4. Конструкція ультразвукових давачів

4.1.Особливості електроакустичних перетворювачів для ультразвукової термометрії

При використанні комплектуючих елементів об’єкта в якості чутливого елемента ультразвукового термометра електроакустичний перетворювач кріпиться безпосередньо або через буферний елемент до цього елемента (або до стінки об’єкту). Можливість використовувати перетворювачі визначається ступенем різниці акустичних повних опорів на межі двох середовищ та погасанням в звукопроникних матеріалах. Водо охолоджуючі сорочки, різні покриття, забруднення поверхні контакту створюють додаткові проблеми. Реально ввід ультразвукових сигналів без порушення оболонки об’єкту можливий тільки у випадку вимірювання температури в рідині (рис.4.1.1) чи в твердому тілі. Подання сигналу через стінку об’єкту в газове середовище затруднений через велику різницю акустичних імпендексів. При необхідності перетворювачі можуть бути розташовані дистанційно. В таких випадках використовують буферні хвилеводи повздовжніх хвиль 6 або хвилеводи хвиль Лемба 7. При переході в рідину хвилі Лемба перетворюються в повздовжні коливання.

При роботі в режимі неперервних коливань використовують роздільні передавальні і приймальні перетворювачі. У випадку використання імпульсних сигналів, пакет коливань, при роботі на відбитті використовують поєднані або роздільно-поєднані (приймальний та передаючий перетворювачі розміщені поруч в одному корпусі) перетворювачі. При виготовлення перетворювачів і встановленні їх на об’єкт необхідно пам’ятати ,що п’єзоелектричні та магнітострикційні властивості матеріалів зберігаються тільки до температури Кюрі.

Рис.4.1.1. Приклади варіантів подання сигналу в об’єкт вимірювання: 1 - передаючий перетворювач; 2 –прийомні перетворювачі; 3 – поєднані перетворювачі; 4 – рефлектори; 5 – перетворювачі хвиль Лемба; 6 –хвилевод повздовжніх хвиль; 7 – хвилевод хвиль Лемба.

При використанні діапазону частот вище 100 кГц застосовують пєзоперетворювачі у вигляді пластин, виконуючих коливання по товщині, при частотах 40 – 100кГц – у вигляді стержня, виконуючих повздовжні коливання. Якщо п’єзо-або магнітострикційні перетворювачі не попадають під дію високих температур, то дозволено використання стандартних конструкцій, використовуючи акустичних способах не руйнівного контролю ( наприклад, п’єзоелектричні шукачі І111- 0,6 – КН – 11, І111 – 2,5 –КМ- 12 і т.п.). Для підвищених температур застосовують пєзоперетворювачі з ніобату літію ( до 1330 К ) з платиновими електродами, магнітострикційні перетворювачі з котушками, намотаними анодируваним або танталовим дротом на керамічному або металічному каркасі. Використовується також нікелевий дріт з окисним або керамічним покриттям, мідний дріт в силіконовій ізоляції. Число витків передавальної котушки напівхвилевої довжини в імпульсному режимі роботи вибирається з виразу

, (4.1)

де J –допустима густина току ; b – коефіцієнт заповнення; S₀– площа січення обмотки; l – амплітудне значення току; g – шпаруватість. Для уникнення перегріву перетворювача в режимі роботи розробленні конструкції з використанням магнітострикційних сердечників, покритих речовиною з капілярною структурою і охолоджуючих рідиною.

Варіанти виготовлення магнітострикційного стержневого перетворювача повздовжніх коливань, використовуючи накладання прямого і відбитого ( від заднього торця ) сигналів, зображені на рис. 4.1.2. На рис. 4.1.2,а магнітострикційний стержень 1 на торцеві частині має дрібну різьбу 2 і з її допомогою легко закріплений в звуженій частині трубки 3, яка має внутрішню різьбу. Трубка 3 виготовляється з не магнітного матеріалу та служить одночасно каркасом котушки збудження 4. Коефіцієнт відбиття від торця стержня r≈-1. Прямий, відбитий від торця та сумарний сигнал зображені на рис. 4.1.2,б.

Конструкція, яка використовує кріплення на масивні опорі при малих габаритах перетворювача, зображена на рис. 4.1.2.в. Тут 1 – трубка з магнітострикційного матеріалу з внутрішньою різьбою в торцевій частині. Частина різьби використовується для жорсткого з’єднання з масивною опорою 6, а частина – для обмотки збудження 4, витки якої вкладаються в канавки різьби. Коефіцієнт відображення сигналу від опори 6 r ≈ +1.

Конструкція на рис. 4.1.2,г являється комбінованою об’єднуюча властивості двох попередніх. Внутрішня частина магнітострикційного стержня 1 забезпечує умову r ≈ -1, зовнішня частина – умову відбиття від масивної опори 6 r ≈ +1. Котушка 4 розміщена в зазорі. На рис. 4.1.2,е зображені сигнали відповідно до умов r ≈ -1, r ≈ +1 та результативний сигнал.

Рис.4.1.2. Варіанти виконання магнітострикційних перетворювачів з кріпленням в торцевій частині.

Можливий варіант жорсткого кріплення магнітострикційного стержня, зображений схематично на рис. 4.1.2, д, в якому стержень 1 вигинається під прямим кутом і кріпиться до несучої конструкції 5 .

Конструкція на рис. 4.1.3 забезпечує кріплення конструкції перетворювача в місці з’єднання магнітострикційного сердечника 1 із звукопроводом 2. Це кріплення здійснюється графітним стаканом 3, який складається з двох частин та фіксує сердечник із звукопроводом за рахунок канавки 4. Стакан закріпляється графітовими штопорними гвинтами 5. Котушка збудження 6 встановлюється на кільці 7 , а її оптимальне положення відносно торця сердечника 1 можна регулювати гайками 8.

Рис. 4.1.3. Конструкція магнітострикційного перетворювача з кріпленням в місці з’єднання із звукопроводом:1 –магнітострикційний сердечник; 2 – звукопровід; 3 – графітний стакан; 4 – канавка; 5 – штопорні гвинти; 6 – котушка збудження; 7 – кільця; 8 – регульовочна гайка.

При використанні пермендюра в якості магнітострикційного матеріалу існує ряд технічних складностей, пов’язаних із складністю виготовлення тонких трубок. Тому було запропоновано застосування пластинки пермендюра, спірально звиті по довжині.

Нікелеві перетворювачі можна застосовувати у вигляді розрізаних по довжині трубок, пакетів з штампованих пластин. Пропонується використовувати стежень, виготовлений намотуванням на тонку оправу попередньо окисленою нікелевої фольги, що забезпечує малі втрати на вихрові струми і спрощує задачу погодження із звукопроводом безпосередньо забезпечення необхідного січення випромінювача вибором кількості намотаних витків.

В конструкціях з димферуванням останнє забезпечується обхватом заднього не робочого торця сердечника резиною або іншим вібропоглинаючим матеріалом. Для покращення якості обхвату можна попередньо спресувати хвостову части ну не робочого торця сердечника у формі пластини.

Рис. 4.1.4. Магнітострикційні перетворювачі для обертових коливань.

Інтереси з точки зору розробників ультразвукового термометра представляють перетворювачі для створення обертових коливань,які використовують ефект Відемана. Ці перетворювачі ефективні при створенні багатозонних термометрів. Схематичний принцип роботи такого магнітострикційного перетворювача зображено на рис. 4.1.4, а , де 1 – котушка збудження; 2 – магнітострикційний стержень або трубка; 3 – магніт. Використовуючи схему на рис. 4.1.4,б та комутуючи відповідним способом цепочка постійного струму та струму збудження, можна забезпечити функціонування перетворювача в режимі випромінювання або обертових, або повздовжніх коливань.

Поєднання магнітострикційного (або п’єзоелектричного) перетворювача із звукопроводом здійснюється клеєм, пайкою або зварюванням. Це повинно забезпечувати якісну передачу акустичного сигналу в звукопровід без додаткових паразитних відбиттів. Від якості цього з’єднаня в певній степені може залежати якість ультразвукового термометра. У випадку стержневих перетворювачів повздовжніх хвиль в місці з’єднання повинна дотримуватись умови:

, (4.2)

де – густина;– швидкість; S – площа січення ( індекси «п» та «з» відносяться до сердечника перетворювача та звувкопровода). Для обертових коливань необхідне виконання умови

, (4.3)

де j – момент інерції поперечного січення відносно осі.

Найкращу якість з’єднання забезпечують зварні та паяльні з’єднання. Деколи доводиться застосовувати спеціальні заходи для забезпечення високої якості з’єднання. Так, для з’єднання нікелевого магнітострикційного перетворювача з молібденовим звукопроводом останній попередньо покривають шаром нікелю товщиною до 3 мкм гальванічним способом, а потім пропаюють місце стику срібловмістимим припоєм.