считают равной выходной акустической мощности.
6. Способ по п.5, отличающийс тем, что измерение поглощенной мощности
осуществл ют с помощью тензометра, размещенного между поверхностью присоединени и твердым телом, сигнал с которого предварительно калибруют в единицах поглощенной в
твердом теле мощности.
7. Способ по п.5 или 6, отличающийс тем, что дл ультразвукового преобразовател ,
рабоча поверхность которого больше поверхности присоединени измерител , измер ют
часть выходной акустической мощности преобразовател , приход щуюс на поверхность
присоединени измерител , при этом отношение максимума поглощенной твердым телом
мощности к площади поверхности присоединени считают плотностью выходной
акустической мощности в области присоединени .
25
30
35
40
45
50
Страница: 14
нку качества
преобразовател . Действительно, не очевидно, что преобразователь с большой
реактивной акустической мощностью способен отдать в нагрузку достаточную активную
Страница: 4
DE
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
акустическую мощность. При нагружении его добротность может быстро упасть с
переходом через нижний предел и преобразователь перестанет выполн ть свое
назначение. Все сказанное приводит к выводу, что существует оптимальное соотношение
между реактивной и отбираемой акустическими мощност ми конкретного преобразовател ,
при котором отбираема мощность максимальна. Эту максимальную мощность следует
считать выходной акустической мощностью данного преобразовател - его параметром.
Смыслового определени этого параметра в уровне техники нет, соответственно, нет и
технических решений дл его измерени .
В соответствии с данным определением выходной акустической мощности необходимо
отобрать от преобразовател максимальную акустическую мощность и измерить ее. Дл отбора максимальной акустической мощности преобразователь должен быть поставлен в
соответствующие услови нагружени . Измерение акустической мощности осуществл ют
путем ее поглощени и измерени теплового эффекта. При этом, разумеетс , акустическа мощность должна быть полностью поглощена.
Ближайшим аналогом изобретени вл етс устройство и способ дл измерени акустической мощности ультразвуковых преобразователей с концентраторами, описанные
в монографии [Донской А.В., Келлер O.K., Кратыш Г.С. Ультразвуковые
электротехнологические установки. - Л.: Энергоиздат, 1982. - 208 с.] на стр.193,
первый абзац сверху.
Согласно аналогу "акустическую мощность определ ют, присоедин к испытываемой
акустической системе полуволновой стержень из материала с большим внутренним
трением. Стержень рекомендуют делать из стали 1Х13, подверга ее закалке при 1000°С
на воздухе или в трансформаторном масле и отпуску при 700-720°С. Врем озвучивани составл ет 10-30 с. Тепло, выдел емое в образце, калориметрируют."
Аналог имеет признаки, совпадающие с существенными признаками изобретени : дл поглощени акустической мощности примен ют твердое тело, которое "присоедин ют" к
рабочей поверхности преобразовател .
Однако задача измерени выходной акустической мощности как параметра
преобразовател не решаетс - отсутствуют признаки отбора максимальной акустической
мощности и не обеспечено полное поглощение прошедшей через поверхность
присоединени мощности. Последнее видно из признака выполнени присоедин емого
стержн в виде полуволнового механического резонатора, в котором (по определению)
устанавливаетс сто ча волна продольных смещений. Условием же дл установлени сто чей волны вл етс отражение бегущей волны от торцов стержн , откуда следует
малость ее затухани . Действительно, средн механическа добротность стали дл продольных колебаний составл ет 5?10 3 (см., например, Физические величины:
Справочник. /Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. - М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с., на с.156, Таблица 7.24); поглощательна способность - величина обратна механической добротности, есть 2?10 -4. Рекомендованна дл увеличени внутреннего
трени термообработка стали (стандартна закалка и высокий отпуск) этой
низкоуглеродистой высокохромистой стали приводит к удалению углерода из твердого
раствора и его св зыванию в карбидах хрома. При этом поглощательна способность стали
приближаетс к поглощательной способности железа, увеличива сь не более чем в
несколько раз; по пор дку величины она составл ет 10 -3, что не обеспечивает поглощение
мощности, а следовательно, и ее измерение.
Раскрытие изобретени .
В уровне техники нет технических решений, адекватных задаче измерени выходной
акустической мощности ультразвукового преобразовател . Более того, нет самого четко
определенного пон ти выходной акустической мощности, которой, как параметром,
необходимо характеризовать преобразователь вне зависимости от условий его
эксплуатации и метода измерени этого параметра. Это обусловлено следующим.
В услови х эксплуатационной нагрузки полна акустическа мощность вл етс суммой
реактивной (колебательной) мощности и активной, где в нормальном режиме доминирует
Страница: 5
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
мощность, отбираема от рабочей поверхности преобразовател в нагрузку. Стремление
увеличить второе слагаемое за счет уменьшени первого ограничено требованием
сохранени резонансных свойств электромеханического резонатора. Следовательно,
существует оптимальное соотношение между указанными слагаемыми, характерное дл типа преобразовател . Предлагаем выходную акустическую мощность определить как
отбираемую от рабочей поверхности в услови х указанного оптимума. В этих услови х
отбираема мощность максимальна. Именно эту величину предлагаем назвать выходной
акустической мощностью преобразовател .
Соотношение между указанными слагаемыми дл определенного типа преобразовател зависит только от механического напр жени на его рабочей поверхности, обусловленного
нагрузкой. Если нагрузкой вл етс акустический контакт с твердым телом, механическое
напр жение определ етс силой его прижима к рабочей поверхности - величиной,
допускающей изменение и измерение. Указанному оптимуму соответствует оптимальна сила прижима. При посто нстве суммы мощностей оптимальной силе прижима
соответствует максимум отбираемой мощности. Измерение этого максимума путем полного
поглощени отбираемой мощности положено в основу замысла способа измерени выходной акустической мощности преобразовател .
Способ реализуют, примен соответствующий измеритель, обладающий возможностью
выполнени двух необходимых и достаточных условий измерени , а именно достижени оптимальной силы прижима к рабочей поверхности преобразовател и полного поглощени отбираемой от нее акустической мощности.
Задача - разработка измерител выходной акустической мощности ультразвукового
преобразовател и способа проведени измерений с его использованием.
Технический результат состоит в реализации средств измерени выходной акустической
мощности ультразвукового преобразовател как вида параметра, средства этого
назначени предложены впервые.
Итак, измерению подвергают выходную акустическую мощность преобразовател ,
развиваемую на рабочей поверхности преобразовател с известным частотным
диапазоном, характеризуемым, в том числе, нижней границей, то есть наименьшей
частотой этого диапазона.
Измеритель имеет поверхность присоединени к рабочей поверхности преобразовател и содержит твердое тело дл поглощени и измерени акустической мощности. Это существенные признаки измерител , известные в уровне техники.
Измеритель отличаетс тем, что дополнительно содержит разборное устройство
прикреплени к корпусу преобразовател , а также упругий элемент, размещаемый между
устройством прикреплени к корпусу и поверхностью присоединени , и средство его
измен емого деформировани .
Эти новые признаки дают возможность путем измен емого деформировани упругого
элемента подобрать оптимальный прижим измерител его поверхностью присоединени к
рабочей поверхности преобразовател , то есть обеспечить первое необходимое условие
измерени .
Новым признаком измерител также вл етс выполнение твердого тела из
магнитострикционного металлического сплава, при этом твердое тело в направлении по
нормали к поверхности присоединени имеет размер L не менее:
,
где
? - коэффициент магнитомеханической св зи,
µ - относительна магнитна проницаемость,
? - электрическа проводимость,
вл ютс параметрами магнитострикционного металлического сплава,
-7
µo=4??10 Гн/м - электродинамическа константа,
Страница: 6
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
? - кругова частота, соответствующа нижней границе известного частотного
диапазона.
В этом случае в твердом теле полностью поглощаютс все акустические волны,
составл ющие волновой пакет, несущий акустическую мощность с ее известным частотным
диапазоном. Этим обеспечивают выполнение второго необходимого услови измерени .
В конкретных формах выполнени измерител предусмотрены следующие варианты.
Между поверхностью присоединени и твердым телом дополнительно размещен
тензометр с собственной частотной полосой, включающей известный частотный диапазон,
например, в виде пьезоэлектрического конденсатора. Наличие этого тензометра упрощает
процесс измерени .
В качестве нижней частотной границы известного частотного диапазона прин та
величина ? =105 рад/с. Этим достигают универсальности измерител по отношению к
различным частотным диапазонам преобразователей. Измеритель становитс способен
производить измерени от самой нижней частоты 15,5 кГц, прин той в ультразвуковой
технике и технологии, и, естественно, дл любых более высоких.
Собственна частотна полоса тензометра прин та в пределах 5?10 4-5?10 5 рад/с,
этими пределами охвачены все известные в уровне техники частотные диапазоны
преобразователей, что также универсализирует измеритель.
Способ измерени выходной акустической мощности включает поглощение мощности в
твердом теле и измерение поглощенной мощности - признаки, известные в уровне техники.
Способ отличаетс тем, что измерение производ т с помощью описанного измерител .
Дл этого его прикрепл ют к корпусу преобразовател , поверхность присоединени измерител присоедин ют к рабочей поверхности преобразовател и измен ют
деформирование упругого элемента до достижени максимума поглощенной твердым
телом мощности. Эту максимальную величину поглощенной мощности считают равной
выходной акустической мощности преобразовател .
В услови х, когда преобразователь имеет большую рабочую поверхность, например,
предназначен дл ванн ультразвуковой мойки, предусмотрен вариант способа измерени ,
отличающийс тем, что измер ют часть выходной акустической мощности
преобразовател , приход щуюс на поверхность присоединени измерител . Отношение
величины измеренного максимума поглощенной мощности к площади поверхности
присоединени считают плотностью выходной акустической мощности в области
присоединени . При этом возможно определить распределение плотности выходной
акустической мощности по большой рабочей поверхности преобразовател ; как правило,
оно резко неоднородно.
Другим вариантом способа вл етс измерение поглощенной мощности с помощью
тензометра, сигнал с которого предварительно калибруют в единицах поглощенной в
твердом теле мощности. Это упрощает процесс измерени , снима ограничение на период
времени, отведенный на его осуществление.
В изобретении применено свойство магнитострикционного материала, заключающеес в
возникновении магнитного потока при упругой деформации - эффект Виллари (см.,
например, Физический энциклопедический словарь. /Под редакцией A.M.Прохорова. - М.:
Советска энциклопеди , 1984. - 944 с., на с.76).
При наличии акустического контакта измерител со средой, в которой распростран етс поток акустической мощности, поглотитель из магнитострикционного металла подвергаетс продольной упругой деформации на частотах этого потока. В нем возникает переменный
магнитный поток, содержащий указанные частоты. В сечении, перпендикул рном
магнитному потоку, а, следовательно, и плотности измер емого акустического потока, в
произвольном замкнутом контуре возникает вихрева электродвижуща сила (вихрева ЭДС). В металле эта ЭДС образует вихревой электрический ток, вызывающий омический
нагрев металла. Этот вид потерь в магнитострикционном металле вл етс доминирующим.
Выдел юща с теплова энерги пропорциональна акустической с коэффициентом
Страница: 7
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
пропорциональности ? 2, где ? - коэффициент магнитомеханической св зи - таблична величина дл конкретного магнитострикционного материала. Указанна пропорциональность обеспечивает свойство линейности характеристики поглощени .
Однако в силу указанной пропорциональности в конкретном сечении не достигаетс полного поглощени акустического потока. Практически полное поглощение
монохроматического потока акустической мощности с частотой ? происходит на
рассто нии ? (определено выше), которое можно определить как длину
акустоэлектромагнитной волны с частотой ? в магнитострикционном металле. Дадим
оценку величины ? дл магнитострикционного металла пермендюра К49Ф2 на частоте f=22
кГц. Дл него имеем: (см., например, Физические величины. Справочник. /Под ред.
Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с., на с.644,
Таблица 27.32. (Основные характеристики металлических магнитострикционных
материалов):
?=0,48-0,54; принимаем ?=0,5;
-7
?эл=3,4?10 Ом?м - удельное электрическое сопротивление;
?=1/?эл;
µ=200;
откуда с учетом ?=2?f получаем ?=3,52 мм.
Конструктивный размер L в этом случае выбирают равным 4 мм.
Монохроматический поток акустической мощности в твердотельном поглотителе имеет
характер бегущей, экспоненциально затухающей волны, практически полностью
затухающей на рассто нии, равном длине волны. Так обеспечиваютс требовани к
эффективному поглотителю: линейность характеристики и полное поглощение, что, в свою
очередь, обеспечивает повышение точности измерени .
В случае немонохроматичного потока акустической мощности, т.е когда поток имеет
конечный частотный спектр, наименьшим затуханием характеризуетс та часть потока,
котора соответствует нижней частотной границе спектра, в этом случае в расчете ?
используют круговую частоту ? , соответствующую нижней границе амплитудно-частотного
спектра потока акустической мощности.
Непосредственно с помощью датчика температуры измер ют скорость нагрева
магнитострикционного металла, которую при известной теплоемкости калибруют в
единицах тепловой мощности, равной измер емому потоку акустической мощности.
При наличии тензометра регистрируют его сигнал от бегущей акустической волны на
входе в поглотитель, который также калибруют в единицах тепловой мощности. При этом
сокращаетс врем производства измерени .
Введение тензометра, например пьезоэлектрического конденсатора, который имеет
акустический контакт с поверхностью из магнитострикционного металлического сплава,
необходимо дл ускорени производства измерени .
Через такой тензометр проходит измер емый поток, который затем полностью
поглощаетс твердотельным поглотителем. Поэтому поток имеет характер бегущих волн
механического напр жени со своими частотами в случае конечного частотного спектра.
Механические напр жени тензометром преобразуютс в электрические, так что он выдает
сигнал в виде интегрального по частотам электрического напр жени . Электрический
сигнал, пропорциональный потоку акустической мощности, калибруют по скорости нагрева
твердотельного поглотител с помощью датчика температуры в единицах тепловой
мощности, равной измер емому потоку акустической мощности. Регистраци прокалиброванного таким образом электрического напр жени от тензометра ускор ет
производство измерени без снижени точности, что обусловлено полным поглощением
потока акустической мощности.
Изобретение иллюстрируетс графическим материалом.
На чертеже показан схематический измеритель.
Осуществление изобретени Страница: 8
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Измеритель имеет поверхность присоединени 1 к рабочей поверхности
ультразвукового преобразовател 2 и разборное устройство прикреплени 3 к корпусу
преобразовател 4. Измеритель снабжен упругим элементом 5, размещенным между
поверхностью присоединени 1 и устройством прикреплени 3, и средством его
деформировани 6, например, в виде кулачкового механизма. Главным элементом
измерител вл етс твердое тело 7, содержащее внутри датчик температуры. Датчик
температуры - известный признак [SU 154418, 1960]. Твердое тело 7 расположено за
поверхностью присоединени 1 в направлении по нормали к ней. Это твердое тело 7
выполнено из магнитострикционного металлического сплава, например пермендюра
К49Ф2, и в направлении к указанной нормали имеет размер L не менее ?, формула дл вычислени ? приведена в разделе "Раскрытие изобретени ". Признак "не менее ?"
обусловлен тем, что на длине L меньше ? не достигаетс полного поглощени акустической мощности на нижней границе ее частотного диапазона, следовательно, эта
часть мощности не может быть измерена. Дополнительно измеритель содержит тензометр
8, размещенный между поверхностью присоединени 1 и твердым телом 7, который может
быть выполнен в виде пьезоэлектрического конденсатора. Тензометр 8 обладает
собственной частотной полосой, включающей известный частотный диапазон акустической
мощности преобразовател . При этом условии он выдает электрический сигнал,
пропорциональный проход щей через него акустической мощности во всем ее частотном
диапазоне.
В частном случае выполнени измерител как универсального пригодного дл измерени всех известных в уровне технике преобразователей размер твердого тела L
определен по наименьшей основной частоте 0,95?10 5 рад/с, так что дл расчета ? прин та
нижн граница частотного диапазона, отсто ща от основной частоты на 7,5% (согласно
нормативу на частоты от 1963 г., разрешенные к промышленному применению), т.е. вз та с небольшим запасом ?=0,8?10 5 рад/с. Соответственно, собственна частотна полоса
тензометра дл универсального измерител простираетс в диапазоне 5?10 4 - 5?10 3 рад/с.
При сужении этого диапазона в меньшей или большей области частот нарушаетс пропорциональность электрического сигнала тензометра величине акустической мощности
соответственно дл низкочастотных и высокочастотных преобразователей и возникает
соответствующа систематическа погрешность измерени .
Измеритель выполн ет следующие функции:
обеспечивает акустический контакт присоединением к рабочей поверхности
преобразовател 2 поверхностью присоединени 1, плавно измен ет силу прижима
поверхностей 1 и 2, приложенную между корпусом преобразовател и поверхностью
присоединени 1, и регистрирует соответственно измен ющуюс поглощенную в твердом
теле 7 акустическую мощность до достижени ее максимума.
Дл обеспечени акустического контакта присоединением поверхностей 1 и 2 и
дальнейшего изменени силы прижима измеритель снабжен разборным устройством
прикреплени 3 к корпусу преобразовател . Варианты прикреплени определ ютс типом
преобразовател . Как правило, корпус преобразовател 4 имеет элементы прикреплени к
технологическому устройству, фланцы, бурты и пр. Это используют дл прикреплени несущих элементов измерител , например, в виде шпилек, полого цилиндра и др. На
несущих элементах монтируют упругий элемент 5, средство его деформировани 6,
твердое тело 7, содержащее внутри датчик температуры, и тензометр 8.
Устройство прикреплени 3, упругий элемент 5, например пружину, средство его
деформировани 6, например кулачковый механизм, и тензометр 8 рассчитывают на
прочность по известным методикам исход из максимальной силы прижима. Силу прижима
Р принимают не менее
,
где Р* - оптимальна сила прижима, соответствующа максимуму поглощенной твердым
телом 7 мощности;
Страница: 9
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
S - площадь контакта поверхностей 1 и 2;
I - плотность выходной акустической мощности преобразовател ;
?с - удельное волновое сопротивление материала волновода преобразовател в
области рабочей поверхности, вл етс справочной величиной, см., например,
[Физические величины. Справочник / Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. - М.:
Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.] на с.148, Таблица 7.16.
При силе прижима Р, меньшей Р*, не достигают максимума поглощенной мощности.
Дл расчета Р* принимают максимальную величину I, известную из уровн техники дл типа преобразовател , подвергаемого измерению. По этим же соображени м принимают
величину S.
Так, дл мощных преобразователей стержневого типа с волноводами из прочных
титановых сплавов характерны величины:
S=10 -5 м 2, I=10 7 Вт/м 2, ?с=0,285?10 8 кг/м 2?с (см., например, Физические величины.
Справочник/Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. - М.; Энергоатомиздат, 1991. 1232 c., на с.148, Таблица 7.16), откуда получают Р*=0,754?10 3 Н. Дл расчетов
перечисленных элементов принимают Р=10 3 Н. Максимальное статическое механическое
напр жение контактирующих поверхностей 1 и 2 при этом равно 100 МПа, что намного
меньше предела текучести ?02 дл прочных титановых сплавов (см., например, там же на
с.56, Таблица 3.12). В результате максимального прижима поверхностей 1 и 2 не
происходит пластического деформировани , следовательно, в процессе измерени исключены неконтролируемые потери на пластическую деформацию, что исключает
сопр женную с ней систематическую погрешность измерени .
Прочность тензометра 8 в виде пьезоэлектрического конденсатора определ етс прочностью его пьезоэлектрического материала на сжатие. Дл современной
пьезокерамики характерна ее величина в 300 МПа (см., например, Донской А.В., Келлер
O.K., Кратыш Г.С. Ультразвуковые электротехнологические установки. - Л.: Энергоиздат,
1982. - 208 с., на с.51, Таблица 3-1). Завал частотной характеристики пьезокерамики
отсутствует на нижних частотах, а на высоких частотах он обусловлен механической
добротностью материала QM=100-500, практически не завис щей от частоты, и
диэлектрическими потер ми. В слабых пол х (что соответствует измерению как
назначению) tg ? не более 3?10 -2 (QM и tg ? см. там же). В слабых пол х диэлектрические
потери нос т гистерезисный характер, следовательно, электрическа добротность в
интересующем диапазоне частот также практически не зависит от частоты. Завалы
частотной характеристики тензометра 8, выполненного в виде пьезоэлектрического
конденсатора, на низком и высоком частотном пределах отсутствуют, то есть собственна частотна характеристика тензометра 8 включает необходимый частотный диапазон 5?10 4
- 5?10 5 рад/с. Систематическа погрешность измерени , обусловленна завалами
частотной характеристики тензометра 8, выполненного в виде пьезоэлектрического
конденсатора, исключена; по механической прочности он удовлетвор ет указанным
требовани м.
Твердое тело 7 выполн ет функцию полного поглощени поступающей в него через
поверхность присоединени 1 и проход щую через тензометр 8 акустической мощности,
характеризуемой известным частотным диапазоном с нижней частотной границей ?. Дл этого оно выполнено из магнитострикционного металлического сплава, например
пермендюра К49Ф2, и в направлении по нормали к поверхности присоединени 1 имеет
размер L не менее ?, где ? - рассто ние полного затухани продольной акустической
волны с частотой ? в примененном магнитострикционном металлическом сплаве. Все
волны с частотами, большими ?, затухают на меньшем рассто нии. По приведенной
формуле дл ? в случае пермендюра с параметрами (см., например, Физические величины.
Справочник/Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. - М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с., на с.644. Таблица 27.32): - к=0,5; ?=2,94?10 6 Сим/м; µ=200 дл ?=10 5 рад/с, что
соответствует требованию дл универсального измерител , получают ?=4,12 мм;
Страница: 10
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
принимают L=5 мм.
Твердое тело 7 целесообразно изготовить с осевой симметрией с параллельными
торцами на рассто нии L и вместе с тензометром 8 расположить в корпусе, который имеет
поверхность присоединени 1, а тензометр 8 контактирует с первым торцом тела 7. Ко
второму торцу тела 7, выступающему из корпуса, прикладывают силу прижима при
деформации упругого элемента 5. Упругий элемент 5 работает либо на сжатие, либо на
раст жение. В первом случае он расположен между вторым торцом тела 7 и средством
деформировани 6, например, в виде сжимаемой пружины, контактирующей
непосредственно со вторым торцом тела 7. Во втором случае с этим торцом контактирует
средство деформировани 6, например, в виде кулачка - эксцентрика кулачкового
механизма, а упругий элемент 5 расположен между устройством прикреплени 3 к корпусу
преобразовател 4 и эксцентричной осью кулачка-эксцентрика. Жесткость упругого
элемента 5 и ход средства его деформировани 6 рассчитывают исход из силы прижима Р
по известным методикам с учетом упругой деформации всех других конструкционных
элементов, наход щихс под действием этой силы: корпуса преобразовател 4, устройства
прикреплени 3 и средства деформировани 6, твердого тела 7 и тензометра 8.
Измеритель работает следующим образом. Его прикрепл ют разборным устройством
прикреплени 3 к корпусу преобразовател 4, при этом поверхность присоединени измерител 1 присоедин ют к рабочей поверхности преобразовател 2. Включают
преобразователь на номинальный рабочий режим, средством деформировани 6
осуществл ют деформирование упругого элемента 5, чем обеспечивают измен емую силу
прижима поверхности присоединени 1 к рабочей поверхности преобразовател 2. При
этом часть выходной акустической мощности, развиваемой на рабочей поверхности 2 с
известным частотным диапазоном, через тензометр 8 поступает в твердое тело 7 в виде
волнового пакета продольных акустических волн, характеризуемого известным частотным
диапазоном. Ее величина зависит от силы прижима поверхностей 1 и 2. Функцией
измерител вл етс измерение этой величины при непрерывном изменении силы
прижима. Измерение осуществл етс на основе полного поглощени волнового пакета
акустических волн в твердом теле 7 и регистрации скорости изменени его температуры в
услови х, когда эта скорость пропорциональна поглощенной мощности с известным
коэффициентом пропорциональности. Така пропорциональность имеет место в период
времени от начала поглощени мощности, много меньшего времени установлени стационарного температурного режима твердого тела 7. Коэффициентом
пропорциональности вл етс величина, обратна произведению его массы на
теплоемкость. Произвести измерение выходной акустической мощности преобразовател за этот период времени также вл етс функцией измерител .
Дл полного поглощени подведенной к твердому телу 7 акустической мощности
применено свойство магнитострикционного материала, заключающеес в возникновении
магнитного потока при упругой деформации - эффект Виллари [Физический
энциклопедический словарь / Под редакцией A.M. Прохорова. - М.: Советска энциклопеди , 1984. - 944 с., на с.76]. При этом отношение мощностей магнитного
потока и упругой деформации равно к 2, где к - коэффициент магнитомеханической св зи
магнитострикционного материала, меньший единицы. В материале твердого тела 7 магнитострикционном металлическом сплаве - кажда акустическа продольна волна
волнового пакета возбуждает переменный магнитный поток на ее частоте. Переменный
магнитный поток, в свою очередь, возбуждает охватывающий его вихревой электрический
ток, диссипируемый омическими потер ми. Диссипаци приводит к поглощению мощности
магнитного пол и с коэффициентом к 2 к поглощению акустической мощности, переносимой
этой волной. Рассто ние полного поглощени акустической волны, таким образом, в 1/к 2
больше известного в электродинамике рассто ни полного поглощени в металле
электромагнитной волны (о поглощении электромагнитной волны см., например,
[Никольский В.В. Теори электромагнитного пол . - М.: Высша школа, 1961. - 372 с] на
с.212 формула (7.78) и на с.222 формула (7.109) и комментарий к ней). Это учтено в
Страница: 11
RU 2 334 956 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
предложенной формуле дл вычислени ?. Формула подтверждена экспериментально.
Эксперимент состо л в следующем.
Из прутка пермендюра К49Ф2 изготовили стержень длиной 145 мм, что соответствует
полуволновому резонатору на частоте 18 кГц дл нейтрального (не магнитострикционного)
металла с такой же скоростью звука С=5,2?10 3 м/с, как у пермендюра. Стержень
изготовили путем соединени пайкой двух цилиндров из пермендюра длиной 71,5 мм
каждый с двум дисками пьезокерамики ЦТС-19 толщиной 0,8 мм каждый,
ориентированными по их пол ризации встречно, расположенными между цилиндров
пермендюра. От контактирующих поверхностей дисков вывели электрический вывод.
Изготовили также катушку, охватывающую стержень, из обмоточного провода в 20
витков высотой 2 мм с возможностью ее перемещени вдоль стержн . Катушку и
электрический вывод от пьезодисков подключили к осциллографу.
Стержень ввели в акустический контакт с концентратором пьезоэлектрического
преобразовател , прижав его к корпусу преобразовател усилием в 51Н, приложенным с
противоположного торца.
При включении преобразовател на частоте 18 кГц на выходе с пьезодисков отметили
лишь немодулированный шум. Сигнал с катушки представл л переменное напр жение с
частотой 18 кГц, также с шумовой составл ющей. Амплитуда напр жени зависела от
осевого рассто ни , отсчитываемого от акустического контакта; шумова составл юща при этом не измен лась. Максимум амплитуды соответствовал положению катушки
вплотную к акустическому контакту; амплитуда монотонно уменьшалась с увеличением
рассто ни и исчезала на рассто нии не более 4 мм.
Интерпретаци наблюдений. Отсутствие регул рного сигнала в виде напр жени на
выводе дисков с частотой 18 кГц свидетельствует об отсутствии сто чей акустической
продольной волны в стержне. Така волна имела бы в середине стержн пучность
механического напр жени , что сопровождалось бы наличием электрического напр жени на выводе пьезокерамических дисков. Хара?
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
192 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа